1. 常壓下基熔(rong)體的(de)氮溶解度模型(xing)

  常溫下氮以雙原(yuan)子(zi)(zi)分(fen)子(zi)(zi)形式存在(zai)，高溫下則分(fen)解(jie)成氮原(yuan)子(zi)(zi)溶解(jie)于金(jin)屬(shu)熔(rong)體(ti)(ti)(ti)中(zhong)。如(ru)圖2-1所示(shi)，氮在(zai)金(jin)屬(shu)熔(rong)體(ti)(ti)(ti)中(zhong)的(de)溶解(jie)過程(cheng)可以描述如(ru)下：氮氣接觸到熔(rong)體(ti)(ti)(ti)表面(mian)后發(fa)生物理吸附，當(dang)氣體(ti)(ti)(ti)分(fen)子(zi)(zi)和熔(rong)體(ti)(ti)(ti)表面(mian)的(de)結合力大于氣體(ti)(ti)(ti)內部分(fen)子(zi)(zi)的(de)結合力時發(fa)生化學吸附，吸附的(de)氮分(fen)子(zi)(zi)分(fen)解(jie)成原(yuan)子(zi)(zi)，隨后從熔(rong)體(ti)(ti)(ti)表面(mian)向內部擴散。

  表2-1總(zong)結(jie)了研究人員在(zai)(zai)(zai)1873K、0.1MPa氮氣(qi)壓力下測得的熔融(rong)(rong)(rong)鐵液中的氮溶(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)。根據文獻中的實驗數據可(ke)知，熔融(rong)(rong)(rong)鐵液的氮溶(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)集中在(zai)(zai)(zai)0.043%~0.046%范圍內。圖2-2歸納了冶煉(lian)溫度(du)對熔融(rong)(rong)(rong)鐵液中氮溶(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)的影響。可(ke)以看出，在(zai)(zai)(zai)熔融(rong)(rong)(rong)鐵液中，氮溶(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)隨溫度(du)的升高而增大。

  若氮活度的(de)參考態(tai)為合金(jin)(jin)熔體中(zhong)假想的(de)1%N溶液，則0.5mol氮氣溶解于合金(jin)(jin)熔體的(de)吉(ji)布(bu)斯自由(you)能變可(ke)以表示為

  在早期對(dui)合(he)(he)金熔(rong)(rong)體中氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)的(de)研(yan)究(jiu)中，各種合(he)(he)金元素對(dui)氮(dan)(dan)(dan)的(de)二階活度(du)(du)(du)相互(hu)作(zuo)用系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)及二階交(jiao)叉(cha)活度(du)(du)(du)相互(hu)作(zuo)用系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)相關(guan)測定尚不(bu)(bu)完善。1965年(nian)，Chipman等(deng)［18]開(kai)發了(le)僅使用一階活度(du)(du)(du)相互(hu)作(zuo)用系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)而不(bu)(bu)涉及高階項的(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)模型。基于Chipman等(deng)的(de)研(yan)究(jiu)結果和1873K下(xia)不(bu)(bu)同元素對(dui)氮(dan)(dan)(dan)的(de)一階活度(du)(du)(du)相互(hu)作(zuo)用系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)（表2-2)[19],可以得到1873K下(xia)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)模型中氮(dan)(dan)(dan)的(de)活度(du)(du)(du)系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)1gf[式（2-9)],其他冶煉溫度(du)(du)(du)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)的(de)活度(du)(du)(du)系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)可由式（2-10)轉換獲得。據此，Chipman 等(deng)建立了(le)預測不(bu)(bu)同溫度(du)(du)(du)下(xia)合(he)(he)金熔(rong)(rong)體中氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)的(de)式（2-11)。

  隨著對(dui)多元(yuan)合(he)(he)金(jin)熔體氮(dan)溶解(jie)度研究的(de)(de)(de)(de)(de)(de)深入，各種(zhong)合(he)(he)金(jin)元(yuan)素對(dui)氮(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)階(jie)(jie)(jie)(jie)、二階(jie)(jie)(jie)(jie)以(yi)(yi)及二階(jie)(jie)(jie)(jie)交叉活(huo)度相(xiang)(xiang)互作用系(xi)數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)實驗研究與測(ce)定(ding)逐步完善。1990年，Grigorenko等。探究了(le)合(he)(he)金(jin)元(yuan)素對(dui)氮(dan)活(huo)度系(xi)數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響，認為在較高(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)合(he)(he)金(jin)濃度下，僅(jin)采用一(yi)階(jie)(jie)(jie)(jie)活(huo)度相(xiang)(xiang)互作用系(xi)數(shu)來計(ji)算(suan)氮(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)活(huo)度系(xi)數(shu)和預(yu)測(ce)氮(dan)溶解(jie)度是不夠準確(que)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。為了(le)進一(yi)步提高(gao)(gao)氮(dan)溶解(jie)度預(yu)測(ce)模型的(de)(de)(de)(de)(de)(de)準確(que)性(xing)，必(bi)須以(yi)(yi)二階(jie)(jie)(jie)(jie)乃至(zhi)更高(gao)(gao)階(jie)(jie)(jie)(jie)泰(tai)勒級(ji)數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形式表示氮(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)活(huo)度系(xi)數(shu)，即引入合(he)(he)金(jin)元(yuan)素對(dui)氮(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)(gao)階(jie)(jie)(jie)(jie)活(huo)度相(xiang)(xiang)互作用系(xi)數(shu)。據此，氮(dan)活(huo)度系(xi)數(shu)按高(gao)(gao)階(jie)(jie)(jie)(jie)泰(tai)勒級(ji)數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形式展開(kai)，可表示為

2. 常壓下Fe-20%Cr基熔體的(de)氮溶解度模型

  鑒(jian)于以Fe-Cr 合金(jin)(jin)(jin)為(wei)基礎的各種(zhong)合金(jin)(jin)(jin)材料的生產(chan)與(yu)應用非常(chang)廣(guang)泛(fan)，1996年Anson等(deng)開發了(le)種(zhong)常(chang)壓下以熔融Fe-20%Cr 合金(jin)(jin)(jin)為(wei)基體的氮(dan)溶解(jie)度模型。在熔融Fe-20%Cr基合金(jin)(jin)(jin)中，氮(dan)溶解(jie)熱力(li)學平衡關系如下所示：

3. 高氮氣壓力(li)下(xia)的氮溶解度模型(xing)

  隨(sui)著含氮鋼(gang)種相關研究的不斷深(shen)入(ru)，高(gao)(gao)氮鋼(gang)由(you)于其優異的力學性能和耐(nai)腐蝕性能，在諸多(duo)領(ling)域得到了廣泛應用。大量研究發現，在高(gao)(gao)氮氣壓(ya)力下(xia)，高(gao)(gao)合金(jin)體系中氮溶(rong)解度(du)出現了偏離 Sieverts 定律的現象，導致(zhi)高(gao)(gao)氮氣壓(ya)力下(xia)氮溶(rong)解度(du)預測模型(xing)的準確(que)度(du)大幅降低。

  如圖2-3和(he)圖2-4所示，當(dang)鉻、錳等含(han)量(liang)較高(gao)時(shi)(shi)，高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓力(li)(li)下(xia)合(he)金(jin)(jin)熔(rong)(rong)體的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)達(da)到(dao)了較高(gao)的(de)(de)(de)數值，此時(shi)(shi)僅(jin)能(neng)(neng)在(zai)(zai)小范(fan)圍內呈(cheng)線(xian)性關(guan)系，合(he)金(jin)(jin)中(zhong)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)含(han)量(liang)依(yi)然(ran)能(neng)(neng)隨著氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓力(li)(li)的(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)而(er)持續提高(gao)，但與(yu)低氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓力(li)(li)時(shi)(shi)相比，高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓力(li)(li)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)的(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)趨勢(shi)明(ming)顯(xian)變緩。高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓力(li)(li)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓力(li)(li)對氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)的(de)(de)(de)提升(sheng)作用被削弱，具(ju)體表(biao)現為實(shi)測的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)［％N]低于(yu)(yu)根據Sieverts定律(lv)計算的(de)(de)(de)值，即圖中(zhong)各個實(shi)線(xian)（實(shi)驗值）均處于(yu)(yu)相應虛線(xian)（計算值）下(xia)方。同時(shi)(shi)，兩曲線(xian)的(de)(de)(de)偏離程度(du)隨著鉻、錳等元素含(han)量(liang)的(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)而(er)變得(de)嚴重。這表(biao)明(ming)在(zai)(zai)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓力(li)(li)大于(yu)(yu)0.1MPa的(de)(de)(de)冶煉氣(qi)(qi)(qi)氛中(zhong)，尤其(qi)是當(dang)金(jin)(jin)屬熔(rong)(rong)體含(han)有較高(gao)量(liang)具(ju)有提升(sheng)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)能(neng)(neng)力(li)(li)的(de)(de)(de)合(he)金(jin)(jin)元素時(shi)(shi)，氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)很高(gao)，其(qi)與(yu)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓力(li)(li)的(de)(de)(de)關(guan)系將不再符合(he) Sieverts定律(lv)。

  1993年Rawers等(deng)［24]通(tong)過實驗研究了(le)Fe-Cr和Fe-Cr-Ni等(deng)合(he)金體系(xi)在高氮(dan)氣壓(ya)力下(xia)氮(dan)的(de)溶解(jie)度(du)(du)模型。圖2-5給出了(le)不(bu)同氮(dan)氣壓(ya)力下(xia)氮(dan)活度(du)(du)系(xi)數InfN隨鉻濃(nong)度(du)(du)變(bian)化(hua)曲線。對于鐵(tie)基合(he)金，在低鉻濃(nong)度(du)(du)范圍內，lnfN與鉻濃(nong)度(du)(du)之間存在線性關系(xi)，其斜率(lv)隨著氮(dan)氣壓(ya)力的(de)增(zeng)加(jia)而變(bian)化(hua)；在較高鉻濃(nong)度(du)(du)時，則(ze)明顯偏離線性關系(xi)。

  基于對實驗(yan)數據的(de)(de)回歸分(fen)析，獲得了Fe-Cr與Fe-Cr-Ni體(ti)系(xi)氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)模型中各相互(hu)作(zuo)用(yong)系(xi)數，見(jian)表2-3.通過成(cheng)分(fen)相互(hu)作(zuo)用(yong)和氮(dan)(dan)氣壓力－成(cheng)分(fen)效(xiao)應(ying)對氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)模型的(de)(de)修正(zheng)，可以(yi)更精確地預測高合金體(ti)系(xi)在(zai)高氮(dan)(dan)氣壓力條(tiao)件(jian)下的(de)(de)氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)。

  為了(le)(le)進(jin)一步修(xiu)正(zheng)高(gao)(gao)氮(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)下(xia)的(de)氮(dan)溶(rong)解(jie)度模(mo)(mo)型，2005年Jiang(姜周華(hua)）等(deng)［25]根據實驗研(yan)究和文獻(xian)報道的(de)數(shu)(shu)據，回歸(gui)分析得到了(le)(le)氮(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)對(dui)氮(dan)的(de)相互作用系(xi)數(shu)(shu)8,反映了(le)(le)常壓(ya)(ya)以上的(de)高(gao)(gao)氮(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)對(dui)氮(dan)活度系(xi)數(shu)(shu)的(de)影(ying)響。該研(yan)究通過考慮(lv)氮(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)的(de)影(ying)響，對(dui)高(gao)(gao)壓(ya)(ya)下(xia)氮(dan)活度系(xi)數(shu)(shu)進(jin)行修(xiu)正(zheng)［式（2-19)],從而建立了(le)(le)高(gao)(gao)氮(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)下(xia)的(de)氮(dan)溶(rong)解(jie)熱(re)力(li)學模(mo)(mo)型來預測高(gao)(gao)氮(dan)不銹鋼熔體中的(de)氮(dan)溶(rong)解(jie)度：

  經過修(xiu)正后(hou)(hou)(hou)，重新(xin)利(li)用(yong)氮溶解(jie)熱(re)力(li)學模(mo)型(xing)(xing)計算(suan)(suan)(suan)了(le)(le)文(wen)獻中1873K下(xia)純鐵、Fe-Cr和Fe-Mn 等合金體系在(zai)高氮氣壓(ya)力(li)下(xia)的(de)(de)(de)氮溶解(jie)度(du)(du)隨(sui)氮氣壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)變(bian)化，并與(yu)實(shi)(shi)驗(yan)數(shu)據進(jin)行了(le)(le)比(bi)較(jiao)，如圖(tu)2-6所示。同時(shi)，圖(tu)2-7比(bi)較(jiao)了(le)(le)氮活度(du)(du)系數(shu)計算(suan)(suan)(suan)式中壓(ya)力(li)項(xiang)修(xiu)正后(hou)(hou)(hou)的(de)(de)(de)氮溶解(jie)度(du)(du)模(mo)型(xing)(xing)計算(suan)(suan)(suan)值(zhi)與(yu)文(wen)獻實(shi)(shi)測值(zhi)。結(jie)果(guo)表明，修(xiu)正后(hou)(hou)(hou)的(de)(de)(de)模(mo)型(xing)(xing)預測值(zhi)與(yu)Jiang等及(ji)Satir-Kolorz和Feichtinger的(de)(de)(de)測量值(zhi)非常(chang)吻(wen)合，略小于(yu)Rawers和Gokcen[26]的(de)(de)(de)測量值(zhi)。該(gai)差異(yi)可能是由計算(suan)(suan)(suan)中選擇的(de)(de)(de)溫度(du)(du)為(wei)1923K而引(yin)起(qi)的(de)(de)(de)，因為(wei)當熔體以緩慢的(de)(de)(de)冷(leng)卻速率降(jiang)低到(dao)液(ye)相線時(shi)，氮濃(nong)度(du)(du)會增(zeng)加。驗(yan)證結(jie)果(guo)表明，經壓(ya)力(li)項(xiang)修(xiu)正后(hou)(hou)(hou)的(de)(de)(de)氮溶解(jie)熱(re)力(li)學模(mo)型(xing)(xing)，適用(yong)于(yu)計算(suan)(suan)(suan)高氮氣壓(ya)力(li)下(xia)不銹鋼(gang)的(de)(de)(de)氮溶解(jie)度(du)(du)。在(zai)著作 Mastering P-ESR Technology for High Nitrogen Steel Grades for HighValue Applications中，Carosi等認為(wei)Jiang等建(jian)立的(de)(de)(de)氮溶解(jie)度(du)(du)模(mo)型(xing)(xing)的(de)(de)(de)預測值(zhi)與(yu)工業結(jie)果(guo)非常(chang)符合，并將此(ci)模(mo)型(xing)(xing)應用(yong)到(dao)動態模(mo)型(xing)(xing)的(de)(de)(de)仿真計算(suan)(suan)(suan)中。

  基于高氮(dan)氣壓力(li)下氮(dan)溶(rong)(rong)解度(du)模型(xing)的修正，本書作(zuo)者針對含(han)Nb和含(han)V鋼種，進(jin)一步研究了其氮(dan)溶(rong)(rong)解熱(re)力(li)學行為，通過補充完(wan)善鋼液中(zhong)Nb和V對氮(dan)活度(du)的相(xiang)互(hu)作(zuo)用系數，構建了包含(han) Nb、V體系鋼種或(huo)合金在氮(dan)氣加(jia)壓下的氮(dan)溶(rong)(rong)解度(du)模型(xing)：

2. 合金元素成分對氮溶解度(du)的影響

 a. 合金元素對氮的(de)活度相互作用系數(shu)

  氮(dan)(dan)在鐵基合(he)(he)(he)金(jin)熔(rong)(rong)體中的(de)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)受其(qi)(qi)(qi)合(he)(he)(he)金(jin)成分(fen)的(de)影響顯(xian)著，許多常用合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)可(ke)有效地提高(gao)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)，同時也有部分(fen)元(yuan)素(su)會降(jiang)低氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)。一般可(ke)以(yi)用各合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)對氮(dan)(dan)的(de)一階活(huo)度(du)(du)相互作用系數(shu)（表2-4)來表征(zheng)合(he)(he)(he)金(jin)成分(fen)對氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)的(de)影響，當其(qi)(qi)(qi)值(zhi)為負時，相應(ying)的(de)合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)可(ke)降(jiang)低熔(rong)(rong)體中氮(dan)(dan)的(de)活(huo)度(du)(du)系數(shu)，增加氮(dan)(dan)的(de)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)；當其(qi)(qi)(qi)值(zhi)為正時，相應(ying)的(de)合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)則增大氮(dan)(dan)的(de)活(huo)度(du)(du)系數(shu)，降(jiang)低氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)。

合金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)對氮的(de)(de)活度相(xiang)(xiang)互作用系數(shu)，實質上(shang)表征了該合金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)與(yu)氮元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)間親(qin)(qin)和力(li)，這與(yu)其在元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)周(zhou)期表中(zhong)的(de)(de)位置密(mi)切相(xiang)(xiang)關，因為元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)結構與(yu)它(ta)們在周(zhou)期表中(zhong)的(de)(de)位置相(xiang)(xiang)對應。從(cong)(cong)合金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)微觀結構來(lai)看，同(tong)一(yi)周(zhou)期中(zhong)，從(cong)(cong)左到右，元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)核(he)外電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)層數(shu)相(xiang)(xiang)同(tong)，而最外層電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)數(shu)增加，原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)半(ban)徑遞減(jian)（0族元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)除(chu)外）；同(tong)一(yi)族中(zhong)，從(cong)(cong)上(shang)到下，所(suo)有元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)具有相(xiang)(xiang)同(tong)數(shu)量的(de)(de)價電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)，而核(he)外電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)層數(shu)逐漸增多(duo)，原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)半(ban)徑增大。原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)半(ban)徑大的(de)(de)合金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)對氮的(de)(de)親(qin)(qin)和力(li)普(pu)遍較強。

  圖2-8給出了在1873K、0.1MPa氮氣壓力下Fe-X二元(yuan)(yuan)合金(jin)體(ti)系中各種常(chang)見金(jin)元(yuan)(yuan)素X對(dui)(dui)氮溶(rong)解(jie)度(du)的(de)影(ying)響。在合金(jin)熔體(ti)中，提高Mo、Mn、Ta、Cr、Nb和(he)V等(deng)元(yuan)(yuan)素的(de)含量(liang)能夠顯(xian)著(zhu)增大熔體(ti)的(de)氮溶(rong)解(jie)度(du)。例如(ru)，在1873K和(he)氮氣壓力為0.1MPa條件(jian)下，Cr、Mn等(deng)典型(xing)合金(jin)元(yuan)(yuan)素能夠提高高氮無鎳奧氏體(ti)不銹鋼熔體(ti)的(de)氮溶(rong)解(jie)度(du)，其(qi)中20%Cr-20%Mn合金(jin)體(ti)系中氮溶(rong)解(jie)度(du)可達0.8%以上，如(ru)圖2-9所示。然(ran)而，提高C、Si等(deng)元(yuan)(yuan)素的(de)含量(liang)則(ze)會明顯(xian)降低熔體(ti)的(de)氮溶(rong)解(jie)度(du)，其(qi)他元(yuan)(yuan)素（如(ru)Ni、Co、Cu、Sn和(he)W等(deng)）含量(liang)的(de)變化則(ze)對(dui)(dui)熔體(ti)的(de)氮溶(rong)解(jie)度(du)影(ying)響相對(dui)(dui)較小(xiao)。

  如(ru)圖2-10所示，根據對(dui)氮(dan)在熔(rong)體中溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)的影響規律不(bu)(bu)同，合(he)(he)(he)金元(yuan)素(su)(su)(su)大體可以分為(wei)三大類：①. 第一類為(wei)對(dui)熔(rong)融(rong)(rong)鐵基合(he)(he)(he)金中氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)具有(you)顯著提(ti)升作(zuo)(zuo)用的合(he)(he)(he)金元(yuan)素(su)(su)(su)，如(ru)Cr、Mo、Mn、Ti、Zr、V和Nb等(deng)(deng)，其中Ti、Zr、V和Nb具有(you)強烈的形(xing)成氮(dan)化物(wu)的趨勢。Cr作(zuo)(zuo)為(wei)不(bu)(bu)銹(xiu)鋼的重(zhong)要(yao)合(he)(he)(he)金元(yuan)素(su)(su)(su)之一，能夠(gou)顯著提(ti)高熔(rong)融(rong)(rong)鐵基合(he)(he)(he)金的氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)，其與Ti、Zr、V和Nb相比，形(xing)成氮(dan)化物(wu)的趨勢較小。②. Ni、Co和Cu等(deng)(deng)元(yuan)素(su)(su)(su)為(wei)第二類，對(dui)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)的影響較小。其中Ni是(shi)不(bu)(bu)銹(xiu)鋼中重(zhong)要(yao)的合(he)(he)(he)金元(yuan)素(su)(su)(su)，但它對(dui)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)的負面影響會降(jiang)低高氮(dan)合(he)(he)(he)金中的氮(dan)含量。③. 第三類為(wei)C、Si等(deng)(deng)非金屬(shu)元(yuan)素(su)(su)(su)和A1等(deng)(deng)元(yuan)素(su)(su)(su)，具有(you)明顯降(jiang)低熔(rong)體氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)的作(zuo)(zuo)用。

  b. 合金元(yuan)素的(de)鉻等效因子與鉻當量濃度(du)

  除合(he)(he)金元(yuan)(yuan)素(su)對(dui)氮的(de)(de)(de)活度(du)(du)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)用系(xi)數(shu)外，也可以(yi)通(tong)過參考元(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)(de)等效作(zuo)用來描述(shu)不(bu)同元(yuan)(yuan)素(su)對(dui)熔體氮溶(rong)解度(du)(du)的(de)(de)(de)影響。較為典(dian)型的(de)(de)(de)是(shi)以(yi)鉻(ge)(ge)為參考，因(yin)為鉻(ge)(ge)具有(you)相(xiang)(xiang)當強的(de)(de)(de)增加(jia)氮溶(rong)解度(du)(du)的(de)(de)(de)作(zuo)用，并且被(bei)認為是(shi)合(he)(he)金材料中(zhong)最重要的(de)(de)(de)合(he)(he)金元(yuan)(yuan)素(su)之(zhi)一。在活度(du)(du)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)用系(xi)數(shu)的(de)(de)(de)基礎(chu)上，Satir-Kolorz與Feichtinger 換算了各種合(he)(he)金元(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)(de)鉻(ge)(ge)等效因(yin)子(zi)(zi)c.表2-4列出了Ti、Zr、V、Nb、Ta、W、C、B、Al、Si、P、As、Sb和(he)Sn等元(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)(de)鉻(ge)(ge)等效因(yin)子(zi)(zi)。對(dui)于不(bu)同合(he)(he)金體系(xi)，可以(yi)將體系(xi)中(zhong)各種合(he)(he)金元(yuan)(yuan)素(su)X;的(de)(de)(de)濃度(du)(du)乘以(yi)相(xiang)(xiang)應(ying)的(de)(de)(de)鉻(ge)(ge)等效因(yin)子(zi)(zi)獲得(de)對(dui)應(ying)的(de)(de)(de)鉻(ge)(ge)當量(liang)濃度(du)(du)。據此，可將熔體中(zhong)所有(you)合(he)(he)金元(yuan)(yuan)素(su)X;的(de)(de)(de)濃度(du)(du)轉換為鉻(ge)(ge)當量(liang)濃度(du)(du)。

  通(tong)過實驗(yan)測量(liang)(liang)鋼中(zhong)的(de)(de)平衡氮含量(liang)(liang)，得到(dao)了合金體(ti)系對應的(de)(de)數(shu)值(zhi)，如圖2-11中(zhong)空心(xin)點所(suo)示；通(tong)過式(shi)（2-23)計算可(ke)(ke)以得到(dao)不同(tong)鉻(ge)當量(liang)(liang)濃度與(yu)0.51gPN2-lg[%N]-e≈[%N](氮活(huo)度系數(shu)）之間的(de)(de)關(guan)(guan)系曲(qu)線，兩(liang)符合良好，驗(yan)證了此等效方法的(de)(de)合理性。此研究的(de)(de)特別之處(chu)在于，通(tong)過鉻(ge)當量(liang)(liang)濃度來間接表示多種合金元素(su)在大(da)濃度范圍(wei)內的(de)(de)所(suo)有數(shu)據，可(ke)(ke)以將復雜的(de)(de)多組元熔體(ti)等效為(wei)鐵－氮－鉻(ge)三(san)元體(ti)系后計算氮的(de)(de)溶解度。基于鉻(ge)等效因子(zi)，通(tong)過鉻(ge)當量(liang)(liang)濃度的(de)(de)換算并參考關(guan)(guan)系曲(qu)線（圖2-11),復雜的(de)(de)多組元熔體(ti)氮溶解度可(ke)(ke)統(tong)一表示為(wei)

3. 溫度對氮溶解度的影響

  溫度(du)(du)對合金熔(rong)體(ti)(ti)中(zhong)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)的(de)影(ying)響，取決(jue)于(yu)氮(dan)(dan)在(zai)合金熔(rong)體(ti)(ti)中(zhong)的(de)溶(rong)解(jie)反(fan)應為吸(xi)熱還是(shi)放熱過程，即氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)反(fan)應焓(han)變(bian)(bian)ΔH的(de)正(zheng)負。在(zai)一定氮(dan)(dan)氣壓力下(xia)，對于(yu)不同合金成(cheng)分(fen)的(de)熔(rong)體(ti)(ti)而言(yan)，氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)對溫度(du)(du)的(de)依賴性（溫度(du)(du)對氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)的(de)影(ying)響趨(qu)勢）是(shi)不同的(de)，且隨溫度(du)(du)的(de)變(bian)(bian)化程度(du)(du)也不同，這是(shi)由(you)該熔(rong)體(ti)(ti)中(zhong)合金元(yuan)素的(de)種類(lei)與含量共同決(jue)定的(de)，即ΔH的(de)正(zheng)負是(shi)由(you)合金成(cheng)分(fen)決(jue)定的(de)。

  0.1MPa氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力下常(chang)見的(de)(de)Fe-Cr-Mn-Ni合金(jin)(jin)體系(xi)(xi)在1750~2000K溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)范(fan)圍內的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)與溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)關系(xi)(xi)如圖2-12所示。可以看出，純鐵(tie)和(he)Fe20Ni合金(jin)(jin)體系(xi)(xi)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)較(jiao)低，并且隨(sui)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)升高逐(zhu)漸(jian)增(zeng)大(da)。隨(sui)著熔體中鉻、錳等(deng)元素含量(liang)的(de)(de)增(zeng)加，如Fe18Mn和(he)Fe18Cr等(deng)合金(jin)(jin)體系(xi)(xi)，氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)溶解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)顯著增(zeng)大(da)，溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)對(dui)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)影響更加明顯，且隨(sui)著溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)下降，熔體中的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)逐(zhu)漸(jian)增(zeng)大(da)。Fe18Cr8Ni合金(jin)(jin)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)對(dui)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)依賴性也為負；此外，由于鎳具有降低氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)作(zuo)用，相對(dui)于Fe18Cr合金(jin)(jin)，Fe18Cr8Ni合金(jin)(jin)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)隨(sui)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)變(bian)化的(de)(de)趨勢比(bi)較(jiao)平緩。

  從溶解(jie)(jie)熱(re)力(li)(li)(li)學理論來(lai)看，在合(he)(he)金(jin)(jin)成(cheng)分(fen)(fen)與氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)一(yi)定(ding)(ding)的(de)(de)條件下(xia)，溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)對氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)影(ying)響(xiang)規律(lv)為(wei)：若式（2-36)中參數a<0,即(ji)焓(han)變(bian)ΔH>0時，氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)反應(ying)為(wei)吸熱(re)過程，氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)隨溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)升高(gao)而(er)增(zeng)大；若a>0,即(ji)焓(han)變(bian)ΔH<0時，反為(wei)放熱(re)過程，氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)隨溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)升高(gao)而(er)減(jian)小。因此，溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)對氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)影(ying)響(xiang)取決(jue)(jue)于(yu)焓(han)變(bian)ΔH數值(zhi)的(de)(de)正負和大小，最(zui)終歸結為(wei)合(he)(he)金(jin)(jin)成(cheng)分(fen)(fen)決(jue)(jue)定(ding)(ding)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)依賴性(xing)。利(li)用氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)模型，Satir-Kolorz 等探究了不同的(de)(de)合(he)(he)金(jin)(jin)體(ti)(ti)系(xi)(xi)(xi)在0.1MPa和5MPa氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)下(xia)，1750~2000K 范圍內氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)與溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)關系(xi)(xi)(xi)，如(ru)圖2-13所示。結果(guo)與上面分(fen)(fen)析的(de)(de)一(yi)致(zhi)，在氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)一(yi)定(ding)(ding)的(de)(de)條件下(xia)，溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)對氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)影(ying)響(xiang)取決(jue)(jue)于(yu)合(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)成(cheng)分(fen)(fen)：含(han)有增(zeng)加氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)元素(su)（如(ru)Mn、Cr、Mo)的(de)(de)鐵(tie)基合(he)(he)金(jin)(jin)（Fe-Cr和Fe-Mn合(he)(he)金(jin)(jin)體(ti)(ti)系(xi)(xi)(xi)），氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)隨著溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)升高(gao)而(er)降低(di)；而(er)對于(yu)含(han)有降低(di)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)元素(su)的(de)(de)鐵(tie)基合(he)(he)金(jin)(jin)（如(ru)Fe-Ni合(he)(he)金(jin)(jin)），隨著溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)升高(gao)，熔體(ti)(ti)中的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)增(zeng)大。

4. 氮(dan)氣壓力對氮(dan)溶(rong)解(jie)度的影(ying)響

  鑒于高氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)鋼(gang)產(chan)品對(dui)高氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)含量的(de)(de)需求，在(zai)常壓氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)環境中(zhong)無法實(shi)現(xian)鋼(gang)液(ye)(ye)的(de)(de)高效(xiao)增(zeng)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)和保氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)，提高冶煉(lian)過(guo)程(cheng)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)(li)成為有效(xiao)手段。氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)加壓冶煉(lian)技(ji)術(shu)，不(bu)(bu)僅能夠通過(guo)促進氣(qi)(qi)相－合(he)(he)金(jin)(jin)熔體(ti)間的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解反(fan)應(ying)實(shi)現(xian)更佳的(de)(de)增(zeng)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)效(xiao)果(guo)，在(zai)抑制高氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃度鋼(gang)液(ye)(ye)凝固過(guo)程(cheng)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)孔的(de)(de)形成方面也(ye)發(fa)揮(hui)著重(zhong)要作用(yong)。研究不(bu)(bu)同氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)(li)下(xia)合(he)(he)金(jin)(jin)熔體(ti)中(zhong)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解度，成為精確控(kong)制氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)加壓冶煉(lian)工藝鋼(gang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)含量的(de)(de)重(zhong)要理論基礎。在(zai)常壓［如圖2-14(a)和加壓［如圖2-14(b)]條件(jian)下(xia)，液(ye)(ye)態鐵基合(he)(he)金(jin)(jin)中(zhong)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解度隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)(li)的(de)(de)提高而(er)顯(xian)著增(zeng)大(da)。

a. 低氮氣(qi)壓力

  如前(qian)所述，氮氣(qi)在金屬熔體中的(de)(de)溶(rong)解(jie)屬于雙原子分(fen)子的(de)(de)溶(rong)解(jie)過程，在低(di)氮氣(qi)壓(ya)力(li)范圍(wei)內(nei)，氮溶(rong)解(jie)度隨氮氣(qi)壓(ya)力(li)的(de)(de)變(bian)化符(fu)合Sieverts定律。眾(zhong)多研究已經(jing)證實，在小于0.1MPa的(de)(de)低(di)氮氣(qi)壓(ya)力(li)范圍(wei)內(nei)，不銹鋼(gang)體系(xi)（表2-5中1~3號(hao)）的(de)(de)氮溶(rong)解(jie)度與氮氣(qi)壓(ya)力(li)的(de)(de)關(guan)系(xi)符(fu)合 Sieverts定律，即(ji)呈線性相關(guan)，如圖2-15所示。

  為了進一步(bu)驗(yan)證不(bu)同氮(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)下 Sieverts定(ding)律的(de)適用(yong)情況，Jiang(姜周華）等研究(jiu)了氮(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)不(bu)高于0.1MPa,即低氮(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)下典型不(bu)銹鋼(gang)(gang)品種AISI304和(he)AISI 316L 熔體(ti)中氮(dan)溶解度與氮(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)關系，結果如圖2-16所示。隨著(zhu)氮(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)增加，氮(dan)在兩(liang)類(lei)典型不(bu)銹鋼(gang)(gang)熔體(ti)中的(de)溶解度顯著(zhu)提升，并(bing)且與氮(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)關系符合(he)Sieverts定(ding)律。

 b. 高氮氣(qi)壓力

  隨著(zhu)冶煉過程中(zhong)氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)的進一(yi)步提高，各(ge)種合金(jin)體系的氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)均會(hui)增大(da)。純鐵(tie)液的飽(bao)和氮(dan)(dan)濃度(du)(du)不僅在常(chang)壓(ya)(ya)(ya)以下(xia)，而(er)(er)且(qie)在0.1~200MPa的高壓(ya)(ya)(ya)范圍內也(ye)始終與氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)的平方(fang)根呈線性關系。這是(shi)因為即使(shi)(shi)在高氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)純鐵(tie)液中(zhong)的氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)也(ye)處于較低(di)(di)的水平，如圖(tu)2-17所(suo)示。在Fe-Ni合金(jin)體系中(zhong)，由于鎳元素具有降低(di)(di)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)的作用，鎳含(han)量(liang)越高氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)反(fan)而(er)(er)越低(di)(di)，即使(shi)(shi)在高氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)也(ye)處于較低(di)(di)水平。研究結(jie)果表(biao)明，高氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)Fe-Ni體系也(ye)符合 Sieverts定律，如圖(tu)2-18所(suo)示。

  然而(er)，隨著高(gao)氮鋼品種的(de)開發和(he)冶(ye)煉工藝(yi)的(de)發展(zhan)，大量研(yan)究顯(xian)示，對(dui)于較高(gao)氮氣壓(ya)力下的(de)Fe-Cr-Mn-Ni-Mo等高(gao)合金(jin)體系(xi)（表2-5中4~6號(hao)），氮溶解度(du)隨氮氣壓(ya)力的(de)變(bian)化(hua)與Sieverts定律描述的(de)線性關系(xi)產(chan)生了(le)較大的(de)偏(pian)差，如圖2-19所示。

  圖2-19 1873K 高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)(xia)(xia)(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)平方根的(de)(de)(de)變化(hua)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)與Sieverts 定(ding)律(lv)的(de)(de)(de)偏離，并非(fei)存在(zai)(zai)于(yu)所有高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)(xia)(xia)(xia)的(de)(de)(de)情況，與合金(jin)熔體(ti)成分密(mi)切相(xiang)(xiang)關。上述純鐵液和Fe-Ni合金(jin)這(zhe)兩類低氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)體(ti)系(xi)就是偏差不(bu)顯著的(de)(de)(de)實例；相(xiang)(xiang)反(fan)，具有高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)的(de)(de)(de)合金(jin)熔體(ti)（如Fe-Cr-Mn體(ti)系(xi)）在(zai)(zai)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)(xia)(xia)(xia)通常(chang)不(bu)符合 Sieverts 定(ding)律(lv)。由此可(ke)以(yi)推測，高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)(xia)(xia)(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)提高(gao)(gao)較慢(man)的(de)(de)(de)原因是，高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)(xia)(xia)(xia)熔體(ti)中氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃(nong)度(du)處(chu)于(yu)較高(gao)(gao)水平，不(bu)再滿足無限稀釋溶(rong)液的(de)(de)(de)理(li)想情況。此時，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原子(zi)之(zhi)間(jian)存在(zai)(zai)自(zi)身相(xiang)(xiang)互作用(yong)，彼此之(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)斥效應將(jiang)會導(dao)致(zhi)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)的(de)(de)(de)降(jiang)低；氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃(nong)度(du)越高(gao)(gao)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)自(zi)身的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)斥作用(yong)越明顯。由此可(ke)知，高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)(xia)(xia)(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)與Sieverts 定(ding)律(lv)的(de)(de)(de)偏離主要由氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)自(zi)身相(xiang)(xiang)互作用(yong)導(dao)致(zhi)，而(er)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)通常(chang)是熔體(ti)中高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)含量的(de)(de)(de)一個關鍵(jian)誘因。

  對于圖(tu)2-17和(he)圖(tu)2-18中純(chun)鐵(tie)液、低合金(jin)鋼或(huo)類(lei)似Fe-Ni合金(jin)等(deng)(deng)低氮(dan)(dan)溶(rong)解度(du)的(de)(de)(de)體系而(er)言，氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)自(zi)身相互作用幾乎可(ke)以(yi)忽略，在高(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)下(xia)氮(dan)(dan)溶(rong)解度(du)與氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)平方(fang)根(gen)也(ye)接近線(xian)性關系。常見的(de)(de)(de)具(ju)有高(gao)氮(dan)(dan)溶(rong)解度(du)的(de)(de)(de)Fe-Cr-Mn等(deng)(deng)體系則(ze)不(bu)同(tong)(tong)(tong)，在高(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)下(xia)高(gao)合金(jin)含(han)量(liang)的(de)(de)(de)熔體氮(dan)(dan)溶(rong)解度(du)可(ke)達1%以(yi)上，超出(chu) Sieverts定(ding)律的(de)(de)(de)適(shi)用范圍(wei)。定(ding)義Sieverts定(ding)律對氮(dan)(dan)溶(rong)解度(du)的(de)(de)(de)壓(ya)力(li)(li)適(shi)用極(ji)限，為開始(shi)出(chu)現明(ming)顯(xian)偏差的(de)(de)(de)臨界氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)，如圖(tu)2-20所示，不(bu)同(tong)(tong)(tong)鉻(ge)含(han)量(liang)的(de)(de)(de)Fe-Cr合金(jin)的(de)(de)(de)壓(ya)力(li)(li)適(shi)用極(ji)限不(bu)同(tong)(tong)(tong)（實(shi)驗數據來(lai)源于Torkhov等(deng)(deng)的(de)(de)(de)研究）。隨著(zhu)鉻(ge)和(he)氮(dan)(dan)含(han)量(liang)的(de)(de)(de)增加(jia)，Sieverts定(ding)律的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)適(shi)用極(ji)限快速降低，高(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)下(xia)的(de)(de)(de)偏差程(cheng)度(du)也(ye)變得更(geng)為顯(xian)著(zhu)。

  針(zhen)對高合(he)金(jin)(jin)、高氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)體系(xi)在(zai)高氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力下(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解熱力學偏(pian)(pian)離 Sieverts定(ding)律的(de)(de)(de)(de)現象，可通過熔(rong)體中各類原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)之(zhi)間(jian)(jian)存(cun)在(zai)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)來解釋氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)溶(rong)解機制。圖(tu)(tu)2-21(a)顯示了(le)單個氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)在(zai)鐵(tie)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)晶(jing)格中的(de)(de)(de)(de)賦(fu)存(cun)狀(zhuang)況：由(you)于(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)處于(yu)無限稀釋的(de)(de)(de)(de)狀(zhuang)態，它只(zhi)與鐵(tie)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)存(cun)在(zai)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)，不發生(sheng)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)自(zi)(zi)(zi)身(shen)(shen)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)。圖(tu)(tu)2-21(b)顯示了(le)高氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃(nong)度(du)(du)下(xia)（如在(zai)高氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力下(xia)）的(de)(de)(de)(de)鐵(tie)－氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)二元(yuan)合(he)金(jin)(jin)晶(jing)格：氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)周圍除相(xiang)(xiang)鄰的(de)(de)(de)(de)鐵(tie)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)外，也存(cun)在(zai)臨近(jin)的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)間(jian)(jian)彼此相(xiang)(xiang)互(hu)抑(yi)制，從而導致氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)降(jiang)低并偏(pian)(pian)離 Sieverts 定(ding)律的(de)(de)(de)(de)預測(ce)曲線。這(zhe)種自(zi)(zi)(zi)身(shen)(shen)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)可由(you)自(zi)(zi)(zi)身(shen)(shen)活度(du)(du)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)系(xi)數(shu)來表示，由(you)于(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)之(zhi)間(jian)(jian)處于(yu)相(xiang)(xiang)互(hu)抑(yi)制的(de)(de)(de)(de)狀(zhuang)態，自(zi)(zi)(zi)身(shen)(shen)活度(du)(du)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)系(xi)數(shu)e值(zhi)為(wei)正數(shu)。圖(tu)(tu)2-21(c)顯示了(le)鐵(tie)－鉻(ge)－氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)三(san)元(yuan)合(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)晶(jing)格：由(you)于(yu)鉻(ge)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)之(zhi)間(jian)(jian)具有(you)很(hen)強的(de)(de)(de)(de)吸引力，其相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)系(xi)數(shu)為(wei)負(fu)值(zhi)。在(zai)此結構中，由(you)于(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)向鉻(ge)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)偏(pian)(pian)移，就有(you)更(geng)多(duo)空間(jian)(jian)留(liu)給額外的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，從而產(chan)生(sheng)較高的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)。不過隨著氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃(nong)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)增加，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)對自(zi)(zi)(zi)身(shen)(shen)的(de)(de)(de)(de)強烈排斥(chi)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)開始凸顯，因(yin)此在(zai)高鉻(ge)和高氮(dan)(dan)(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)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力的(de)(de)(de)(de)變化規律與 Sieverts定(ding)律之(zhi)間(jian)(jian)存(cun)在(zai)明(ming)顯的(de)(de)(de)(de)偏(pian)(pian)差。

  研究發現，在超過(guo)10MPa氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力的(de)條件下(xia)(xia)，將(jiang)合(he)金(jin)元素(su)(su)含(han)量(liang)提高(gao)至45%,熔(rong)體的(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解度(du)(du)(du)(du)可以(yi)高(gao)達3%以(yi)上。在氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃(nong)度(du)(du)(du)(du)如此高(gao)的(de)情況(kuang)下(xia)(xia)，熔(rong)體不(bu)滿足使用Sieverts 定(ding)律的(de)前提條件，即無(wu)限稀(xi)釋溶液的(de)假設，因此在此條件下(xia)(xia)，Sieverts定(ding)律無(wu)法準確(que)預測氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解度(du)(du)(du)(du)，必須引入一個附加的(de)活度(du)(du)(du)(du)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)f,以(yi)體現氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)對自(zi)身(shen)(shen)作用的(de)影響。圖2-22顯示了實(shi)驗測得的(de)不(bu)同(tong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力下(xia)(xia)，不(bu)同(tong)合(he)金(jin)體系(xi)(xi)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解度(du)(du)(du)(du)的(de)變化。首先在不(bu)考慮氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)自(zi)身(shen)(shen)相(xiang)互作用的(de)情況(kuang)下(xia)(xia)，通過(guo)對實(shi)驗結果進行回(hui)歸分析，確(que)定(ding)鉻、錳、鉬(mu)和鎳(nie)等主要合(he)金(jin)元素(su)(su)對氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)一階和二階活度(du)(du)(du)(du)相(xiang)互作用系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)。同(tong)時，從文獻數(shu)(shu)(shu)據中(zhong)獲得其他合(he)金(jin)元素(su)(su)的(de)相(xiang)互作用系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)。基于所有合(he)金(jin)對體系(xi)(xi)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)活度(du)(du)(du)(du)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)相(xiang)互作用系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)，通過(guo)回(hui)歸分析確(que)定(ding)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)對自(zi)身(shen)(shen)的(de)活度(du)(du)(du)(du)相(xiang)互作用系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)e為0.13。e的(de)數(shu)(shu)(shu)值為正(zheng)，表明(ming)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)含(han)量(liang)的(de)提高(gao)會(hui)增加活度(du)(du)(du)(du)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)，降低自(zi)身(shen)(shen)溶解度(du)(du)(du)(du)。