1. 常壓下基熔體的氮(dan)溶解度模型

  常溫下氮(dan)(dan)以雙原子分子形式存在，高(gao)溫下則分解(jie)(jie)成(cheng)氮(dan)(dan)原子溶解(jie)(jie)于金(jin)屬熔(rong)體中。如(ru)圖2-1所示，氮(dan)(dan)在金(jin)屬熔(rong)體中的(de)(de)溶解(jie)(jie)過程(cheng)可以描述如(ru)下：氮(dan)(dan)氣接(jie)觸到熔(rong)體表(biao)面(mian)后發(fa)生物理吸(xi)(xi)附，當(dang)氣體分子和熔(rong)體表(biao)面(mian)的(de)(de)結合力(li)大于氣體內(nei)部分子的(de)(de)結合力(li)時發(fa)生化學吸(xi)(xi)附，吸(xi)(xi)附的(de)(de)氮(dan)(dan)分子分解(jie)(jie)成(cheng)原子，隨后從(cong)熔(rong)體表(biao)面(mian)向(xiang)內(nei)部擴散。

  表(biao)2-1總(zong)結了(le)研(yan)究人員在1873K、0.1MPa氮(dan)(dan)氣(qi)壓力下測得的(de)(de)(de)熔融(rong)鐵液中(zhong)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)。根據文獻中(zhong)的(de)(de)(de)實驗(yan)數據可(ke)知，熔融(rong)鐵液的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)集(ji)中(zhong)在0.043%~0.046%范圍內。圖2-2歸(gui)納了(le)冶煉(lian)溫度(du)(du)對熔融(rong)鐵液中(zhong)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)影響。可(ke)以看出，在熔融(rong)鐵液中(zhong)，氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)隨(sui)溫度(du)(du)的(de)(de)(de)升高而增大。

  若氮(dan)活度的參(can)考(kao)態為合(he)金(jin)熔體中假想的1%N溶液，則(ze)0.5mol氮(dan)氣(qi)溶解于合(he)金(jin)熔體的吉布斯(si)自由能變可以表(biao)示為

  在早期對(dui)(dui)合金(jin)熔(rong)體中(zhong)氮(dan)溶(rong)解度(du)(du)(du)的(de)(de)研(yan)究中(zhong)，各種合金(jin)元素(su)對(dui)(dui)氮(dan)的(de)(de)二階(jie)活(huo)度(du)(du)(du)相互作(zuo)用系數(shu)(shu)及二階(jie)交(jiao)叉活(huo)度(du)(du)(du)相互作(zuo)用系數(shu)(shu)的(de)(de)相關(guan)測定尚不(bu)完善。1965年，Chipman等(deng)［18]開發了僅使用一階(jie)活(huo)度(du)(du)(du)相互作(zuo)用系數(shu)(shu)而不(bu)涉及高(gao)階(jie)項(xiang)的(de)(de)氮(dan)溶(rong)解度(du)(du)(du)模型。基于Chipman等(deng)的(de)(de)研(yan)究結果(guo)和1873K下(xia)不(bu)同元素(su)對(dui)(dui)氮(dan)的(de)(de)一階(jie)活(huo)度(du)(du)(du)相互作(zuo)用系數(shu)(shu)（表(biao)2-2)[19],可以得(de)到1873K下(xia)氮(dan)溶(rong)解度(du)(du)(du)模型中(zhong)氮(dan)的(de)(de)活(huo)度(du)(du)(du)系數(shu)(shu)1gf[式（2-9)],其他冶煉(lian)溫度(du)(du)(du)下(xia)氮(dan)的(de)(de)活(huo)度(du)(du)(du)系數(shu)(shu)可由(you)式（2-10)轉換獲得(de)。據此，Chipman 等(deng)建(jian)立了預測不(bu)同溫度(du)(du)(du)下(xia)合金(jin)熔(rong)體中(zhong)氮(dan)溶(rong)解度(du)(du)(du)的(de)(de)式（2-11)。

  隨著對(dui)多元合(he)金(jin)熔體(ti)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度(du)研(yan)究(jiu)的(de)(de)(de)深入(ru)(ru)，各種(zhong)合(he)金(jin)元素對(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)一階、二階以及二階交(jiao)叉活(huo)度(du)相互作用系(xi)(xi)數(shu)的(de)(de)(de)實驗研(yan)究(jiu)與測定逐步(bu)完善。1990年，Grigorenko等。探究(jiu)了合(he)金(jin)元素對(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)活(huo)度(du)系(xi)(xi)數(shu)的(de)(de)(de)影響，認為在較高的(de)(de)(de)合(he)金(jin)濃度(du)下，僅采(cai)用一階活(huo)度(du)相互作用系(xi)(xi)數(shu)來計算氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)活(huo)度(du)系(xi)(xi)數(shu)和預(yu)測氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度(du)是不夠準確的(de)(de)(de)。為了進一步(bu)提高氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度(du)預(yu)測模型的(de)(de)(de)準確性，必須(xu)以二階乃至更高階泰勒(le)級(ji)數(shu)的(de)(de)(de)形式(shi)表(biao)示氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)活(huo)度(du)系(xi)(xi)數(shu)，即引入(ru)(ru)合(he)金(jin)元素對(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)高階活(huo)度(du)相互作用系(xi)(xi)數(shu)。據(ju)此，氮(dan)(dan)(dan)(dan)活(huo)度(du)系(xi)(xi)數(shu)按高階泰勒(le)級(ji)數(shu)的(de)(de)(de)形式(shi)展開，可表(biao)示為

2. 常壓下(xia)Fe-20%Cr基(ji)熔體的氮溶解度模型

  鑒于以Fe-Cr 合(he)金為(wei)(wei)基(ji)礎的各種合(he)金材(cai)料的生產與應用(yong)非常廣泛(fan)，1996年Anson等開(kai)發(fa)了種常壓下(xia)(xia)以熔融Fe-20%Cr 合(he)金為(wei)(wei)基(ji)體的氮溶解度(du)模型(xing)。在熔融Fe-20%Cr基(ji)合(he)金中，氮溶解熱力學(xue)平衡關系如(ru)下(xia)(xia)所示(shi)：

3. 高(gao)氮(dan)氣壓力下的氮(dan)溶解度模型

  隨著含氮(dan)(dan)鋼種相關研究(jiu)的(de)不斷深入，高氮(dan)(dan)鋼由于其(qi)優異的(de)力(li)學性能(neng)和耐(nai)腐蝕性能(neng)，在(zai)諸(zhu)多(duo)領域得到(dao)了廣泛應用。大量(liang)研究(jiu)發現，在(zai)高氮(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)下，高合金體(ti)系中(zhong)氮(dan)(dan)溶解度出現了偏離(li) Sieverts 定律的(de)現象，導致高氮(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)下氮(dan)(dan)溶解度預測(ce)模型(xing)的(de)準確度大幅降低。

  如圖(tu)2-3和圖(tu)2-4所示(shi)，當(dang)鉻、錳等(deng)含(han)(han)量(liang)(liang)(liang)較高(gao)時，高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)合金(jin)(jin)熔體(ti)的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)達到了較高(gao)的(de)(de)(de)(de)數值(zhi)，此(ci)時僅能在(zai)小范圍(wei)內呈線(xian)性關(guan)系，合金(jin)(jin)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)含(han)(han)量(liang)(liang)(liang)依然能隨著氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)加而(er)持續提(ti)高(gao)，但與低氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)時相比，高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)加趨(qu)勢明(ming)顯變緩。高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)對氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)提(ti)升作用(yong)被削(xue)弱，具體(ti)表現為實測的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)［％N]低于根據Sieverts定律計(ji)算的(de)(de)(de)(de)值(zhi)，即(ji)圖(tu)中(zhong)各個實線(xian)（實驗值(zhi)）均處(chu)于相應(ying)虛(xu)線(xian)（計(ji)算值(zhi)）下(xia)方。同(tong)時，兩曲線(xian)的(de)(de)(de)(de)偏離程度(du)(du)隨著鉻、錳等(deng)元素(su)含(han)(han)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)加而(er)變得嚴(yan)重(zhong)。這表明(ming)在(zai)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)大于0.1MPa的(de)(de)(de)(de)冶煉氣氛中(zhong)，尤其是當(dang)金(jin)(jin)屬熔體(ti)含(han)(han)有(you)較高(gao)量(liang)(liang)(liang)具有(you)提(ti)升氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)能力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)合金(jin)(jin)元素(su)時，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)很高(gao)，其與氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)關(guan)系將(jiang)不再符合 Sieverts定律。

  1993年Rawers等［24]通過實驗(yan)研(yan)究(jiu)了(le)Fe-Cr和Fe-Cr-Ni等合金體系(xi)(xi)在(zai)(zai)(zai)(zai)高氮氣壓力(li)下氮的溶解度模型。圖2-5給(gei)出(chu)了(le)不同氮氣壓力(li)下氮活度系(xi)(xi)數InfN隨鉻濃(nong)度變化曲線。對于鐵基合金，在(zai)(zai)(zai)(zai)低鉻濃(nong)度范圍內，lnfN與鉻濃(nong)度之間存(cun)在(zai)(zai)(zai)(zai)線性關系(xi)(xi)，其斜(xie)率(lv)隨著氮氣壓力(li)的增(zeng)加而(er)變化；在(zai)(zai)(zai)(zai)較(jiao)高鉻濃(nong)度時，則明顯偏離(li)線性關系(xi)(xi)。

  基于對實(shi)驗數據的(de)回(hui)歸分析，獲得了Fe-Cr與Fe-Cr-Ni體(ti)系(xi)(xi)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度模型(xing)中各相互作用系(xi)(xi)數，見(jian)表2-3.通過成分相互作用和氮(dan)(dan)氣壓力(li)－成分效應對氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度模型(xing)的(de)修(xiu)正，可以更精確地預測高合金體(ti)系(xi)(xi)在高氮(dan)(dan)氣壓力(li)條件(jian)下的(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度。

  為了進(jin)一步修(xiu)正(zheng)高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)力(li)下(xia)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度模(mo)型，2005年Jiang(姜周華(hua)）等(deng)［25]根(gen)據(ju)實驗研究和文(wen)獻報道(dao)的(de)(de)數(shu)據(ju)，回歸(gui)分(fen)析得到(dao)了氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)力(li)對氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)相互作用系數(shu)8,反映了常壓(ya)以上的(de)(de)高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)力(li)對氮(dan)(dan)(dan)活度系數(shu)的(de)(de)影響(xiang)。該(gai)研究通過(guo)考慮氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)力(li)的(de)(de)影響(xiang)，對高(gao)壓(ya)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)活度系數(shu)進(jin)行(xing)修(xiu)正(zheng)［式（2-19)],從而建(jian)立了高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)力(li)下(xia)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)熱力(li)學模(mo)型來(lai)預測高(gao)氮(dan)(dan)(dan)不銹鋼熔體中(zhong)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度：

  經(jing)(jing)過修(xiu)正(zheng)后(hou)(hou)，重新利用(yong)氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)熱力學模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)計(ji)(ji)算(suan)(suan)了(le)(le)文獻中(zhong)1873K下純鐵、Fe-Cr和(he)Fe-Mn 等(deng)合(he)金(jin)體(ti)系在高氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力下的(de)氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度隨氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力的(de)變化，并與(yu)實驗數據進行(xing)了(le)(le)比較，如(ru)圖(tu)2-6所示。同時，圖(tu)2-7比較了(le)(le)氮(dan)(dan)活度系數計(ji)(ji)算(suan)(suan)式(shi)中(zhong)壓(ya)力項修(xiu)正(zheng)后(hou)(hou)的(de)氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)計(ji)(ji)算(suan)(suan)值與(yu)文獻實測(ce)值。結(jie)果表明(ming)(ming)，修(xiu)正(zheng)后(hou)(hou)的(de)模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)預測(ce)值與(yu)Jiang等(deng)及Satir-Kolorz和(he)Feichtinger的(de)測(ce)量值非常吻合(he)，略小于(yu)Rawers和(he)Gokcen[26]的(de)測(ce)量值。該(gai)差異可(ke)能是由計(ji)(ji)算(suan)(suan)中(zhong)選(xuan)擇的(de)溫度為(wei)(wei)1923K而(er)引起的(de)，因為(wei)(wei)當熔體(ti)以(yi)緩(huan)慢的(de)冷卻速(su)率降(jiang)低到液(ye)相(xiang)線時，氮(dan)(dan)濃度會增加。驗證結(jie)果表明(ming)(ming)，經(jing)(jing)壓(ya)力項修(xiu)正(zheng)后(hou)(hou)的(de)氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)熱力學模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)，適用(yong)于(yu)計(ji)(ji)算(suan)(suan)高氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力下不銹鋼(gang)的(de)氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度。在著作 Mastering P-ESR Technology for High Nitrogen Steel Grades for HighValue Applications中(zhong)，Carosi等(deng)認(ren)為(wei)(wei)Jiang等(deng)建立(li)的(de)氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)的(de)預測(ce)值與(yu)工業結(jie)果非常符合(he)，并將此模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)應用(yong)到動態模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)的(de)仿(fang)真計(ji)(ji)算(suan)(suan)中(zhong)。

  基于高氮(dan)氣壓力(li)下氮(dan)溶解(jie)度模型的修(xiu)正，本書作者針對含Nb和含V鋼(gang)種(zhong)，進一步研(yan)究了其(qi)氮(dan)溶解(jie)熱(re)力(li)學行為，通過補(bu)充完善鋼(gang)液(ye)中Nb和V對氮(dan)活度的相互作用系數，構(gou)建了包含 Nb、V體系鋼(gang)種(zhong)或(huo)合金在氮(dan)氣加壓下的氮(dan)溶解(jie)度模型：

2. 合金(jin)元素成分對(dui)氮溶解度的影響(xiang)

 a. 合金元素對氮的活度相(xiang)互作用(yong)系數(shu)

  氮(dan)(dan)(dan)在鐵(tie)基合(he)金(jin)(jin)(jin)熔體中(zhong)的(de)溶(rong)解度(du)(du)受(shou)其(qi)合(he)金(jin)(jin)(jin)成分的(de)影響顯(xian)著，許多常用合(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)可有效地提高氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)，同(tong)時也有部分元(yuan)素(su)會降低氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)。一般可以用各合(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)對(dui)氮(dan)(dan)(dan)的(de)一階活(huo)度(du)(du)相互作(zuo)用系(xi)數（表2-4)來表征合(he)金(jin)(jin)(jin)成分對(dui)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)的(de)影響，當(dang)其(qi)值為負時，相應(ying)的(de)合(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)可降低熔體中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)的(de)活(huo)度(du)(du)系(xi)數，增(zeng)加(jia)氮(dan)(dan)(dan)的(de)溶(rong)解度(du)(du)；當(dang)其(qi)值為正時，相應(ying)的(de)合(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)則(ze)增(zeng)大氮(dan)(dan)(dan)的(de)活(huo)度(du)(du)系(xi)數，降低氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)。

合(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)對氮(dan)的(de)(de)(de)活度相(xiang)(xiang)互作(zuo)用系數(shu)，實質上(shang)表征了該合(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)與(yu)氮(dan)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)(de)原(yuan)子(zi)(zi)間(jian)親(qin)和力，這與(yu)其在(zai)(zai)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)周期表中的(de)(de)(de)位置(zhi)密切相(xiang)(xiang)關，因(yin)為(wei)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)(de)電子(zi)(zi)結構與(yu)它們在(zai)(zai)周期表中的(de)(de)(de)位置(zhi)相(xiang)(xiang)對應(ying)。從合(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)(de)微(wei)觀結構來看(kan)，同(tong)一周期中，從左(zuo)到(dao)右，元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)核外(wai)(wai)(wai)電子(zi)(zi)層(ceng)數(shu)相(xiang)(xiang)同(tong)，而(er)最外(wai)(wai)(wai)層(ceng)電子(zi)(zi)數(shu)增加，原(yuan)子(zi)(zi)半徑(jing)遞減（0族(zu)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)除外(wai)(wai)(wai)）；同(tong)一族(zu)中，從上(shang)到(dao)下，所(suo)有(you)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)具有(you)相(xiang)(xiang)同(tong)數(shu)量的(de)(de)(de)價電子(zi)(zi)，而(er)核外(wai)(wai)(wai)電子(zi)(zi)層(ceng)數(shu)逐漸增多，原(yuan)子(zi)(zi)半徑(jing)增大。原(yuan)子(zi)(zi)半徑(jing)大的(de)(de)(de)合(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)對氮(dan)的(de)(de)(de)親(qin)和力普遍較強。

  圖2-8給出了在(zai)1873K、0.1MPa氮(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力下Fe-X二元(yuan)合金體(ti)(ti)系中(zhong)(zhong)各種常見金元(yuan)素(su)X對(dui)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)的(de)影響(xiang)。在(zai)合金熔(rong)體(ti)(ti)中(zhong)(zhong)，提(ti)高(gao)Mo、Mn、Ta、Cr、Nb和V等(deng)(deng)元(yuan)素(su)的(de)含(han)量(liang)能(neng)夠(gou)顯著增大熔(rong)體(ti)(ti)的(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)。例如，在(zai)1873K和氮(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力為0.1MPa條件下，Cr、Mn等(deng)(deng)典型合金元(yuan)素(su)能(neng)夠(gou)提(ti)高(gao)高(gao)氮(dan)(dan)(dan)無鎳(nie)奧氏體(ti)(ti)不銹鋼熔(rong)體(ti)(ti)的(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)，其中(zhong)(zhong)20%Cr-20%Mn合金體(ti)(ti)系中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)可達0.8%以上(shang)，如圖2-9所示。然而，提(ti)高(gao)C、Si等(deng)(deng)元(yuan)素(su)的(de)含(han)量(liang)則會明顯降(jiang)低熔(rong)體(ti)(ti)的(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)，其他元(yuan)素(su)（如Ni、Co、Cu、Sn和W等(deng)(deng)）含(han)量(liang)的(de)變(bian)化則對(dui)熔(rong)體(ti)(ti)的(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)影響(xiang)相對(dui)較小。

  如(ru)圖2-10所(suo)示，根據對(dui)氮在熔體(ti)中(zhong)(zhong)(zhong)溶(rong)解(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)影響(xiang)規律(lv)不同，合(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)大(da)體(ti)可以分為三(san)大(da)類(lei)：①. 第(di)(di)一類(lei)為對(dui)熔融鐵基合(he)金(jin)(jin)中(zhong)(zhong)(zhong)氮溶(rong)解(jie)度(du)(du)具(ju)(ju)有顯(xian)著提升作用(yong)的(de)(de)(de)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)，如(ru)Cr、Mo、Mn、Ti、Zr、V和(he)(he)Nb等(deng)，其中(zhong)(zhong)(zhong)Ti、Zr、V和(he)(he)Nb具(ju)(ju)有強烈的(de)(de)(de)形成氮化(hua)物的(de)(de)(de)趨勢。Cr作為不銹(xiu)鋼的(de)(de)(de)重要合(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)之(zhi)一，能夠顯(xian)著提高熔融鐵基合(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)氮溶(rong)解(jie)度(du)(du)，其與(yu)Ti、Zr、V和(he)(he)Nb相比，形成氮化(hua)物的(de)(de)(de)趨勢較小。②. Ni、Co和(he)(he)Cu等(deng)元(yuan)素(su)為第(di)(di)二類(lei)，對(dui)氮溶(rong)解(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)影響(xiang)較小。其中(zhong)(zhong)(zhong)Ni是不銹(xiu)鋼中(zhong)(zhong)(zhong)重要的(de)(de)(de)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)，但它對(dui)氮溶(rong)解(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)負面影響(xiang)會降低(di)高氮合(he)金(jin)(jin)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)氮含量(liang)。③. 第(di)(di)三(san)類(lei)為C、Si等(deng)非金(jin)(jin)屬(shu)元(yuan)素(su)和(he)(he)A1等(deng)元(yuan)素(su)，具(ju)(ju)有明(ming)顯(xian)降低(di)熔體(ti)氮溶(rong)解(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)作用(yong)。

  b. 合金元(yuan)素的鉻(ge)等效因子(zi)與鉻(ge)當量濃(nong)度

  除合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)對(dui)(dui)氮的(de)活(huo)度相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)系(xi)(xi)(xi)數外，也可(ke)以通過參(can)考(kao)元(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)等(deng)效(xiao)(xiao)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)來描述不同元(yuan)(yuan)素(su)(su)對(dui)(dui)熔體氮溶解(jie)度的(de)影響。較(jiao)為典型的(de)是(shi)以鉻(ge)為參(can)考(kao)，因為鉻(ge)具有(you)相(xiang)當強的(de)增加氮溶解(jie)度的(de)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)，并(bing)且被認為是(shi)合(he)金(jin)(jin)材料(liao)中最重(zhong)要的(de)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)之一。在活(huo)度相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)系(xi)(xi)(xi)數的(de)基礎上，Satir-Kolorz與Feichtinger 換算了各種合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)鉻(ge)等(deng)效(xiao)(xiao)因子(zi)c.表(biao)2-4列出(chu)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)鉻(ge)等(deng)效(xiao)(xiao)因子(zi)。對(dui)(dui)于不同合(he)金(jin)(jin)體系(xi)(xi)(xi)，可(ke)以將(jiang)體系(xi)(xi)(xi)中各種合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)X;的(de)濃(nong)度乘(cheng)以相(xiang)應的(de)鉻(ge)等(deng)效(xiao)(xiao)因子(zi)獲(huo)得對(dui)(dui)應的(de)鉻(ge)當量濃(nong)度。據此，可(ke)將(jiang)熔體中所有(you)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)X;的(de)濃(nong)度轉換為鉻(ge)當量濃(nong)度。

  通過(guo)實驗測(ce)量(liang)鋼中的(de)(de)(de)平衡(heng)氮含量(liang)，得(de)到了合(he)金體(ti)系對應的(de)(de)(de)數(shu)(shu)值，如圖2-11中空心點所示(shi)(shi)；通過(guo)式（2-23)計算(suan)可以得(de)到不同鉻當(dang)量(liang)濃度(du)與0.51gPN2-lg[%N]-e≈[%N](氮活(huo)度(du)系數(shu)(shu)）之間(jian)的(de)(de)(de)關系曲(qu)線，兩符合(he)良好，驗證了此等效(xiao)方法的(de)(de)(de)合(he)理性。此研究的(de)(de)(de)特別之處在于，通過(guo)鉻當(dang)量(liang)濃度(du)來間(jian)接表示(shi)(shi)多(duo)種合(he)金元(yuan)素在大濃度(du)范圍內(nei)的(de)(de)(de)所有數(shu)(shu)據，可以將復雜(za)的(de)(de)(de)多(duo)組(zu)(zu)元(yuan)熔(rong)體(ti)等效(xiao)為鐵－氮－鉻三元(yuan)體(ti)系后(hou)計算(suan)氮的(de)(de)(de)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)。基于鉻等效(xiao)因子，通過(guo)鉻當(dang)量(liang)濃度(du)的(de)(de)(de)換算(suan)并(bing)參考關系曲(qu)線（圖2-11),復雜(za)的(de)(de)(de)多(duo)組(zu)(zu)元(yuan)熔(rong)體(ti)氮溶(rong)解(jie)(jie)度(du)可統一(yi)表示(shi)(shi)為

3. 溫度對(dui)氮(dan)溶解度的影響

  溫(wen)度(du)(du)對合(he)金(jin)(jin)熔(rong)體中(zhong)氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)的(de)(de)影響，取決(jue)于氮(dan)在合(he)金(jin)(jin)熔(rong)體中(zhong)的(de)(de)溶(rong)解(jie)反應(ying)為(wei)吸熱還是(shi)(shi)放(fang)熱過程，即氮(dan)溶(rong)解(jie)反應(ying)焓變(bian)ΔH的(de)(de)正負(fu)。在一定(ding)氮(dan)氣(qi)壓(ya)力下，對于不同(tong)(tong)合(he)金(jin)(jin)成分的(de)(de)熔(rong)體而言，氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)對溫(wen)度(du)(du)的(de)(de)依賴性（溫(wen)度(du)(du)對氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)的(de)(de)影響趨勢）是(shi)(shi)不同(tong)(tong)的(de)(de)，且(qie)隨溫(wen)度(du)(du)的(de)(de)變(bian)化(hua)程度(du)(du)也不同(tong)(tong)，這(zhe)是(shi)(shi)由該熔(rong)體中(zhong)合(he)金(jin)(jin)元素的(de)(de)種類與含量(liang)共同(tong)(tong)決(jue)定(ding)的(de)(de)，即ΔH的(de)(de)正負(fu)是(shi)(shi)由合(he)金(jin)(jin)成分決(jue)定(ding)的(de)(de)。

  0.1MPa氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)下(xia)(xia)常見(jian)的(de)Fe-Cr-Mn-Ni合金(jin)體(ti)系(xi)在1750~2000K溫(wen)度(du)(du)(du)范圍(wei)內的(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)(du)與溫(wen)度(du)(du)(du)的(de)關系(xi)如圖2-12所(suo)示。可以看出(chu)，純鐵和Fe20Ni合金(jin)體(ti)系(xi)的(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)(du)較(jiao)低，并且隨(sui)溫(wen)度(du)(du)(du)的(de)升高逐(zhu)漸(jian)增(zeng)(zeng)大(da)。隨(sui)著熔體(ti)中(zhong)鉻、錳等元素含(han)量的(de)增(zeng)(zeng)加，如Fe18Mn和Fe18Cr等合金(jin)體(ti)系(xi)，氮(dan)(dan)(dan)的(de)溶(rong)解度(du)(du)(du)顯(xian)著增(zeng)(zeng)大(da)，溫(wen)度(du)(du)(du)對氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)(du)的(de)影(ying)響更(geng)加明顯(xian)，且隨(sui)著溫(wen)度(du)(du)(du)的(de)下(xia)(xia)降，熔體(ti)中(zhong)的(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)(du)逐(zhu)漸(jian)增(zeng)(zeng)大(da)。Fe18Cr8Ni合金(jin)的(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)(du)對溫(wen)度(du)(du)(du)的(de)依(yi)賴性也為負；此外，由于(yu)鎳(nie)具有降低氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)(du)的(de)作用，相對于(yu)Fe18Cr合金(jin)，Fe18Cr8Ni合金(jin)的(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)(du)隨(sui)溫(wen)度(du)(du)(du)變化(hua)的(de)趨勢(shi)比(bi)較(jiao)平緩。

  從溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)熱(re)力(li)學理(li)論來看，在合金(jin)成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)與氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)一(yi)定的(de)(de)(de)(de)條件(jian)下(xia)，溫度(du)(du)(du)(du)(du)對(dui)(dui)(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響規律為(wei)(wei)：若式（2-36)中(zhong)參數(shu)a<0,即(ji)焓變(bian)ΔH>0時(shi)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)反應為(wei)(wei)吸熱(re)過(guo)程，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)隨(sui)溫度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)升(sheng)高(gao)而增大(da)；若a>0,即(ji)焓變(bian)ΔH<0時(shi)，反為(wei)(wei)放熱(re)過(guo)程，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)隨(sui)溫度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)升(sheng)高(gao)而減小(xiao)。因(yin)此，溫度(du)(du)(du)(du)(du)對(dui)(dui)(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響取(qu)決(jue)(jue)于(yu)焓變(bian)ΔH數(shu)值(zhi)的(de)(de)(de)(de)正負(fu)和大(da)小(xiao)，最終歸結(jie)為(wei)(wei)合金(jin)成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)決(jue)(jue)定氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)溫度(du)(du)(du)(du)(du)依賴性。利用氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)模型，Satir-Kolorz 等探(tan)究了不同的(de)(de)(de)(de)合金(jin)體系(xi)在0.1MPa和5MPa氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)下(xia)，1750~2000K 范圍內氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)與溫度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)關系(xi)，如(ru)(ru)圖2-13所示。結(jie)果與上面分(fen)(fen)析的(de)(de)(de)(de)一(yi)致，在氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)一(yi)定的(de)(de)(de)(de)條件(jian)下(xia)，溫度(du)(du)(du)(du)(du)對(dui)(dui)(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響取(qu)決(jue)(jue)于(yu)合金(jin)的(de)(de)(de)(de)成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)：含有增加氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)元(yuan)(yuan)素(su)（如(ru)(ru)Mn、Cr、Mo)的(de)(de)(de)(de)鐵基(ji)合金(jin)（Fe-Cr和Fe-Mn合金(jin)體系(xi)），氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)隨(sui)著溫度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)升(sheng)高(gao)而降低；而對(dui)(dui)(dui)于(yu)含有降低氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)元(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)(de)(de)鐵基(ji)合金(jin)（如(ru)(ru)Fe-Ni合金(jin)），隨(sui)著溫度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)升(sheng)高(gao)，熔體中(zhong)的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)增大(da)。

4. 氮氣壓(ya)力對氮溶(rong)解度(du)的影響

  鑒于高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)鋼(gang)(gang)產(chan)品對高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)含量的(de)需求，在(zai)常壓(ya)(ya)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)環境中無法(fa)實(shi)現鋼(gang)(gang)液的(de)高(gao)(gao)效增氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)和保氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)，提(ti)高(gao)(gao)冶煉(lian)過(guo)程的(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力成(cheng)為(wei)有效手段。氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)加(jia)壓(ya)(ya)冶煉(lian)技術(shu)，不僅能夠通過(guo)促(cu)進氣(qi)相－合(he)金(jin)熔(rong)(rong)體(ti)間(jian)的(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解反應(ying)實(shi)現更(geng)佳的(de)增氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)效果，在(zai)抑制高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)鋼(gang)(gang)液凝固過(guo)程中氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)孔的(de)形成(cheng)方面也發揮著(zhu)重要(yao)(yao)作用。研(yan)究不同氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力下(xia)(xia)合(he)金(jin)熔(rong)(rong)體(ti)中的(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)，成(cheng)為(wei)精確(que)控制氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)加(jia)壓(ya)(ya)冶煉(lian)工藝鋼(gang)(gang)中氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)含量的(de)重要(yao)(yao)理論基礎。在(zai)常壓(ya)(ya)［如(ru)圖2-14(a)和加(jia)壓(ya)(ya)［如(ru)圖2-14(b)]條件(jian)下(xia)(xia)，液態(tai)鐵基合(he)金(jin)中的(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力的(de)提(ti)高(gao)(gao)而(er)顯(xian)著(zhu)增大(da)。

a. 低氮氣(qi)壓力

  如前所述(shu)，氮(dan)(dan)氣在金屬(shu)熔體(ti)中的(de)溶解(jie)屬(shu)于雙原子分子的(de)溶解(jie)過程，在低氮(dan)(dan)氣壓力(li)范圍(wei)內(nei)(nei)，氮(dan)(dan)溶解(jie)度隨氮(dan)(dan)氣壓力(li)的(de)變化符(fu)合(he)Sieverts定(ding)律。眾多研究已(yi)經證(zheng)實，在小于0.1MPa的(de)低氮(dan)(dan)氣壓力(li)范圍(wei)內(nei)(nei)，不銹鋼體(ti)系（表(biao)2-5中1~3號(hao)）的(de)氮(dan)(dan)溶解(jie)度與氮(dan)(dan)氣壓力(li)的(de)關系符(fu)合(he) Sieverts定(ding)律，即呈線性(xing)相關，如圖2-15所示。

  為了(le)進(jin)一(yi)步驗證不同氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力下 Sieverts定(ding)律(lv)的(de)(de)(de)適用情況，Jiang(姜周(zhou)華）等研究了(le)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力不高于0.1MPa,即低氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力下典型(xing)不銹(xiu)鋼品種AISI304和AISI 316L 熔(rong)體(ti)中氮(dan)(dan)(dan)溶解度與氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力的(de)(de)(de)關系(xi)，結果如(ru)圖2-16所示。隨著氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力的(de)(de)(de)增加，氮(dan)(dan)(dan)在兩類(lei)典型(xing)不銹(xiu)鋼熔(rong)體(ti)中的(de)(de)(de)溶解度顯著提升，并(bing)且與氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力的(de)(de)(de)關系(xi)符合Sieverts定(ding)律(lv)。

 b. 高氮氣壓力(li)

  隨著冶煉過程中氮(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)的(de)進一步提(ti)高(gao)(gao)，各(ge)種合(he)金體系(xi)(xi)的(de)氮(dan)溶解(jie)度(du)均會增大。純鐵液的(de)飽(bao)和氮(dan)濃度(du)不僅在(zai)(zai)常壓(ya)(ya)以(yi)下(xia)，而(er)且在(zai)(zai)0.1~200MPa的(de)高(gao)(gao)壓(ya)(ya)范圍(wei)內(nei)也(ye)始終與(yu)氮(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)的(de)平方(fang)根呈線性關系(xi)(xi)。這是因為即(ji)使在(zai)(zai)高(gao)(gao)氮(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)純鐵液中的(de)氮(dan)溶解(jie)度(du)也(ye)處于(yu)較低(di)(di)的(de)水平，如(ru)圖2-17所(suo)示。在(zai)(zai)Fe-Ni合(he)金體系(xi)(xi)中，由(you)于(yu)鎳元(yuan)素具有(you)降(jiang)低(di)(di)氮(dan)溶解(jie)度(du)的(de)作用，鎳含量(liang)越高(gao)(gao)氮(dan)溶解(jie)度(du)反而(er)越低(di)(di)，即(ji)使在(zai)(zai)高(gao)(gao)氮(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)氮(dan)溶解(jie)度(du)也(ye)處于(yu)較低(di)(di)水平。研究結果表明，高(gao)(gao)氮(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)Fe-Ni體系(xi)(xi)也(ye)符合(he) Sieverts定律，如(ru)圖2-18所(suo)示。

  然(ran)而，隨(sui)(sui)著高(gao)氮(dan)鋼品種的開發(fa)和冶煉工藝的發(fa)展，大(da)量研究(jiu)顯(xian)示，對于較高(gao)氮(dan)氣壓力下的Fe-Cr-Mn-Ni-Mo等高(gao)合(he)金體系(xi)（表2-5中4~6號），氮(dan)溶解度隨(sui)(sui)氮(dan)氣壓力的變(bian)化與Sieverts定律描(miao)述的線性(xing)關系(xi)產生(sheng)了(le)較大(da)的偏差，如圖2-19所(suo)示。

  圖2-19 1873K 高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)平方根的(de)變(bian)化氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)與Sieverts 定(ding)律(lv)的(de)偏(pian)離，并非存(cun)在(zai)(zai)于所有高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)(xia)的(de)情(qing)況，與合(he)金熔(rong)(rong)體(ti)成分密切(qie)相(xiang)(xiang)關。上述(shu)純鐵(tie)液和Fe-Ni合(he)金這兩(liang)類低(di)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)體(ti)系就(jiu)是(shi)偏(pian)差不顯著(zhu)的(de)實例；相(xiang)(xiang)反(fan)，具有高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)的(de)合(he)金熔(rong)(rong)體(ti)（如Fe-Cr-Mn體(ti)系）在(zai)(zai)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)(xia)通常(chang)不符合(he) Sieverts 定(ding)律(lv)。由(you)此(ci)可(ke)以(yi)推測(ce)，高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)提高(gao)(gao)較慢的(de)原(yuan)(yuan)因是(shi)，高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)(xia)熔(rong)(rong)體(ti)中氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃(nong)度(du)(du)(du)處(chu)于較高(gao)(gao)水平，不再滿(man)足無限稀釋溶(rong)液的(de)理想情(qing)況。此(ci)時，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子之間存(cun)在(zai)(zai)自(zi)身(shen)相(xiang)(xiang)互作(zuo)用(yong)，彼此(ci)之間的(de)相(xiang)(xiang)斥效應將會導致氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)的(de)降(jiang)低(di)；氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃(nong)度(du)(du)(du)越高(gao)(gao)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)自(zi)身(shen)的(de)相(xiang)(xiang)斥作(zuo)用(yong)越明顯。由(you)此(ci)可(ke)知(zhi)，高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)與Sieverts 定(ding)律(lv)的(de)偏(pian)離主(zhu)要由(you)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)自(zi)身(shen)相(xiang)(xiang)互作(zuo)用(yong)導致，而高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)通常(chang)是(shi)熔(rong)(rong)體(ti)中高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)含量的(de)一個關鍵(jian)誘因。

  對(dui)于圖2-17和(he)圖2-18中純鐵液、低(di)合(he)金鋼或(huo)類似Fe-Ni合(he)金等(deng)低(di)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度的(de)體(ti)系(xi)而言，氮(dan)(dan)(dan)的(de)自身(shen)相(xiang)互作用幾(ji)乎可以(yi)忽略，在高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力下(xia)(xia)(xia)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度與氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力的(de)平方根也(ye)接近線性關系(xi)。常(chang)見(jian)的(de)具(ju)有高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度的(de)Fe-Cr-Mn等(deng)體(ti)系(xi)則不(bu)同，在高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力下(xia)(xia)(xia)高(gao)(gao)合(he)金含量的(de)熔(rong)體(ti)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度可達(da)1%以(yi)上，超(chao)出 Sieverts定律(lv)的(de)適用范圍(wei)。定義(yi)Sieverts定律(lv)對(dui)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度的(de)壓(ya)(ya)(ya)力適用極限，為開(kai)始(shi)出現明顯偏(pian)差的(de)臨界氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力，如圖2-20所(suo)示，不(bu)同鉻含量的(de)Fe-Cr合(he)金的(de)壓(ya)(ya)(ya)力適用極限不(bu)同（實驗數(shu)據來(lai)源于Torkhov等(deng)的(de)研究）。隨著鉻和(he)氮(dan)(dan)(dan)含量的(de)增加，Sieverts定律(lv)的(de)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力適用極限快(kuai)速降低(di)，高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力下(xia)(xia)(xia)的(de)偏(pian)差程度也(ye)變得更為顯著。

  針對高(gao)合金、高(gao)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)體系(xi)(xi)在(zai)高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力下(xia)(xia)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)熱力學(xue)偏離(li) Sieverts定(ding)律(lv)(lv)的(de)(de)(de)現象，可通過(guo)熔體中各類(lei)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)之(zhi)間(jian)存(cun)在(zai)的(de)(de)(de)相互(hu)(hu)作(zuo)用來解(jie)(jie)釋(shi)氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)溶解(jie)(jie)機制。圖(tu)2-21(a)顯(xian)示了單個(ge)氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)在(zai)鐵(tie)(tie)(tie)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)晶(jing)格(ge)中的(de)(de)(de)賦存(cun)狀況(kuang)：由(you)(you)于(yu)(yu)氮(dan)(dan)(dan)處于(yu)(yu)無限稀釋(shi)的(de)(de)(de)狀態，它只與鐵(tie)(tie)(tie)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)存(cun)在(zai)相互(hu)(hu)作(zuo)用，不發生(sheng)氮(dan)(dan)(dan)自(zi)(zi)身(shen)(shen)的(de)(de)(de)相互(hu)(hu)作(zuo)用。圖(tu)2-21(b)顯(xian)示了高(gao)氮(dan)(dan)(dan)濃(nong)度(du)(du)(du)下(xia)(xia)（如在(zai)高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力下(xia)(xia)）的(de)(de)(de)鐵(tie)(tie)(tie)－氮(dan)(dan)(dan)二元合金晶(jing)格(ge)：氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)周圍除(chu)相鄰的(de)(de)(de)鐵(tie)(tie)(tie)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)外，也(ye)存(cun)在(zai)臨近的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)，氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)間(jian)彼此(ci)相互(hu)(hu)抑(yi)制，從而導致氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)降低并(bing)偏離(li) Sieverts 定(ding)律(lv)(lv)的(de)(de)(de)預測曲線(xian)。這(zhe)種自(zi)(zi)身(shen)(shen)作(zuo)用可由(you)(you)自(zi)(zi)身(shen)(shen)活(huo)度(du)(du)(du)相互(hu)(hu)作(zuo)用系(xi)(xi)數(shu)(shu)來表示，由(you)(you)于(yu)(yu)氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)之(zhi)間(jian)處于(yu)(yu)相互(hu)(hu)抑(yi)制的(de)(de)(de)狀態，自(zi)(zi)身(shen)(shen)活(huo)度(du)(du)(du)相互(hu)(hu)作(zuo)用系(xi)(xi)數(shu)(shu)e值為正數(shu)(shu)。圖(tu)2-21(c)顯(xian)示了鐵(tie)(tie)(tie)－鉻－氮(dan)(dan)(dan)三(san)元合金的(de)(de)(de)晶(jing)格(ge)：由(you)(you)于(yu)(yu)鉻原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)和氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)之(zhi)間(jian)具有(you)很強的(de)(de)(de)吸引力，其相互(hu)(hu)作(zuo)用系(xi)(xi)數(shu)(shu)為負值。在(zai)此(ci)結構中，由(you)(you)于(yu)(yu)氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)向鉻原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)偏移，就有(you)更(geng)多空(kong)間(jian)留(liu)給額外的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)，從而產生(sheng)較高(gao)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)。不過(guo)隨著氮(dan)(dan)(dan)濃(nong)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)增加，氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)對自(zi)(zi)身(shen)(shen)的(de)(de)(de)強烈排斥作(zuo)用開(kai)始凸顯(xian)，因此(ci)在(zai)高(gao)鉻和高(gao)氮(dan)(dan)(dan)濃(nong)度(du)(du)(du)下(xia)(xia)，實際(ji)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)隨氮(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力的(de)(de)(de)變化規律(lv)(lv)與 Sieverts定(ding)律(lv)(lv)之(zhi)間(jian)存(cun)在(zai)明顯(xian)的(de)(de)(de)偏差(cha)。

  研究(jiu)發現，在超(chao)過(guo)10MPa氮(dan)氣(qi)壓力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)條(tiao)件下(xia)(xia)，將(jiang)合金(jin)元素(su)含量提高(gao)至45%,熔(rong)體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)可以高(gao)達3%以上。在氮(dan)濃度(du)如此高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)情(qing)(qing)況(kuang)下(xia)(xia)，熔(rong)體(ti)不(bu)滿足使用(yong)(yong)Sieverts 定(ding)律(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)前提條(tiao)件，即無限(xian)稀釋溶(rong)液的(de)(de)(de)(de)(de)(de)假設，因此在此條(tiao)件下(xia)(xia)，Sieverts定(ding)律(lv)無法準確(que)預測氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)，必(bi)須引(yin)入一(yi)個附加的(de)(de)(de)(de)(de)(de)活(huo)(huo)度(du)系(xi)數(shu)(shu)(shu)f,以體(ti)現氮(dan)對(dui)自(zi)身(shen)作(zuo)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響。圖2-22顯示(shi)了實驗測得的(de)(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)同氮(dan)氣(qi)壓力(li)(li)下(xia)(xia)，不(bu)同合金(jin)體(ti)系(xi)中氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變化。首先在不(bu)考慮(lv)氮(dan)自(zi)身(shen)相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)情(qing)(qing)況(kuang)下(xia)(xia)，通(tong)過(guo)對(dui)實驗結果(guo)進行回(hui)歸分析，確(que)定(ding)鉻、錳、鉬和鎳等主要合金(jin)元素(su)對(dui)氮(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)階和二階活(huo)(huo)度(du)相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)用(yong)(yong)系(xi)數(shu)(shu)(shu)。同時，從(cong)文獻數(shu)(shu)(shu)據(ju)中獲得其他合金(jin)元素(su)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)用(yong)(yong)系(xi)數(shu)(shu)(shu)。基于所有合金(jin)對(dui)體(ti)系(xi)中氮(dan)活(huo)(huo)度(du)系(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)用(yong)(yong)系(xi)數(shu)(shu)(shu)，通(tong)過(guo)回(hui)歸分析確(que)定(ding)氮(dan)對(dui)自(zi)身(shen)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)活(huo)(huo)度(du)相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)用(yong)(yong)系(xi)數(shu)(shu)(shu)e為(wei)(wei)0.13。e的(de)(de)(de)(de)(de)(de)數(shu)(shu)(shu)值(zhi)為(wei)(wei)正，表明氮(dan)含量的(de)(de)(de)(de)(de)(de)提高(gao)會(hui)增加活(huo)(huo)度(du)系(xi)數(shu)(shu)(shu)，降低自(zi)身(shen)溶(rong)解(jie)度(du)。