一、固相無擴散(san)和完全擴散(san)效應

  含(han)鉻鎳不銹鋼在凝固過程中，根(gen)據元素(su)鉻和鎳當(dang)量(liang)濃度比(bi)凝固模(mo)式(shi)可分為(wei)以下(xia)四(si)類。

  在(zai)平(ping)衡(heng)(heng)和(he)(he)(he)Scheil凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)過程中(zhong)(zhong)(zhong)，D1~D5鑄錠內(nei)，［％N]uiq隨(sui)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)的變(bian)(bian)化趨勢完全一致。以D1為例，對平(ping)衡(heng)(heng)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)而(er)言［圖2-51(a)],貧(pin)氮(dan)(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（鐵(tie)素(su)體相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)δ)的不斷形成(cheng)［78],導致氮(dan)(dan)(dan)(dan)在(zai)殘余(yu)(yu)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)大量(liang)富(fu)(fu)集(ji)(ji)，［％N]iq快速增(zeng)大，直到(dao)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)達到(dao)0.96左右。隨(sui)后，富(fu)(fu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（奧(ao)氏(shi)體相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ和(he)(he)(he)AIN)持續(xu)形成(cheng)，由于富(fu)(fu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)的平(ping)衡(heng)(heng)分(fen)配系數(shu)和(he)(he)(he)溶解度均大于貧(pin)氮(dan)(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)［25,771,致使(shi)［％N]iq的增(zeng)長速率陡降(jiang)(jiang)，致使(shi)［％N]iq在(zai)隨(sui)后的凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)過程中(zhong)(zhong)(zhong)幾乎(hu)保(bao)持不變(bian)(bian)。氮(dan)(dan)(dan)(dan)、鎳和(he)(he)(he)錳一起富(fu)(fu)集(ji)(ji)在(zai)富(fu)(fu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ奧(ao)氏(shi)體中(zhong)(zhong)(zhong)，且富(fu)(fu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ奧(ao)氏(shi)體中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)質(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)明(ming)顯大于貧(pin)氮(dan)(dan)(dan)(dan)鐵(tie)素(su)體相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)δ,差(cha)值可達0.28%.在(zai)Scheil凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)過程中(zhong)(zhong)(zhong)，［％N]1iq變(bian)(bian)化規律如圖2-51(b)所(suo)示(shi)，當(dang)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)小于0.97時，［％N]iq隨(sui)著(zhu)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)的增(zeng)加而(er)快速增(zeng)大，隨(sui)后［％N]iq增(zeng)長速率陡降(jiang)(jiang)，同時［％N]iiq也隨(sui)之發(fa)(fa)生斷裂式下降(jiang)(jiang)，明(ming)顯區別(bie)于平(ping)衡(heng)(heng)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)。與(yu)平(ping)衡(heng)(heng)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比(bi)，由于Scheil凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)無擴散(san)，導致氮(dan)(dan)(dan)(dan)、錳、鉻和(he)(he)(he)鉬在(zai)殘余(yu)(yu)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的富(fu)(fu)集(ji)(ji)程度明(ming)顯大于其在(zai)平(ping)衡(heng)(heng)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)中(zhong)(zhong)(zhong)的富(fu)(fu)集(ji)(ji)（圖2-52),促(cu)進了氮(dan)(dan)(dan)(dan)化物［密(mi)排(pai)六方（hcp)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)］的形成(cheng)，進而(er)致使(shi)［％N]iq發(fa)(fa)生斷裂式下降(jiang)(jiang)［圖2-51(b)]。

  凝固過程中(zhong)相(xiang)(xiang)的(de)種類(lei)以及成(cheng)分對殘(can)余液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)偏析有至關重要的(de)影響。富(fu)(fu)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)（奧氏體相(xiang)(xiang)γ、AIN和hcp相(xiang)(xiang)）的(de)持續形成(cheng)，減(jian)(jian)小了(le)枝晶(jing)干(gan)與(yu)枝晶(jing)間(jian)殘(can)余液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)之(zhi)間(jian)氮(dan)(dan)質量分數的(de)差距，進而減(jian)(jian)輕了(le)枝晶(jing)間(jian)殘(can)余液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)偏析，有助于避免鋼液(ye)(ye)中(zhong)氮(dan)(dan)氣(qi)泡大(da)范圍地(di)形成(cheng)和長大(da)，與(yu)Makaya等的(de)研究(jiu)一致。因此，富(fu)(fu)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)（奧氏體相(xiang)(xiang)γ、AIN和hcp相(xiang)(xiang)）的(de)形成(cheng)有利(li)于抑(yi)制鋼中(zhong)氮(dan)(dan)氣(qi)孔的(de)形成(cheng)。

二、固相反擴散效應

  碳、氮等間(jian)隙(xi)原子(zi)，其固(gu)相擴散系數較大(da)，其實(shi)際(ji)微觀偏析(xi)程(cheng)度(du)處于(yu)固(gu)相無擴散和固(gu)相完全(quan)擴散條(tiao)件(jian)元(yuan)素(su)偏析(xi)之間(jian)，為(wei)了(le)更好(hao)地貼合實(shi)際(ji)情況，基于(yu)C-K模型，可(ke)做以下假設，建立一(yi)種適合高(gao)氮鋼凝固(gu)溶質再分配(pei)的模型。

（1)Fe-N相(xiang)圖的液相(xiang)線(xian)(xian)和固相(xiang)線(xian)(xian)是直線(xian)(xian)。

（2)液相(xiang)完全擴散(san)，固相(xiang)不(bu)完全擴散(san)。

（3)固(gu)－液界面的(de)推進速度呈拋(pao)物線(xian)狀。

（4)溶(rong)質元素在(zai)固相中的擴散存在(zai)邊界(jie)層。

（5)溶質(zhi)橫向分(fen)布均勻。

（6)忽(hu)略其他元(yuan)素的偏析。

（7)不考慮凝固過程中氮(dan)析出的損失。

高(gao)氮鋼在凝固過程中(zhong)，隨著凝固的進(jin)行，凝固界面(mian)固相氮濃度(du)可表示為(wei)

  從圖(tu)中(zhong)可以看(kan)(kan)出(chu)，隨著(zhu)凝固(gu)的(de)(de)進(jin)行，氮濃度逐漸增(zeng)大，且固(gu)相(xiang)率越大時(shi)，氮濃度增(zeng)加得越快。當前沿氮濃度超過(guo)其飽和值(zhi)時(shi)，便會有氮氣泡析(xi)(xi)出(chu)的(de)(de)可能。從微觀(guan)偏(pian)析(xi)(xi)方程（2-114)可以看(kan)(kan)出(chu)，影響微觀(guan)偏(pian)析(xi)(xi)的(de)(de)因素只有凝固(gu)參(can)數(shu)α和偏(pian)析(xi)(xi)參(can)數(shu)k,下面就這兩方面進(jin)行討論(lun)分析(xi)(xi)。

 1. 凝固參(can)數α

  由凝固參數的(de)(de)表達(da)式(shi)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，a值(zhi)的(de)(de)大小與氮(dan)(dan)在(zai)該鋼中的(de)(de)固相擴散系(xi)數、鋼的(de)(de)固相線溫度(du)、液相線溫度(du)及冷卻強度(du)有關(guan)。對(dui)于(yu)特(te)定(ding)的(de)(de)鋼種(zhong)，α值(zhi)是在(zai)一定(ding)范(fan)圍(wei)的(de)(de)。如高(gao)氮(dan)(dan)鋼，α為2~3[82](圖(tu)2-54陰影分），偏(pian)析程度(du)Dp可(ke)以(yi)達(da)到(dao)5%,α越(yue)小，偏(pian)析越(yue)嚴(yan)重，在(zai)高(gao)氮(dan)(dan)鋼熔煉過程中應(ying)該盡量避免氮(dan)(dan)偏(pian)析。但(dan)對(dui)于(yu)修正后的(de)(de)α,α值(zhi)的(de)(de)變化對(dui)偏(pian)析程度(du)影響較(jiao)小。

 2. 分配系數k

  分配(pei)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)的表達式是(shi)k=Cs/C,是(shi)凝(ning)固過(guo)程中(zhong)(zhong)固相(xiang)(xiang)濃度(du)(du)與(yu)液(ye)相(xiang)(xiang)濃度(du)(du)的比值。它是(shi)表征元素(su)是(shi)否易偏(pian)析(xi)的參數(shu)(shu)(shu)。碳、硫、磷(lin)等都是(shi)非(fei)常(chang)容易偏(pian)析(xi)的元素(su)，且這(zhe)些元素(su)在(zai)(zai)不同的固相(xiang)(xiang)（如8-Fe相(xiang)(xiang)、奧氏體(ti)相(xiang)(xiang)）中(zhong)(zhong)偏(pian)析(xi)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)是(shi)不同的。對于(yu)要(yao)研究的氮元素(su)，它在(zai)(zai)奧氏體(ti)中(zhong)(zhong)的偏(pian)析(xi)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)要(yao)大于(yu)在(zai)(zai)鐵素(su)體(ti)中(zhong)(zhong)的偏(pian)析(xi)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)，氮在(zai)(zai)鐵素(su)體(ti)中(zhong)(zhong)的分配(pei)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)一般取0.38,在(zai)(zai)奧氏體(ti)中(zhong)(zhong)的分配(pei)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)一般取0.48,分配(pei)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)越小，偏(pian)析(xi)程度(du)(du)越嚴重。另外，分配(pei)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)還與(yu)凝(ning)固條件（如凝(ning)固速率、擴散(san)邊界層(ceng)厚度(du)(du)）等相(xiang)(xiang)關。