1. 常(chang)壓下(xia)基熔體的氮(dan)溶解度模(mo)型

  常溫下氮(dan)(dan)(dan)以雙原(yuan)子(zi)分子(zi)形式存(cun)在，高(gao)溫下則分解(jie)成(cheng)氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)子(zi)溶(rong)解(jie)于金屬(shu)(shu)熔(rong)(rong)(rong)體(ti)(ti)中。如圖2-1所示，氮(dan)(dan)(dan)在金屬(shu)(shu)熔(rong)(rong)(rong)體(ti)(ti)中的溶(rong)解(jie)過程可以描述如下：氮(dan)(dan)(dan)氣接(jie)觸到(dao)熔(rong)(rong)(rong)體(ti)(ti)表(biao)面(mian)后發生(sheng)物理吸(xi)附，當氣體(ti)(ti)分子(zi)和熔(rong)(rong)(rong)體(ti)(ti)表(biao)面(mian)的結(jie)合力(li)大于氣體(ti)(ti)內(nei)部(bu)(bu)分子(zi)的結(jie)合力(li)時發生(sheng)化學吸(xi)附，吸(xi)附的氮(dan)(dan)(dan)分子(zi)分解(jie)成(cheng)原(yuan)子(zi)，隨后從熔(rong)(rong)(rong)體(ti)(ti)表(biao)面(mian)向內(nei)部(bu)(bu)擴散。

  表2-1總結了(le)研究(jiu)人員在1873K、0.1MPa氮(dan)氣壓力(li)下測得的熔(rong)融(rong)鐵液(ye)(ye)(ye)中的氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度。根據文獻中的實驗數據可(ke)知，熔(rong)融(rong)鐵液(ye)(ye)(ye)的氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度集中在0.043%~0.046%范(fan)圍內(nei)。圖2-2歸納了(le)冶(ye)煉溫度對(dui)熔(rong)融(rong)鐵液(ye)(ye)(ye)中氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度的影響。可(ke)以看出，在熔(rong)融(rong)鐵液(ye)(ye)(ye)中，氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度隨溫度的升高而增大。

  若氮活度(du)的(de)參考態為合金熔體(ti)中假想的(de)1%N溶(rong)液，則0.5mol氮氣溶(rong)解(jie)于合金熔體(ti)的(de)吉(ji)布斯自由能變可以表示為

  在早期(qi)對合金熔體(ti)中氮(dan)(dan)溶解度(du)(du)的研究中，各(ge)種合金元素對氮(dan)(dan)的二(er)階(jie)活(huo)(huo)(huo)度(du)(du)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)系(xi)數(shu)(shu)及二(er)階(jie)交(jiao)叉活(huo)(huo)(huo)度(du)(du)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)系(xi)數(shu)(shu)的相(xiang)關測定(ding)尚不完善。1965年，Chipman等［18]開發了僅使用(yong)一階(jie)活(huo)(huo)(huo)度(du)(du)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)系(xi)數(shu)(shu)而不涉及高階(jie)項的氮(dan)(dan)溶解度(du)(du)模(mo)型。基于(yu)Chipman等的研究結果和1873K下不同(tong)元素對氮(dan)(dan)的一階(jie)活(huo)(huo)(huo)度(du)(du)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)系(xi)數(shu)(shu)（表2-2)[19],可(ke)以得到(dao)1873K下氮(dan)(dan)溶解度(du)(du)模(mo)型中氮(dan)(dan)的活(huo)(huo)(huo)度(du)(du)系(xi)數(shu)(shu)1gf[式(shi)（2-9)],其他冶煉(lian)溫(wen)度(du)(du)下氮(dan)(dan)的活(huo)(huo)(huo)度(du)(du)系(xi)數(shu)(shu)可(ke)由式(shi)（2-10)轉換獲(huo)得。據此，Chipman 等建立了預測不同(tong)溫(wen)度(du)(du)下合金熔體(ti)中氮(dan)(dan)溶解度(du)(du)的式(shi)（2-11)。

  隨著對(dui)(dui)多元(yuan)合(he)金(jin)熔(rong)體氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度(du)(du)(du)(du)研究的(de)(de)(de)(de)深入，各種合(he)金(jin)元(yuan)素對(dui)(dui)氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)一階(jie)、二(er)階(jie)以及(ji)二(er)階(jie)交叉活(huo)度(du)(du)(du)(du)相(xiang)互(hu)作用(yong)(yong)(yong)系(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)實驗研究與測(ce)定逐步完善。1990年，Grigorenko等。探究了合(he)金(jin)元(yuan)素對(dui)(dui)氮(dan)(dan)(dan)活(huo)度(du)(du)(du)(du)系(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)影響，認為(wei)在較高的(de)(de)(de)(de)合(he)金(jin)濃(nong)度(du)(du)(du)(du)下，僅采用(yong)(yong)(yong)一階(jie)活(huo)度(du)(du)(du)(du)相(xiang)互(hu)作用(yong)(yong)(yong)系(xi)數(shu)(shu)來計算(suan)氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)活(huo)度(du)(du)(du)(du)系(xi)數(shu)(shu)和預測(ce)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度(du)(du)(du)(du)是(shi)不夠準確的(de)(de)(de)(de)。為(wei)了進一步提高氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度(du)(du)(du)(du)預測(ce)模(mo)型的(de)(de)(de)(de)準確性(xing)，必須以二(er)階(jie)乃至更(geng)高階(jie)泰勒級數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)形式表示氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)活(huo)度(du)(du)(du)(du)系(xi)數(shu)(shu)，即引入合(he)金(jin)元(yuan)素對(dui)(dui)氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)高階(jie)活(huo)度(du)(du)(du)(du)相(xiang)互(hu)作用(yong)(yong)(yong)系(xi)數(shu)(shu)。據此，氮(dan)(dan)(dan)活(huo)度(du)(du)(du)(du)系(xi)數(shu)(shu)按高階(jie)泰勒級數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)形式展(zhan)開，可表示為(wei)

2. 常壓(ya)下(xia)Fe-20%Cr基熔體的氮溶解度模型

  鑒于以Fe-Cr 合(he)金(jin)為基礎的(de)各種合(he)金(jin)材料的(de)生產與(yu)應用非常(chang)廣(guang)泛(fan)，1996年Anson等開(kai)發了(le)種常(chang)壓(ya)下以熔融Fe-20%Cr 合(he)金(jin)為基體的(de)氮(dan)溶解(jie)度模(mo)型。在熔融Fe-20%Cr基合(he)金(jin)中，氮(dan)溶解(jie)熱力學平衡關系如下所示(shi)：

3. 高(gao)氮氣壓力(li)下的氮溶(rong)解度模型

  隨著含氮鋼種相(xiang)關研究的不斷(duan)深入，高氮鋼由(you)于其優異的力(li)學性能(neng)和耐腐(fu)蝕性能(neng)，在諸多領域得到了廣(guang)泛應用。大(da)量研究發現，在高氮氣壓(ya)力(li)下，高合金(jin)體系中(zhong)氮溶(rong)解(jie)度(du)出現了偏離 Sieverts 定律的現象，導致(zhi)高氮氣壓(ya)力(li)下氮溶(rong)解(jie)度(du)預測(ce)模(mo)型的準確度(du)大(da)幅降低。

  如圖2-3和圖2-4所示，當鉻(ge)、錳等(deng)(deng)含量較(jiao)高(gao)時(shi)(shi)，高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)合(he)金(jin)(jin)熔體的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解度(du)(du)(du)達(da)到了較(jiao)高(gao)的(de)(de)數(shu)值(zhi)，此時(shi)(shi)僅能在(zai)小(xiao)范圍(wei)內呈(cheng)線(xian)性關系，合(he)金(jin)(jin)中(zhong)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)含量依然能隨著(zhu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)增加而(er)(er)持續提高(gao)，但與低氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)時(shi)(shi)相比，高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解度(du)(du)(du)的(de)(de)增加趨勢(shi)明顯變(bian)緩。高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)對氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解度(du)(du)(du)的(de)(de)提升作(zuo)用被削弱(ruo)，具體表(biao)現為(wei)實(shi)測的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解度(du)(du)(du)［％N]低于(yu)根據Sieverts定律計算的(de)(de)值(zhi)，即圖中(zhong)各個實(shi)線(xian)（實(shi)驗值(zhi)）均(jun)處于(yu)相應虛線(xian)（計算值(zhi)）下(xia)方(fang)。同時(shi)(shi)，兩(liang)曲線(xian)的(de)(de)偏離(li)程度(du)(du)(du)隨著(zhu)鉻(ge)、錳等(deng)(deng)元(yuan)素(su)含量的(de)(de)增加而(er)(er)變(bian)得嚴重。這(zhe)表(biao)明在(zai)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)大(da)于(yu)0.1MPa的(de)(de)冶煉氣(qi)(qi)(qi)氛中(zhong)，尤其(qi)是當金(jin)(jin)屬熔體含有(you)較(jiao)高(gao)量具有(you)提升氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解度(du)(du)(du)能力(li)(li)(li)的(de)(de)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)時(shi)(shi)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解度(du)(du)(du)很高(gao)，其(qi)與氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)關系將不再符(fu)合(he) Sieverts定律。

  1993年Rawers等［24]通過實驗研究了(le)Fe-Cr和Fe-Cr-Ni等合金(jin)體系(xi)在高氮氣(qi)壓力(li)下(xia)氮的溶解度模型。圖2-5給出了(le)不(bu)同(tong)氮氣(qi)壓力(li)下(xia)氮活度系(xi)數(shu)InfN隨鉻(ge)濃(nong)(nong)度變(bian)化(hua)曲線。對(dui)于鐵基(ji)合金(jin)，在低鉻(ge)濃(nong)(nong)度范圍內，lnfN與鉻(ge)濃(nong)(nong)度之間存在線性關系(xi)，其斜率隨著氮氣(qi)壓力(li)的增(zeng)加(jia)而變(bian)化(hua)；在較高鉻(ge)濃(nong)(nong)度時，則(ze)明顯偏離線性關系(xi)。

  基于對(dui)實驗數(shu)據(ju)的(de)回歸分析，獲(huo)得了Fe-Cr與Fe-Cr-Ni體(ti)系(xi)氮溶(rong)解度模(mo)型中各相互作(zuo)用(yong)系(xi)數(shu)，見表2-3.通過成分相互作(zuo)用(yong)和(he)氮氣壓力－成分效應對(dui)氮溶(rong)解度模(mo)型的(de)修正，可以更精確地(di)預測高(gao)合金體(ti)系(xi)在(zai)高(gao)氮氣壓力條件下的(de)氮溶(rong)解度。

  為(wei)了進(jin)一步(bu)修正(zheng)高(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)的(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)模型(xing)，2005年Jiang(姜(jiang)周華）等［25]根(gen)據實驗研(yan)究和文獻報道的(de)(de)數(shu)據，回歸(gui)分析(xi)得到了氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)對氮(dan)(dan)的(de)(de)相(xiang)互(hu)作用系(xi)數(shu)8,反映(ying)了常壓(ya)(ya)以上的(de)(de)高(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)對氮(dan)(dan)活度(du)(du)系(xi)數(shu)的(de)(de)影響。該研(yan)究通過考(kao)慮氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)影響，對高(gao)壓(ya)(ya)下(xia)氮(dan)(dan)活度(du)(du)系(xi)數(shu)進(jin)行修正(zheng)［式（2-19)],從而建立(li)了高(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)的(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)熱力(li)(li)學(xue)模型(xing)來預測高(gao)氮(dan)(dan)不(bu)銹(xiu)鋼熔體(ti)中的(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)：

  經過修(xiu)正(zheng)后，重(zhong)新(xin)利(li)用氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)熱(re)力(li)(li)學模(mo)型(xing)(xing)計(ji)算(suan)(suan)了文獻(xian)中1873K下純鐵、Fe-Cr和(he)Fe-Mn 等(deng)合(he)金體(ti)系(xi)在(zai)高(gao)氮(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)下的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)隨氮(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)變化(hua)，并與(yu)(yu)(yu)實驗(yan)數(shu)據進行了比較(jiao)，如圖2-6所(suo)示。同(tong)時，圖2-7比較(jiao)了氮(dan)(dan)活度(du)系(xi)數(shu)計(ji)算(suan)(suan)式中壓(ya)力(li)(li)項修(xiu)正(zheng)后的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)模(mo)型(xing)(xing)計(ji)算(suan)(suan)值(zhi)(zhi)與(yu)(yu)(yu)文獻(xian)實測(ce)值(zhi)(zhi)。結果表明，修(xiu)正(zheng)后的(de)(de)(de)模(mo)型(xing)(xing)預測(ce)值(zhi)(zhi)與(yu)(yu)(yu)Jiang等(deng)及(ji)Satir-Kolorz和(he)Feichtinger的(de)(de)(de)測(ce)量值(zhi)(zhi)非常(chang)吻(wen)合(he)，略小于(yu)(yu)Rawers和(he)Gokcen[26]的(de)(de)(de)測(ce)量值(zhi)(zhi)。該差異可能是由計(ji)算(suan)(suan)中選擇的(de)(de)(de)溫度(du)為(wei)1923K而引起的(de)(de)(de)，因為(wei)當(dang)熔體(ti)以(yi)緩慢的(de)(de)(de)冷卻(que)速率降(jiang)低到液(ye)相線時，氮(dan)(dan)濃度(du)會增加。驗(yan)證結果表明，經壓(ya)力(li)(li)項修(xiu)正(zheng)后的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)熱(re)力(li)(li)學模(mo)型(xing)(xing)，適用于(yu)(yu)計(ji)算(suan)(suan)高(gao)氮(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)下不銹鋼的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)。在(zai)著作 Mastering P-ESR Technology for High Nitrogen Steel Grades for HighValue Applications中，Carosi等(deng)認為(wei)Jiang等(deng)建立(li)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)模(mo)型(xing)(xing)的(de)(de)(de)預測(ce)值(zhi)(zhi)與(yu)(yu)(yu)工業結果非常(chang)符(fu)合(he)，并將此(ci)模(mo)型(xing)(xing)應用到動態模(mo)型(xing)(xing)的(de)(de)(de)仿真計(ji)算(suan)(suan)中。

  基(ji)于高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力下氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度模型的修(xiu)正，本(ben)書作(zuo)者針對含Nb和含V鋼種，進一步研究(jiu)了其氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解熱力學行為(wei)，通過補充完善(shan)鋼液(ye)中Nb和V對氮(dan)(dan)(dan)活度的相互作(zuo)用(yong)系數，構建了包含 Nb、V體系鋼種或合(he)金在氮(dan)(dan)(dan)氣加壓(ya)下的氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度模型：

2. 合金(jin)元素(su)成分對氮溶解度的影響

 a. 合金元素(su)對氮的活(huo)度相互作用系數

  氮(dan)(dan)在(zai)鐵基(ji)合(he)(he)金(jin)熔體中的(de)(de)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)受(shou)其(qi)(qi)合(he)(he)金(jin)成分的(de)(de)影響顯著，許多常用(yong)合(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)可(ke)有(you)效地提高氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)，同時(shi)也有(you)部分元(yuan)素(su)會降低(di)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)。一(yi)般可(ke)以(yi)用(yong)各合(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)對氮(dan)(dan)的(de)(de)一(yi)階活(huo)度(du)相互作用(yong)系數(shu)（表(biao)2-4)來表(biao)征合(he)(he)金(jin)成分對氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)的(de)(de)影響，當其(qi)(qi)值(zhi)為負(fu)時(shi)，相應(ying)的(de)(de)合(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)可(ke)降低(di)熔體中氮(dan)(dan)的(de)(de)活(huo)度(du)系數(shu)，增加(jia)氮(dan)(dan)的(de)(de)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)；當其(qi)(qi)值(zhi)為正時(shi)，相應(ying)的(de)(de)合(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)則增大氮(dan)(dan)的(de)(de)活(huo)度(du)系數(shu)，降低(di)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)。

合(he)金元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)(su)對(dui)氮的(de)(de)活度相(xiang)(xiang)互(hu)作用系(xi)數，實質上表征了該合(he)金元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)(su)與(yu)(yu)氮元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)(su)的(de)(de)原子(zi)間親(qin)和(he)力，這與(yu)(yu)其在元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)(su)周(zhou)(zhou)期表中的(de)(de)位置(zhi)密切相(xiang)(xiang)關(guan)，因為元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)(su)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)子(zi)結構與(yu)(yu)它(ta)們在周(zhou)(zhou)期表中的(de)(de)位置(zhi)相(xiang)(xiang)對(dui)應。從(cong)(cong)合(he)金元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)(su)的(de)(de)微觀結構來看，同(tong)一周(zhou)(zhou)期中，從(cong)(cong)左到(dao)右，元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)(su)核外(wai)(wai)電(dian)(dian)(dian)子(zi)層數相(xiang)(xiang)同(tong)，而最外(wai)(wai)層電(dian)(dian)(dian)子(zi)數增加，原子(zi)半(ban)徑(jing)(jing)遞減（0族(zu)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)(su)除外(wai)(wai)）；同(tong)一族(zu)中，從(cong)(cong)上到(dao)下，所(suo)有元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)(su)具有相(xiang)(xiang)同(tong)數量的(de)(de)價電(dian)(dian)(dian)子(zi)，而核外(wai)(wai)電(dian)(dian)(dian)子(zi)層數逐漸增多(duo)，原子(zi)半(ban)徑(jing)(jing)增大。原子(zi)半(ban)徑(jing)(jing)大的(de)(de)合(he)金元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)(su)對(dui)氮的(de)(de)親(qin)和(he)力普遍較強(qiang)。

  圖(tu)2-8給出(chu)了在1873K、0.1MPa氮氣壓(ya)力(li)下(xia)Fe-X二(er)元合金(jin)(jin)體(ti)系中各種常見金(jin)(jin)元素X對氮溶(rong)解(jie)度(du)的(de)(de)影響(xiang)。在合金(jin)(jin)熔體(ti)中，提高(gao)Mo、Mn、Ta、Cr、Nb和V等元素的(de)(de)含(han)(han)量(liang)(liang)(liang)能(neng)夠顯著(zhu)增(zeng)大(da)熔體(ti)的(de)(de)氮溶(rong)解(jie)度(du)。例如(ru)，在1873K和氮氣壓(ya)力(li)為0.1MPa條(tiao)件下(xia)，Cr、Mn等典型合金(jin)(jin)元素能(neng)夠提高(gao)高(gao)氮無鎳奧(ao)氏體(ti)不銹鋼熔體(ti)的(de)(de)氮溶(rong)解(jie)度(du)，其(qi)(qi)中20%Cr-20%Mn合金(jin)(jin)體(ti)系中氮溶(rong)解(jie)度(du)可達(da)0.8%以上，如(ru)圖(tu)2-9所示(shi)。然(ran)而，提高(gao)C、Si等元素的(de)(de)含(han)(han)量(liang)(liang)(liang)則會明顯降低熔體(ti)的(de)(de)氮溶(rong)解(jie)度(du)，其(qi)(qi)他元素（如(ru)Ni、Co、Cu、Sn和W等）含(han)(han)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)變化則對熔體(ti)的(de)(de)氮溶(rong)解(jie)度(du)影響(xiang)相對較小(xiao)。

  如圖2-10所(suo)示，根據對(dui)氮(dan)在熔(rong)體中(zhong)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)的(de)(de)影響規律不同，合(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)大體可以分為(wei)三大類(lei)：①. 第一(yi)類(lei)為(wei)對(dui)熔(rong)融鐵(tie)(tie)基(ji)合(he)金(jin)(jin)中(zhong)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)具(ju)有(you)顯著(zhu)提(ti)升作(zuo)用的(de)(de)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)，如Cr、Mo、Mn、Ti、Zr、V和Nb等(deng)，其(qi)中(zhong)Ti、Zr、V和Nb具(ju)有(you)強烈(lie)的(de)(de)形成(cheng)氮(dan)化物(wu)(wu)的(de)(de)趨(qu)勢(shi)。Cr作(zuo)為(wei)不銹(xiu)鋼的(de)(de)重(zhong)要合(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)之一(yi)，能夠顯著(zhu)提(ti)高熔(rong)融鐵(tie)(tie)基(ji)合(he)金(jin)(jin)的(de)(de)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)，其(qi)與Ti、Zr、V和Nb相比，形成(cheng)氮(dan)化物(wu)(wu)的(de)(de)趨(qu)勢(shi)較(jiao)小。②. Ni、Co和Cu等(deng)元(yuan)素(su)為(wei)第二類(lei)，對(dui)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)的(de)(de)影響較(jiao)小。其(qi)中(zhong)Ni是不銹(xiu)鋼中(zhong)重(zhong)要的(de)(de)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)，但它對(dui)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)的(de)(de)負(fu)面影響會降低高氮(dan)合(he)金(jin)(jin)中(zhong)的(de)(de)氮(dan)含量。③. 第三類(lei)為(wei)C、Si等(deng)非金(jin)(jin)屬元(yuan)素(su)和A1等(deng)元(yuan)素(su)，具(ju)有(you)明顯降低熔(rong)體氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)的(de)(de)作(zuo)用。

  b. 合金元素(su)的(de)鉻(ge)等效因(yin)子與鉻(ge)當量(liang)濃(nong)度

  除合(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)對氮的(de)活度(du)相(xiang)互作(zuo)用(yong)系(xi)數(shu)外(wai)，也可(ke)以(yi)通過(guo)參(can)考元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)的(de)等(deng)(deng)(deng)效作(zuo)用(yong)來描述不同元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)對熔體(ti)氮溶(rong)(rong)解度(du)的(de)影響(xiang)。較為(wei)(wei)典型的(de)是(shi)以(yi)鉻為(wei)(wei)參(can)考，因(yin)為(wei)(wei)鉻具有(you)相(xiang)當(dang)強的(de)增加氮溶(rong)(rong)解度(du)的(de)作(zuo)用(yong)，并且被認為(wei)(wei)是(shi)合(he)(he)金(jin)材(cai)料中(zhong)最(zui)重要的(de)合(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)之一。在活度(du)相(xiang)互作(zuo)用(yong)系(xi)數(shu)的(de)基(ji)礎上，Satir-Kolorz與Feichtinger 換(huan)(huan)算了(le)各種(zhong)合(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)的(de)鉻等(deng)(deng)(deng)效因(yin)子c.表2-4列出了(le)Ti、Zr、V、Nb、Ta、W、C、B、Al、Si、P、As、Sb和Sn等(deng)(deng)(deng)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)的(de)鉻等(deng)(deng)(deng)效因(yin)子。對于不同合(he)(he)金(jin)體(ti)系(xi)，可(ke)以(yi)將體(ti)系(xi)中(zhong)各種(zhong)合(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)X;的(de)濃(nong)度(du)乘以(yi)相(xiang)應的(de)鉻等(deng)(deng)(deng)效因(yin)子獲得對應的(de)鉻當(dang)量濃(nong)度(du)。據(ju)此，可(ke)將熔體(ti)中(zhong)所有(you)合(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)X;的(de)濃(nong)度(du)轉換(huan)(huan)為(wei)(wei)鉻當(dang)量濃(nong)度(du)。

  通過實驗測(ce)量鋼中(zhong)的(de)(de)(de)平衡氮(dan)含量，得(de)到了合(he)(he)金體系(xi)對應的(de)(de)(de)數(shu)值，如圖(tu)2-11中(zhong)空(kong)心點所示；通過式（2-23)計(ji)算可(ke)以得(de)到不同鉻(ge)(ge)當量濃(nong)度與0.51gPN2-lg[%N]-e≈[%N](氮(dan)活度系(xi)數(shu)）之間的(de)(de)(de)關系(xi)曲(qu)線，兩符合(he)(he)良好，驗證了此(ci)等(deng)(deng)效(xiao)方法的(de)(de)(de)合(he)(he)理性(xing)。此(ci)研究的(de)(de)(de)特別(bie)之處在于(yu)，通過鉻(ge)(ge)當量濃(nong)度來(lai)間接表示多(duo)種合(he)(he)金元素在大濃(nong)度范(fan)圍內的(de)(de)(de)所有數(shu)據，可(ke)以將復(fu)雜的(de)(de)(de)多(duo)組(zu)元熔(rong)(rong)體等(deng)(deng)效(xiao)為(wei)(wei)鐵－氮(dan)－鉻(ge)(ge)三(san)元體系(xi)后計(ji)算氮(dan)的(de)(de)(de)溶解度。基于(yu)鉻(ge)(ge)等(deng)(deng)效(xiao)因子，通過鉻(ge)(ge)當量濃(nong)度的(de)(de)(de)換算并參(can)考(kao)關系(xi)曲(qu)線（圖(tu)2-11),復(fu)雜的(de)(de)(de)多(duo)組(zu)元熔(rong)(rong)體氮(dan)溶解度可(ke)統一表示為(wei)(wei)

3. 溫度(du)對氮(dan)溶解度(du)的影響

  溫度(du)對(dui)合金熔體(ti)(ti)(ti)中氮(dan)溶解度(du)的影響，取決(jue)(jue)于氮(dan)在(zai)合金熔體(ti)(ti)(ti)中的溶解反(fan)應為吸熱還是放(fang)熱過程(cheng)，即氮(dan)溶解反(fan)應焓(han)變ΔH的正(zheng)負(fu)。在(zai)一(yi)定(ding)(ding)氮(dan)氣壓力下(xia)，對(dui)于不(bu)(bu)同(tong)合金成分的熔體(ti)(ti)(ti)而言，氮(dan)溶解度(du)對(dui)溫度(du)的依賴性（溫度(du)對(dui)氮(dan)溶解度(du)的影響趨勢(shi)）是不(bu)(bu)同(tong)的，且(qie)隨溫度(du)的變化程(cheng)度(du)也不(bu)(bu)同(tong)，這是由該(gai)熔體(ti)(ti)(ti)中合金元素(su)的種(zhong)類與(yu)含量共同(tong)決(jue)(jue)定(ding)(ding)的，即ΔH的正(zheng)負(fu)是由合金成分決(jue)(jue)定(ding)(ding)的。

  0.1MPa氮(dan)氣壓力下常見的(de)Fe-Cr-Mn-Ni合(he)(he)(he)金體(ti)系在1750~2000K溫(wen)度(du)(du)范圍內(nei)的(de)氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)與(yu)溫(wen)度(du)(du)的(de)關(guan)系如(ru)圖2-12所示(shi)。可以看出(chu)，純(chun)鐵和Fe20Ni合(he)(he)(he)金體(ti)系的(de)氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)較低，并(bing)且(qie)隨溫(wen)度(du)(du)的(de)升高(gao)逐(zhu)漸增(zeng)(zeng)大(da)。隨著(zhu)熔(rong)體(ti)中(zhong)鉻(ge)、錳(meng)等(deng)元素含量的(de)增(zeng)(zeng)加，如(ru)Fe18Mn和Fe18Cr等(deng)合(he)(he)(he)金體(ti)系，氮(dan)的(de)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)顯(xian)著(zhu)增(zeng)(zeng)大(da)，溫(wen)度(du)(du)對(dui)氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)的(de)影響更(geng)加明顯(xian)，且(qie)隨著(zhu)溫(wen)度(du)(du)的(de)下降，熔(rong)體(ti)中(zhong)的(de)氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)逐(zhu)漸增(zeng)(zeng)大(da)。Fe18Cr8Ni合(he)(he)(he)金的(de)氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)對(dui)溫(wen)度(du)(du)的(de)依賴性也為負(fu)；此外，由于鎳具有降低氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)的(de)作用，相對(dui)于Fe18Cr合(he)(he)(he)金，Fe18Cr8Ni合(he)(he)(he)金的(de)氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)隨溫(wen)度(du)(du)變化的(de)趨勢比較平緩。

  從溶(rong)(rong)(rong)解(jie)熱力(li)(li)學(xue)理論來看，在(zai)(zai)合(he)(he)金成(cheng)分與氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)條件下，溫(wen)度(du)(du)(du)(du)對(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)影響(xiang)(xiang)規律(lv)為(wei)(wei)：若式（2-36)中(zhong)參(can)數a<0,即焓變ΔH>0時，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)反應為(wei)(wei)吸熱過程，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)隨(sui)(sui)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)升(sheng)高而(er)增大；若a>0,即焓變ΔH<0時，反為(wei)(wei)放熱過程，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)隨(sui)(sui)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)升(sheng)高而(er)減小。因此，溫(wen)度(du)(du)(du)(du)對(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)影響(xiang)(xiang)取決于焓變ΔH數值的(de)(de)(de)(de)(de)正負(fu)和大小，最(zui)終歸結(jie)(jie)為(wei)(wei)合(he)(he)金成(cheng)分決定(ding)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)依賴性。利用氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)模型，Satir-Kolorz 等探究了不(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)合(he)(he)金體系(xi)(xi)在(zai)(zai)0.1MPa和5MPa氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)下，1750~2000K 范圍內氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)與溫(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)關系(xi)(xi)，如(ru)圖(tu)2-13所(suo)示(shi)。結(jie)(jie)果與上面分析的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)致，在(zai)(zai)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)條件下，溫(wen)度(du)(du)(du)(du)對(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)影響(xiang)(xiang)取決于合(he)(he)金的(de)(de)(de)(de)(de)成(cheng)分：含(han)有增加氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)元素(su)(su)（如(ru)Mn、Cr、Mo)的(de)(de)(de)(de)(de)鐵(tie)基合(he)(he)金（Fe-Cr和Fe-Mn合(he)(he)金體系(xi)(xi)），氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)隨(sui)(sui)著溫(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)升(sheng)高而(er)降(jiang)低(di)(di)；而(er)對(dui)于含(han)有降(jiang)低(di)(di)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)元素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)(de)鐵(tie)基合(he)(he)金（如(ru)Fe-Ni合(he)(he)金），隨(sui)(sui)著溫(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)升(sheng)高，熔體中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)增大。

4. 氮(dan)氣壓力(li)對氮(dan)溶解(jie)度的影響

  鑒于(yu)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)鋼(gang)產品對高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)含量的需(xu)求，在常壓(ya)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)環境中(zhong)無法(fa)實現(xian)鋼(gang)液(ye)(ye)(ye)的高(gao)(gao)效(xiao)增(zeng)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)和保(bao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)，提高(gao)(gao)冶(ye)煉過(guo)(guo)程的氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力成為(wei)有效(xiao)手段。氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)加壓(ya)冶(ye)煉技術，不(bu)僅能夠通過(guo)(guo)促進氣(qi)相－合(he)金(jin)(jin)熔體間的氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)反應實現(xian)更佳的增(zeng)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)效(xiao)果，在抑(yi)制(zhi)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃度鋼(gang)液(ye)(ye)(ye)凝(ning)固過(guo)(guo)程中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)孔的形成方面也發揮著(zhu)重要作用(yong)。研究不(bu)同(tong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力下合(he)金(jin)(jin)熔體中(zhong)的氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度，成為(wei)精確控制(zhi)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)加壓(ya)冶(ye)煉工(gong)藝鋼(gang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)含量的重要理論基(ji)礎(chu)。在常壓(ya)［如圖2-14(a)和加壓(ya)［如圖2-14(b)]條件下，液(ye)(ye)(ye)態鐵基(ji)合(he)金(jin)(jin)中(zhong)的氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力的提高(gao)(gao)而顯著(zhu)增(zeng)大。

a. 低(di)氮(dan)氣壓力

  如(ru)前所(suo)述，氮(dan)氣(qi)(qi)在金(jin)屬熔體(ti)中的(de)溶(rong)(rong)解屬于(yu)雙原子分子的(de)溶(rong)(rong)解過程，在低氮(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)范圍(wei)內(nei)，氮(dan)溶(rong)(rong)解度隨氮(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)變化符合Sieverts定(ding)律。眾多研(yan)究已經證(zheng)實，在小于(yu)0.1MPa的(de)低氮(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)范圍(wei)內(nei)，不銹鋼體(ti)系(xi)（表(biao)2-5中1~3號）的(de)氮(dan)溶(rong)(rong)解度與(yu)氮(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)關(guan)系(xi)符合 Sieverts定(ding)律，即呈線性相關(guan)，如(ru)圖(tu)2-15所(suo)示。

  為了(le)進一步驗證不(bu)(bu)同氮氣(qi)(qi)壓力(li)下 Sieverts定律的適(shi)用(yong)情況(kuang)，Jiang(姜周華）等研(yan)究了(le)氮氣(qi)(qi)壓力(li)不(bu)(bu)高于(yu)0.1MPa,即低氮氣(qi)(qi)壓力(li)下典(dian)型(xing)不(bu)(bu)銹鋼品種(zhong)AISI304和AISI 316L 熔(rong)體(ti)中(zhong)(zhong)氮溶解度(du)(du)與氮氣(qi)(qi)壓力(li)的關系，結果如圖2-16所示。隨著(zhu)氮氣(qi)(qi)壓力(li)的增加(jia)，氮在兩類典(dian)型(xing)不(bu)(bu)銹鋼熔(rong)體(ti)中(zhong)(zhong)的溶解度(du)(du)顯著(zhu)提升，并(bing)且與氮氣(qi)(qi)壓力(li)的關系符合Sieverts定律。

 b. 高氮(dan)氣壓(ya)力

  隨著冶煉過(guo)程中(zhong)氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)進一(yi)步提高(gao)(gao)，各(ge)種合(he)金體系(xi)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度均會增(zeng)大。純(chun)鐵液的(de)(de)(de)飽和氮(dan)(dan)濃度不僅在(zai)(zai)常壓(ya)以下，而且在(zai)(zai)0.1~200MPa的(de)(de)(de)高(gao)(gao)壓(ya)范圍內(nei)也(ye)始終與氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)平(ping)方根(gen)呈線性關系(xi)。這是因為即(ji)使(shi)在(zai)(zai)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)下純(chun)鐵液中(zhong)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度也(ye)處于較(jiao)低(di)(di)(di)的(de)(de)(de)水平(ping)，如圖(tu)2-17所示(shi)。在(zai)(zai)Fe-Ni合(he)金體系(xi)中(zhong)，由于鎳(nie)元素(su)具有降低(di)(di)(di)氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度的(de)(de)(de)作用，鎳(nie)含量越(yue)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度反而越(yue)低(di)(di)(di)，即(ji)使(shi)在(zai)(zai)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)下氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度也(ye)處于較(jiao)低(di)(di)(di)水平(ping)。研究結果(guo)表明，高(gao)(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)下Fe-Ni體系(xi)也(ye)符合(he) Sieverts定律，如圖(tu)2-18所示(shi)。

  然而(er)，隨著高氮鋼品種的(de)(de)開(kai)發和冶煉(lian)工(gong)藝(yi)的(de)(de)發展，大量研(yan)究顯示，對于較(jiao)高氮氣(qi)壓力下的(de)(de)Fe-Cr-Mn-Ni-Mo等高合(he)金體系（表2-5中4~6號），氮溶解度隨氮氣(qi)壓力的(de)(de)變化(hua)與(yu)Sieverts定律描述的(de)(de)線性關系產生了(le)較(jiao)大的(de)(de)偏(pian)差，如圖(tu)2-19所(suo)示。

  圖(tu)2-19 1873K 高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)下(xia)(xia)(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)平(ping)方根(gen)的(de)變(bian)化(hua)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)與(yu)Sieverts 定律的(de)偏離(li)，并非存在于所有高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)下(xia)(xia)(xia)的(de)情況，與(yu)合(he)(he)金熔(rong)(rong)體(ti)成(cheng)分密(mi)切相關。上述純(chun)鐵液和Fe-Ni合(he)(he)金這兩(liang)類低(di)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)體(ti)系(xi)就是偏差不(bu)顯(xian)著的(de)實例；相反，具(ju)有高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)的(de)合(he)(he)金熔(rong)(rong)體(ti)（如(ru)Fe-Cr-Mn體(ti)系(xi)）在高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)下(xia)(xia)(xia)通(tong)常不(bu)符合(he)(he) Sieverts 定律。由此(ci)可以推測(ce)，高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)下(xia)(xia)(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)提高(gao)(gao)(gao)較(jiao)慢(man)的(de)原(yuan)因是，高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)下(xia)(xia)(xia)熔(rong)(rong)體(ti)中氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)處于較(jiao)高(gao)(gao)(gao)水平(ping)，不(bu)再滿(man)足無限(xian)稀釋溶(rong)(rong)液的(de)理想(xiang)情況。此(ci)時(shi)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)子之(zhi)間存在自身相互作(zuo)(zuo)用，彼此(ci)之(zhi)間的(de)相斥效應將會(hui)導致氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)的(de)降低(di)；氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)越(yue)高(gao)(gao)(gao)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)自身的(de)相斥作(zuo)(zuo)用越(yue)明顯(xian)。由此(ci)可知(zhi)，高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)下(xia)(xia)(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)與(yu)Sieverts 定律的(de)偏離(li)主(zhu)要由氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)自身相互作(zuo)(zuo)用導致，而高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)通(tong)常是熔(rong)(rong)體(ti)中高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)含量的(de)一個關鍵誘因。

  對于圖2-17和圖2-18中純(chun)鐵液、低合(he)(he)(he)金(jin)鋼或類似Fe-Ni合(he)(he)(he)金(jin)等低氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)的(de)體(ti)系(xi)(xi)而(er)言，氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)自(zi)身(shen)相互作用幾乎(hu)可以(yi)忽略，在(zai)高氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)與氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)的(de)平(ping)方(fang)根也接近線性關系(xi)(xi)。常見的(de)具有高氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)的(de)Fe-Cr-Mn等體(ti)系(xi)(xi)則不(bu)同(tong)(tong)，在(zai)高氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)(xia)高合(he)(he)(he)金(jin)含(han)量的(de)熔體(ti)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)可達(da)1%以(yi)上(shang)，超出 Sieverts定律的(de)適用范圍。定義Sieverts定律對氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)的(de)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)適用極限，為開始出現明顯偏差的(de)臨界(jie)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)，如(ru)圖2-20所(suo)示，不(bu)同(tong)(tong)鉻含(han)量的(de)Fe-Cr合(he)(he)(he)金(jin)的(de)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)適用極限不(bu)同(tong)(tong)（實驗(yan)數(shu)據來源于Torkhov等的(de)研究(jiu)）。隨著鉻和氮(dan)(dan)(dan)(dan)含(han)量的(de)增加，Sieverts定律的(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)適用極限快速降(jiang)低，高氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)(xia)的(de)偏差程度(du)也變(bian)得更為顯著。

  針對(dui)高(gao)(gao)合金(jin)、高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)(du)體(ti)系(xi)在高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)下氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解熱力(li)(li)(li)學偏離(li) Sieverts定(ding)律(lv)的(de)(de)(de)現象，可通過熔(rong)體(ti)中各類(lei)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)之(zhi)間(jian)存在的(de)(de)(de)相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)來解釋(shi)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)溶(rong)(rong)解機制(zhi)。圖2-21(a)顯示(shi)了(le)單個氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)在鐵原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)晶格中的(de)(de)(de)賦存狀(zhuang)況(kuang)：由于(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)處于(yu)無限(xian)稀釋(shi)的(de)(de)(de)狀(zhuang)態，它只與(yu)鐵原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)存在相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)，不發(fa)生氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)自(zi)(zi)身(shen)的(de)(de)(de)相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)。圖2-21(b)顯示(shi)了(le)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃(nong)(nong)(nong)度(du)(du)下（如在高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)下）的(de)(de)(de)鐵－氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)二元(yuan)合金(jin)晶格：氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)周(zhou)圍(wei)除相(xiang)鄰(lin)的(de)(de)(de)鐵原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)外(wai)，也存在臨近的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)間(jian)彼此相(xiang)互(hu)(hu)抑制(zhi)，從(cong)而導致氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)(du)降低并偏離(li) Sieverts 定(ding)律(lv)的(de)(de)(de)預(yu)測曲線。這種自(zi)(zi)身(shen)作(zuo)(zuo)用(yong)可由自(zi)(zi)身(shen)活度(du)(du)相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)系(xi)數(shu)來表示(shi)，由于(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)之(zhi)間(jian)處于(yu)相(xiang)互(hu)(hu)抑制(zhi)的(de)(de)(de)狀(zhuang)態，自(zi)(zi)身(shen)活度(du)(du)相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)系(xi)數(shu)e值為正數(shu)。圖2-21(c)顯示(shi)了(le)鐵－鉻－氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)三元(yuan)合金(jin)的(de)(de)(de)晶格：由于(yu)鉻原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)和氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)之(zhi)間(jian)具有很強的(de)(de)(de)吸引(yin)力(li)(li)(li)，其(qi)相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)系(xi)數(shu)為負值。在此結構中，由于(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)向鉻原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)偏移(yi)，就有更多(duo)空間(jian)留給額外(wai)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)，從(cong)而產生較高(gao)(gao)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)(du)。不過隨著氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃(nong)(nong)(nong)度(du)(du)的(de)(de)(de)增加，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)對(dui)自(zi)(zi)身(shen)的(de)(de)(de)強烈排斥作(zuo)(zuo)用(yong)開始凸(tu)顯，因(yin)此在高(gao)(gao)鉻和高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃(nong)(nong)(nong)度(du)(du)下，實際的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)(du)隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)變化規律(lv)與(yu) Sieverts定(ding)律(lv)之(zhi)間(jian)存在明顯的(de)(de)(de)偏差。

  研(yan)究發現(xian)，在(zai)(zai)超過(guo)10MPa氮(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)的(de)(de)(de)條(tiao)件下(xia)(xia)，將(jiang)合(he)金元素含(han)量提(ti)高至45%,熔體的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解度(du)(du)(du)可以(yi)高達3%以(yi)上。在(zai)(zai)氮(dan)(dan)(dan)濃(nong)度(du)(du)(du)如(ru)此(ci)高的(de)(de)(de)情(qing)(qing)況(kuang)下(xia)(xia)，熔體不(bu)滿足使(shi)用(yong)(yong)Sieverts 定律的(de)(de)(de)前提(ti)條(tiao)件，即無(wu)限稀釋溶液的(de)(de)(de)假設，因此(ci)在(zai)(zai)此(ci)條(tiao)件下(xia)(xia)，Sieverts定律無(wu)法(fa)準確(que)預(yu)測氮(dan)(dan)(dan)溶解度(du)(du)(du)，必須引入一個(ge)附(fu)加的(de)(de)(de)活度(du)(du)(du)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)f,以(yi)體現(xian)氮(dan)(dan)(dan)對(dui)(dui)自(zi)(zi)身(shen)作(zuo)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)影響。圖2-22顯(xian)示了實(shi)(shi)驗測得的(de)(de)(de)不(bu)同氮(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)下(xia)(xia)，不(bu)同合(he)金體系(xi)(xi)(xi)(xi)中氮(dan)(dan)(dan)溶解度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)變化。首先在(zai)(zai)不(bu)考(kao)慮(lv)氮(dan)(dan)(dan)自(zi)(zi)身(shen)相(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)情(qing)(qing)況(kuang)下(xia)(xia)，通過(guo)對(dui)(dui)實(shi)(shi)驗結(jie)果進(jin)行回歸分(fen)析，確(que)定鉻、錳、鉬和(he)鎳(nie)等主要合(he)金元素對(dui)(dui)氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)一階和(he)二階活度(du)(du)(du)相(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)用(yong)(yong)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)。同時，從文獻(xian)數(shu)據中獲得其(qi)他合(he)金元素的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)用(yong)(yong)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)。基(ji)于(yu)所(suo)有合(he)金對(dui)(dui)體系(xi)(xi)(xi)(xi)中氮(dan)(dan)(dan)活度(du)(du)(du)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)用(yong)(yong)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)，通過(guo)回歸分(fen)析確(que)定氮(dan)(dan)(dan)對(dui)(dui)自(zi)(zi)身(shen)的(de)(de)(de)活度(du)(du)(du)相(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)用(yong)(yong)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)e為0.13。e的(de)(de)(de)數(shu)值(zhi)為正，表明氮(dan)(dan)(dan)含(han)量的(de)(de)(de)提(ti)高會增加活度(du)(du)(du)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)，降低自(zi)(zi)身(shen)溶解度(du)(du)(du)。