一、固(gu)相無(wu)擴散(san)和完全擴散(san)效應

  含(han)鉻鎳不(bu)銹鋼在凝固(gu)(gu)過程中，根據元素(su)鉻和鎳當量濃度比凝固(gu)(gu)模式可分為以(yi)下四類。

  在(zai)平(ping)衡(heng)和Scheil凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)，D1~D5鑄(zhu)錠內，［％N]uiq隨(sui)固(gu)(gu)(gu)相(xiang)質(zhi)量(liang)分數(shu)的(de)變(bian)化趨勢(shi)完全一致(zhi)(zhi)。以(yi)D1為(wei)例，對平(ping)衡(heng)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)而(er)言(yan)［圖2-51(a)],貧氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)（鐵素體(ti)相(xiang)δ)的(de)不(bu)斷(duan)(duan)形成［78],導致(zhi)(zhi)氮(dan)(dan)(dan)在(zai)殘余液相(xiang)中(zhong)大(da)(da)(da)(da)量(liang)富(fu)集，［％N]iq快速增大(da)(da)(da)(da)，直到固(gu)(gu)(gu)相(xiang)質(zhi)量(liang)分數(shu)達到0.96左右(you)。隨(sui)后(hou)，富(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)（奧(ao)氏(shi)體(ti)相(xiang)γ和AIN)持(chi)續(xu)形成，由于富(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)的(de)平(ping)衡(heng)分配系數(shu)和溶解度均大(da)(da)(da)(da)于貧氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)［25,771,致(zhi)(zhi)使(shi)［％N]iq的(de)增長(chang)速率陡降，致(zhi)(zhi)使(shi)［％N]iq在(zai)隨(sui)后(hou)的(de)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)幾(ji)乎保持(chi)不(bu)變(bian)。氮(dan)(dan)(dan)、鎳和錳(meng)一起富(fu)集在(zai)富(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)γ奧(ao)氏(shi)體(ti)中(zhong)，且富(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)γ奧(ao)氏(shi)體(ti)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)質(zhi)量(liang)分數(shu)明(ming)顯(xian)大(da)(da)(da)(da)于貧氮(dan)(dan)(dan)鐵素體(ti)相(xiang)δ,差值(zhi)可達0.28%.在(zai)Scheil凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)，［％N]1iq變(bian)化規律(lv)如圖2-51(b)所示，當(dang)固(gu)(gu)(gu)相(xiang)質(zhi)量(liang)分數(shu)小于0.97時(shi)，［％N]iq隨(sui)著(zhu)固(gu)(gu)(gu)相(xiang)質(zhi)量(liang)分數(shu)的(de)增加而(er)快速增大(da)(da)(da)(da)，隨(sui)后(hou)［％N]iq增長(chang)速率陡降，同時(shi)［％N]iiq也(ye)隨(sui)之發生斷(duan)(duan)裂式(shi)下降，明(ming)顯(xian)區別于平(ping)衡(heng)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)。與(yu)平(ping)衡(heng)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)相(xiang)比，由于Scheil凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)固(gu)(gu)(gu)相(xiang)無擴散，導致(zhi)(zhi)氮(dan)(dan)(dan)、錳(meng)、鉻和鉬在(zai)殘余液相(xiang)中(zhong)的(de)富(fu)集程(cheng)度明(ming)顯(xian)大(da)(da)(da)(da)于其在(zai)平(ping)衡(heng)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)(gu)中(zhong)的(de)富(fu)集（圖2-52),促進了氮(dan)(dan)(dan)化物(wu)［密排六(liu)方（hcp)相(xiang)］的(de)形成，進而(er)致(zhi)(zhi)使(shi)［％N]iq發生斷(duan)(duan)裂式(shi)下降［圖2-51(b)]。

  凝(ning)固過程中(zhong)相(xiang)(xiang)的(de)種(zhong)類以及成分對殘(can)(can)余液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)偏析有(you)至關重要的(de)影響。富氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)（奧(ao)氏(shi)體相(xiang)(xiang)γ、AIN和hcp相(xiang)(xiang)）的(de)持續(xu)形成，減小了(le)枝(zhi)晶(jing)干與枝(zhi)晶(jing)間(jian)殘(can)(can)余液(ye)相(xiang)(xiang)之間(jian)氮(dan)(dan)質量分數的(de)差(cha)距(ju)，進而減輕了(le)枝(zhi)晶(jing)間(jian)殘(can)(can)余液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)偏析，有(you)助于(yu)避免鋼(gang)液(ye)中(zhong)氮(dan)(dan)氣泡(pao)大范圍地形成和長大，與Makaya等的(de)研究一致。因此，富氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)（奧(ao)氏(shi)體相(xiang)(xiang)γ、AIN和hcp相(xiang)(xiang)）的(de)形成有(you)利于(yu)抑制鋼(gang)中(zhong)氮(dan)(dan)氣孔的(de)形成。

二、固相反擴散效應

  碳(tan)、氮(dan)等(deng)間隙原子，其(qi)固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)擴(kuo)散(san)系(xi)數(shu)較大(da)，其(qi)實(shi)際微觀偏(pian)析程(cheng)度(du)處于(yu)固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)無擴(kuo)散(san)和固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)完(wan)全(quan)擴(kuo)散(san)條件元素偏(pian)析之間，為了更好地貼合(he)實(shi)際情況(kuang)，基于(yu)C-K模(mo)型，可做以下假設，建(jian)立一(yi)種適合(he)高氮(dan)鋼凝固(gu)(gu)溶質再分配(pei)的模(mo)型。

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

（2)液(ye)相完(wan)全擴散，固相不(bu)完(wan)全擴散。

（3)固(gu)－液界(jie)面的推進速度呈(cheng)拋物線(xian)狀(zhuang)。

（4)溶質元素在(zai)(zai)固相中的(de)擴散存在(zai)(zai)邊界層。

（5)溶質橫向分(fen)布均勻。

（6)忽略其(qi)他元素的偏(pian)析。

（7)不考(kao)慮(lv)凝固過程中氮析(xi)出的損失。

高氮鋼在凝固過程中(zhong)，隨著(zhu)凝固的進(jin)行，凝固界面固相氮濃(nong)度(du)可表示(shi)為

  從圖中可以看(kan)出(chu)，隨著(zhu)凝(ning)(ning)固(gu)的(de)進行(xing)，氮濃(nong)度逐漸增大，且固(gu)相率越大時(shi)(shi)，氮濃(nong)度增加得越快。當前沿氮濃(nong)度超過其飽和值時(shi)(shi)，便(bian)會有(you)氮氣泡(pao)析(xi)(xi)(xi)出(chu)的(de)可能。從微(wei)觀偏析(xi)(xi)(xi)方程（2-114)可以看(kan)出(chu)，影響(xiang)微(wei)觀偏析(xi)(xi)(xi)的(de)因素只(zhi)有(you)凝(ning)(ning)固(gu)參數α和偏析(xi)(xi)(xi)參數k,下面(mian)就這兩方面(mian)進行(xing)討論(lun)分析(xi)(xi)(xi)。

 1. 凝固(gu)參(can)數α

  由凝固參數的(de)表達(da)式(shi)可以看出(chu)，a值(zhi)的(de)大小與氮(dan)在(zai)(zai)該(gai)鋼(gang)(gang)中的(de)固相擴散系(xi)數、鋼(gang)(gang)的(de)固相線溫(wen)度、液相線溫(wen)度及冷卻強(qiang)度有關。對于特定的(de)鋼(gang)(gang)種，α值(zhi)是在(zai)(zai)一定范圍(wei)的(de)。如高(gao)氮(dan)鋼(gang)(gang)，α為2~3[82](圖2-54陰(yin)影(ying)分），偏析程度Dp可以達(da)到5%,α越(yue)(yue)小，偏析越(yue)(yue)嚴重，在(zai)(zai)高(gao)氮(dan)鋼(gang)(gang)熔煉過程中應該(gai)盡量避免氮(dan)偏析。但對于修正后的(de)α,α值(zhi)的(de)變化對偏析程度影(ying)響較小。

 2. 分配(pei)系數k

  分(fen)(fen)配(pei)系數(shu)的(de)表(biao)達式是(shi)k=Cs/C,是(shi)凝(ning)固(gu)過程中(zhong)(zhong)(zhong)固(gu)相(xiang)(xiang)濃度(du)與液相(xiang)(xiang)濃度(du)的(de)比(bi)值。它是(shi)表(biao)征元(yuan)素是(shi)否易偏析(xi)(xi)的(de)參數(shu)。碳、硫、磷等(deng)都是(shi)非(fei)常(chang)容易偏析(xi)(xi)的(de)元(yuan)素，且(qie)這些(xie)元(yuan)素在(zai)(zai)不同的(de)固(gu)相(xiang)(xiang)（如(ru)8-Fe相(xiang)(xiang)、奧(ao)氏(shi)體(ti)相(xiang)(xiang)）中(zhong)(zhong)(zhong)偏析(xi)(xi)系數(shu)是(shi)不同的(de)。對于(yu)要研(yan)究(jiu)的(de)氮元(yuan)素，它在(zai)(zai)奧(ao)氏(shi)體(ti)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)偏析(xi)(xi)系數(shu)要大于(yu)在(zai)(zai)鐵素體(ti)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)偏析(xi)(xi)系數(shu)，氮在(zai)(zai)鐵素體(ti)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)分(fen)(fen)配(pei)系數(shu)一般取0.38,在(zai)(zai)奧(ao)氏(shi)體(ti)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)分(fen)(fen)配(pei)系數(shu)一般取0.48,分(fen)(fen)配(pei)系數(shu)越小，偏析(xi)(xi)程度(du)越嚴重。另(ling)外，分(fen)(fen)配(pei)系數(shu)還與凝(ning)固(gu)條件（如(ru)凝(ning)固(gu)速率、擴散邊界層厚度(du)）等(deng)相(xiang)(xiang)關。