一、固相無擴(kuo)(kuo)散和(he)完(wan)全擴(kuo)(kuo)散效應

  含鉻鎳(nie)不銹(xiu)鋼在凝(ning)固過程(cheng)中，根據元素鉻和鎳(nie)當量濃度比(bi)凝(ning)固模式可分為以下四類。

  在(zai)(zai)平衡(heng)和(he)(he)Scheil凝固(gu)(gu)過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)，D1~D5鑄錠內，［％N]uiq隨(sui)(sui)固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)質量(liang)分(fen)(fen)數(shu)(shu)的(de)(de)變(bian)化(hua)趨勢完(wan)全一(yi)致(zhi)(zhi)(zhi)。以D1為(wei)例，對平衡(heng)凝固(gu)(gu)而言［圖(tu)2-51(a)],貧氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)（鐵(tie)素體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)δ)的(de)(de)不(bu)斷形成(cheng)(cheng)［78],導(dao)致(zhi)(zhi)(zhi)氮(dan)(dan)在(zai)(zai)殘余液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)大(da)(da)量(liang)富(fu)(fu)集(ji)，［％N]iq快速增(zeng)大(da)(da)，直到固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)質量(liang)分(fen)(fen)數(shu)(shu)達(da)到0.96左右。隨(sui)(sui)后，富(fu)(fu)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)（奧氏(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)γ和(he)(he)AIN)持(chi)(chi)續形成(cheng)(cheng)，由于(yu)(yu)富(fu)(fu)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)的(de)(de)平衡(heng)分(fen)(fen)配系數(shu)(shu)和(he)(he)溶解度(du)均大(da)(da)于(yu)(yu)貧氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)［25,771,致(zhi)(zhi)(zhi)使［％N]iq的(de)(de)增(zeng)長速率(lv)陡降，致(zhi)(zhi)(zhi)使［％N]iq在(zai)(zai)隨(sui)(sui)后的(de)(de)凝固(gu)(gu)過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)幾(ji)乎保(bao)持(chi)(chi)不(bu)變(bian)。氮(dan)(dan)、鎳和(he)(he)錳一(yi)起富(fu)(fu)集(ji)在(zai)(zai)富(fu)(fu)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)γ奧氏(shi)體(ti)(ti)(ti)中(zhong)(zhong)，且富(fu)(fu)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)γ奧氏(shi)體(ti)(ti)(ti)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)質量(liang)分(fen)(fen)數(shu)(shu)明顯(xian)大(da)(da)于(yu)(yu)貧氮(dan)(dan)鐵(tie)素體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)δ,差值可達(da)0.28%.在(zai)(zai)Scheil凝固(gu)(gu)過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)，［％N]1iq變(bian)化(hua)規律如圖(tu)2-51(b)所示，當固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)質量(liang)分(fen)(fen)數(shu)(shu)小于(yu)(yu)0.97時，［％N]iq隨(sui)(sui)著固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)質量(liang)分(fen)(fen)數(shu)(shu)的(de)(de)增(zeng)加而快速增(zeng)大(da)(da)，隨(sui)(sui)后［％N]iq增(zeng)長速率(lv)陡降，同時［％N]iiq也隨(sui)(sui)之發生(sheng)斷裂式(shi)下降，明顯(xian)區別于(yu)(yu)平衡(heng)凝固(gu)(gu)。與平衡(heng)凝固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)比，由于(yu)(yu)Scheil凝固(gu)(gu)固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)(xiang)無擴散，導(dao)致(zhi)(zhi)(zhi)氮(dan)(dan)、錳、鉻(ge)和(he)(he)鉬在(zai)(zai)殘余液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)的(de)(de)富(fu)(fu)集(ji)程(cheng)度(du)明顯(xian)大(da)(da)于(yu)(yu)其在(zai)(zai)平衡(heng)凝固(gu)(gu)中(zhong)(zhong)的(de)(de)富(fu)(fu)集(ji)（圖(tu)2-52),促進(jin)了氮(dan)(dan)化(hua)物［密排六方(fang)（hcp)相(xiang)(xiang)(xiang)］的(de)(de)形成(cheng)(cheng)，進(jin)而致(zhi)(zhi)(zhi)使［％N]iq發生(sheng)斷裂式(shi)下降［圖(tu)2-51(b)]。

  凝固過程中相(xiang)(xiang)的(de)(de)種類以及(ji)成分對殘(can)余液(ye)相(xiang)(xiang)中氮(dan)偏(pian)析有(you)至(zhi)關重要的(de)(de)影響。富(fu)氮(dan)相(xiang)(xiang)（奧氏(shi)體相(xiang)(xiang)γ、AIN和(he)hcp相(xiang)(xiang)）的(de)(de)持續(xu)形(xing)成，減小了枝晶(jing)(jing)干與枝晶(jing)(jing)間(jian)殘(can)余液(ye)相(xiang)(xiang)之間(jian)氮(dan)質量(liang)分數的(de)(de)差距，進而減輕了枝晶(jing)(jing)間(jian)殘(can)余液(ye)相(xiang)(xiang)中氮(dan)偏(pian)析，有(you)助于避免鋼(gang)液(ye)中氮(dan)氣(qi)泡大范圍地形(xing)成和(he)長大，與Makaya等的(de)(de)研究一(yi)致(zhi)。因此(ci)，富(fu)氮(dan)相(xiang)(xiang)（奧氏(shi)體相(xiang)(xiang)γ、AIN和(he)hcp相(xiang)(xiang)）的(de)(de)形(xing)成有(you)利(li)于抑制鋼(gang)中氮(dan)氣(qi)孔的(de)(de)形(xing)成。

二、固相反擴散效應

  碳、氮等(deng)間隙(xi)原子，其(qi)固(gu)相(xiang)擴(kuo)散系(xi)數較(jiao)大，其(qi)實(shi)際(ji)微觀(guan)偏析程度處(chu)于(yu)固(gu)相(xiang)無擴(kuo)散和固(gu)相(xiang)完全擴(kuo)散條件元素(su)偏析之間，為了更(geng)好地貼合實(shi)際(ji)情況(kuang)，基(ji)于(yu)C-K模型，可做以下假設，建立一種適合高氮鋼凝固(gu)溶質再分配的(de)模型。

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

（2)液(ye)相(xiang)完(wan)全(quan)擴散，固相(xiang)不完(wan)全(quan)擴散。

（3)固－液(ye)界面的推進速度呈拋(pao)物(wu)線狀。

（4)溶質元素在固相中的擴散存在邊界層。

（5)溶質(zhi)橫向分布均勻。

（6)忽略其他元素的偏(pian)析。

（7)不考慮凝(ning)固過(guo)程(cheng)中氮析出的損失。

高氮(dan)鋼在凝(ning)固過程(cheng)中(zhong)，隨著凝(ning)固的進行，凝(ning)固界面固相氮(dan)濃度(du)可表示為(wei)

  從(cong)圖中可以看出(chu)，隨(sui)著凝固的(de)進行，氮(dan)(dan)濃(nong)(nong)度(du)逐漸增大，且(qie)固相率(lv)越大時，氮(dan)(dan)濃(nong)(nong)度(du)增加得(de)越快。當前沿氮(dan)(dan)濃(nong)(nong)度(du)超過其飽和(he)值時，便會有氮(dan)(dan)氣泡析出(chu)的(de)可能。從(cong)微(wei)觀(guan)偏(pian)析方程（2-114)可以看出(chu)，影響(xiang)微(wei)觀(guan)偏(pian)析的(de)因素只有凝固參(can)數α和(he)偏(pian)析參(can)數k,下面(mian)就(jiu)這兩(liang)方面(mian)進行討論分析。

 1. 凝固參數α

  由凝(ning)固參數(shu)的表達式可(ke)以看出，a值(zhi)的大小(xiao)與氮(dan)(dan)在(zai)(zai)該鋼(gang)中(zhong)的固相(xiang)擴(kuo)散(san)系數(shu)、鋼(gang)的固相(xiang)線(xian)溫度、液相(xiang)線(xian)溫度及冷(leng)卻(que)強(qiang)度有關。對于特定的鋼(gang)種，α值(zhi)是在(zai)(zai)一定范圍的。如(ru)高氮(dan)(dan)鋼(gang)，α為2~3[82](圖(tu)2-54陰影分），偏析(xi)程度Dp可(ke)以達到5%,α越(yue)小(xiao)，偏析(xi)越(yue)嚴(yan)重，在(zai)(zai)高氮(dan)(dan)鋼(gang)熔煉(lian)過程中(zhong)應該盡量避(bi)免氮(dan)(dan)偏析(xi)。但(dan)對于修正后(hou)的α,α值(zhi)的變化(hua)對偏析(xi)程度影響較小(xiao)。

 2. 分(fen)配系(xi)數k

  分配(pei)系(xi)(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)表達式(shi)是k=Cs/C,是凝固過程中(zhong)固相(xiang)(xiang)濃(nong)度(du)與(yu)液相(xiang)(xiang)濃(nong)度(du)的(de)(de)(de)比值。它是表征元素(su)是否易(yi)偏(pian)(pian)析的(de)(de)(de)參數(shu)(shu)。碳、硫(liu)、磷等都是非常容易(yi)偏(pian)(pian)析的(de)(de)(de)元素(su)，且這些元素(su)在(zai)不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)固相(xiang)(xiang)（如8-Fe相(xiang)(xiang)、奧(ao)氏體相(xiang)(xiang)）中(zhong)偏(pian)(pian)析系(xi)(xi)數(shu)(shu)是不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)。對(dui)于(yu)要(yao)研究的(de)(de)(de)氮元素(su)，它在(zai)奧(ao)氏體中(zhong)的(de)(de)(de)偏(pian)(pian)析系(xi)(xi)數(shu)(shu)要(yao)大于(yu)在(zai)鐵(tie)(tie)素(su)體中(zhong)的(de)(de)(de)偏(pian)(pian)析系(xi)(xi)數(shu)(shu)，氮在(zai)鐵(tie)(tie)素(su)體中(zhong)的(de)(de)(de)分配(pei)系(xi)(xi)數(shu)(shu)一般取0.38,在(zai)奧(ao)氏體中(zhong)的(de)(de)(de)分配(pei)系(xi)(xi)數(shu)(shu)一般取0.48,分配(pei)系(xi)(xi)數(shu)(shu)越小(xiao)，偏(pian)(pian)析程度(du)越嚴(yan)重(zhong)。另外(wai)，分配(pei)系(xi)(xi)數(shu)(shu)還與(yu)凝固條件（如凝固速率、擴散邊(bian)界層厚度(du)）等相(xiang)(xiang)關。