一、氮?dú)饪椎男纬蓹C(jī)理

  在21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮雙相鋼凝固過(guò)程中，氮?dú)饪仔纬珊湍糖把靥帲郏]1iq隨距離變化的規(guī)律如圖2-55所示。由于糊狀區(qū)內(nèi)大量枝晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成，液相的對(duì)流只存在于一次枝晶尖端位置附近。且枝晶間幾乎無(wú)液相的流動(dòng)。因此，枝晶間殘余液相中的氮傳質(zhì)主要依靠氮的擴(kuò)散行為，且糊狀區(qū)內(nèi)氮傳質(zhì)速率非常小。初始相貧氮鐵素體相8的氮溶解度和糊狀區(qū)的氮傳質(zhì)速率較低，導(dǎo)致在貧氮鐵素體相枝晶附近的液相中出現(xiàn)氮富集，且［％N]iq迅速增大，如圖2-55(a)所示。根據(jù)Yang和 Leel70]、Svyazhin 等、Ridolfi 和 Tassal的報(bào)道可知，當(dāng)［％N]iq的最大值超過(guò)氮?dú)馀菪纬傻呐R界氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)（［％N]pore)時(shí)，該區(qū)域有氣泡形成的可能性，如圖2-55(b)所示。在后續(xù)的凝固過(guò)程中，隨著包晶反應(yīng)的進(jìn)行，富氮奧氏體相γ以異質(zhì)形核的方式在鐵素體相8枝晶的表面開(kāi)始形核長(zhǎng)大，逐漸包裹鐵素體相枝晶表面，并開(kāi)始捕獲殘余液相中的氮?dú)馀?，?duì)比圖2-51和圖2-56可知，此時(shí)枝晶間殘余［％N]1ig的增長(zhǎng)速率減小。對(duì)平衡凝固而言，殘余液相中氮?dú)馀菪纬梢院?，氮的富集程度減弱，［％N]1iq增長(zhǎng)速率的減小程度明顯；相比之下，Scheil凝固過(guò)程中，氮?dú)馀菪纬梢院螅瑲堄嘁合嘀械患癄顟B(tài)有所緩解，但幅度很小。隨著凝固界面的進(jìn)一步推移，被捕獲的氮?dú)馀菰趭W氏體相表面開(kāi)始長(zhǎng)大，并沿凝固方向拉長(zhǎng)，如圖2-55(c)所示。

  氮?dú)饪籽貜较蛏L(zhǎng)，生長(zhǎng)方向與凝固方向一致，那么氮?dú)饪壮跏夹纬晌恢每拷T錠邊部，且氮?dú)馀莩跏嘉恢眠吘壢蓨W氏體相γ構(gòu)成（圖2-57中I區(qū)），與圖2-55描述相符。隨著氮?dú)饪妆焕L(zhǎng)，鐵素體相和奧氏體相以體積分?jǐn)?shù)比約為0.92的關(guān)系交替在氮?dú)馀葜車纬?，直到氮?dú)饪组]合。凝固結(jié)束后，氮?dú)饪椎暮暧^形貌類似于橢圓形，與Wei等的研究結(jié)果一致

二、氮微觀偏析對(duì)氮?dú)饪椎挠绊?/span>

  氮的分配系數(shù)較小，導(dǎo)致液相向固相轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，固相會(huì)將多余的氮轉(zhuǎn)移到殘余液相中，形成氮偏析。在氮偏析程度逐漸加重的過(guò)程中，當(dāng)殘余液相中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)其飽和度時(shí)，極易形成氮?dú)馀荨ｋS著凝固的進(jìn)行，若氣泡無(wú)法上浮而被捕獲，凝固結(jié)束后就會(huì)在鑄錠內(nèi)部形成氣孔。因此，凝固過(guò)程中氮偏析和溶解度對(duì)鑄錠中最終氮?dú)饪椎男纬捎兄陵P(guān)重要的作用。氮?dú)饪锥鄶?shù)情況下與疏松縮孔共存，內(nèi)壁凹凸不平呈現(xiàn)裂紋狀，且整個(gè)氣孔形狀不規(guī)則，如圖2-58所示。此類氣孔不僅與鋼液中氣泡的形成有關(guān)，還受凝固收縮等因素的影響，且多數(shù)分布于鑄錠心部，尤其在中心等軸晶區(qū)。這主要由于中心等軸晶區(qū)內(nèi)枝晶生長(zhǎng)較發(fā)達(dá)，容易形成復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而將液相分割成無(wú)數(shù)個(gè)獨(dú)立的液相區(qū)域，當(dāng)發(fā)生凝固收縮時(shí)，難以進(jìn)行補(bǔ)縮，在形成疏松縮孔的同時(shí)，局部鋼液靜壓力降低，促使氮從殘余液相中析出，從而形成了氮?dú)饪缀褪杷煽s孔共存的宏觀缺陷。

  平衡凝固時(shí)，19Cr14Mn0.9N含氮奧氏體不銹鋼殘余液相中氮偏析與體系氮溶解度的差值如圖2-59所示。凝固初期鐵素體阱（ferrite trap)的形成，導(dǎo)致氮溶解度的降低，進(jìn)而使氮偏析與體系氮溶解度差值呈現(xiàn)出略微增大的趨勢(shì)。但在后續(xù)凝固過(guò)程中，隨著鐵素體阱的消失以及富氮奧氏體相的不斷形成，差值減??；在整個(gè)凝固過(guò)程中差值始終較小，且變化幅度較窄。對(duì)于19Cr14Mn0.9N 含氮奧氏體不銹鋼，液相中氮?dú)馀莸男纬哨厔?shì)較小，難以在鑄錠內(nèi)形成獨(dú)立內(nèi)壁光滑的規(guī)則氮?dú)饪住?/span>

  此外，目前有人對(duì)奧氏體鋼凝固過(guò)程中氮?dú)饪椎男纬蛇M(jìn)行了大量研究，如Yang和Leel901研究了奧氏體鋼16Cr3NixMn(x=9和11)凝固過(guò)程中壓力和初始氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)等因素對(duì)氮?dú)饪仔纬傻挠绊懸?guī)律，并建立了相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型。Ridolfi和Tassal[84]分析了氮偏析、合金元素、冷卻速率以及枝晶間距對(duì)奧氏體鋼中氮?dú)饪椎挠绊懸?guī)律，并揭示了奧氏體鋼中氮?dú)饪仔纬蓹C(jī)理。然而，目前對(duì)于雙相鋼中氮?dú)饪仔纬傻难芯枯^少，且主要集中在合金元素、鑄造方式、冷卻速率等因素對(duì)氮?dú)饪子绊懸?guī)律的研究，鮮有對(duì)雙相鋼中氮?dú)饪仔纬蓹C(jī)理的報(bào)道。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮雙相鋼為例，氮偏析與溶解度的差值在整個(gè)凝固過(guò)程中的變化趨勢(shì)，如圖2-59所示。隨著凝固的進(jìn)行，氮偏析始終大于氮溶解度，且差值呈現(xiàn)出快速增大的趨勢(shì)。因此，在21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮雙相鋼凝固過(guò)程中，氮偏析嚴(yán)重，殘余液相內(nèi)氮?dú)馀菪纬哨厔?shì)較大，明顯高于19Cr14Mn0.9N含氮奧氏體不銹鋼。

  氮?dú)馀菪纬珊烷L(zhǎng)大具有重要的作用（圖2-60).其中，σ為氣液界面的表面張力，r為氣泡半徑。結(jié)合經(jīng)典形核理論，氮?dú)馀菰阡撘褐蟹€(wěn)定存在的必要條件為氣泡內(nèi)壓力大于作用于氣泡的所有壓力之和，即

  式中，Aso由凝固過(guò)程中除氮以外其他合金元素的微觀偏析進(jìn)行計(jì)算，其值隨著枝晶間殘余液相中氮溶解度的增加而減小，表征了枝晶間殘余液相中氮溶解度對(duì)氮?dú)馀菪纬傻挠绊懗潭?；Ase表征了枝晶間氮偏析對(duì)氮?dú)馀菪纬傻挠绊懗潭?，可由凝固過(guò)程中枝晶間殘余液相中氮偏析計(jì)算獲得，其值隨著氮偏析的增大而增大。此外，用于計(jì)算Aso和Ase時(shí)所需的合金元素偏析均由鋼凝固相變所致。

  氮?dú)馀莸男魏撕烷L(zhǎng)大過(guò)程復(fù)雜，且影響因素眾多，包括凝固收縮、冶煉環(huán)境以及坩堝材質(zhì)等。因此，很難采用Pg值精確預(yù)測(cè)凝固過(guò)程中氮?dú)馀莸男纬珊烷L(zhǎng)大。然而基于Yang等的實(shí)驗(yàn)研究［70,77],在評(píng)估凝固壓力、合金成分等因素對(duì)氮?dú)馀菪纬傻挠绊懗潭葧r(shí)，Pg起關(guān)鍵作用。實(shí)際凝固過(guò)程介于平衡凝固（固／液相中溶質(zhì)完全擴(kuò)散）和Scheil凝固（固相無(wú)溶質(zhì)擴(kuò)散，液相中完全擴(kuò)散）之間70].因此，可分別計(jì)算平衡凝固和Scheil凝固過(guò)程中的Aso、Ase和Pg,闡明實(shí)際凝固過(guò)程中壓力等因素對(duì)氮?dú)馀菪纬傻挠绊懸?guī)律。

  現(xiàn)以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮雙相鋼D1鑄錠為例，對(duì)凝固過(guò)程中Aso、Ase和P8的變化趨勢(shì)進(jìn)行計(jì)算。圖2-61描述了ΔAso(=Asa-Aso,0)和AAse(=Ase-Ase,o)隨固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)（Aso,0和Asc,0分別為D1鑄錠凝固時(shí)Aso和Ase的初始值）。

  在平衡凝固和Scheil凝固過(guò)程中，ΔAso的最小值分別為－0.145和－0.397,與此相對(duì)應(yīng)的ΔAse值最大，分別為0.68和0.92.在整個(gè)凝固過(guò)程中，由于ΔAse與ΔAso之和始終大于零，因而枝晶間殘余液相中氮偏析對(duì)D1 鑄錠凝固過(guò)程中氮?dú)馀菪纬傻挠绊懘笥诘芙舛?，起主?dǎo)作用。此外，在整個(gè)凝固過(guò)程中，P8變化趨勢(shì)如圖2-62所示，其變化規(guī)律與Young等。的研究結(jié)果一致，Pg的最大值Pg與Ase+Aso的最大值相對(duì)應(yīng)，且在平衡凝固和 Scheil 凝固過(guò)程中分別為0.63MPa和0.62MPa.此外，可通過(guò)對(duì)比不同鑄錠中的探討凝固壓力、初始氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及合金元素（鉻和錳）等對(duì)液相中氮?dú)馀菪纬傻挠绊?，進(jìn)而明晰各因素對(duì)氮?dú)饪仔纬傻挠绊懸?guī)律。