朱立光等：ND钢连铸坯两相区内的微观偏析模型 ·465· 表4ND钢化学成分（质量分数） Table 4 ND steel element composition % C Si Mn P Cu Ni Cr 0.07-0.125 0.20~0.40 0.40-0.60 <0.025 <0.010 0.25-0.45 0.10-0.20 0.75-1.00 C、Si、Mn、P、S、Cu、Ni和Cr元素的初始质量分 元素在枝晶间残余液相中的偏析程度再次提高.由 数分别为0.11%、0.3%、0.5%、0.02%、0.007%、 于ND钢Mn和S的初始质量分数较低，在凝固过程 0.3%、0.15%、0.8%时ND钢枝晶间凝固前沿温度 中枝晶间Mn和S元素的质量分数乘积始终低于对 随固相率的变化见图2，残余液相中(C、Si、Mn、P、 应温度下MnS析出时Mn和S元素的平衡质量分数 S、Cu、Ni和Cr)溶质元素的偏析比随固相率的变化 乘积，所以在凝固过程中Mn元素没有对S元素偏 见图3.结合图2和图3可知，随着温度的不断降 析产生抑制作用. 低，δ相首先从液相中析出，并将多余溶质排到凝固 Cu元素的kL/ksL大于1，在凝固后期Cu元素 前沿的残余液相中，由于S、C、P、Cu、Mn、Si、Ni和Cr 进入枝晶间残余液相中的含量减少.根据文献4] 元素在8/L界面的平衡分配系数依次增大，因此其 可知，在钢中Ni元素与Cu元素的质量比为0.5的 偏析程度依次递减. 条件下，钢中Cu元素的质量分数超过0.75%时才 1525 会显著提高裂纹的敏感性，由于ND钢中初始Cu元 1520 素的质量分数为0.25%至0.45%，初始Ni元素的 1515 质量分数为0.10%至0.2%，且Cu元素偏析程度始 1510 1505 终维持在较低水平（偏析比基本维持在2.1左右）， 21500 因此可以推断C山元素不能主导裂纹的诱发， 1495 2.3碳含量的影响 1490 图4为Si、Mn、P、S、Cu、Ni和Cr元素的初始质 1485 1480 量分数分别为0.3%、0.5%、0.02%、0.007%、 1475 0.3%、0.15%、0.8%时，ND钢在固相率分别在 1470 0 0.20.40.60.8 10 0.75、0.99条件下，枝晶间残余液相中溶质元素偏 固相率 析随初始C质量分数的变化.由图4可知，随着 图2ND钢枝品间残余液相凝固点温度随固相率的变化 C。.c的增加，各溶质元素的偏析程度和趋势都不尽 Fig.2 Changes in temperature of the residual liquid phase solidifica- tion point of ND steel dendrite with solid phase ratio 相同.当Co.c<0.095%时，随着Co.c的增加，凝固温 度区间(T-Ts)增大，本地凝固时间也随之延长， 各溶质元素在δ相内的反向扩散更加充分，从而降 低了各溶质元素在枝晶间残余液相中的偏析程度. 一Mn 20 P 当C。.c≥0.095%，凝固过程中包晶反应出现，由于 15 -Cu Si、P、S等溶质元素在δ相内的反向扩散系数远大 +一Cr 于在y相内的反向扩散系数，并且Si、P和S在yL 10 界面的平衡分配系数kL小于在8L界面的平衡分 配系数k,导致在凝固后期，枝晶间的残余液相中 Si、P和S元素的偏析程度增加，其中P、S元素的偏 析增幅显著.C山元素在yL界面的平衡分配系数 0.20.40.6 0.8 kL大于在δ/L界面的平衡分配系数k,导致凝固 固相率 图3凝固过程中枝晶间各元素偏析比变化 后期生成Y相时，Cu元素偏析比缓慢降低且较低水 Fig.3 Segregation ratio of each element of the dendrites in the solid- 平.Cr和Ni元素在8L、yL和8/y界面的平衡分 ification process 配系数都趋近于1，所以无论钢液以什么方式凝固， 凝固后期出现包晶反应，由于S和P的kL/ Cr和Ni元素在枝晶间的残余液相中偏析程度都维 kL(即元素在yL界面的平衡分配系数与元素在 持在较低水平.因此，可以认为：在钢液凝固过程中 8/L界面平衡分配系数的比值)小于1，致使S和P C含量的增加对Si、Cu、Ni和Cr元素的偏析影响较朱立光等: ND 钢连铸坯两相区内的微观偏析模型 表 4 ND 钢化学成分( 质量分数) Table 4 ND steel element composition % C Si Mn P S Cu Ni Cr 0. 07 ～ 0. 125 0. 20 ～ 0. 40 0. 40 ～ 0. 60 ＜ 0. 025 ＜ 0. 010 0. 25 ～ 0. 45 0. 10 ～ 0. 20 0. 75 ～ 1. 00 C、Si、Mn、P、S、Cu、Ni 和 Cr 元素的初始质量分 数分别为 0. 11% 、0. 3% 、0. 5% 、0. 02% 、0. 007% 、 0. 3% 、0. 15% 、0. 8% 时 ND 钢枝晶间凝固前沿温度 随固相率的变化见图 2，残余液相中( C、Si、Mn、P、 S、Cu、Ni 和 Cr) 溶质元素的偏析比随固相率的变化 见图 3． 结合图 2 和图 3 可知，随着温度的不断降 低，δ 相首先从液相中析出，并将多余溶质排到凝固 前沿的残余液相中，由于 S、C、P、Cu、Mn、Si、Ni 和 Cr 元素在 δ /L 界面的平衡分配系数依次增大，因此其 偏析程度依次递减． 图 2 ND 钢枝晶间残余液相凝固点温度随固相率的变化 Fig． 2 Changes in temperature of the residual liquid phase solidifica￾tion point of ND steel dendrite with solid phase ratio 图 3 凝固过程中枝晶间各元素偏析比变化 Fig． 3 Segregation ratio of each element of the dendrites in the solid￾ification process 凝固后期出现包晶反应，由于 S 和 P 的 kγ/ L / kδ/ L ( 即元素在 γ /L 界面的平衡分配系数与元素在 δ /L 界面平衡分配系数的比值) 小于 1，致使 S 和 P 元素在枝晶间残余液相中的偏析程度再次提高． 由 于 ND 钢 Mn 和 S 的初始质量分数较低，在凝固过程 中枝晶间 Mn 和 S 元素的质量分数乘积始终低于对 应温度下 MnS 析出时 Mn 和 S 元素的平衡质量分数 乘积，所以在凝固过程中 Mn 元素没有对 S 元素偏 析产生抑制作用． Cu 元素的 kγ/ L /kδ/ L大于 1，在凝固后期 Cu 元素 进入枝晶间残余液相中的含量减少． 根据文献［14］ 可知，在钢中 Ni 元素与 Cu 元素的质量比为 0. 5 的 条件下，钢中 Cu 元素的质量分数超过 0. 75% 时才 会显著提高裂纹的敏感性，由于 ND 钢中初始 Cu 元 素的质量分数为 0. 25% 至 0. 45% ，初始 Ni 元素的 质量分数为 0. 10% 至 0. 2% ，且 Cu 元素偏析程度始 终维持在较低水平( 偏析比基本维持在 2. 1 左右) ， 因此可以推断 Cu 元素不能主导裂纹的诱发． 2. 3 碳含量的影响 图 4 为 Si、Mn、P、S、Cu、Ni 和 Cr 元素的初始质 量 分 数 分 别 为 0. 3% 、0. 5% 、0. 02% 、0. 007% 、 0. 3% 、0. 15% 、0. 8% 时，ND 钢 在 固 相 率 分 别 在 0. 75、0. 99 条件下，枝晶间残余液相中溶质元素偏 析随初始 C 质量分数的变化． 由图 4 可知，随着 C0，C的增加，各溶质元素的偏析程度和趋势都不尽 相同． 当 C0，C ＜ 0. 095% 时，随着 C0，C的增加，凝固温 度区间( TL － TS ) 增大，本地凝固时间也随之延长， 各溶质元素在 δ 相内的反向扩散更加充分，从而降 低了各溶质元素在枝晶间残余液相中的偏析程度． 当 C0，C≥0. 095% ，凝固过程中包晶反应出现，由于 Si、P、S 等溶质元素在 δ 相内的反向扩散系数远大 于在 γ 相内的反向扩散系数，并且 Si、P 和 S 在 γ /L 界面的平衡分配系数 kγ/ L小于在 δ /L 界面的平衡分 配系数 kδ/ L，导致在凝固后期，枝晶间的残余液相中 Si、P 和 S 元素的偏析程度增加，其中 P、S 元素的偏 析增幅显著． Cu 元素在 γ /L 界面的平衡分配系数 kγ/ L大于在 δ /L 界面的平衡分配系数 kδ/ L，导致凝固 后期生成 γ 相时，Cu 元素偏析比缓慢降低且较低水 平． Cr 和 Ni 元素在 δ /L、γ /L 和 δ /γ 界面的平衡分 配系数都趋近于 1，所以无论钢液以什么方式凝固， Cr 和 Ni 元素在枝晶间的残余液相中偏析程度都维 持在较低水平． 因此，可以认为: 在钢液凝固过程中 C 含量的增加对 Si、Cu、Ni 和 Cr 元素的偏析影响较 · 564 ·