1. 常壓(ya)下基熔體的氮溶解度模型

  常溫下氮(dan)(dan)以雙原(yuan)子(zi)分(fen)子(zi)形式(shi)存(cun)在，高(gao)溫下則分(fen)解(jie)(jie)成(cheng)氮(dan)(dan)原(yuan)子(zi)溶(rong)解(jie)(jie)于(yu)金屬熔(rong)(rong)體(ti)(ti)中。如(ru)圖(tu)2-1所示，氮(dan)(dan)在金屬熔(rong)(rong)體(ti)(ti)中的溶(rong)解(jie)(jie)過程可以描述(shu)如(ru)下：氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)接觸到熔(rong)(rong)體(ti)(ti)表面后發生物(wu)理(li)吸附(fu)(fu)(fu)，當氣(qi)(qi)體(ti)(ti)分(fen)子(zi)和熔(rong)(rong)體(ti)(ti)表面的結合力大于(yu)氣(qi)(qi)體(ti)(ti)內(nei)部(bu)分(fen)子(zi)的結合力時發生化(hua)學吸附(fu)(fu)(fu)，吸附(fu)(fu)(fu)的氮(dan)(dan)分(fen)子(zi)分(fen)解(jie)(jie)成(cheng)原(yuan)子(zi)，隨后從熔(rong)(rong)體(ti)(ti)表面向內(nei)部(bu)擴散。

  表2-1總結(jie)了研究人員在1873K、0.1MPa氮氣壓力下測得(de)的(de)熔(rong)融鐵(tie)(tie)液(ye)(ye)中(zhong)的(de)氮溶(rong)(rong)解度(du)(du)。根(gen)據文獻中(zhong)的(de)實驗數據可(ke)知，熔(rong)融鐵(tie)(tie)液(ye)(ye)的(de)氮溶(rong)(rong)解度(du)(du)集中(zhong)在0.043%~0.046%范圍內。圖2-2歸納(na)了冶煉溫度(du)(du)對熔(rong)融鐵(tie)(tie)液(ye)(ye)中(zhong)氮溶(rong)(rong)解度(du)(du)的(de)影響。可(ke)以看出，在熔(rong)融鐵(tie)(tie)液(ye)(ye)中(zhong)，氮溶(rong)(rong)解度(du)(du)隨溫度(du)(du)的(de)升高(gao)而增大(da)。

  若氮(dan)(dan)活度(du)的(de)(de)參考態為合(he)金熔(rong)體(ti)中假想的(de)(de)1%N溶(rong)液，則0.5mol氮(dan)(dan)氣溶(rong)解于合(he)金熔(rong)體(ti)的(de)(de)吉布斯自(zi)由能變可以表示為

  在(zai)早期(qi)對(dui)合(he)(he)金(jin)熔體中(zhong)氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)研(yan)究中(zhong)，各種合(he)(he)金(jin)元素對(dui)氮(dan)的(de)(de)二(er)(er)階(jie)活度(du)(du)(du)相互作用(yong)系(xi)(xi)數(shu)及二(er)(er)階(jie)交叉活度(du)(du)(du)相互作用(yong)系(xi)(xi)數(shu)的(de)(de)相關測(ce)定尚不完善(shan)。1965年，Chipman等(deng)［18]開發了(le)僅使用(yong)一階(jie)活度(du)(du)(du)相互作用(yong)系(xi)(xi)數(shu)而(er)不涉及高階(jie)項的(de)(de)氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)模(mo)型。基于Chipman等(deng)的(de)(de)研(yan)究結果和1873K下(xia)不同元素對(dui)氮(dan)的(de)(de)一階(jie)活度(du)(du)(du)相互作用(yong)系(xi)(xi)數(shu)（表2-2)[19],可(ke)以得(de)到1873K下(xia)氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)模(mo)型中(zhong)氮(dan)的(de)(de)活度(du)(du)(du)系(xi)(xi)數(shu)1gf[式(shi)（2-9)],其(qi)他冶煉溫度(du)(du)(du)下(xia)氮(dan)的(de)(de)活度(du)(du)(du)系(xi)(xi)數(shu)可(ke)由式(shi)（2-10)轉換(huan)獲得(de)。據此(ci)，Chipman 等(deng)建立了(le)預測(ce)不同溫度(du)(du)(du)下(xia)合(he)(he)金(jin)熔體中(zhong)氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)式(shi)（2-11)。

  隨著對多元合金熔體氮(dan)(dan)溶解度(du)(du)(du)(du)研究的(de)(de)深入，各種合金元素對氮(dan)(dan)的(de)(de)一階(jie)、二階(jie)以(yi)及二階(jie)交(jiao)叉活(huo)(huo)度(du)(du)(du)(du)相(xiang)(xiang)互作用系(xi)數的(de)(de)實驗研究與測(ce)(ce)定逐步(bu)完(wan)善。1990年，Grigorenko等。探究了(le)(le)合金元素對氮(dan)(dan)活(huo)(huo)度(du)(du)(du)(du)系(xi)數的(de)(de)影(ying)響，認為(wei)(wei)在較高(gao)的(de)(de)合金濃度(du)(du)(du)(du)下(xia)，僅(jin)采用一階(jie)活(huo)(huo)度(du)(du)(du)(du)相(xiang)(xiang)互作用系(xi)數來(lai)計算氮(dan)(dan)的(de)(de)活(huo)(huo)度(du)(du)(du)(du)系(xi)數和預(yu)(yu)測(ce)(ce)氮(dan)(dan)溶解度(du)(du)(du)(du)是不(bu)夠準(zhun)確的(de)(de)。為(wei)(wei)了(le)(le)進一步(bu)提(ti)高(gao)氮(dan)(dan)溶解度(du)(du)(du)(du)預(yu)(yu)測(ce)(ce)模型的(de)(de)準(zhun)確性(xing)，必須以(yi)二階(jie)乃至更高(gao)階(jie)泰勒級(ji)數的(de)(de)形式表示氮(dan)(dan)的(de)(de)活(huo)(huo)度(du)(du)(du)(du)系(xi)數，即引入合金元素對氮(dan)(dan)的(de)(de)高(gao)階(jie)活(huo)(huo)度(du)(du)(du)(du)相(xiang)(xiang)互作用系(xi)數。據(ju)此，氮(dan)(dan)活(huo)(huo)度(du)(du)(du)(du)系(xi)數按高(gao)階(jie)泰勒級(ji)數的(de)(de)形式展(zhan)開，可表示為(wei)(wei)

2. 常壓(ya)下Fe-20%Cr基熔(rong)體的氮溶(rong)解度模型

  鑒(jian)于以Fe-Cr 合金(jin)為基礎的(de)各(ge)種(zhong)合金(jin)材料的(de)生(sheng)產與應用非常廣泛(fan)，1996年Anson等開(kai)發了種(zhong)常壓下(xia)以熔(rong)融Fe-20%Cr 合金(jin)為基體的(de)氮溶解度模型(xing)。在熔(rong)融Fe-20%Cr基合金(jin)中，氮溶解熱力學平(ping)衡關(guan)系(xi)如下(xia)所示：

3. 高氮(dan)(dan)氣壓(ya)力下的氮(dan)(dan)溶解度模(mo)型

  隨著含氮(dan)(dan)(dan)鋼種相關研究(jiu)的不斷深入(ru)，高(gao)氮(dan)(dan)(dan)鋼由于(yu)其優異的力學性(xing)(xing)能(neng)和耐(nai)腐蝕性(xing)(xing)能(neng)，在諸多領域(yu)得到了廣泛應(ying)用。大量研究(jiu)發現(xian)，在高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣壓力下，高(gao)合金(jin)體系中氮(dan)(dan)(dan)溶解度出現(xian)了偏離 Sieverts 定律的現(xian)象，導致高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣壓力下氮(dan)(dan)(dan)溶解度預測模型的準確度大幅降低(di)。

  如(ru)圖(tu)2-3和圖(tu)2-4所(suo)示，當(dang)鉻(ge)、錳等含(han)量較高(gao)(gao)(gao)時(shi)，高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)(li)下合金(jin)熔體(ti)的(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解度達到了較高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)數值，此時(shi)僅(jin)能(neng)(neng)在小范(fan)圍內呈線性關(guan)系，合金(jin)中(zhong)的(de)(de)氮(dan)(dan)含(han)量依(yi)然(ran)能(neng)(neng)隨著(zhu)氮(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)增加(jia)而持續(xu)提(ti)高(gao)(gao)(gao)，但與低(di)氮(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)(li)時(shi)相比，高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)(li)下氮(dan)(dan)溶(rong)解度的(de)(de)增加(jia)趨勢明(ming)顯變緩。高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)(li)下氮(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)(li)對(dui)氮(dan)(dan)溶(rong)解度的(de)(de)提(ti)升(sheng)作用被削弱，具體(ti)表現為實測的(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解度［％N]低(di)于(yu)根據(ju)Sieverts定(ding)律計(ji)算(suan)的(de)(de)值，即圖(tu)中(zhong)各(ge)個(ge)實線（實驗值）均(jun)處于(yu)相應虛線（計(ji)算(suan)值）下方。同時(shi)，兩(liang)曲線的(de)(de)偏離(li)程度隨著(zhu)鉻(ge)、錳等元素含(han)量的(de)(de)增加(jia)而變得嚴重。這表明(ming)在氮(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)(li)大(da)于(yu)0.1MPa的(de)(de)冶煉氣氛中(zhong)，尤其(qi)是當(dang)金(jin)屬熔體(ti)含(han)有較高(gao)(gao)(gao)量具有提(ti)升(sheng)氮(dan)(dan)溶(rong)解度能(neng)(neng)力(li)(li)(li)的(de)(de)合金(jin)元素時(shi)，氮(dan)(dan)溶(rong)解度很高(gao)(gao)(gao)，其(qi)與氮(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)關(guan)系將不再符合 Sieverts定(ding)律。

  1993年Rawers等［24]通過實驗(yan)研(yan)究了Fe-Cr和Fe-Cr-Ni等合(he)金體(ti)系(xi)(xi)在高氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)下氮(dan)(dan)(dan)的(de)溶(rong)解度(du)(du)模型(xing)。圖(tu)2-5給出了不(bu)同氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)下氮(dan)(dan)(dan)活度(du)(du)系(xi)(xi)數(shu)InfN隨鉻(ge)(ge)濃度(du)(du)變化(hua)曲線(xian)。對于鐵基合(he)金，在低(di)鉻(ge)(ge)濃度(du)(du)范圍內，lnfN與鉻(ge)(ge)濃度(du)(du)之間存在線(xian)性(xing)關系(xi)(xi)，其斜率(lv)隨著氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)的(de)增加而變化(hua)；在較高鉻(ge)(ge)濃度(du)(du)時，則明顯(xian)偏離(li)線(xian)性(xing)關系(xi)(xi)。

  基于對實(shi)驗數據的回歸分析，獲(huo)得了(le)Fe-Cr與Fe-Cr-Ni體系氮(dan)溶解度(du)模型中各相(xiang)互作(zuo)用系數，見表2-3.通過成(cheng)(cheng)分相(xiang)互作(zuo)用和氮(dan)氣壓力(li)(li)－成(cheng)(cheng)分效應對氮(dan)溶解度(du)模型的修正，可以更精確地預測高(gao)合金(jin)體系在(zai)高(gao)氮(dan)氣壓力(li)(li)條件下的氮(dan)溶解度(du)。

  為(wei)了進一步修正高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力下的(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度模型，2005年Jiang(姜周華）等［25]根(gen)據(ju)實(shi)驗研(yan)(yan)究和文獻報道的(de)數(shu)據(ju)，回歸分析得到了氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力對(dui)(dui)氮(dan)(dan)(dan)的(de)相(xiang)互作用(yong)系(xi)數(shu)8,反映了常壓(ya)以(yi)上的(de)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力對(dui)(dui)氮(dan)(dan)(dan)活度系(xi)數(shu)的(de)影(ying)響(xiang)。該研(yan)(yan)究通過考慮氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力的(de)影(ying)響(xiang)，對(dui)(dui)高(gao)(gao)壓(ya)下氮(dan)(dan)(dan)活度系(xi)數(shu)進行修正［式(shi)（2-19)],從而建立(li)了高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力下的(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)熱力學模型來預測(ce)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)不(bu)銹(xiu)鋼熔體中的(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度：

  經(jing)過修(xiu)正(zheng)后(hou)，重新利用(yong)氮溶解熱力(li)(li)學(xue)模(mo)型計(ji)(ji)算(suan)了(le)(le)文(wen)獻中(zhong)(zhong)1873K下純鐵、Fe-Cr和Fe-Mn 等(deng)合金體系在(zai)高氮氣壓(ya)力(li)(li)下的(de)(de)(de)(de)氮溶解度(du)隨氮氣壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)變化(hua)，并(bing)與(yu)(yu)(yu)實(shi)驗數(shu)據進(jin)行了(le)(le)比較(jiao)，如圖2-6所(suo)示(shi)。同時，圖2-7比較(jiao)了(le)(le)氮活度(du)系數(shu)計(ji)(ji)算(suan)式中(zhong)(zhong)壓(ya)力(li)(li)項修(xiu)正(zheng)后(hou)的(de)(de)(de)(de)氮溶解度(du)模(mo)型計(ji)(ji)算(suan)值(zhi)與(yu)(yu)(yu)文(wen)獻實(shi)測值(zhi)。結果(guo)表(biao)明，修(xiu)正(zheng)后(hou)的(de)(de)(de)(de)模(mo)型預(yu)測值(zhi)與(yu)(yu)(yu)Jiang等(deng)及Satir-Kolorz和Feichtinger的(de)(de)(de)(de)測量值(zhi)非(fei)常吻合，略小于Rawers和Gokcen[26]的(de)(de)(de)(de)測量值(zhi)。該差(cha)異(yi)可(ke)能是由計(ji)(ji)算(suan)中(zhong)(zhong)選擇的(de)(de)(de)(de)溫度(du)為1923K而引起的(de)(de)(de)(de)，因為當熔體以緩慢的(de)(de)(de)(de)冷卻速率降低到(dao)液相線時，氮濃度(du)會(hui)增加。驗證(zheng)結果(guo)表(biao)明，經(jing)壓(ya)力(li)(li)項修(xiu)正(zheng)后(hou)的(de)(de)(de)(de)氮溶解熱力(li)(li)學(xue)模(mo)型，適用(yong)于計(ji)(ji)算(suan)高氮氣壓(ya)力(li)(li)下不銹鋼的(de)(de)(de)(de)氮溶解度(du)。在(zai)著作 Mastering P-ESR Technology for High Nitrogen Steel Grades for HighValue Applications中(zhong)(zhong)，Carosi等(deng)認為Jiang等(deng)建(jian)立的(de)(de)(de)(de)氮溶解度(du)模(mo)型的(de)(de)(de)(de)預(yu)測值(zhi)與(yu)(yu)(yu)工(gong)業結果(guo)非(fei)常符合，并(bing)將此模(mo)型應用(yong)到(dao)動態模(mo)型的(de)(de)(de)(de)仿真計(ji)(ji)算(suan)中(zhong)(zhong)。

  基(ji)于高氮氣壓力(li)下(xia)氮溶解度模(mo)型的(de)修正(zheng)，本書作者針對含Nb和(he)含V鋼(gang)種，進(jin)一(yi)步研究了其氮溶解熱(re)力(li)學行為，通過(guo)補(bu)充完善鋼(gang)液中Nb和(he)V對氮活度的(de)相(xiang)互作用系(xi)數，構(gou)建(jian)了包含 Nb、V體系(xi)鋼(gang)種或合金在(zai)氮氣加壓下(xia)的(de)氮溶解度模(mo)型：

2. 合金元素(su)成分對氮溶解度的影響

 a. 合金(jin)元(yuan)素對氮的(de)活度相互作用系數

  氮(dan)在鐵基合(he)(he)(he)金熔體中的(de)(de)(de)溶(rong)解度(du)(du)(du)(du)(du)受(shou)其(qi)合(he)(he)(he)金成(cheng)分的(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)顯著，許多常(chang)用合(he)(he)(he)金元素(su)(su)可(ke)有效地提(ti)高(gao)氮(dan)溶(rong)解度(du)(du)(du)(du)(du)，同時也(ye)有部分元素(su)(su)會(hui)降(jiang)低(di)氮(dan)溶(rong)解度(du)(du)(du)(du)(du)。一般可(ke)以用各(ge)合(he)(he)(he)金元素(su)(su)對氮(dan)的(de)(de)(de)一階活度(du)(du)(du)(du)(du)相互作用系(xi)數（表2-4)來表征(zheng)合(he)(he)(he)金成(cheng)分對氮(dan)溶(rong)解度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)，當其(qi)值(zhi)為(wei)負(fu)時，相應(ying)的(de)(de)(de)合(he)(he)(he)金元素(su)(su)可(ke)降(jiang)低(di)熔體中氮(dan)的(de)(de)(de)活度(du)(du)(du)(du)(du)系(xi)數，增加氮(dan)的(de)(de)(de)溶(rong)解度(du)(du)(du)(du)(du)；當其(qi)值(zhi)為(wei)正時，相應(ying)的(de)(de)(de)合(he)(he)(he)金元素(su)(su)則增大氮(dan)的(de)(de)(de)活度(du)(du)(du)(du)(du)系(xi)數，降(jiang)低(di)氮(dan)溶(rong)解度(du)(du)(du)(du)(du)。

合(he)(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)對(dui)氮的(de)(de)(de)(de)活度相(xiang)互作(zuo)用(yong)系數(shu)，實(shi)質上表(biao)征了該合(he)(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)與氮元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)(de)(de)原(yuan)子(zi)(zi)間親和(he)力(li)，這與其在(zai)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)周(zhou)期表(biao)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)位(wei)置(zhi)密切相(xiang)關(guan)，因為元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)(de)(de)電子(zi)(zi)結構與它們在(zai)周(zhou)期表(biao)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)位(wei)置(zhi)相(xiang)對(dui)應。從合(he)(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)(de)(de)微觀結構來看，同(tong)(tong)一(yi)周(zhou)期中(zhong)，從左到右，元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)核外電子(zi)(zi)層(ceng)數(shu)相(xiang)同(tong)(tong)，而最外層(ceng)電子(zi)(zi)數(shu)增加，原(yuan)子(zi)(zi)半徑(jing)(jing)遞減（0族(zu)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)除外）；同(tong)(tong)一(yi)族(zu)中(zhong)，從上到下，所有元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)具有相(xiang)同(tong)(tong)數(shu)量的(de)(de)(de)(de)價電子(zi)(zi)，而核外電子(zi)(zi)層(ceng)數(shu)逐(zhu)漸增多，原(yuan)子(zi)(zi)半徑(jing)(jing)增大(da)。原(yuan)子(zi)(zi)半徑(jing)(jing)大(da)的(de)(de)(de)(de)合(he)(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)對(dui)氮的(de)(de)(de)(de)親和(he)力(li)普遍較強。

  圖2-8給出了在(zai)1873K、0.1MPa氮(dan)氣壓(ya)力下(xia)(xia)Fe-X二元(yuan)合(he)金(jin)體(ti)系(xi)中(zhong)各種常見金(jin)元(yuan)素(su)X對氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)的(de)(de)影響。在(zai)合(he)金(jin)熔(rong)體(ti)中(zhong)，提(ti)高(gao)Mo、Mn、Ta、Cr、Nb和(he)(he)V等(deng)(deng)元(yuan)素(su)的(de)(de)含量(liang)能(neng)夠(gou)顯著增大熔(rong)體(ti)的(de)(de)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)。例如，在(zai)1873K和(he)(he)氮(dan)氣壓(ya)力為0.1MPa條件(jian)下(xia)(xia)，Cr、Mn等(deng)(deng)典型合(he)金(jin)元(yuan)素(su)能(neng)夠(gou)提(ti)高(gao)高(gao)氮(dan)無鎳奧氏體(ti)不銹(xiu)鋼熔(rong)體(ti)的(de)(de)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)，其(qi)中(zhong)20%Cr-20%Mn合(he)金(jin)體(ti)系(xi)中(zhong)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)可達0.8%以上(shang)，如圖2-9所示。然(ran)而，提(ti)高(gao)C、Si等(deng)(deng)元(yuan)素(su)的(de)(de)含量(liang)則會(hui)明顯降低熔(rong)體(ti)的(de)(de)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)，其(qi)他(ta)元(yuan)素(su)（如Ni、Co、Cu、Sn和(he)(he)W等(deng)(deng)）含量(liang)的(de)(de)變(bian)化則對熔(rong)體(ti)的(de)(de)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)影響相對較(jiao)小(xiao)。

  如圖2-10所示(shi)，根據(ju)對氮(dan)(dan)(dan)(dan)在熔(rong)體(ti)中(zhong)(zhong)溶(rong)(rong)(rong)解度(du)的(de)影(ying)響(xiang)規律不同，合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)大(da)體(ti)可以分為三大(da)類(lei)：①. 第一(yi)類(lei)為對熔(rong)融(rong)鐵(tie)基合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解度(du)具(ju)(ju)有(you)(you)顯著提升作用的(de)合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)，如Cr、Mo、Mn、Ti、Zr、V和(he)Nb等，其(qi)中(zhong)(zhong)Ti、Zr、V和(he)Nb具(ju)(ju)有(you)(you)強烈的(de)形成氮(dan)(dan)(dan)(dan)化物(wu)的(de)趨勢。Cr作為不銹鋼(gang)的(de)重(zhong)要合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)之一(yi)，能夠(gou)顯著提高熔(rong)融(rong)鐵(tie)基合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)的(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解度(du)，其(qi)與Ti、Zr、V和(he)Nb相(xiang)比，形成氮(dan)(dan)(dan)(dan)化物(wu)的(de)趨勢較小(xiao)。②. Ni、Co和(he)Cu等元(yuan)(yuan)素(su)(su)為第二類(lei)，對氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解度(du)的(de)影(ying)響(xiang)較小(xiao)。其(qi)中(zhong)(zhong)Ni是不銹鋼(gang)中(zhong)(zhong)重(zhong)要的(de)合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)，但它對氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解度(du)的(de)負面影(ying)響(xiang)會(hui)降低高氮(dan)(dan)(dan)(dan)合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)中(zhong)(zhong)的(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)含量。③. 第三類(lei)為C、Si等非金(jin)(jin)(jin)(jin)屬元(yuan)(yuan)素(su)(su)和(he)A1等元(yuan)(yuan)素(su)(su)，具(ju)(ju)有(you)(you)明顯降低熔(rong)體(ti)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解度(du)的(de)作用。

  b. 合金(jin)元素的(de)鉻(ge)等效因子與(yu)鉻(ge)當量濃(nong)度

  除合(he)金元(yuan)素(su)(su)對(dui)氮(dan)的(de)(de)(de)(de)活度相互作用(yong)(yong)系數外(wai)，也可以(yi)通過參考(kao)元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)等(deng)效(xiao)作用(yong)(yong)來描述不(bu)同元(yuan)素(su)(su)對(dui)熔(rong)體氮(dan)溶解(jie)度的(de)(de)(de)(de)影響。較為(wei)典型的(de)(de)(de)(de)是以(yi)鉻(ge)為(wei)參考(kao)，因為(wei)鉻(ge)具有(you)(you)相當(dang)(dang)強(qiang)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)氮(dan)溶解(jie)度的(de)(de)(de)(de)作用(yong)(yong)，并且被認為(wei)是合(he)金材料中最重要的(de)(de)(de)(de)合(he)金元(yuan)素(su)(su)之一。在活度相互作用(yong)(yong)系數的(de)(de)(de)(de)基礎上，Satir-Kolorz與Feichtinger 換算了(le)各種(zhong)合(he)金元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)鉻(ge)等(deng)效(xiao)因子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)元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)鉻(ge)等(deng)效(xiao)因子。對(dui)于(yu)不(bu)同合(he)金體系，可以(yi)將體系中各種(zhong)合(he)金元(yuan)素(su)(su)X;的(de)(de)(de)(de)濃(nong)度乘以(yi)相應的(de)(de)(de)(de)鉻(ge)等(deng)效(xiao)因子獲得(de)對(dui)應的(de)(de)(de)(de)鉻(ge)當(dang)(dang)量(liang)濃(nong)度。據此(ci)，可將熔(rong)體中所有(you)(you)合(he)金元(yuan)素(su)(su)X;的(de)(de)(de)(de)濃(nong)度轉換為(wei)鉻(ge)當(dang)(dang)量(liang)濃(nong)度。

  通(tong)過(guo)實驗(yan)測量鋼中的(de)平衡氮(dan)(dan)含量，得(de)(de)到了合(he)(he)金體(ti)(ti)系(xi)(xi)對應的(de)數值(zhi)，如圖(tu)(tu)2-11中空心點所示(shi)；通(tong)過(guo)式（2-23)計算(suan)可以得(de)(de)到不同鉻(ge)(ge)當量濃(nong)度(du)(du)與0.51gPN2-lg[%N]-e≈[%N](氮(dan)(dan)活(huo)度(du)(du)系(xi)(xi)數）之間的(de)關(guan)系(xi)(xi)曲線，兩符(fu)合(he)(he)良好，驗(yan)證了此(ci)等效方(fang)法的(de)合(he)(he)理(li)性。此(ci)研究(jiu)的(de)特別(bie)之處在(zai)于，通(tong)過(guo)鉻(ge)(ge)當量濃(nong)度(du)(du)來(lai)間接表示(shi)多(duo)種合(he)(he)金元(yuan)素在(zai)大濃(nong)度(du)(du)范圍內的(de)所有數據(ju)，可以將復(fu)雜的(de)多(duo)組(zu)元(yuan)熔(rong)體(ti)(ti)等效為鐵(tie)－氮(dan)(dan)－鉻(ge)(ge)三元(yuan)體(ti)(ti)系(xi)(xi)后計算(suan)氮(dan)(dan)的(de)溶解度(du)(du)。基于鉻(ge)(ge)等效因子，通(tong)過(guo)鉻(ge)(ge)當量濃(nong)度(du)(du)的(de)換算(suan)并參考關(guan)系(xi)(xi)曲線（圖(tu)(tu)2-11),復(fu)雜的(de)多(duo)組(zu)元(yuan)熔(rong)體(ti)(ti)氮(dan)(dan)溶解度(du)(du)可統(tong)一表示(shi)為

3. 溫度對氮(dan)溶(rong)解度的(de)影(ying)響(xiang)

  溫(wen)度(du)(du)對(dui)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)熔體(ti)中氮(dan)溶解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)影響，取決(jue)(jue)于(yu)(yu)氮(dan)在合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)熔體(ti)中的(de)(de)(de)(de)(de)溶解(jie)(jie)(jie)反應(ying)(ying)為(wei)吸熱還是放熱過程，即(ji)氮(dan)溶解(jie)(jie)(jie)反應(ying)(ying)焓變ΔH的(de)(de)(de)(de)(de)正負(fu)。在一定(ding)氮(dan)氣(qi)壓(ya)力下，對(dui)于(yu)(yu)不(bu)同合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)成分的(de)(de)(de)(de)(de)熔體(ti)而(er)言，氮(dan)溶解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)對(dui)溫(wen)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)依賴性（溫(wen)度(du)(du)對(dui)氮(dan)溶解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)影響趨勢）是不(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)，且(qie)隨溫(wen)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)變化程度(du)(du)也不(bu)同，這(zhe)是由(you)該熔體(ti)中合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元素的(de)(de)(de)(de)(de)種類與含(han)量共同決(jue)(jue)定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)，即(ji)ΔH的(de)(de)(de)(de)(de)正負(fu)是由(you)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)成分決(jue)(jue)定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)。

  0.1MPa氮(dan)(dan)氣壓力下(xia)常見的(de)(de)(de)(de)(de)(de)Fe-Cr-Mn-Ni合(he)金(jin)體(ti)(ti)(ti)系(xi)(xi)在(zai)1750~2000K溫度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)范圍內的(de)(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)與溫度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)關(guan)系(xi)(xi)如圖2-12所示(shi)。可以看出，純鐵(tie)和(he)Fe20Ni合(he)金(jin)體(ti)(ti)(ti)系(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)較(jiao)低(di)，并且隨(sui)溫度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)升高(gao)逐漸增(zeng)大(da)。隨(sui)著熔體(ti)(ti)(ti)中鉻、錳(meng)等元素含(han)量的(de)(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)加，如Fe18Mn和(he)Fe18Cr等合(he)金(jin)體(ti)(ti)(ti)系(xi)(xi)，氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)顯著增(zeng)大(da)，溫度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)對氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響更加明顯，且隨(sui)著溫度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)下(xia)降(jiang)，熔體(ti)(ti)(ti)中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)逐漸增(zeng)大(da)。Fe18Cr8Ni合(he)金(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)對溫度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)依賴性(xing)也為負；此外，由于鎳具有(you)降(jiang)低(di)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)作用，相對于Fe18Cr合(he)金(jin)，Fe18Cr8Ni合(he)金(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)隨(sui)溫度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)變化的(de)(de)(de)(de)(de)(de)趨(qu)勢比(bi)較(jiao)平緩。

  從(cong)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)熱(re)力學理論(lun)來看，在(zai)合(he)金(jin)(jin)(jin)成分(fen)(fen)與(yu)氮(dan)(dan)(dan)氣壓力一(yi)定的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)條件(jian)下，溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)對(dui)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)規律為(wei)：若式(shi)（2-36)中(zhong)參數a<0,即焓(han)變(bian)ΔH>0時，氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)反(fan)應為(wei)吸熱(re)過(guo)程，氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)隨(sui)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)升高而(er)增(zeng)(zeng)大；若a>0,即焓(han)變(bian)ΔH<0時，反(fan)為(wei)放(fang)熱(re)過(guo)程，氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)隨(sui)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)升高而(er)減小。因(yin)此(ci)，溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)對(dui)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)取決于焓(han)變(bian)ΔH數值的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)正負(fu)和(he)大小，最終歸結為(wei)合(he)金(jin)(jin)(jin)成分(fen)(fen)決定氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)依賴性。利用氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)模(mo)型，Satir-Kolorz 等(deng)探究了不(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)合(he)金(jin)(jin)(jin)體系(xi)在(zai)0.1MPa和(he)5MPa氮(dan)(dan)(dan)氣壓力下，1750~2000K 范圍內氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)與(yu)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)關系(xi)，如(ru)圖2-13所示(shi)。結果與(yu)上面分(fen)(fen)析的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)致，在(zai)氮(dan)(dan)(dan)氣壓力一(yi)定的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)條件(jian)下，溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)對(dui)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)取決于合(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)成分(fen)(fen)：含有(you)增(zeng)(zeng)加氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)元素（如(ru)Mn、Cr、Mo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)鐵(tie)基(ji)合(he)金(jin)(jin)(jin)（Fe-Cr和(he)Fe-Mn合(he)金(jin)(jin)(jin)體系(xi)），氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)隨(sui)著溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)升高而(er)降(jiang)低；而(er)對(dui)于含有(you)降(jiang)低氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)元素的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)鐵(tie)基(ji)合(he)金(jin)(jin)(jin)（如(ru)Fe-Ni合(he)金(jin)(jin)(jin)），隨(sui)著溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)升高，熔體中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)增(zeng)(zeng)大。

4. 氮氣(qi)壓力對(dui)氮溶解(jie)度的影響

  鑒(jian)于高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)鋼產品(pin)對高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)含量的(de)(de)需求，在常壓(ya)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)環境中無法(fa)實現鋼液的(de)(de)高(gao)(gao)效增氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)和保(bao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)，提高(gao)(gao)冶(ye)煉(lian)過程的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)力成為有(you)效手段。氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)加壓(ya)冶(ye)煉(lian)技(ji)術，不(bu)僅能夠通過促進(jin)氣(qi)(qi)(qi)相(xiang)－合(he)(he)(he)金(jin)(jin)熔體間(jian)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)反應實現更佳(jia)的(de)(de)增氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)效果，在抑制高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃(nong)度(du)(du)鋼液凝固(gu)過程中氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)孔的(de)(de)形成方面也發揮著重(zhong)要作用。研(yan)究不(bu)同氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)力下(xia)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)熔體中的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度(du)(du)，成為精確控制氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)加壓(ya)冶(ye)煉(lian)工藝鋼中氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)含量的(de)(de)重(zhong)要理論(lun)基礎。在常壓(ya)［如圖2-14(a)和加壓(ya)［如圖2-14(b)]條(tiao)件(jian)下(xia)，液態鐵(tie)基合(he)(he)(he)金(jin)(jin)中的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度(du)(du)隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)力的(de)(de)提高(gao)(gao)而顯著增大。

a. 低氮(dan)氣壓力(li)

  如前所述，氮(dan)氣(qi)在(zai)金屬熔體中(zhong)的(de)溶(rong)解屬于(yu)雙原子分子的(de)溶(rong)解過程(cheng)，在(zai)低氮(dan)氣(qi)壓(ya)力范(fan)圍(wei)內(nei)，氮(dan)溶(rong)解度隨氮(dan)氣(qi)壓(ya)力的(de)變(bian)化符合Sieverts定律。眾(zhong)多研究已經(jing)證實(shi)，在(zai)小(xiao)于(yu)0.1MPa的(de)低氮(dan)氣(qi)壓(ya)力范(fan)圍(wei)內(nei)，不(bu)銹鋼(gang)體系（表2-5中(zhong)1~3號）的(de)氮(dan)溶(rong)解度與氮(dan)氣(qi)壓(ya)力的(de)關系符合 Sieverts定律，即呈線性相關，如圖2-15所示。

  為(wei)了進一(yi)步驗證(zheng)不(bu)同氮氣(qi)壓力(li)(li)下(xia) Sieverts定律的適用情況，Jiang(姜周華(hua)）等研(yan)究了氮氣(qi)壓力(li)(li)不(bu)高于0.1MPa,即低氮氣(qi)壓力(li)(li)下(xia)典型(xing)(xing)不(bu)銹(xiu)鋼品種AISI304和AISI 316L 熔(rong)體中(zhong)氮溶解度與氮氣(qi)壓力(li)(li)的關系(xi)，結果(guo)如圖2-16所示。隨著(zhu)氮氣(qi)壓力(li)(li)的增(zeng)加，氮在兩類典型(xing)(xing)不(bu)銹(xiu)鋼熔(rong)體中(zhong)的溶解度顯著(zhu)提升，并(bing)且與氮氣(qi)壓力(li)(li)的關系(xi)符(fu)合(he)Sieverts定律。

 b. 高氮氣壓力

  隨著冶(ye)煉過(guo)程中氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)(li)的(de)(de)進一步提高(gao)，各種合(he)金(jin)體系(xi)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)均(jun)會增大。純鐵液的(de)(de)飽和氮(dan)(dan)(dan)濃(nong)度(du)不僅(jin)在(zai)常壓以下，而且在(zai)0.1~200MPa的(de)(de)高(gao)壓范(fan)圍內(nei)也(ye)始(shi)終(zhong)與氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)(li)的(de)(de)平方根呈線性(xing)關系(xi)。這是(shi)因(yin)為即使在(zai)高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)(li)下純鐵液中的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)也(ye)處(chu)于(yu)較(jiao)低的(de)(de)水(shui)平，如(ru)(ru)圖2-17所示。在(zai)Fe-Ni合(he)金(jin)體系(xi)中，由于(yu)鎳元素具有降低氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)的(de)(de)作(zuo)用(yong)，鎳含(han)量越(yue)(yue)高(gao)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)反而越(yue)(yue)低，即使在(zai)高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)(li)下氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)也(ye)處(chu)于(yu)較(jiao)低水(shui)平。研(yan)究結(jie)果表明(ming)，高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)(li)下Fe-Ni體系(xi)也(ye)符合(he) Sieverts定律，如(ru)(ru)圖2-18所示。

  然而(er)，隨著(zhu)高(gao)氮(dan)鋼品種的(de)開發和冶煉(lian)工藝的(de)發展(zhan)，大量研究顯示，對于(yu)較高(gao)氮(dan)氣(qi)壓力(li)下的(de)Fe-Cr-Mn-Ni-Mo等高(gao)合(he)金(jin)體系（表(biao)2-5中4~6號），氮(dan)溶(rong)解度隨氮(dan)氣(qi)壓力(li)的(de)變化(hua)與(yu)Sieverts定律描述的(de)線性關(guan)系產生了較大的(de)偏差(cha)，如圖2-19所示。

  圖2-19 1873K 高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)下氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度(du)(du)隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)平方根的(de)(de)(de)(de)(de)變化氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度(du)(du)與(yu)Sieverts 定(ding)(ding)律(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)偏(pian)離，并非存(cun)在(zai)于(yu)所有高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)下的(de)(de)(de)(de)(de)情(qing)(qing)況，與(yu)合金(jin)熔(rong)體成(cheng)分(fen)密切相(xiang)(xiang)(xiang)關。上(shang)述純鐵液和Fe-Ni合金(jin)這兩類低(di)(di)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度(du)(du)體系就是偏(pian)差不顯(xian)著的(de)(de)(de)(de)(de)實例；相(xiang)(xiang)(xiang)反，具有高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)合金(jin)熔(rong)體（如Fe-Cr-Mn體系）在(zai)高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)下通(tong)常不符合 Sieverts 定(ding)(ding)律(lv)。由(you)此(ci)可(ke)(ke)以推(tui)測，高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)下氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度(du)(du)隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)提(ti)高(gao)較(jiao)慢的(de)(de)(de)(de)(de)原因(yin)(yin)是，高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)下熔(rong)體中氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)(du)處于(yu)較(jiao)高(gao)水平，不再滿(man)足無限稀釋(shi)溶液的(de)(de)(de)(de)(de)理想情(qing)(qing)況。此(ci)時，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原子之間存(cun)在(zai)自身相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)，彼此(ci)之間的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)斥效應將會(hui)導致氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)降低(di)(di)；氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)(du)越高(gao)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)自身的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)斥作(zuo)用(yong)越明顯(xian)。由(you)此(ci)可(ke)(ke)知(zhi)，高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)下氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度(du)(du)與(yu)Sieverts 定(ding)(ding)律(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)偏(pian)離主要由(you)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)自身相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)導致，而高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)通(tong)常是熔(rong)體中高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)含量的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)個(ge)關鍵誘因(yin)(yin)。

  對(dui)于(yu)圖2-17和圖2-18中純鐵液、低合金鋼或類似Fe-Ni合金等(deng)低氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)體(ti)(ti)系而言，氮(dan)的(de)(de)(de)(de)自身相互作(zuo)用(yong)(yong)(yong)(yong)幾乎可(ke)以忽略，在高氮(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)下氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)與氮(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)(de)(de)平方根也(ye)接近線(xian)性關系。常見的(de)(de)(de)(de)具有(you)高氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)Fe-Cr-Mn等(deng)體(ti)(ti)系則不(bu)同(tong)，在高氮(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)下高合金含(han)量(liang)的(de)(de)(de)(de)熔體(ti)(ti)氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)可(ke)達1%以上，超出 Sieverts定律(lv)的(de)(de)(de)(de)適用(yong)(yong)(yong)(yong)范圍。定義Sieverts定律(lv)對(dui)氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)壓(ya)(ya)力(li)適用(yong)(yong)(yong)(yong)極限，為(wei)開始(shi)出現明顯偏(pian)差(cha)的(de)(de)(de)(de)臨(lin)界氮(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)，如圖2-20所示，不(bu)同(tong)鉻含(han)量(liang)的(de)(de)(de)(de)Fe-Cr合金的(de)(de)(de)(de)壓(ya)(ya)力(li)適用(yong)(yong)(yong)(yong)極限不(bu)同(tong)（實驗數(shu)據來源于(yu)Torkhov等(deng)的(de)(de)(de)(de)研究）。隨著鉻和氮(dan)含(han)量(liang)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)加，Sieverts定律(lv)的(de)(de)(de)(de)氮(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)適用(yong)(yong)(yong)(yong)極限快速降低，高氮(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)下的(de)(de)(de)(de)偏(pian)差(cha)程度(du)(du)(du)也(ye)變得更為(wei)顯著。

  針對高(gao)(gao)(gao)合(he)金、高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)體系(xi)在(zai)(zai)(zai)高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)下(xia)(xia)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)熱(re)力(li)學偏(pian)離 Sieverts定(ding)(ding)律(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)現象(xiang)，可通(tong)過(guo)(guo)熔體中(zhong)各類原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)之(zhi)間(jian)(jian)(jian)存在(zai)(zai)(zai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)用來解(jie)釋氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)溶(rong)解(jie)機制。圖(tu)2-21(a)顯(xian)(xian)示了(le)單個氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)在(zai)(zai)(zai)鐵(tie)(tie)(tie)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)晶(jing)(jing)格中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)賦存狀(zhuang)況：由(you)于(yu)(yu)氮(dan)(dan)(dan)處于(yu)(yu)無限(xian)稀釋的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)狀(zhuang)態(tai)，它只與鐵(tie)(tie)(tie)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)存在(zai)(zai)(zai)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)用，不(bu)發生氮(dan)(dan)(dan)自身的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)用。圖(tu)2-21(b)顯(xian)(xian)示了(le)高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)濃度(du)(du)下(xia)(xia)（如(ru)在(zai)(zai)(zai)高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)下(xia)(xia)）的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)鐵(tie)(tie)(tie)－氮(dan)(dan)(dan)二元(yuan)合(he)金晶(jing)(jing)格：氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)周圍除相(xiang)(xiang)鄰(lin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)鐵(tie)(tie)(tie)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)外(wai)(wai)，也存在(zai)(zai)(zai)臨近的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)，氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)間(jian)(jian)(jian)彼(bi)此(ci)(ci)相(xiang)(xiang)互(hu)抑制，從而導致氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)降低并偏(pian)離 Sieverts 定(ding)(ding)律(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)預測曲線。這種自身作(zuo)用可由(you)自身活(huo)度(du)(du)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)用系(xi)數(shu)來表示，由(you)于(yu)(yu)氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)之(zhi)間(jian)(jian)(jian)處于(yu)(yu)相(xiang)(xiang)互(hu)抑制的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)狀(zhuang)態(tai)，自身活(huo)度(du)(du)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)用系(xi)數(shu)e值(zhi)為正數(shu)。圖(tu)2-21(c)顯(xian)(xian)示了(le)鐵(tie)(tie)(tie)－鉻(ge)(ge)－氮(dan)(dan)(dan)三元(yuan)合(he)金的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)(jing)格：由(you)于(yu)(yu)鉻(ge)(ge)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)和氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)之(zhi)間(jian)(jian)(jian)具有(you)很強的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)吸引力(li)，其相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)用系(xi)數(shu)為負值(zhi)。在(zai)(zai)(zai)此(ci)(ci)結構中(zhong)，由(you)于(yu)(yu)氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)向鉻(ge)(ge)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)偏(pian)移，就有(you)更多空間(jian)(jian)(jian)留給額(e)外(wai)(wai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)，從而產生較高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)。不(bu)過(guo)(guo)隨(sui)(sui)著氮(dan)(dan)(dan)濃度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)增加(jia)，氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)對自身的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)強烈排斥(chi)作(zuo)用開始凸顯(xian)(xian)，因此(ci)(ci)在(zai)(zai)(zai)高(gao)(gao)(gao)鉻(ge)(ge)和高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)濃度(du)(du)下(xia)(xia)，實際的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)隨(sui)(sui)氮(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化規(gui)律(lv)與 Sieverts定(ding)(ding)律(lv)之(zhi)間(jian)(jian)(jian)存在(zai)(zai)(zai)明(ming)顯(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)偏(pian)差。

  研究(jiu)發現，在超(chao)過(guo)10MPa氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力的(de)(de)(de)條(tiao)件下(xia)(xia)，將合金(jin)元(yuan)(yuan)素含(han)量(liang)提(ti)高(gao)至45%,熔(rong)體的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)可以(yi)高(gao)達3%以(yi)上。在氮(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)(du)如此(ci)高(gao)的(de)(de)(de)情況下(xia)(xia)，熔(rong)體不(bu)滿足使用(yong)(yong)(yong)(yong)Sieverts 定(ding)(ding)律的(de)(de)(de)前提(ti)條(tiao)件，即無限稀釋(shi)溶液的(de)(de)(de)假(jia)設，因(yin)此(ci)在此(ci)條(tiao)件下(xia)(xia)，Sieverts定(ding)(ding)律無法準確(que)預測(ce)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)，必須(xu)引入一個附加的(de)(de)(de)活(huo)度(du)(du)系(xi)數(shu)(shu)f,以(yi)體現氮(dan)(dan)(dan)(dan)對(dui)(dui)自(zi)身(shen)(shen)(shen)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)影響(xiang)。圖2-22顯示了實驗測(ce)得的(de)(de)(de)不(bu)同氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力下(xia)(xia)，不(bu)同合金(jin)體系(xi)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)變化。首先在不(bu)考慮氮(dan)(dan)(dan)(dan)自(zi)身(shen)(shen)(shen)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)情況下(xia)(xia)，通(tong)過(guo)對(dui)(dui)實驗結果進行(xing)回(hui)歸(gui)分析(xi)，確(que)定(ding)(ding)鉻、錳、鉬和(he)鎳(nie)等主要合金(jin)元(yuan)(yuan)素對(dui)(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)一階和(he)二階活(huo)度(du)(du)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)(yong)系(xi)數(shu)(shu)。同時，從文獻數(shu)(shu)據中(zhong)獲得其他(ta)合金(jin)元(yuan)(yuan)素的(de)(de)(de)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)(yong)系(xi)數(shu)(shu)。基于所有合金(jin)對(dui)(dui)體系(xi)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)活(huo)度(du)(du)系(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)(yong)系(xi)數(shu)(shu)，通(tong)過(guo)回(hui)歸(gui)分析(xi)確(que)定(ding)(ding)氮(dan)(dan)(dan)(dan)對(dui)(dui)自(zi)身(shen)(shen)(shen)的(de)(de)(de)活(huo)度(du)(du)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)(yong)系(xi)數(shu)(shu)e為(wei)(wei)0.13。e的(de)(de)(de)數(shu)(shu)值為(wei)(wei)正，表明氮(dan)(dan)(dan)(dan)含(han)量(liang)的(de)(de)(de)提(ti)高(gao)會增加活(huo)度(du)(du)系(xi)數(shu)(shu)，降(jiang)低自(zi)身(shen)(shen)(shen)溶解(jie)(jie)度(du)(du)。