1. 常壓下(xia)基熔(rong)體的(de)氮溶解度模型

  常溫下氮(dan)以雙原子(zi)(zi)(zi)分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)形式存在，高溫下則(ze)分(fen)(fen)(fen)解(jie)成氮(dan)原子(zi)(zi)(zi)溶解(jie)于金(jin)屬(shu)熔體(ti)中。如(ru)圖2-1所示(shi)，氮(dan)在金(jin)屬(shu)熔體(ti)中的(de)(de)溶解(jie)過程可以描(miao)述如(ru)下：氮(dan)氣接觸到熔體(ti)表面后(hou)發生(sheng)物理吸(xi)附，當氣體(ti)分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)和熔體(ti)表面的(de)(de)結合(he)力大(da)于氣體(ti)內部(bu)分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)結合(he)力時發生(sheng)化學吸(xi)附，吸(xi)附的(de)(de)氮(dan)分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)分(fen)(fen)(fen)解(jie)成原子(zi)(zi)(zi)，隨后(hou)從熔體(ti)表面向內部(bu)擴(kuo)散。

  表2-1總結了研究(jiu)人員在1873K、0.1MPa氮(dan)氣壓力下測得的(de)(de)(de)熔融(rong)鐵液中(zhong)的(de)(de)(de)氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)。根據文獻中(zhong)的(de)(de)(de)實驗數據可(ke)知，熔融(rong)鐵液的(de)(de)(de)氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)集(ji)中(zhong)在0.043%~0.046%范圍(wei)內(nei)。圖2-2歸(gui)納(na)了冶煉溫度(du)(du)對熔融(rong)鐵液中(zhong)氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)影(ying)響。可(ke)以看出，在熔融(rong)鐵液中(zhong)，氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)隨溫度(du)(du)的(de)(de)(de)升高而(er)增大(da)。

  若氮(dan)活度的(de)參(can)考(kao)態為(wei)合金熔體(ti)中假想(xiang)的(de)1%N溶液，則0.5mol氮(dan)氣溶解于(yu)合金熔體(ti)的(de)吉布斯(si)自由能變可以表示為(wei)

  在(zai)早期對(dui)合金熔(rong)體(ti)中(zhong)(zhong)氮溶解度(du)(du)(du)的研(yan)究中(zhong)(zhong)，各種合金元(yuan)素對(dui)氮的二階活度(du)(du)(du)相(xiang)(xiang)(xiang)互作(zuo)用(yong)(yong)系數(shu)及二階交(jiao)叉活度(du)(du)(du)相(xiang)(xiang)(xiang)互作(zuo)用(yong)(yong)系數(shu)的相(xiang)(xiang)(xiang)關測定尚(shang)不(bu)完善。1965年，Chipman等(deng)(deng)［18]開發了僅使用(yong)(yong)一階活度(du)(du)(du)相(xiang)(xiang)(xiang)互作(zuo)用(yong)(yong)系數(shu)而不(bu)涉及高階項的氮溶解度(du)(du)(du)模型。基于Chipman等(deng)(deng)的研(yan)究結果和1873K下(xia)不(bu)同元(yuan)素對(dui)氮的一階活度(du)(du)(du)相(xiang)(xiang)(xiang)互作(zuo)用(yong)(yong)系數(shu)（表2-2)[19],可以得到(dao)1873K下(xia)氮溶解度(du)(du)(du)模型中(zhong)(zhong)氮的活度(du)(du)(du)系數(shu)1gf[式(shi)（2-9)],其他冶(ye)煉溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)下(xia)氮的活度(du)(du)(du)系數(shu)可由(you)式(shi)（2-10)轉(zhuan)換獲(huo)得。據此，Chipman 等(deng)(deng)建(jian)立了預測不(bu)同溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)下(xia)合金熔(rong)體(ti)中(zhong)(zhong)氮溶解度(du)(du)(du)的式(shi)（2-11)。

  隨著對(dui)多元合(he)(he)金熔(rong)體氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)研究的深入(ru)，各種(zhong)合(he)(he)金元素(su)對(dui)氮(dan)(dan)(dan)的一階(jie)、二(er)階(jie)以及二(er)階(jie)交叉(cha)活度(du)(du)(du)相(xiang)互作(zuo)用(yong)系(xi)數(shu)(shu)(shu)的實驗研究與(yu)測(ce)定逐步完善。1990年，Grigorenko等(deng)。探究了合(he)(he)金元素(su)對(dui)氮(dan)(dan)(dan)活度(du)(du)(du)系(xi)數(shu)(shu)(shu)的影響，認(ren)為在較高的合(he)(he)金濃度(du)(du)(du)下(xia)，僅采(cai)用(yong)一階(jie)活度(du)(du)(du)相(xiang)互作(zuo)用(yong)系(xi)數(shu)(shu)(shu)來計(ji)算氮(dan)(dan)(dan)的活度(du)(du)(du)系(xi)數(shu)(shu)(shu)和預測(ce)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)是不夠準確的。為了進一步提高氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)預測(ce)模型的準確性(xing)，必須以二(er)階(jie)乃至更高階(jie)泰勒級數(shu)(shu)(shu)的形式表(biao)示氮(dan)(dan)(dan)的活度(du)(du)(du)系(xi)數(shu)(shu)(shu)，即(ji)引入(ru)合(he)(he)金元素(su)對(dui)氮(dan)(dan)(dan)的高階(jie)活度(du)(du)(du)相(xiang)互作(zuo)用(yong)系(xi)數(shu)(shu)(shu)。據此(ci)，氮(dan)(dan)(dan)活度(du)(du)(du)系(xi)數(shu)(shu)(shu)按高階(jie)泰勒級數(shu)(shu)(shu)的形式展開，可表(biao)示為

2. 常(chang)壓下(xia)Fe-20%Cr基熔體的氮溶(rong)解度模型(xing)

  鑒于以Fe-Cr 合金(jin)為(wei)基(ji)礎(chu)的各種合金(jin)材料的生產與(yu)應(ying)用非常廣泛，1996年Anson等(deng)開發了(le)種常壓下以熔融(rong)Fe-20%Cr 合金(jin)為(wei)基(ji)體的氮溶解度(du)模型。在熔融(rong)Fe-20%Cr基(ji)合金(jin)中，氮溶解熱力學平衡(heng)關系如下所示：

3. 高氮氣(qi)壓(ya)力(li)下的氮溶(rong)解度模型(xing)

  隨著含氮(dan)(dan)鋼種相關研究的(de)不斷(duan)深入，高(gao)氮(dan)(dan)鋼由于(yu)其(qi)優異的(de)力(li)學性(xing)能和耐腐蝕性(xing)能，在(zai)諸多(duo)領域得到了廣泛應用。大量(liang)研究發現(xian)，在(zai)高(gao)氮(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)下(xia)，高(gao)合(he)金體系中(zhong)氮(dan)(dan)溶(rong)解度出(chu)現(xian)了偏離 Sieverts 定律的(de)現(xian)象，導致高(gao)氮(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)下(xia)氮(dan)(dan)溶(rong)解度預測模型的(de)準確度大幅降低。

  如圖(tu)2-3和圖(tu)2-4所示，當鉻(ge)、錳等含(han)(han)量較高時(shi)，高氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力下(xia)(xia)合金熔(rong)體的(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)達到了較高的(de)數值(zhi)，此時(shi)僅(jin)能在(zai)小(xiao)范圍(wei)內呈線(xian)(xian)(xian)性關(guan)系(xi)，合金中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)氮(dan)(dan)(dan)含(han)(han)量依然能隨著氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力的(de)增(zeng)加而持續提高，但(dan)與低氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力時(shi)相比，高氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力下(xia)(xia)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)的(de)增(zeng)加趨(qu)勢明顯變(bian)緩。高氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力下(xia)(xia)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力對氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)的(de)提升作用被削弱，具體表現為實測的(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)［％N]低于(yu)根據Sieverts定(ding)律計算的(de)值(zhi)，即圖(tu)中(zhong)(zhong)(zhong)各(ge)個實線(xian)(xian)(xian)（實驗值(zhi)）均(jun)處(chu)于(yu)相應虛線(xian)(xian)(xian)（計算值(zhi)）下(xia)(xia)方。同時(shi)，兩曲線(xian)(xian)(xian)的(de)偏離程(cheng)度(du)(du)隨著鉻(ge)、錳等元素含(han)(han)量的(de)增(zeng)加而變(bian)得嚴重。這(zhe)表明在(zai)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力大于(yu)0.1MPa的(de)冶煉氣(qi)(qi)氛(fen)中(zhong)(zhong)(zhong)，尤其(qi)是當金屬熔(rong)體含(han)(han)有(you)(you)較高量具有(you)(you)提升氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)能力的(de)合金元素時(shi)，氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)很高，其(qi)與氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力的(de)關(guan)系(xi)將(jiang)不再符(fu)合 Sieverts定(ding)律。

  1993年Rawers等［24]通過實驗研究(jiu)了Fe-Cr和(he)Fe-Cr-Ni等合金(jin)體系在高氮(dan)氣(qi)壓力下(xia)氮(dan)的溶解度(du)模型。圖(tu)2-5給出了不同氮(dan)氣(qi)壓力下(xia)氮(dan)活度(du)系數InfN隨(sui)鉻(ge)濃(nong)(nong)度(du)變化曲(qu)線(xian)。對(dui)于鐵基合金(jin)，在低鉻(ge)濃(nong)(nong)度(du)范圍內，lnfN與鉻(ge)濃(nong)(nong)度(du)之間存在線(xian)性(xing)關系，其斜率隨(sui)著氮(dan)氣(qi)壓力的增加而變化；在較(jiao)高鉻(ge)濃(nong)(nong)度(du)時，則明顯(xian)偏離線(xian)性(xing)關系。

  基于對(dui)實驗數據的回歸分析，獲得(de)了Fe-Cr與Fe-Cr-Ni體系氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)模型中各相互作用系數，見表2-3.通過成分相互作用和氮(dan)(dan)(dan)氣壓力－成分效應對(dui)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)模型的修正，可以(yi)更精確(que)地(di)預測高合金體系在高氮(dan)(dan)(dan)氣壓力條件下的氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)。

  為了(le)(le)進一步修正高氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)(ya)力(li)下的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度模型，2005年Jiang(姜周(zhou)華）等［25]根據實(shi)驗研究和(he)文獻報(bao)道的(de)(de)數據，回歸分析得到了(le)(le)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)(ya)力(li)對氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)相(xiang)互作用系數8,反映了(le)(le)常壓(ya)(ya)(ya)以上的(de)(de)高氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)(ya)力(li)對氮(dan)(dan)(dan)(dan)活(huo)度系數的(de)(de)影響(xiang)(xiang)。該研究通過考慮氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)(ya)力(li)的(de)(de)影響(xiang)(xiang)，對高壓(ya)(ya)(ya)下氮(dan)(dan)(dan)(dan)活(huo)度系數進行修正［式（2-19)],從(cong)而建立(li)了(le)(le)高氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)(ya)力(li)下的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)熱力(li)學模型來預測高氮(dan)(dan)(dan)(dan)不(bu)銹鋼熔體(ti)中的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度：

  經過修正(zheng)后(hou)，重(zhong)新利(li)用(yong)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)熱(re)力(li)(li)學(xue)模(mo)型(xing)計算(suan)(suan)了文獻(xian)中(zhong)1873K下(xia)純鐵、Fe-Cr和Fe-Mn 等(deng)(deng)(deng)合(he)金體(ti)系在高氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)下(xia)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)隨氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)變(bian)化，并(bing)與(yu)實(shi)驗數據進行了比較(jiao)，如圖2-6所(suo)示。同時，圖2-7比較(jiao)了氮(dan)(dan)活度(du)系數計算(suan)(suan)式中(zhong)壓(ya)力(li)(li)項修正(zheng)后(hou)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)模(mo)型(xing)計算(suan)(suan)值(zhi)(zhi)與(yu)文獻(xian)實(shi)測(ce)(ce)值(zhi)(zhi)。結(jie)(jie)果表(biao)明(ming)，修正(zheng)后(hou)的(de)(de)(de)模(mo)型(xing)預測(ce)(ce)值(zhi)(zhi)與(yu)Jiang等(deng)(deng)(deng)及(ji)Satir-Kolorz和Feichtinger的(de)(de)(de)測(ce)(ce)量值(zhi)(zhi)非常吻合(he)，略小于Rawers和Gokcen[26]的(de)(de)(de)測(ce)(ce)量值(zhi)(zhi)。該差異可能是由計算(suan)(suan)中(zhong)選擇的(de)(de)(de)溫度(du)為1923K而引起的(de)(de)(de)，因為當熔(rong)體(ti)以緩(huan)慢的(de)(de)(de)冷卻速(su)率降低到液相(xiang)線時，氮(dan)(dan)濃度(du)會增加(jia)。驗證(zheng)結(jie)(jie)果表(biao)明(ming)，經壓(ya)力(li)(li)項修正(zheng)后(hou)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)熱(re)力(li)(li)學(xue)模(mo)型(xing)，適用(yong)于計算(suan)(suan)高氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)下(xia)不(bu)銹鋼的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)。在著作(zuo) Mastering P-ESR Technology for High Nitrogen Steel Grades for HighValue Applications中(zhong)，Carosi等(deng)(deng)(deng)認為Jiang等(deng)(deng)(deng)建立的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)模(mo)型(xing)的(de)(de)(de)預測(ce)(ce)值(zhi)(zhi)與(yu)工業結(jie)(jie)果非常符合(he)，并(bing)將此(ci)模(mo)型(xing)應用(yong)到動態(tai)模(mo)型(xing)的(de)(de)(de)仿真計算(suan)(suan)中(zhong)。

  基(ji)于高氮(dan)氣(qi)壓力下(xia)氮(dan)溶解度(du)(du)模型的修正，本書作者(zhe)針對含Nb和含V鋼(gang)種(zhong)，進一(yi)步研究了其氮(dan)溶解熱力學行為，通過補充完(wan)善鋼(gang)液(ye)中Nb和V對氮(dan)活度(du)(du)的相(xiang)互作用系數，構(gou)建了包(bao)含 Nb、V體系鋼(gang)種(zhong)或合金在氮(dan)氣(qi)加(jia)壓下(xia)的氮(dan)溶解度(du)(du)模型：

2. 合金元素成分對氮溶解度的(de)影(ying)響(xiang)

 a. 合(he)金元素對氮的活度相互作用系數

  氮(dan)(dan)(dan)(dan)在鐵基合(he)金熔體(ti)中(zhong)的(de)溶解(jie)(jie)度(du)受其(qi)合(he)金成(cheng)(cheng)分的(de)影響(xiang)顯(xian)著，許多常用(yong)(yong)合(he)金元(yuan)(yuan)素可有效地提高氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)，同時(shi)也有部分元(yuan)(yuan)素會(hui)降(jiang)(jiang)低(di)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)。一般可以用(yong)(yong)各合(he)金元(yuan)(yuan)素對(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)一階活度(du)相互(hu)作用(yong)(yong)系數(shu)（表(biao)2-4)來表(biao)征合(he)金成(cheng)(cheng)分對(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)的(de)影響(xiang)，當(dang)其(qi)值(zhi)為負時(shi)，相應的(de)合(he)金元(yuan)(yuan)素可降(jiang)(jiang)低(di)熔體(ti)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)活度(du)系數(shu)，增(zeng)加(jia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)溶解(jie)(jie)度(du)；當(dang)其(qi)值(zhi)為正時(shi)，相應的(de)合(he)金元(yuan)(yuan)素則增(zeng)大氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)活度(du)系數(shu)，降(jiang)(jiang)低(di)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)。

合(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)對氮的(de)(de)活度(du)相互(hu)作用系數(shu)，實質(zhi)上表征了該合(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)與(yu)氮元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)間親和力，這(zhe)與(yu)其在(zai)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)周(zhou)(zhou)期(qi)表中(zhong)的(de)(de)位置密切相關，因為元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)電子(zi)(zi)(zi)(zi)結構(gou)與(yu)它們在(zai)周(zhou)(zhou)期(qi)表中(zhong)的(de)(de)位置相對應。從(cong)合(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)微觀(guan)結構(gou)來(lai)看，同(tong)一周(zhou)(zhou)期(qi)中(zhong)，從(cong)左到右，元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)核外(wai)電子(zi)(zi)(zi)(zi)層數(shu)相同(tong)，而最外(wai)層電子(zi)(zi)(zi)(zi)數(shu)增加(jia)，原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)半徑(jing)遞減（0族元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)除外(wai)）；同(tong)一族中(zhong)，從(cong)上到下(xia)，所有元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)具(ju)有相同(tong)數(shu)量的(de)(de)價電子(zi)(zi)(zi)(zi)，而核外(wai)電子(zi)(zi)(zi)(zi)層數(shu)逐漸增多，原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)半徑(jing)增大。原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)半徑(jing)大的(de)(de)合(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)對氮的(de)(de)親和力普遍較強。

  圖2-8給出了在1873K、0.1MPa氮(dan)氣(qi)壓力下Fe-X二元(yuan)(yuan)(yuan)合(he)(he)金(jin)體(ti)系(xi)中(zhong)各(ge)種(zhong)常見金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)X對氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度的影響(xiang)(xiang)。在合(he)(he)金(jin)熔(rong)體(ti)中(zhong)，提高(gao)(gao)Mo、Mn、Ta、Cr、Nb和V等(deng)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)的含量能(neng)夠顯(xian)著增大(da)熔(rong)體(ti)的氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度。例如(ru)(ru)，在1873K和氮(dan)氣(qi)壓力為0.1MPa條件下，Cr、Mn等(deng)典型合(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)能(neng)夠提高(gao)(gao)高(gao)(gao)氮(dan)無(wu)鎳奧(ao)氏體(ti)不銹(xiu)鋼(gang)熔(rong)體(ti)的氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度，其中(zhong)20%Cr-20%Mn合(he)(he)金(jin)體(ti)系(xi)中(zhong)氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度可(ke)達0.8%以(yi)上，如(ru)(ru)圖2-9所示。然(ran)而(er)，提高(gao)(gao)C、Si等(deng)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)的含量則會(hui)明(ming)顯(xian)降(jiang)低(di)熔(rong)體(ti)的氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度，其他(ta)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)（如(ru)(ru)Ni、Co、Cu、Sn和W等(deng)）含量的變(bian)化則對熔(rong)體(ti)的氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度影響(xiang)(xiang)相對較小(xiao)。

  如圖2-10所示(shi)，根據對(dui)(dui)氮在熔(rong)體中(zhong)溶(rong)解度(du)(du)的(de)(de)影(ying)響規律不同，合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素大體可(ke)以(yi)分為(wei)(wei)三(san)大類(lei)：①. 第(di)一類(lei)為(wei)(wei)對(dui)(dui)熔(rong)融(rong)(rong)鐵基(ji)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)中(zhong)氮溶(rong)解度(du)(du)具有(you)顯(xian)(xian)著提(ti)升(sheng)作用的(de)(de)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素，如Cr、Mo、Mn、Ti、Zr、V和(he)(he)Nb等(deng)，其(qi)(qi)中(zhong)Ti、Zr、V和(he)(he)Nb具有(you)強烈的(de)(de)形成氮化物的(de)(de)趨勢(shi)。Cr作為(wei)(wei)不銹鋼(gang)的(de)(de)重(zhong)要合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素之一，能夠顯(xian)(xian)著提(ti)高(gao)熔(rong)融(rong)(rong)鐵基(ji)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)(de)氮溶(rong)解度(du)(du)，其(qi)(qi)與Ti、Zr、V和(he)(he)Nb相比(bi)，形成氮化物的(de)(de)趨勢(shi)較(jiao)小(xiao)。②. Ni、Co和(he)(he)Cu等(deng)元(yuan)素為(wei)(wei)第(di)二類(lei)，對(dui)(dui)氮溶(rong)解度(du)(du)的(de)(de)影(ying)響較(jiao)小(xiao)。其(qi)(qi)中(zhong)Ni是(shi)不銹鋼(gang)中(zhong)重(zhong)要的(de)(de)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素，但它(ta)對(dui)(dui)氮溶(rong)解度(du)(du)的(de)(de)負面影(ying)響會降低(di)高(gao)氮合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)中(zhong)的(de)(de)氮含(han)量。③. 第(di)三(san)類(lei)為(wei)(wei)C、Si等(deng)非金(jin)(jin)(jin)屬元(yuan)素和(he)(he)A1等(deng)元(yuan)素，具有(you)明顯(xian)(xian)降低(di)熔(rong)體氮溶(rong)解度(du)(du)的(de)(de)作用。

  b. 合(he)金元素的鉻等效因(yin)子與鉻當量濃度

  除(chu)合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)對氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)活度相互(hu)(hu)作用系(xi)數外(wai)，也可以(yi)通過參考元(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)等(deng)效作用來描述不同元(yuan)(yuan)素(su)(su)對熔(rong)體氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度的(de)(de)(de)影響。較(jiao)為(wei)(wei)典型(xing)的(de)(de)(de)是以(yi)鉻(ge)(ge)(ge)為(wei)(wei)參考，因(yin)為(wei)(wei)鉻(ge)(ge)(ge)具有相當(dang)(dang)強(qiang)的(de)(de)(de)增加(jia)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度的(de)(de)(de)作用，并(bing)且(qie)被認為(wei)(wei)是合(he)(he)(he)金(jin)材料中最重要的(de)(de)(de)合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)之一。在(zai)活度相互(hu)(hu)作用系(xi)數的(de)(de)(de)基(ji)礎上，Satir-Kolorz與Feichtinger 換算了各種合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)鉻(ge)(ge)(ge)等(deng)效因(yin)子(zi)c.表2-4列出了Ti、Zr、V、Nb、Ta、W、C、B、Al、Si、P、As、Sb和Sn等(deng)元(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)鉻(ge)(ge)(ge)等(deng)效因(yin)子(zi)。對于不同合(he)(he)(he)金(jin)體系(xi)，可以(yi)將體系(xi)中各種合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)X;的(de)(de)(de)濃(nong)度乘以(yi)相應的(de)(de)(de)鉻(ge)(ge)(ge)等(deng)效因(yin)子(zi)獲得對應的(de)(de)(de)鉻(ge)(ge)(ge)當(dang)(dang)量(liang)(liang)濃(nong)度。據此(ci)，可將熔(rong)體中所(suo)有合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)X;的(de)(de)(de)濃(nong)度轉換為(wei)(wei)鉻(ge)(ge)(ge)當(dang)(dang)量(liang)(liang)濃(nong)度。

  通過實驗測量(liang)(liang)(liang)鋼中的(de)(de)(de)(de)平衡氮含量(liang)(liang)(liang)，得(de)到了(le)合(he)金體系(xi)(xi)對(dui)應的(de)(de)(de)(de)數值(zhi)，如圖2-11中空心點所示(shi)；通過式（2-23)計算(suan)可(ke)以(yi)得(de)到不同鉻(ge)當(dang)(dang)量(liang)(liang)(liang)濃度(du)(du)與0.51gPN2-lg[%N]-e≈[%N](氮活度(du)(du)系(xi)(xi)數）之間的(de)(de)(de)(de)關系(xi)(xi)曲線(xian)，兩符合(he)良(liang)好，驗證了(le)此(ci)等(deng)效方法的(de)(de)(de)(de)合(he)理性。此(ci)研(yan)究的(de)(de)(de)(de)特別之處在于，通過鉻(ge)當(dang)(dang)量(liang)(liang)(liang)濃度(du)(du)來間接表示(shi)多種合(he)金元(yuan)(yuan)素在大濃度(du)(du)范(fan)圍(wei)內的(de)(de)(de)(de)所有(you)數據(ju)，可(ke)以(yi)將(jiang)復(fu)(fu)雜(za)(za)的(de)(de)(de)(de)多組(zu)元(yuan)(yuan)熔(rong)體等(deng)效為鐵(tie)－氮－鉻(ge)三元(yuan)(yuan)體系(xi)(xi)后計算(suan)氮的(de)(de)(de)(de)溶解度(du)(du)。基(ji)于鉻(ge)等(deng)效因子，通過鉻(ge)當(dang)(dang)量(liang)(liang)(liang)濃度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)換算(suan)并參考關系(xi)(xi)曲線(xian)（圖2-11),復(fu)(fu)雜(za)(za)的(de)(de)(de)(de)多組(zu)元(yuan)(yuan)熔(rong)體氮溶解度(du)(du)可(ke)統一表示(shi)為

3. 溫度對氮溶解度的影響

  溫(wen)(wen)度(du)(du)對合(he)(he)金熔體(ti)中氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)，取決(jue)于氮(dan)(dan)(dan)在(zai)合(he)(he)金熔體(ti)中的(de)(de)(de)(de)溶解(jie)(jie)反應為吸熱還是放熱過程，即氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)反應焓變ΔH的(de)(de)(de)(de)正負。在(zai)一(yi)定氮(dan)(dan)(dan)氣壓力下，對于不同合(he)(he)金成分(fen)的(de)(de)(de)(de)熔體(ti)而(er)言(yan)，氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)對溫(wen)(wen)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)依賴性（溫(wen)(wen)度(du)(du)對氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)趨(qu)勢）是不同的(de)(de)(de)(de)，且隨(sui)溫(wen)(wen)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)變化程度(du)(du)也不同，這是由該熔體(ti)中合(he)(he)金元(yuan)素的(de)(de)(de)(de)種類與含(han)量(liang)共同決(jue)定的(de)(de)(de)(de)，即ΔH的(de)(de)(de)(de)正負是由合(he)(he)金成分(fen)決(jue)定的(de)(de)(de)(de)。

  0.1MPa氮(dan)氣壓(ya)力下常見的(de)(de)(de)Fe-Cr-Mn-Ni合(he)金體(ti)系(xi)在1750~2000K溫度(du)(du)(du)(du)范圍內的(de)(de)(de)氮(dan)溶解(jie)度(du)(du)(du)(du)與溫度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)關系(xi)如(ru)圖2-12所示。可以看出，純鐵和Fe20Ni合(he)金體(ti)系(xi)的(de)(de)(de)氮(dan)溶解(jie)度(du)(du)(du)(du)較低，并且(qie)隨溫度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)升高逐(zhu)(zhu)漸增大。隨著熔(rong)體(ti)中鉻、錳(meng)等元(yuan)素含量的(de)(de)(de)增加(jia)，如(ru)Fe18Mn和Fe18Cr等合(he)金體(ti)系(xi)，氮(dan)的(de)(de)(de)溶解(jie)度(du)(du)(du)(du)顯著增大，溫度(du)(du)(du)(du)對(dui)氮(dan)溶解(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)影響更(geng)加(jia)明顯，且(qie)隨著溫度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)下降(jiang)(jiang)，熔(rong)體(ti)中的(de)(de)(de)氮(dan)溶解(jie)度(du)(du)(du)(du)逐(zhu)(zhu)漸增大。Fe18Cr8Ni合(he)金的(de)(de)(de)氮(dan)溶解(jie)度(du)(du)(du)(du)對(dui)溫度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)依賴性也為負(fu)；此外，由(you)于鎳(nie)具有降(jiang)(jiang)低氮(dan)溶解(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)作用，相對(dui)于Fe18Cr合(he)金，Fe18Cr8Ni合(he)金的(de)(de)(de)氮(dan)溶解(jie)度(du)(du)(du)(du)隨溫度(du)(du)(du)(du)變化的(de)(de)(de)趨勢比較平緩(huan)。

  從溶(rong)(rong)解(jie)熱力學(xue)理(li)論來看，在(zai)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)成分與(yu)(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力一定的(de)(de)條(tiao)件下，溫(wen)度(du)(du)(du)(du)對(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)影(ying)響(xiang)(xiang)(xiang)規律為：若(ruo)式（2-36)中參數a<0,即焓變(bian)ΔH>0時(shi)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)反應為吸熱過程，氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)隨(sui)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)升(sheng)高而(er)增大(da)；若(ruo)a>0,即焓變(bian)ΔH<0時(shi)，反為放熱過程，氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)隨(sui)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)的(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)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)影(ying)響(xiang)(xiang)(xiang)取決于焓變(bian)ΔH數值的(de)(de)正(zheng)負和(he)大(da)小，最終歸結為合(he)(he)(he)金(jin)(jin)成分決定氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)依賴性。利用氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)模(mo)型，Satir-Kolorz 等探究了不同的(de)(de)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)體(ti)系(xi)在(zai)0.1MPa和(he)5MPa氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力下，1750~2000K 范圍(wei)內氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)與(yu)(yu)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)關系(xi)，如圖2-13所示。結果(guo)與(yu)(yu)上面分析的(de)(de)一致，在(zai)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力一定的(de)(de)條(tiao)件下，溫(wen)度(du)(du)(du)(du)對(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)影(ying)響(xiang)(xiang)(xiang)取決于合(he)(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)成分：含有增加氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)元(yuan)素（如Mn、Cr、Mo)的(de)(de)鐵(tie)基合(he)(he)(he)金(jin)(jin)（Fe-Cr和(he)Fe-Mn合(he)(he)(he)金(jin)(jin)體(ti)系(xi)），氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)隨(sui)著溫(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)升(sheng)高而(er)降(jiang)低；而(er)對(dui)于含有降(jiang)低氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)元(yuan)素的(de)(de)鐵(tie)基合(he)(he)(he)金(jin)(jin)（如Fe-Ni合(he)(he)(he)金(jin)(jin)），隨(sui)著溫(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)升(sheng)高，熔體(ti)中的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)增大(da)。

4. 氮氣壓力對氮溶解度的影響(xiang)

  鑒(jian)于高(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)(gang)產品對高(gao)氮(dan)(dan)含量的(de)需求，在(zai)常(chang)壓(ya)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)環境(jing)中(zhong)無法(fa)實現(xian)鋼(gang)(gang)液(ye)的(de)高(gao)效(xiao)增(zeng)氮(dan)(dan)和保氮(dan)(dan)，提高(gao)冶(ye)煉(lian)過程的(de)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力成為有效(xiao)手段。氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)加(jia)壓(ya)冶(ye)煉(lian)技術，不僅能(neng)夠通過促進氣(qi)(qi)相－合金(jin)熔體間的(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解反應(ying)實現(xian)更佳(jia)的(de)增(zeng)氮(dan)(dan)效(xiao)果，在(zai)抑(yi)制(zhi)(zhi)高(gao)氮(dan)(dan)濃度(du)(du)鋼(gang)(gang)液(ye)凝固過程中(zhong)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)孔的(de)形成方(fang)面也發(fa)揮著重(zhong)(zhong)要作(zuo)用。研究不同氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力下合金(jin)熔體中(zhong)的(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)，成為精(jing)確控制(zhi)(zhi)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)加(jia)壓(ya)冶(ye)煉(lian)工藝鋼(gang)(gang)中(zhong)氮(dan)(dan)含量的(de)重(zhong)(zhong)要理論基礎。在(zai)常(chang)壓(ya)［如(ru)圖(tu)(tu)2-14(a)和加(jia)壓(ya)［如(ru)圖(tu)(tu)2-14(b)]條件下，液(ye)態鐵基合金(jin)中(zhong)的(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)隨氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力的(de)提高(gao)而顯著增(zeng)大。

a. 低氮(dan)氣壓力

  如前(qian)所述(shu)，氮(dan)(dan)氣(qi)在(zai)金(jin)屬(shu)熔體中的溶解(jie)屬(shu)于(yu)(yu)雙原子分子的溶解(jie)過程，在(zai)低(di)氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)范(fan)(fan)圍(wei)內，氮(dan)(dan)溶解(jie)度隨氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)的變化符合Sieverts定律。眾(zhong)多研究已經證實，在(zai)小于(yu)(yu)0.1MPa的低(di)氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)范(fan)(fan)圍(wei)內，不銹鋼體系（表(biao)2-5中1~3號）的氮(dan)(dan)溶解(jie)度與氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)的關(guan)系符合 Sieverts定律，即呈線性相(xiang)關(guan)，如圖2-15所示(shi)。

  為了進一步驗(yan)證不(bu)(bu)同(tong)氮(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)下 Sieverts定(ding)律的適用情況，Jiang(姜周華）等(deng)研(yan)究了氮(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)不(bu)(bu)高于0.1MPa,即低(di)氮(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)下典型(xing)(xing)不(bu)(bu)銹鋼(gang)品種(zhong)AISI304和AISI 316L 熔體(ti)中(zhong)氮(dan)溶解(jie)度與氮(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)的關系(xi)，結果如圖2-16所示。隨著氮(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)的增加，氮(dan)在兩類典型(xing)(xing)不(bu)(bu)銹鋼(gang)熔體(ti)中(zhong)的溶解(jie)度顯著提升，并且與氮(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)的關系(xi)符合Sieverts定(ding)律。

 b. 高氮氣壓力

  隨著冶煉過程中氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力的(de)(de)(de)進一步提(ti)高，各種(zhong)合金體系(xi)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度均會增大。純鐵液的(de)(de)(de)飽和氮(dan)(dan)濃度不僅在(zai)(zai)常壓(ya)以(yi)下，而且在(zai)(zai)0.1~200MPa的(de)(de)(de)高壓(ya)范圍內也(ye)(ye)(ye)始終與氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力的(de)(de)(de)平方根呈(cheng)線(xian)性(xing)關系(xi)。這是因為(wei)即使(shi)在(zai)(zai)高氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力下純鐵液中的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度也(ye)(ye)(ye)處于(yu)較低(di)(di)的(de)(de)(de)水平，如(ru)圖2-17所示(shi)。在(zai)(zai)Fe-Ni合金體系(xi)中，由(you)于(yu)鎳(nie)元素具(ju)有降(jiang)低(di)(di)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度的(de)(de)(de)作用，鎳(nie)含(han)量越(yue)高氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度反而越(yue)低(di)(di)，即使(shi)在(zai)(zai)高氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力下氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度也(ye)(ye)(ye)處于(yu)較低(di)(di)水平。研究結果表明，高氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力下Fe-Ni體系(xi)也(ye)(ye)(ye)符合 Sieverts定律(lv)，如(ru)圖2-18所示(shi)。

  然而，隨(sui)著高(gao)氮鋼品種的(de)(de)(de)開發和冶煉(lian)工(gong)藝(yi)的(de)(de)(de)發展，大(da)(da)量研究顯示(shi)，對于(yu)較高(gao)氮氣壓力(li)下(xia)的(de)(de)(de)Fe-Cr-Mn-Ni-Mo等高(gao)合金體系（表2-5中4~6號(hao)），氮溶(rong)解(jie)度隨(sui)氮氣壓力(li)的(de)(de)(de)變(bian)化與Sieverts定律描述的(de)(de)(de)線性關系產生了較大(da)(da)的(de)(de)(de)偏(pian)差，如圖2-19所示(shi)。

  圖2-19 1873K 高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)隨(sui)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)平(ping)(ping)方根的(de)(de)(de)變化氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)與Sieverts 定(ding)律的(de)(de)(de)偏(pian)(pian)離，并(bing)非存(cun)(cun)在(zai)于(yu)(yu)所有高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)下(xia)的(de)(de)(de)情況，與合(he)(he)金(jin)(jin)熔(rong)(rong)(rong)體成分密切相(xiang)關。上述純鐵液和Fe-Ni合(he)(he)金(jin)(jin)這兩(liang)類低氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)體系就是(shi)偏(pian)(pian)差不(bu)顯(xian)著的(de)(de)(de)實例；相(xiang)反，具有高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)合(he)(he)金(jin)(jin)熔(rong)(rong)(rong)體（如Fe-Cr-Mn體系）在(zai)高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)下(xia)通常不(bu)符合(he)(he) Sieverts 定(ding)律。由(you)(you)此可以推測，高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)隨(sui)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)提高(gao)(gao)(gao)較慢的(de)(de)(de)原(yuan)因(yin)是(shi)，高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)下(xia)熔(rong)(rong)(rong)體中氮(dan)(dan)(dan)濃度(du)(du)處于(yu)(yu)較高(gao)(gao)(gao)水平(ping)(ping)，不(bu)再(zai)滿足無限(xian)稀釋(shi)溶(rong)(rong)液的(de)(de)(de)理想情況。此時(shi)，氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)子之間存(cun)(cun)在(zai)自(zi)身(shen)相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)，彼(bi)此之間的(de)(de)(de)相(xiang)斥效應(ying)將會(hui)導致氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)降低；氮(dan)(dan)(dan)濃度(du)(du)越高(gao)(gao)(gao)，氮(dan)(dan)(dan)自(zi)身(shen)的(de)(de)(de)相(xiang)斥作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)越明顯(xian)。由(you)(you)此可知，高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)與Sieverts 定(ding)律的(de)(de)(de)偏(pian)(pian)離主要由(you)(you)氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)自(zi)身(shen)相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)導致，而高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)通常是(shi)熔(rong)(rong)(rong)體中高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)含量的(de)(de)(de)一個關鍵(jian)誘因(yin)。

  對(dui)于圖(tu)(tu)2-17和圖(tu)(tu)2-18中純鐵液、低合(he)金(jin)鋼(gang)或(huo)類似Fe-Ni合(he)金(jin)等低氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)的(de)(de)體系而言，氮(dan)(dan)的(de)(de)自身相互作用幾乎可(ke)以忽略，在(zai)高(gao)氮(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)下(xia)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)與氮(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)平方根也(ye)(ye)接(jie)近線性關系。常(chang)見的(de)(de)具(ju)有高(gao)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)的(de)(de)Fe-Cr-Mn等體系則不同，在(zai)高(gao)氮(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)下(xia)高(gao)合(he)金(jin)含(han)量(liang)的(de)(de)熔體氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)可(ke)達1%以上，超出 Sieverts定律(lv)(lv)的(de)(de)適用范圍。定義(yi)Sieverts定律(lv)(lv)對(dui)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)的(de)(de)壓(ya)(ya)力(li)適用極(ji)限(xian)，為(wei)開始出現明顯(xian)偏(pian)差的(de)(de)臨(lin)界氮(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)，如(ru)圖(tu)(tu)2-20所示，不同鉻(ge)含(han)量(liang)的(de)(de)Fe-Cr合(he)金(jin)的(de)(de)壓(ya)(ya)力(li)適用極(ji)限(xian)不同（實驗數(shu)據來源于Torkhov等的(de)(de)研(yan)究）。隨著(zhu)鉻(ge)和氮(dan)(dan)含(han)量(liang)的(de)(de)增加，Sieverts定律(lv)(lv)的(de)(de)氮(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)適用極(ji)限(xian)快速降低，高(gao)氮(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)下(xia)的(de)(de)偏(pian)差程(cheng)度(du)也(ye)(ye)變得更為(wei)顯(xian)著(zhu)。

  針對(dui)高(gao)(gao)(gao)合(he)(he)金(jin)(jin)、高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解度(du)(du)體系(xi)在高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力下(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解熱力學偏離(li) Sieverts定(ding)律(lv)的(de)(de)(de)(de)現象，可通過熔體中(zhong)各(ge)類原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)之間存(cun)(cun)在的(de)(de)(de)(de)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)來解釋氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)溶(rong)(rong)(rong)解機(ji)制。圖2-21(a)顯(xian)示(shi)了(le)單個氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)在鐵原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)晶格中(zhong)的(de)(de)(de)(de)賦(fu)存(cun)(cun)狀(zhuang)況(kuang)：由(you)(you)于(yu)(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)處于(yu)(yu)無限(xian)稀釋的(de)(de)(de)(de)狀(zhuang)態，它只與鐵原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)存(cun)(cun)在相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)，不發生(sheng)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)自(zi)身(shen)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)。圖2-21(b)顯(xian)示(shi)了(le)高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃(nong)度(du)(du)下(xia)（如在高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力下(xia)）的(de)(de)(de)(de)鐵－氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)二元(yuan)合(he)(he)金(jin)(jin)晶格：氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)周圍除相(xiang)鄰的(de)(de)(de)(de)鐵原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)外(wai)，也存(cun)(cun)在臨近的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)間彼此相(xiang)互(hu)抑制，從而導致氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解度(du)(du)降低并偏離(li) Sieverts 定(ding)律(lv)的(de)(de)(de)(de)預測曲線。這種自(zi)身(shen)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)可由(you)(you)自(zi)身(shen)活度(du)(du)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)系(xi)數來表示(shi)，由(you)(you)于(yu)(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)之間處于(yu)(yu)相(xiang)互(hu)抑制的(de)(de)(de)(de)狀(zhuang)態，自(zi)身(shen)活度(du)(du)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)系(xi)數e值為正數。圖2-21(c)顯(xian)示(shi)了(le)鐵－鉻－氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)三元(yuan)合(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)晶格：由(you)(you)于(yu)(yu)鉻原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)和氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)之間具有(you)很強(qiang)的(de)(de)(de)(de)吸引力，其相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)系(xi)數為負值。在此結構(gou)中(zhong)，由(you)(you)于(yu)(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)向鉻原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)偏移，就有(you)更多空(kong)間留給(gei)額外(wai)的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)，從而產生(sheng)較高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解度(du)(du)。不過隨著氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃(nong)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)增加(jia)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)對(dui)自(zi)身(shen)的(de)(de)(de)(de)強(qiang)烈排斥作(zuo)用(yong)(yong)(yong)開始凸顯(xian)，因此在高(gao)(gao)(gao)鉻和高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃(nong)度(du)(du)下(xia)，實(shi)際的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解度(du)(du)隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力的(de)(de)(de)(de)變化規律(lv)與 Sieverts定(ding)律(lv)之間存(cun)(cun)在明顯(xian)的(de)(de)(de)(de)偏差。

  研(yan)究發現，在(zai)超過(guo)10MPa氮氣壓力的(de)(de)(de)(de)條(tiao)件(jian)(jian)下(xia)，將合(he)金元素含量(liang)提高(gao)至45%,熔體(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)氮溶解(jie)度(du)(du)可以(yi)高(gao)達3%以(yi)上。在(zai)氮濃度(du)(du)如此(ci)高(gao)的(de)(de)(de)(de)情況下(xia)，熔體(ti)(ti)不滿足使用Sieverts 定(ding)律的(de)(de)(de)(de)前提條(tiao)件(jian)(jian)，即無(wu)限稀(xi)釋(shi)溶液的(de)(de)(de)(de)假設(she)，因(yin)此(ci)在(zai)此(ci)條(tiao)件(jian)(jian)下(xia)，Sieverts定(ding)律無(wu)法準確預測(ce)氮溶解(jie)度(du)(du)，必須引入一個(ge)附加的(de)(de)(de)(de)活度(du)(du)系數(shu)f,以(yi)體(ti)(ti)現氮對(dui)(dui)自身(shen)作(zuo)用的(de)(de)(de)(de)影響。圖(tu)2-22顯示了實驗測(ce)得的(de)(de)(de)(de)不同(tong)氮氣壓力下(xia)，不同(tong)合(he)金體(ti)(ti)系中氮溶解(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)。首先在(zai)不考慮氮自身(shen)相互(hu)(hu)作(zuo)用的(de)(de)(de)(de)情況下(xia)，通(tong)過(guo)對(dui)(dui)實驗結(jie)果進行(xing)回(hui)(hui)歸分析，確定(ding)鉻、錳、鉬和鎳(nie)等主要合(he)金元素對(dui)(dui)氮的(de)(de)(de)(de)一階(jie)和二階(jie)活度(du)(du)相互(hu)(hu)作(zuo)用系數(shu)。同(tong)時，從文獻數(shu)據中獲得其他(ta)合(he)金元素的(de)(de)(de)(de)相互(hu)(hu)作(zuo)用系數(shu)。基于所有合(he)金對(dui)(dui)體(ti)(ti)系中氮活度(du)(du)系數(shu)的(de)(de)(de)(de)相互(hu)(hu)作(zuo)用系數(shu)，通(tong)過(guo)回(hui)(hui)歸分析確定(ding)氮對(dui)(dui)自身(shen)的(de)(de)(de)(de)活度(du)(du)相互(hu)(hu)作(zuo)用系數(shu)e為(wei)0.13。e的(de)(de)(de)(de)數(shu)值為(wei)正(zheng)，表明氮含量(liang)的(de)(de)(de)(de)提高(gao)會增加活度(du)(du)系數(shu)，降低自身(shen)溶解(jie)度(du)(du)。