1. 常(chang)壓下基熔體的氮溶解度模型

  常溫下氮(dan)(dan)以(yi)雙(shuang)原子(zi)分(fen)子(zi)形式存在，高(gao)溫下則分(fen)解(jie)成(cheng)氮(dan)(dan)原子(zi)溶(rong)解(jie)于(yu)金(jin)屬熔(rong)體(ti)(ti)中。如圖2-1所示，氮(dan)(dan)在金(jin)屬熔(rong)體(ti)(ti)中的(de)溶(rong)解(jie)過程可以(yi)描(miao)述(shu)如下：氮(dan)(dan)氣接觸到熔(rong)體(ti)(ti)表面后(hou)發生物理吸附(fu)，當(dang)氣體(ti)(ti)分(fen)子(zi)和熔(rong)體(ti)(ti)表面的(de)結合力(li)大于(yu)氣體(ti)(ti)內部分(fen)子(zi)的(de)結合力(li)時發生化學吸附(fu)，吸附(fu)的(de)氮(dan)(dan)分(fen)子(zi)分(fen)解(jie)成(cheng)原子(zi)，隨(sui)后(hou)從熔(rong)體(ti)(ti)表面向內部擴散(san)。

  表(biao)2-1總結了研究人(ren)員在(zai)1873K、0.1MPa氮(dan)氣壓力下測得(de)的(de)熔(rong)(rong)融(rong)(rong)鐵液中的(de)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)。根據(ju)文獻(xian)中的(de)實(shi)驗數據(ju)可知，熔(rong)(rong)融(rong)(rong)鐵液的(de)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)集中在(zai)0.043%~0.046%范圍(wei)內(nei)。圖2-2歸納了冶煉溫度(du)對(dui)熔(rong)(rong)融(rong)(rong)鐵液中氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)的(de)影響。可以看(kan)出，在(zai)熔(rong)(rong)融(rong)(rong)鐵液中，氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)隨(sui)溫度(du)的(de)升(sheng)高而增大(da)。

  若氮活(huo)度的(de)參考態為合金(jin)熔(rong)體(ti)中假想的(de)1%N溶液，則0.5mol氮氣溶解于(yu)合金(jin)熔(rong)體(ti)的(de)吉布斯(si)自由能變(bian)可以表示(shi)為

  在早期(qi)對(dui)合(he)金熔(rong)體(ti)中(zhong)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)(du)的(de)(de)研(yan)究中(zhong)，各種合(he)金元素對(dui)氮(dan)(dan)的(de)(de)二(er)階活度(du)(du)相互作用(yong)系數及二(er)階交叉活度(du)(du)相互作用(yong)系數的(de)(de)相關測(ce)定尚(shang)不(bu)完(wan)善。1965年，Chipman等［18]開(kai)發了僅使用(yong)一階活度(du)(du)相互作用(yong)系數而不(bu)涉及高階項的(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)(du)模型。基于Chipman等的(de)(de)研(yan)究結果和(he)1873K下(xia)不(bu)同元素對(dui)氮(dan)(dan)的(de)(de)一階活度(du)(du)相互作用(yong)系數（表2-2)[19],可以得到1873K下(xia)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)(du)模型中(zhong)氮(dan)(dan)的(de)(de)活度(du)(du)系數1gf[式（2-9)],其他(ta)冶煉溫(wen)度(du)(du)下(xia)氮(dan)(dan)的(de)(de)活度(du)(du)系數可由式（2-10)轉換(huan)獲得。據此(ci)，Chipman 等建立了預測(ce)不(bu)同溫(wen)度(du)(du)下(xia)合(he)金熔(rong)體(ti)中(zhong)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)(du)的(de)(de)式（2-11)。

  隨著對(dui)多(duo)元合(he)金(jin)熔(rong)體氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)研究(jiu)(jiu)的(de)深入(ru)，各種合(he)金(jin)元素對(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)一(yi)階(jie)(jie)(jie)(jie)、二階(jie)(jie)(jie)(jie)以(yi)及二階(jie)(jie)(jie)(jie)交叉活度(du)相(xiang)(xiang)互(hu)(hu)(hu)作(zuo)用系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)實驗研究(jiu)(jiu)與測(ce)定逐步(bu)完善。1990年(nian)，Grigorenko等。探究(jiu)(jiu)了合(he)金(jin)元素對(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)活度(du)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)影(ying)響，認為(wei)在(zai)較高的(de)合(he)金(jin)濃度(du)下，僅采(cai)用一(yi)階(jie)(jie)(jie)(jie)活度(du)相(xiang)(xiang)互(hu)(hu)(hu)作(zuo)用系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)來計算氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)活度(du)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)和預測(ce)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)是不(bu)夠準(zhun)確的(de)。為(wei)了進一(yi)步(bu)提高氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)預測(ce)模型(xing)的(de)準(zhun)確性，必(bi)須以(yi)二階(jie)(jie)(jie)(jie)乃至(zhi)更高階(jie)(jie)(jie)(jie)泰勒級數(shu)(shu)(shu)的(de)形式(shi)(shi)表示氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)活度(du)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)，即引入(ru)合(he)金(jin)元素對(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)高階(jie)(jie)(jie)(jie)活度(du)相(xiang)(xiang)互(hu)(hu)(hu)作(zuo)用系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)。據(ju)此，氮(dan)(dan)(dan)(dan)活度(du)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)按高階(jie)(jie)(jie)(jie)泰勒級數(shu)(shu)(shu)的(de)形式(shi)(shi)展開，可表示為(wei)

2. 常壓下Fe-20%Cr基熔體的氮溶解(jie)度模型

  鑒(jian)于以Fe-Cr 合(he)金(jin)為基礎的各種(zhong)合(he)金(jin)材料(liao)的生產與(yu)應用非(fei)常(chang)廣(guang)泛，1996年Anson等開發了(le)種(zhong)常(chang)壓下以熔融Fe-20%Cr 合(he)金(jin)為基體的氮溶(rong)解(jie)度(du)模(mo)型(xing)。在熔融Fe-20%Cr基合(he)金(jin)中，氮溶(rong)解(jie)熱力學平衡(heng)關系如下所(suo)示：

3. 高(gao)氮氣(qi)壓力下的氮溶(rong)解(jie)度模型

  隨著含氮鋼種相關研(yan)究(jiu)的(de)(de)不(bu)斷深入(ru)，高氮鋼由于其優異的(de)(de)力(li)學性能(neng)和(he)耐腐(fu)蝕(shi)性能(neng)，在(zai)諸多領域得到了(le)廣(guang)泛應用。大量(liang)研(yan)究(jiu)發現(xian)，在(zai)高氮氣(qi)壓(ya)力(li)下(xia)，高合金體系中氮溶解度出現(xian)了(le)偏(pian)離 Sieverts 定律的(de)(de)現(xian)象，導致(zhi)高氮氣(qi)壓(ya)力(li)下(xia)氮溶解度預測模(mo)型的(de)(de)準確度大幅降低。

  如圖(tu)2-3和圖(tu)2-4所示，當鉻、錳等含(han)量(liang)(liang)較(jiao)高(gao)(gao)(gao)時，高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)合(he)金(jin)(jin)熔(rong)體(ti)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度達到了(le)較(jiao)高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)數值(zhi)，此時僅能(neng)在小范(fan)圍內(nei)呈線(xian)(xian)性關系，合(he)金(jin)(jin)中(zhong)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)含(han)量(liang)(liang)依然能(neng)隨著氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)增加(jia)(jia)而持(chi)續(xu)提高(gao)(gao)(gao)，但與(yu)低氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)時相(xiang)比，高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度的(de)(de)(de)增加(jia)(jia)趨(qu)勢明顯(xian)變(bian)緩。高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)對氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度的(de)(de)(de)提升(sheng)作(zuo)用被削弱，具體(ti)表(biao)現(xian)為實(shi)(shi)測的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度［％N]低于根據Sieverts定律計算的(de)(de)(de)值(zhi)，即圖(tu)中(zhong)各個(ge)實(shi)(shi)線(xian)(xian)（實(shi)(shi)驗(yan)值(zhi)）均處于相(xiang)應虛線(xian)(xian)（計算值(zhi)）下(xia)方。同時，兩曲線(xian)(xian)的(de)(de)(de)偏離程度隨著鉻、錳等元素含(han)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)增加(jia)(jia)而變(bian)得嚴重。這表(biao)明在氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)大(da)于0.1MPa的(de)(de)(de)冶煉(lian)氣(qi)(qi)氛中(zhong)，尤其是當金(jin)(jin)屬熔(rong)體(ti)含(han)有較(jiao)高(gao)(gao)(gao)量(liang)(liang)具有提升(sheng)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度能(neng)力(li)(li)的(de)(de)(de)合(he)金(jin)(jin)元素時，氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度很高(gao)(gao)(gao)，其與(yu)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)關系將(jiang)不再(zai)符合(he) Sieverts定律。

  1993年Rawers等(deng)［24]通過實驗研究(jiu)了Fe-Cr和Fe-Cr-Ni等(deng)合(he)金(jin)體系在高氮(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)下(xia)氮(dan)(dan)的(de)溶解度(du)(du)(du)模(mo)型。圖2-5給出(chu)了不同(tong)氮(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)下(xia)氮(dan)(dan)活度(du)(du)(du)系數InfN隨(sui)鉻(ge)濃(nong)度(du)(du)(du)變化曲線。對于鐵基(ji)合(he)金(jin)，在低鉻(ge)濃(nong)度(du)(du)(du)范(fan)圍內，lnfN與(yu)鉻(ge)濃(nong)度(du)(du)(du)之(zhi)間(jian)存(cun)在線性關系，其斜(xie)率隨(sui)著氮(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)的(de)增加(jia)而變化；在較高鉻(ge)濃(nong)度(du)(du)(du)時，則明顯偏離線性關系。

  基于對實驗數據的回歸分析，獲得了Fe-Cr與Fe-Cr-Ni體系(xi)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度模(mo)型中各相互作用系(xi)數，見表2-3.通(tong)過成(cheng)分相互作用和氮(dan)(dan)氣壓力－成(cheng)分效應對氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度模(mo)型的修(xiu)正，可(ke)以更精確地預測高(gao)合金體系(xi)在高(gao)氮(dan)(dan)氣壓力條件下(xia)的氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度。

  為了(le)進(jin)一步修(xiu)正高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力下(xia)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度(du)模(mo)型(xing)，2005年Jiang(姜周華）等［25]根據實驗研(yan)究(jiu)和文獻報道的(de)(de)(de)數(shu)(shu)據，回歸(gui)分析(xi)得到了(le)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力對(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)相(xiang)互(hu)作(zuo)用系(xi)(xi)數(shu)(shu)8,反映了(le)常壓(ya)(ya)以上的(de)(de)(de)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力對(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)活(huo)度(du)系(xi)(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)影(ying)響。該研(yan)究(jiu)通過考慮氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力的(de)(de)(de)影(ying)響，對(dui)高(gao)(gao)壓(ya)(ya)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)活(huo)度(du)系(xi)(xi)數(shu)(shu)進(jin)行修(xiu)正［式(shi)（2-19)],從(cong)而建(jian)立了(le)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力下(xia)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)熱(re)力學模(mo)型(xing)來預測高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)不銹鋼熔體中的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度(du)：

  經過修正后(hou)，重新利用氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)熱(re)(re)力(li)學(xue)模型計算(suan)了文獻(xian)中1873K下(xia)純鐵(tie)、Fe-Cr和Fe-Mn 等合金體系(xi)在(zai)(zai)高氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)下(xia)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)隨氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)的(de)(de)變化，并(bing)與實(shi)驗(yan)數據(ju)進行了比較(jiao)，如圖2-6所示(shi)。同時(shi)，圖2-7比較(jiao)了氮(dan)(dan)(dan)活度(du)(du)系(xi)數計算(suan)式中壓(ya)力(li)項修正后(hou)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)模型計算(suan)值與文獻(xian)實(shi)測(ce)值。結(jie)果表(biao)明(ming)(ming)，修正后(hou)的(de)(de)模型預(yu)測(ce)值與Jiang等及Satir-Kolorz和Feichtinger的(de)(de)測(ce)量(liang)值非常吻合，略小于Rawers和Gokcen[26]的(de)(de)測(ce)量(liang)值。該(gai)差異(yi)可(ke)能(neng)是(shi)由(you)計算(suan)中選擇的(de)(de)溫度(du)(du)為(wei)1923K而引起的(de)(de)，因(yin)為(wei)當熔體以緩慢的(de)(de)冷卻速(su)率降低到(dao)液(ye)相線時(shi)，氮(dan)(dan)(dan)濃度(du)(du)會(hui)增加。驗(yan)證結(jie)果表(biao)明(ming)(ming)，經壓(ya)力(li)項修正后(hou)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)熱(re)(re)力(li)學(xue)模型，適(shi)用于計算(suan)高氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)下(xia)不銹(xiu)鋼的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)。在(zai)(zai)著作 Mastering P-ESR Technology for High Nitrogen Steel Grades for HighValue Applications中，Carosi等認為(wei)Jiang等建立的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)模型的(de)(de)預(yu)測(ce)值與工(gong)業結(jie)果非常符(fu)合，并(bing)將此模型應(ying)用到(dao)動(dong)態模型的(de)(de)仿真計算(suan)中。

  基(ji)于(yu)高氮(dan)氣(qi)壓力(li)下氮(dan)溶解度模型(xing)的(de)修(xiu)正，本書作者針(zhen)對含Nb和含V鋼(gang)(gang)(gang)種，進一步(bu)研究了其(qi)氮(dan)溶解熱力(li)學行為，通過(guo)補充完善鋼(gang)(gang)(gang)液中(zhong)Nb和V對氮(dan)活(huo)度的(de)相互作用系數，構建了包含 Nb、V體系鋼(gang)(gang)(gang)種或合金(jin)在氮(dan)氣(qi)加壓下的(de)氮(dan)溶解度模型(xing)：

2. 合(he)金元(yuan)素成分對氮溶解度的影響

 a. 合金元素(su)對氮的活度相互(hu)作用系(xi)數(shu)

  氮在鐵基合(he)金(jin)(jin)熔(rong)體中的(de)(de)溶解(jie)度(du)受其(qi)合(he)金(jin)(jin)成(cheng)(cheng)分(fen)的(de)(de)影(ying)(ying)響顯著，許多常用合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)可(ke)有(you)效地提高(gao)氮溶解(jie)度(du)，同(tong)時(shi)也有(you)部分(fen)元(yuan)(yuan)素(su)會降低氮溶解(jie)度(du)。一般(ban)可(ke)以用各合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)對氮的(de)(de)一階活(huo)度(du)相(xiang)互作用系數（表2-4)來(lai)表征(zheng)合(he)金(jin)(jin)成(cheng)(cheng)分(fen)對氮溶解(jie)度(du)的(de)(de)影(ying)(ying)響，當其(qi)值為負時(shi)，相(xiang)應(ying)的(de)(de)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)可(ke)降低熔(rong)體中氮的(de)(de)活(huo)度(du)系數，增加氮的(de)(de)溶解(jie)度(du)；當其(qi)值為正(zheng)時(shi)，相(xiang)應(ying)的(de)(de)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)則增大(da)氮的(de)(de)活(huo)度(du)系數，降低氮溶解(jie)度(du)。

合(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)對氮(dan)的(de)(de)活度相(xiang)互作(zuo)用(yong)系數(shu)(shu)，實質上表征了該合(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)與氮(dan)元(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)(de)原子間親和力(li)，這與其(qi)在(zai)元(yuan)(yuan)素(su)(su)周(zhou)期表中的(de)(de)位置密切相(xiang)關，因為元(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)(de)電子結(jie)構(gou)與它們在(zai)周(zhou)期表中的(de)(de)位置相(xiang)對應。從(cong)合(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)(de)微觀結(jie)構(gou)來看(kan)，同(tong)一周(zhou)期中，從(cong)左(zuo)到右，元(yuan)(yuan)素(su)(su)核外(wai)電子層數(shu)(shu)相(xiang)同(tong)，而最外(wai)層電子數(shu)(shu)增加，原子半(ban)徑遞減（0族元(yuan)(yuan)素(su)(su)除外(wai)）；同(tong)一族中，從(cong)上到下，所有元(yuan)(yuan)素(su)(su)具(ju)有相(xiang)同(tong)數(shu)(shu)量的(de)(de)價電子，而核外(wai)電子層數(shu)(shu)逐漸(jian)增多，原子半(ban)徑增大(da)。原子半(ban)徑大(da)的(de)(de)合(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)對氮(dan)的(de)(de)親和力(li)普遍較強。

  圖2-8給出(chu)了在(zai)(zai)1873K、0.1MPa氮(dan)氣壓力(li)下(xia)Fe-X二(er)元(yuan)合(he)(he)金(jin)(jin)體系中(zhong)各種常見金(jin)(jin)元(yuan)素(su)X對(dui)氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)的(de)(de)影響。在(zai)(zai)合(he)(he)金(jin)(jin)熔體中(zhong)，提(ti)高Mo、Mn、Ta、Cr、Nb和(he)V等(deng)元(yuan)素(su)的(de)(de)含量能(neng)夠顯著增大熔體的(de)(de)氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)。例如，在(zai)(zai)1873K和(he)氮(dan)氣壓力(li)為(wei)0.1MPa條件下(xia)，Cr、Mn等(deng)典型(xing)合(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)能(neng)夠提(ti)高高氮(dan)無鎳奧氏體不(bu)銹鋼熔體的(de)(de)氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)，其中(zhong)20%Cr-20%Mn合(he)(he)金(jin)(jin)體系中(zhong)氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)可達0.8%以(yi)上(shang)，如圖2-9所(suo)示。然而，提(ti)高C、Si等(deng)元(yuan)素(su)的(de)(de)含量則會明顯降低熔體的(de)(de)氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)，其他元(yuan)素(su)（如Ni、Co、Cu、Sn和(he)W等(deng)）含量的(de)(de)變化則對(dui)熔體的(de)(de)氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)影響相(xiang)對(dui)較小。

  如圖(tu)2-10所示，根據對(dui)(dui)氮(dan)(dan)(dan)在熔體(ti)中溶(rong)解(jie)度(du)的(de)(de)(de)影響規律不同(tong)，合(he)金(jin)元素(su)大體(ti)可以分為(wei)三(san)大類(lei)(lei)：①. 第(di)一類(lei)(lei)為(wei)對(dui)(dui)熔融鐵基合(he)金(jin)中氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)具有(you)顯著提升(sheng)作(zuo)(zuo)用(yong)的(de)(de)(de)合(he)金(jin)元素(su)，如Cr、Mo、Mn、Ti、Zr、V和(he)(he)Nb等(deng)，其中Ti、Zr、V和(he)(he)Nb具有(you)強烈的(de)(de)(de)形成(cheng)氮(dan)(dan)(dan)化(hua)物的(de)(de)(de)趨(qu)勢。Cr作(zuo)(zuo)為(wei)不銹鋼的(de)(de)(de)重要合(he)金(jin)元素(su)之一，能夠顯著提高熔融鐵基合(he)金(jin)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)，其與Ti、Zr、V和(he)(he)Nb相比(bi)，形成(cheng)氮(dan)(dan)(dan)化(hua)物的(de)(de)(de)趨(qu)勢較(jiao)小。②. Ni、Co和(he)(he)Cu等(deng)元素(su)為(wei)第(di)二類(lei)(lei)，對(dui)(dui)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)的(de)(de)(de)影響較(jiao)小。其中Ni是不銹鋼中重要的(de)(de)(de)合(he)金(jin)元素(su)，但它對(dui)(dui)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)的(de)(de)(de)負(fu)面影響會降低高氮(dan)(dan)(dan)合(he)金(jin)中的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)含量。③. 第(di)三(san)類(lei)(lei)為(wei)C、Si等(deng)非金(jin)屬元素(su)和(he)(he)A1等(deng)元素(su)，具有(you)明顯降低熔體(ti)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)的(de)(de)(de)作(zuo)(zuo)用(yong)。

  b. 合金(jin)元素的(de)鉻(ge)等效因子(zi)與鉻(ge)當量濃(nong)度(du)

  除合(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)對(dui)氮(dan)的(de)(de)(de)(de)活度(du)(du)(du)相互作用系數(shu)外，也可(ke)以(yi)通(tong)過參(can)考元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)等效作用來描述(shu)不同(tong)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)對(dui)熔體(ti)(ti)氮(dan)溶解度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)影響。較為典型的(de)(de)(de)(de)是(shi)以(yi)鉻(ge)為參(can)考，因(yin)為鉻(ge)具有相當強的(de)(de)(de)(de)增加氮(dan)溶解度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)作用，并且被認為是(shi)合(he)金(jin)(jin)(jin)材料中最(zui)重要的(de)(de)(de)(de)合(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)之(zhi)一。在(zai)活度(du)(du)(du)相互作用系數(shu)的(de)(de)(de)(de)基礎上(shang)，Satir-Kolorz與Feichtinger 換(huan)算了各種(zhong)合(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)鉻(ge)等效因(yin)子c.表2-4列出了Ti、Zr、V、Nb、Ta、W、C、B、Al、Si、P、As、Sb和Sn等元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)鉻(ge)等效因(yin)子。對(dui)于不同(tong)合(he)金(jin)(jin)(jin)體(ti)(ti)系，可(ke)以(yi)將體(ti)(ti)系中各種(zhong)合(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)X;的(de)(de)(de)(de)濃(nong)度(du)(du)(du)乘以(yi)相應(ying)的(de)(de)(de)(de)鉻(ge)等效因(yin)子獲(huo)得對(dui)應(ying)的(de)(de)(de)(de)鉻(ge)當量濃(nong)度(du)(du)(du)。據此，可(ke)將熔體(ti)(ti)中所(suo)有合(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)X;的(de)(de)(de)(de)濃(nong)度(du)(du)(du)轉換(huan)為鉻(ge)當量濃(nong)度(du)(du)(du)。

  通(tong)過(guo)實驗(yan)測(ce)量(liang)(liang)鋼(gang)中的(de)(de)平衡氮(dan)含(han)量(liang)(liang)，得到(dao)了合(he)金體(ti)系對(dui)應的(de)(de)數值，如(ru)圖2-11中空心點所(suo)示；通(tong)過(guo)式（2-23)計算(suan)可(ke)以得到(dao)不同鉻當量(liang)(liang)濃度與0.51gPN2-lg[%N]-e≈[%N](氮(dan)活度系數）之間的(de)(de)關系曲線(xian)，兩(liang)符合(he)良好，驗(yan)證了此等效(xiao)(xiao)方(fang)法(fa)的(de)(de)合(he)理(li)性。此研(yan)究的(de)(de)特別之處在于(yu)，通(tong)過(guo)鉻當量(liang)(liang)濃度來間接表示多(duo)種合(he)金元(yuan)(yuan)素(su)在大濃度范圍內的(de)(de)所(suo)有數據(ju)，可(ke)以將復雜的(de)(de)多(duo)組元(yuan)(yuan)熔體(ti)等效(xiao)(xiao)為鐵－氮(dan)－鉻三元(yuan)(yuan)體(ti)系后(hou)計算(suan)氮(dan)的(de)(de)溶解度。基于(yu)鉻等效(xiao)(xiao)因子，通(tong)過(guo)鉻當量(liang)(liang)濃度的(de)(de)換(huan)算(suan)并參考關系曲線(xian)（圖2-11),復雜的(de)(de)多(duo)組元(yuan)(yuan)熔體(ti)氮(dan)溶解度可(ke)統(tong)一表示為

3. 溫度(du)對氮溶解(jie)度(du)的影(ying)響(xiang)

  溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)對(dui)合金熔(rong)(rong)體中(zhong)氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響，取決(jue)于氮(dan)在合金熔(rong)(rong)體中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)溶(rong)解(jie)反(fan)(fan)應為吸熱(re)(re)還是放(fang)熱(re)(re)過程(cheng)，即氮(dan)溶(rong)解(jie)反(fan)(fan)應焓變ΔH的(de)(de)(de)(de)(de)(de)正負。在一定(ding)氮(dan)氣壓力下，對(dui)于不同合金成分的(de)(de)(de)(de)(de)(de)熔(rong)(rong)體而言(yan)，氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)對(dui)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)依賴性（溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)對(dui)氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響趨勢）是不同的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，且隨溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變化程(cheng)度(du)(du)(du)也不同，這是由該熔(rong)(rong)體中(zhong)合金元素(su)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)種類與含量共同決(jue)定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，即ΔH的(de)(de)(de)(de)(de)(de)正負是由合金成分決(jue)定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。

  0.1MPa氮氣壓力下(xia)常見的(de)(de)(de)Fe-Cr-Mn-Ni合(he)(he)(he)(he)金體系(xi)在1750~2000K溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)范(fan)圍內(nei)的(de)(de)(de)氮溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)與溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)關系(xi)如(ru)圖2-12所示。可以看(kan)出，純(chun)鐵(tie)和(he)Fe20Ni合(he)(he)(he)(he)金體系(xi)的(de)(de)(de)氮溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)較(jiao)低(di)，并且隨(sui)(sui)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)升高逐漸增大。隨(sui)(sui)著熔體中鉻、錳等元素(su)含量的(de)(de)(de)增加(jia)，如(ru)Fe18Mn和(he)Fe18Cr等合(he)(he)(he)(he)金體系(xi)，氮的(de)(de)(de)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)顯著增大，溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)對(dui)(dui)氮溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)影響更加(jia)明顯，且隨(sui)(sui)著溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)下(xia)降(jiang)，熔體中的(de)(de)(de)氮溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)逐漸增大。Fe18Cr8Ni合(he)(he)(he)(he)金的(de)(de)(de)氮溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)對(dui)(dui)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)依(yi)賴性也(ye)為(wei)負；此外，由于(yu)鎳具有降(jiang)低(di)氮溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)，相(xiang)對(dui)(dui)于(yu)Fe18Cr合(he)(he)(he)(he)金，Fe18Cr8Ni合(he)(he)(he)(he)金的(de)(de)(de)氮溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)隨(sui)(sui)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)變(bian)化的(de)(de)(de)趨勢比(bi)較(jiao)平緩。

  從溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)熱力學理論(lun)來(lai)看(kan)，在(zai)(zai)合(he)(he)金(jin)成分(fen)與氮(dan)氣壓(ya)力一定的(de)(de)(de)條件下，溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)對(dui)(dui)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)影(ying)響規律為：若(ruo)式（2-36)中參數(shu)a<0,即焓(han)(han)變(bian)ΔH>0時(shi)，氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)反(fan)應為吸(xi)熱過程，氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)隨(sui)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)升(sheng)高(gao)而增大；若(ruo)a>0,即焓(han)(han)變(bian)ΔH<0時(shi)，反(fan)為放熱過程，氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)隨(sui)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)升(sheng)高(gao)而減小。因此，溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)對(dui)(dui)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)影(ying)響取決于焓(han)(han)變(bian)ΔH數(shu)值(zhi)的(de)(de)(de)正負和(he)大小，最終歸結為合(he)(he)金(jin)成分(fen)決定氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)依賴性。利用(yong)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)模型，Satir-Kolorz 等探究了不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)合(he)(he)金(jin)體系在(zai)(zai)0.1MPa和(he)5MPa氮(dan)氣壓(ya)力下，1750~2000K 范圍(wei)內氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)與溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)關系，如(ru)圖2-13所(suo)示。結果與上面分(fen)析(xi)的(de)(de)(de)一致，在(zai)(zai)氮(dan)氣壓(ya)力一定的(de)(de)(de)條件下，溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)對(dui)(dui)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)影(ying)響取決于合(he)(he)金(jin)的(de)(de)(de)成分(fen)：含有增加氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)元素（如(ru)Mn、Cr、Mo)的(de)(de)(de)鐵(tie)基(ji)合(he)(he)金(jin)（Fe-Cr和(he)Fe-Mn合(he)(he)金(jin)體系），氮(dan)的(de)(de)(de)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)隨(sui)著溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)升(sheng)高(gao)而降低(di)；而對(dui)(dui)于含有降低(di)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)元素的(de)(de)(de)鐵(tie)基(ji)合(he)(he)金(jin)（如(ru)Fe-Ni合(he)(he)金(jin)），隨(sui)著溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)升(sheng)高(gao)，熔體中的(de)(de)(de)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)增大。

4. 氮氣壓力對氮溶(rong)解度的(de)影(ying)響

  鑒(jian)于高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)鋼(gang)(gang)產品對高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)含(han)(han)量(liang)的(de)(de)需求，在(zai)常(chang)壓(ya)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)環境中無法(fa)實現鋼(gang)(gang)液(ye)的(de)(de)高(gao)效增(zeng)(zeng)氮(dan)(dan)(dan)(dan)和保氮(dan)(dan)(dan)(dan)，提(ti)高(gao)冶煉(lian)過程的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力成為(wei)有(you)效手段。氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)加(jia)(jia)壓(ya)冶煉(lian)技術，不僅能(neng)夠通過促進氣(qi)(qi)相(xiang)－合(he)(he)金熔(rong)體(ti)間的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解反應(ying)實現更佳的(de)(de)增(zeng)(zeng)氮(dan)(dan)(dan)(dan)效果，在(zai)抑制高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)濃度鋼(gang)(gang)液(ye)凝(ning)固過程中氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)孔的(de)(de)形成方面也發揮著(zhu)重要(yao)作用。研究不同氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力下(xia)(xia)合(he)(he)金熔(rong)體(ti)中的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度，成為(wei)精確控制氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)加(jia)(jia)壓(ya)冶煉(lian)工(gong)藝鋼(gang)(gang)中氮(dan)(dan)(dan)(dan)含(han)(han)量(liang)的(de)(de)重要(yao)理論基礎。在(zai)常(chang)壓(ya)［如(ru)圖2-14(a)和加(jia)(jia)壓(ya)［如(ru)圖2-14(b)]條(tiao)件(jian)下(xia)(xia)，液(ye)態鐵基合(he)(he)金中的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度隨(sui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力的(de)(de)提(ti)高(gao)而顯著(zhu)增(zeng)(zeng)大。

a. 低氮氣壓力

  如前所述，氮(dan)(dan)氣(qi)在金(jin)屬熔體中(zhong)的(de)溶(rong)解屬于雙原子分(fen)子的(de)溶(rong)解過(guo)程，在低(di)氮(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)范圍內(nei)，氮(dan)(dan)溶(rong)解度隨氮(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)的(de)變化(hua)符合Sieverts定律。眾多(duo)研究已經證實(shi)，在小于0.1MPa的(de)低(di)氮(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)范圍內(nei)，不(bu)銹鋼體系（表2-5中(zhong)1~3號）的(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解度與(yu)氮(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)的(de)關(guan)系符合 Sieverts定律，即呈(cheng)線性(xing)相關(guan)，如圖2-15所示。

  為了進一步(bu)驗證不(bu)(bu)(bu)同氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)下 Sieverts定律(lv)的(de)(de)適用(yong)情(qing)況，Jiang(姜周華）等研(yan)究了氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)不(bu)(bu)(bu)高于0.1MPa,即低氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)下典(dian)型不(bu)(bu)(bu)銹(xiu)(xiu)鋼(gang)品種AISI304和AISI 316L 熔體中氮(dan)溶解度與(yu)氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)關(guan)系(xi)，結果如(ru)圖(tu)2-16所(suo)示。隨(sui)著氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)增(zeng)加，氮(dan)在兩(liang)類(lei)典(dian)型不(bu)(bu)(bu)銹(xiu)(xiu)鋼(gang)熔體中的(de)(de)溶解度顯著提升，并且與(yu)氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)關(guan)系(xi)符(fu)合(he)Sieverts定律(lv)。

 b. 高氮(dan)氣壓力

  隨著(zhu)冶煉過程中氮(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)的進一(yi)步提(ti)高，各種合(he)金(jin)體系(xi)(xi)的氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)均會增大。純鐵(tie)(tie)液的飽(bao)和氮(dan)(dan)濃(nong)度(du)不(bu)僅在(zai)常壓(ya)以下(xia)(xia)，而(er)且在(zai)0.1~200MPa的高壓(ya)范圍內也(ye)始(shi)終與氮(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)的平方根(gen)呈線性關系(xi)(xi)。這是因為(wei)即(ji)(ji)使在(zai)高氮(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)下(xia)(xia)純鐵(tie)(tie)液中的氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)也(ye)處于(yu)較(jiao)低(di)的水平，如(ru)圖2-17所示(shi)。在(zai)Fe-Ni合(he)金(jin)體系(xi)(xi)中，由(you)于(yu)鎳元素具有降低(di)氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)的作用(yong)，鎳含量越高氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)反而(er)越低(di)，即(ji)(ji)使在(zai)高氮(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)下(xia)(xia)氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)也(ye)處于(yu)較(jiao)低(di)水平。研(yan)究(jiu)結果表明，高氮(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)下(xia)(xia)Fe-Ni體系(xi)(xi)也(ye)符合(he) Sieverts定(ding)律，如(ru)圖2-18所示(shi)。

  然而，隨(sui)著高(gao)氮鋼品種的(de)開(kai)發和(he)冶煉(lian)工藝的(de)發展，大量研究顯示，對于較(jiao)高(gao)氮氣壓力(li)下(xia)的(de)Fe-Cr-Mn-Ni-Mo等高(gao)合(he)金體(ti)系（表2-5中4~6號），氮溶解度隨(sui)氮氣壓力(li)的(de)變化與Sieverts定(ding)律描述的(de)線性關系產生了較(jiao)大的(de)偏(pian)差，如圖2-19所示。

  圖2-19 1873K 高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)(li)下氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)(du)(du)隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)(li)平(ping)方根的(de)(de)(de)變化氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)(du)(du)與(yu)Sieverts 定律(lv)的(de)(de)(de)偏(pian)離(li)，并非存在(zai)于(yu)所有高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)(li)下的(de)(de)(de)情況，與(yu)合(he)(he)金熔(rong)體(ti)(ti)成分(fen)密切相(xiang)關。上(shang)述純(chun)鐵液(ye)(ye)和Fe-Ni合(he)(he)金這兩類(lei)低氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)(du)(du)體(ti)(ti)系就(jiu)是(shi)偏(pian)差不(bu)(bu)顯著的(de)(de)(de)實例；相(xiang)反，具(ju)有高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)合(he)(he)金熔(rong)體(ti)(ti)（如Fe-Cr-Mn體(ti)(ti)系）在(zai)高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)(li)下通常不(bu)(bu)符合(he)(he) Sieverts 定律(lv)。由此(ci)可以推測，高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)(li)下氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)(du)(du)隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)(li)提高(gao)較慢的(de)(de)(de)原(yuan)因是(shi)，高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)(li)下熔(rong)體(ti)(ti)中氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃(nong)度(du)(du)(du)(du)處(chu)于(yu)較高(gao)水平(ping)，不(bu)(bu)再滿足無限稀釋(shi)溶(rong)液(ye)(ye)的(de)(de)(de)理想情況。此(ci)時，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)子之間存在(zai)自身相(xiang)互作用(yong)(yong)，彼此(ci)之間的(de)(de)(de)相(xiang)斥效應將會導致(zhi)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)降低；氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃(nong)度(du)(du)(du)(du)越(yue)高(gao)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)自身的(de)(de)(de)相(xiang)斥作用(yong)(yong)越(yue)明顯。由此(ci)可知，高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)(li)下氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)(du)(du)與(yu)Sieverts 定律(lv)的(de)(de)(de)偏(pian)離(li)主要(yao)由氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)自身相(xiang)互作用(yong)(yong)導致(zhi)，而高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)(li)通常是(shi)熔(rong)體(ti)(ti)中高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)含量的(de)(de)(de)一個關鍵誘因。

  對于圖(tu)2-17和(he)圖(tu)2-18中純鐵液、低合(he)金鋼或類似Fe-Ni合(he)金等(deng)低氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)體系而言，氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)自身(shen)相(xiang)互作用(yong)幾(ji)乎可以(yi)忽略，在高氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)下氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)與氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)平方根也(ye)接近線性關系。常(chang)見的(de)(de)(de)具有高氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)Fe-Cr-Mn等(deng)體系則不(bu)同，在高氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)下高合(he)金含量的(de)(de)(de)熔體氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)可達1%以(yi)上，超出 Sieverts定律的(de)(de)(de)適用(yong)范圍。定義Sieverts定律對氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)適用(yong)極(ji)限，為(wei)開始出現明顯偏(pian)差的(de)(de)(de)臨界(jie)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)，如(ru)圖(tu)2-20所示，不(bu)同鉻(ge)含量的(de)(de)(de)Fe-Cr合(he)金的(de)(de)(de)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)適用(yong)極(ji)限不(bu)同（實驗數據來源于Torkhov等(deng)的(de)(de)(de)研(yan)究）。隨著(zhu)鉻(ge)和(he)氮(dan)(dan)(dan)含量的(de)(de)(de)增加，Sieverts定律的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)適用(yong)極(ji)限快速降(jiang)低，高氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)下的(de)(de)(de)偏(pian)差程(cheng)度(du)(du)也(ye)變得更為(wei)顯著(zhu)。

  針對高(gao)合金、高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度體系(xi)在(zai)高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)下氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)熱力(li)(li)學偏(pian)(pian)離 Sieverts定(ding)(ding)律(lv)的(de)(de)(de)現象，可通(tong)過(guo)熔(rong)體中(zhong)各類(lei)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)之間存(cun)(cun)在(zai)的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)(yong)來解(jie)(jie)釋氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)溶(rong)解(jie)(jie)機制。圖(tu)(tu)2-21(a)顯示了單個氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)在(zai)鐵(tie)(tie)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)晶(jing)格(ge)中(zhong)的(de)(de)(de)賦存(cun)(cun)狀(zhuang)況(kuang)：由(you)(you)于(yu)(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)處于(yu)(yu)無限稀(xi)釋的(de)(de)(de)狀(zhuang)態(tai)，它只與(yu)鐵(tie)(tie)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)存(cun)(cun)在(zai)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)(yong)，不(bu)發生氮(dan)(dan)(dan)(dan)自(zi)身(shen)的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)(yong)。圖(tu)(tu)2-21(b)顯示了高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)濃(nong)度下（如在(zai)高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)下）的(de)(de)(de)鐵(tie)(tie)－氮(dan)(dan)(dan)(dan)二元(yuan)合金晶(jing)格(ge)：氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)周圍除相(xiang)(xiang)鄰的(de)(de)(de)鐵(tie)(tie)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)外，也存(cun)(cun)在(zai)臨近的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)間彼此相(xiang)(xiang)互(hu)抑制，從(cong)而(er)導致(zhi)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度降低并偏(pian)(pian)離 Sieverts 定(ding)(ding)律(lv)的(de)(de)(de)預測曲線。這種自(zi)身(shen)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)(yong)可由(you)(you)自(zi)身(shen)活度相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)(yong)系(xi)數來表示，由(you)(you)于(yu)(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)之間處于(yu)(yu)相(xiang)(xiang)互(hu)抑制的(de)(de)(de)狀(zhuang)態(tai)，自(zi)身(shen)活度相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)(yong)系(xi)數e值(zhi)為正數。圖(tu)(tu)2-21(c)顯示了鐵(tie)(tie)－鉻(ge)(ge)－氮(dan)(dan)(dan)(dan)三元(yuan)合金的(de)(de)(de)晶(jing)格(ge)：由(you)(you)于(yu)(yu)鉻(ge)(ge)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)和氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)之間具(ju)有很(hen)強的(de)(de)(de)吸(xi)引力(li)(li)，其相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)(yong)系(xi)數為負值(zhi)。在(zai)此結構中(zhong)，由(you)(you)于(yu)(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)向(xiang)鉻(ge)(ge)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)偏(pian)(pian)移，就有更多(duo)空間留給(gei)額外的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)，從(cong)而(er)產生較高(gao)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度。不(bu)過(guo)隨(sui)著(zhu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)濃(nong)度的(de)(de)(de)增加，氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)對自(zi)身(shen)的(de)(de)(de)強烈排斥(chi)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)(yong)開(kai)始凸顯，因此在(zai)高(gao)鉻(ge)(ge)和高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)濃(nong)度下，實際(ji)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度隨(sui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)變(bian)化(hua)規律(lv)與(yu) Sieverts定(ding)(ding)律(lv)之間存(cun)(cun)在(zai)明(ming)顯的(de)(de)(de)偏(pian)(pian)差。

  研(yan)究(jiu)發現，在(zai)超過(guo)10MPa氮(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)的(de)條(tiao)件下，將合(he)金(jin)元素(su)含(han)量提高(gao)至(zhi)45%,熔體(ti)(ti)(ti)的(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度(du)(du)可以(yi)(yi)高(gao)達3%以(yi)(yi)上(shang)。在(zai)氮(dan)(dan)(dan)濃度(du)(du)如此高(gao)的(de)情況下，熔體(ti)(ti)(ti)不滿足(zu)使用(yong)Sieverts 定律的(de)前(qian)提條(tiao)件，即無限稀釋溶液的(de)假設，因此在(zai)此條(tiao)件下，Sieverts定律無法準(zhun)確預(yu)測氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度(du)(du)，必須引入一個(ge)附(fu)加的(de)活度(du)(du)系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)f,以(yi)(yi)體(ti)(ti)(ti)現氮(dan)(dan)(dan)對自(zi)身作(zuo)用(yong)的(de)影響(xiang)。圖2-22顯示了實驗測得(de)的(de)不同氮(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)下，不同合(he)金(jin)體(ti)(ti)(ti)系(xi)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度(du)(du)的(de)變化。首先在(zai)不考慮(lv)氮(dan)(dan)(dan)自(zi)身相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)用(yong)的(de)情況下，通過(guo)對實驗結(jie)果進(jin)行回歸分析，確定鉻、錳、鉬和鎳(nie)等主要(yao)合(he)金(jin)元素(su)對氮(dan)(dan)(dan)的(de)一階和二階活度(du)(du)相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)用(yong)系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)。同時，從文獻(xian)數(shu)(shu)(shu)(shu)據(ju)中(zhong)獲得(de)其他合(he)金(jin)元素(su)的(de)相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)用(yong)系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)。基于(yu)所有合(he)金(jin)對體(ti)(ti)(ti)系(xi)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)活度(du)(du)系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)用(yong)系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)，通過(guo)回歸分析確定氮(dan)(dan)(dan)對自(zi)身的(de)活度(du)(du)相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)用(yong)系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)e為0.13。e的(de)數(shu)(shu)(shu)(shu)值為正，表明氮(dan)(dan)(dan)含(han)量的(de)提高(gao)會(hui)增加活度(du)(du)系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)，降低自(zi)身溶解(jie)度(du)(du)。