1. 常壓下基熔體的氮溶解(jie)度模型

  常(chang)溫下氮(dan)以雙原(yuan)子(zi)(zi)(zi)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)形式存在，高溫下則分(fen)(fen)解(jie)成氮(dan)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)溶解(jie)于金(jin)屬熔(rong)(rong)體(ti)中。如(ru)圖2-1所示，氮(dan)在金(jin)屬熔(rong)(rong)體(ti)中的溶解(jie)過(guo)程可以描(miao)述如(ru)下：氮(dan)氣接觸到熔(rong)(rong)體(ti)表(biao)面后發(fa)生物(wu)理吸附，當氣體(ti)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)和(he)熔(rong)(rong)體(ti)表(biao)面的結合(he)力(li)大于氣體(ti)內部分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)的結合(he)力(li)時發(fa)生化學吸附，吸附的氮(dan)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)分(fen)(fen)解(jie)成原(yuan)子(zi)(zi)(zi)，隨后從熔(rong)(rong)體(ti)表(biao)面向(xiang)內部擴散。

  表2-1總結了研究人員在1873K、0.1MPa氮(dan)氣壓(ya)力下(xia)測得的(de)熔(rong)(rong)融(rong)鐵液(ye)中(zhong)的(de)氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度。根據文(wen)獻中(zhong)的(de)實驗數(shu)據可知(zhi)，熔(rong)(rong)融(rong)鐵液(ye)的(de)氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度集中(zhong)在0.043%~0.046%范圍內。圖2-2歸納了冶煉(lian)溫度對熔(rong)(rong)融(rong)鐵液(ye)中(zhong)氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度的(de)影響。可以看(kan)出，在熔(rong)(rong)融(rong)鐵液(ye)中(zhong)，氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度隨溫度的(de)升(sheng)高(gao)而增大。

  若氮活度的(de)參考態為(wei)合金熔體(ti)中假想(xiang)的(de)1%N溶液，則0.5mol氮氣溶解于合金熔體(ti)的(de)吉布斯(si)自由能變可以表(biao)示為(wei)

  在(zai)早期對合金熔(rong)(rong)體中(zhong)(zhong)氮(dan)溶解(jie)(jie)度(du)的(de)(de)(de)研究中(zhong)(zhong)，各種合金元(yuan)素對氮(dan)的(de)(de)(de)二(er)階(jie)(jie)活度(du)相互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)系(xi)數(shu)及二(er)階(jie)(jie)交叉活度(du)相互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)系(xi)數(shu)的(de)(de)(de)相關(guan)測定尚不(bu)(bu)(bu)完善。1965年，Chipman等(deng)［18]開發了僅使(shi)用(yong)一階(jie)(jie)活度(du)相互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)系(xi)數(shu)而(er)不(bu)(bu)(bu)涉及高(gao)階(jie)(jie)項的(de)(de)(de)氮(dan)溶解(jie)(jie)度(du)模型(xing)。基于(yu)Chipman等(deng)的(de)(de)(de)研究結果(guo)和1873K下(xia)(xia)(xia)不(bu)(bu)(bu)同元(yuan)素對氮(dan)的(de)(de)(de)一階(jie)(jie)活度(du)相互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)系(xi)數(shu)（表2-2)[19],可以得到1873K下(xia)(xia)(xia)氮(dan)溶解(jie)(jie)度(du)模型(xing)中(zhong)(zhong)氮(dan)的(de)(de)(de)活度(du)系(xi)數(shu)1gf[式(shi)（2-9)],其他(ta)冶煉(lian)溫(wen)度(du)下(xia)(xia)(xia)氮(dan)的(de)(de)(de)活度(du)系(xi)數(shu)可由式(shi)（2-10)轉(zhuan)換獲(huo)得。據(ju)此，Chipman 等(deng)建立了預(yu)測不(bu)(bu)(bu)同溫(wen)度(du)下(xia)(xia)(xia)合金熔(rong)(rong)體中(zhong)(zhong)氮(dan)溶解(jie)(jie)度(du)的(de)(de)(de)式(shi)（2-11)。

  隨著對多元(yuan)(yuan)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)熔(rong)體氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)研(yan)究(jiu)(jiu)的(de)(de)深入，各(ge)種合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)對氮(dan)(dan)的(de)(de)一階(jie)(jie)、二(er)(er)階(jie)(jie)以及二(er)(er)階(jie)(jie)交叉(cha)活(huo)(huo)度(du)(du)(du)(du)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)系(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)實(shi)驗研(yan)究(jiu)(jiu)與測定逐步(bu)完善。1990年(nian)，Grigorenko等。探(tan)究(jiu)(jiu)了合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)對氮(dan)(dan)活(huo)(huo)度(du)(du)(du)(du)系(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)影(ying)響，認(ren)為在(zai)較高的(de)(de)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)濃度(du)(du)(du)(du)下，僅采(cai)用(yong)(yong)一階(jie)(jie)活(huo)(huo)度(du)(du)(du)(du)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)系(xi)數(shu)(shu)(shu)來計(ji)算(suan)氮(dan)(dan)的(de)(de)活(huo)(huo)度(du)(du)(du)(du)系(xi)數(shu)(shu)(shu)和預測氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)是(shi)不夠(gou)準確的(de)(de)。為了進一步(bu)提高氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)預測模型的(de)(de)準確性，必須(xu)以二(er)(er)階(jie)(jie)乃至更(geng)高階(jie)(jie)泰(tai)勒(le)級(ji)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)形式表示氮(dan)(dan)的(de)(de)活(huo)(huo)度(du)(du)(du)(du)系(xi)數(shu)(shu)(shu)，即引入合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)對氮(dan)(dan)的(de)(de)高階(jie)(jie)活(huo)(huo)度(du)(du)(du)(du)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)系(xi)數(shu)(shu)(shu)。據(ju)此，氮(dan)(dan)活(huo)(huo)度(du)(du)(du)(du)系(xi)數(shu)(shu)(shu)按高階(jie)(jie)泰(tai)勒(le)級(ji)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)形式展開(kai)，可(ke)表示為

2. 常壓下(xia)Fe-20%Cr基熔(rong)體的氮溶解度模型

  鑒于以(yi)Fe-Cr 合金為(wei)(wei)基(ji)礎(chu)的(de)各種合金材料的(de)生產與應用非常廣泛，1996年Anson等開(kai)發了種常壓下以(yi)熔融Fe-20%Cr 合金為(wei)(wei)基(ji)體的(de)氮溶解度模型。在熔融Fe-20%Cr基(ji)合金中，氮溶解熱力學平衡(heng)關系如(ru)下所示：

3. 高氮(dan)氣壓力下的氮(dan)溶(rong)解度模型

  隨著含氮鋼(gang)種相關研究(jiu)的(de)不斷深入，高(gao)氮鋼(gang)由于(yu)其優(you)異(yi)的(de)力學性能和耐腐蝕性能，在(zai)(zai)諸多領域(yu)得到了(le)廣泛應(ying)用。大量研究(jiu)發現(xian)，在(zai)(zai)高(gao)氮氣壓力下(xia)(xia)，高(gao)合(he)金體系中氮溶解(jie)度出現(xian)了(le)偏(pian)離 Sieverts 定律(lv)的(de)現(xian)象，導致(zhi)高(gao)氮氣壓力下(xia)(xia)氮溶解(jie)度預測模型的(de)準確度大幅降低。

  如(ru)圖(tu)2-3和圖(tu)2-4所示(shi)，當(dang)鉻、錳等含(han)量較(jiao)高(gao)時(shi)(shi)，高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)下合(he)金(jin)熔體的(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度(du)達到了(le)較(jiao)高(gao)的(de)數值(zhi)，此時(shi)(shi)僅能在(zai)小范圍內呈線(xian)(xian)性(xing)關(guan)(guan)系，合(he)金(jin)中的(de)氮(dan)(dan)(dan)含(han)量依然能隨(sui)著氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)的(de)增(zeng)加(jia)而持續提(ti)高(gao)，但與低(di)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)時(shi)(shi)相(xiang)(xiang)比，高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)下氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度(du)的(de)增(zeng)加(jia)趨勢明(ming)顯變(bian)緩。高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)下氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)對氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度(du)的(de)提(ti)升作用被削弱，具體表現為實測的(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度(du)［％N]低(di)于根據Sieverts定律(lv)計算的(de)值(zhi)，即圖(tu)中各個實線(xian)(xian)（實驗值(zhi)）均處于相(xiang)(xiang)應虛(xu)線(xian)(xian)（計算值(zhi)）下方。同時(shi)(shi)，兩曲線(xian)(xian)的(de)偏離程度(du)隨(sui)著鉻、錳等元素含(han)量的(de)增(zeng)加(jia)而變(bian)得嚴重(zhong)。這(zhe)表明(ming)在(zai)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)大于0.1MPa的(de)冶煉氣(qi)(qi)氛中，尤其(qi)是(shi)當(dang)金(jin)屬熔體含(han)有較(jiao)高(gao)量具有提(ti)升氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度(du)能力(li)的(de)合(he)金(jin)元素時(shi)(shi)，氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度(du)很(hen)高(gao)，其(qi)與氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)的(de)關(guan)(guan)系將(jiang)不再符合(he) Sieverts定律(lv)。

  1993年Rawers等［24]通(tong)過實驗研究(jiu)了Fe-Cr和Fe-Cr-Ni等合金(jin)(jin)體系(xi)在高(gao)氮氣(qi)壓力下氮的溶解度模(mo)型。圖2-5給出了不同(tong)氮氣(qi)壓力下氮活度系(xi)數InfN隨鉻(ge)濃度變化(hua)曲線(xian)(xian)。對于鐵基合金(jin)(jin)，在低鉻(ge)濃度范圍內，lnfN與鉻(ge)濃度之(zhi)間存在線(xian)(xian)性關(guan)系(xi)，其斜率隨著氮氣(qi)壓力的增加而變化(hua)；在較(jiao)高(gao)鉻(ge)濃度時，則明(ming)顯偏離線(xian)(xian)性關(guan)系(xi)。

  基于對實驗數(shu)據的(de)回歸分(fen)析，獲得了Fe-Cr與Fe-Cr-Ni體系氮(dan)溶解度(du)模(mo)型(xing)中各相(xiang)互作用(yong)系數(shu)，見表2-3.通(tong)過成(cheng)分(fen)相(xiang)互作用(yong)和(he)氮(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力－成(cheng)分(fen)效應(ying)對氮(dan)溶解度(du)模(mo)型(xing)的(de)修正，可以更精確地(di)預測高合金體系在高氮(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力條件下的(de)氮(dan)溶解度(du)。

  為了(le)(le)進一步修(xiu)正高氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)的(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解度(du)(du)模(mo)(mo)型(xing)，2005年Jiang(姜周華(hua)）等［25]根(gen)據實驗(yan)研(yan)究和(he)文獻(xian)報道的(de)數(shu)據，回歸(gui)分析得到了(le)(le)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)對(dui)(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)相互作用系數(shu)8,反映了(le)(le)常(chang)壓(ya)(ya)以(yi)上的(de)高氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)對(dui)(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)活(huo)度(du)(du)系數(shu)的(de)影響。該研(yan)究通(tong)過考慮氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)影響，對(dui)(dui)高壓(ya)(ya)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)活(huo)度(du)(du)系數(shu)進行(xing)修(xiu)正［式（2-19)],從(cong)而建立了(le)(le)高氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)的(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解熱力(li)(li)學模(mo)(mo)型(xing)來預測高氮(dan)(dan)(dan)(dan)不銹鋼熔體中(zhong)的(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解度(du)(du)：

  經(jing)過修(xiu)正(zheng)后(hou)，重新利用(yong)氮(dan)(dan)溶解(jie)熱力(li)(li)(li)學模型(xing)計(ji)算(suan)了文(wen)獻中1873K下(xia)純(chun)鐵(tie)、Fe-Cr和(he)Fe-Mn 等合金體系在(zai)高氮(dan)(dan)氣壓力(li)(li)(li)下(xia)的(de)(de)氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)隨氮(dan)(dan)氣壓力(li)(li)(li)的(de)(de)變化，并與(yu)實(shi)驗數據進(jin)行(xing)了比(bi)較，如(ru)圖(tu)2-6所示。同時，圖(tu)2-7比(bi)較了氮(dan)(dan)活度(du)系數計(ji)算(suan)式(shi)中壓力(li)(li)(li)項(xiang)(xiang)修(xiu)正(zheng)后(hou)的(de)(de)氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)模型(xing)計(ji)算(suan)值與(yu)文(wen)獻實(shi)測(ce)值。結(jie)果表明(ming)，修(xiu)正(zheng)后(hou)的(de)(de)模型(xing)預測(ce)值與(yu)Jiang等及Satir-Kolorz和(he)Feichtinger的(de)(de)測(ce)量值非常吻合，略小于Rawers和(he)Gokcen[26]的(de)(de)測(ce)量值。該差異(yi)可能是由計(ji)算(suan)中選擇(ze)的(de)(de)溫度(du)為(wei)1923K而引起的(de)(de)，因為(wei)當熔(rong)體以緩慢的(de)(de)冷卻速率降低到(dao)液相線時，氮(dan)(dan)濃(nong)度(du)會增(zeng)加。驗證結(jie)果表明(ming)，經(jing)壓力(li)(li)(li)項(xiang)(xiang)修(xiu)正(zheng)后(hou)的(de)(de)氮(dan)(dan)溶解(jie)熱力(li)(li)(li)學模型(xing)，適(shi)用(yong)于計(ji)算(suan)高氮(dan)(dan)氣壓力(li)(li)(li)下(xia)不銹鋼的(de)(de)氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)。在(zai)著作 Mastering P-ESR Technology for High Nitrogen Steel Grades for HighValue Applications中，Carosi等認為(wei)Jiang等建立的(de)(de)氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)模型(xing)的(de)(de)預測(ce)值與(yu)工業結(jie)果非常符合，并將此(ci)模型(xing)應用(yong)到(dao)動態模型(xing)的(de)(de)仿真計(ji)算(suan)中。

  基于高氮(dan)氣壓(ya)力下(xia)氮(dan)溶(rong)解度(du)模型的修正，本書作(zuo)者(zhe)針對含(han)Nb和(he)含(han)V鋼種，進一步研究了其氮(dan)溶(rong)解熱力學行為(wei)，通過補充完善鋼液中Nb和(he)V對氮(dan)活(huo)度(du)的相互(hu)作(zuo)用(yong)系(xi)數，構建了包含(han) Nb、V體(ti)系(xi)鋼種或合金在(zai)氮(dan)氣加壓(ya)下(xia)的氮(dan)溶(rong)解度(du)模型：

2. 合金元素(su)成分對氮溶解(jie)度的影響

 a. 合金元素對氮(dan)的活度相(xiang)互作(zuo)用系數(shu)

  氮(dan)(dan)在鐵(tie)基(ji)合(he)(he)(he)金(jin)熔(rong)體中(zhong)的(de)(de)(de)溶解(jie)度(du)(du)受其(qi)(qi)合(he)(he)(he)金(jin)成分(fen)的(de)(de)(de)影響(xiang)顯著，許多常用(yong)合(he)(he)(he)金(jin)元素(su)(su)(su)可有效(xiao)地提高(gao)氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)(du)，同時也有部(bu)分(fen)元素(su)(su)(su)會(hui)降(jiang)低(di)氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)(du)。一般可以用(yong)各合(he)(he)(he)金(jin)元素(su)(su)(su)對氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)一階活(huo)度(du)(du)相(xiang)互作用(yong)系數（表2-4)來(lai)表征合(he)(he)(he)金(jin)成分(fen)對氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)影響(xiang)，當其(qi)(qi)值為負時，相(xiang)應的(de)(de)(de)合(he)(he)(he)金(jin)元素(su)(su)(su)可降(jiang)低(di)熔(rong)體中(zhong)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)活(huo)度(du)(du)系數，增加氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)溶解(jie)度(du)(du)；當其(qi)(qi)值為正時，相(xiang)應的(de)(de)(de)合(he)(he)(he)金(jin)元素(su)(su)(su)則增大氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)活(huo)度(du)(du)系數，降(jiang)低(di)氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)(du)。

合(he)金元素(su)(su)對氮(dan)(dan)的(de)(de)活(huo)度相(xiang)互作用系數(shu)，實質上(shang)表(biao)(biao)征了該(gai)合(he)金元素(su)(su)與氮(dan)(dan)元素(su)(su)的(de)(de)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)間親和(he)力，這與其在(zai)元素(su)(su)周(zhou)期表(biao)(biao)中的(de)(de)位置(zhi)密(mi)切相(xiang)關，因為元素(su)(su)的(de)(de)電(dian)子(zi)(zi)(zi)結構與它(ta)們(men)在(zai)周(zhou)期表(biao)(biao)中的(de)(de)位置(zhi)相(xiang)對應。從合(he)金元素(su)(su)的(de)(de)微(wei)觀結構來看，同一周(zhou)期中，從左(zuo)到右，元素(su)(su)核(he)外(wai)電(dian)子(zi)(zi)(zi)層數(shu)相(xiang)同，而最(zui)外(wai)層電(dian)子(zi)(zi)(zi)數(shu)增(zeng)加，原(yuan)子(zi)(zi)(zi)半徑遞減（0族元素(su)(su)除(chu)外(wai)）；同一族中，從上(shang)到下，所有元素(su)(su)具有相(xiang)同數(shu)量的(de)(de)價(jia)電(dian)子(zi)(zi)(zi)，而核(he)外(wai)電(dian)子(zi)(zi)(zi)層數(shu)逐漸增(zeng)多，原(yuan)子(zi)(zi)(zi)半徑增(zeng)大。原(yuan)子(zi)(zi)(zi)半徑大的(de)(de)合(he)金元素(su)(su)對氮(dan)(dan)的(de)(de)親和(he)力普遍較強。

  圖2-8給出了在1873K、0.1MPa氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力下Fe-X二(er)元合金(jin)(jin)體(ti)系中各種常見金(jin)(jin)元素X對(dui)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)的(de)影響。在合金(jin)(jin)熔(rong)體(ti)中，提(ti)高Mo、Mn、Ta、Cr、Nb和(he)V等(deng)元素的(de)含量能夠(gou)顯著(zhu)增(zeng)大熔(rong)體(ti)的(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)。例如(ru)，在1873K和(he)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力為0.1MPa條件下，Cr、Mn等(deng)典(dian)型合金(jin)(jin)元素能夠(gou)提(ti)高高氮(dan)(dan)(dan)無(wu)鎳奧氏體(ti)不銹(xiu)鋼(gang)熔(rong)體(ti)的(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)，其中20%Cr-20%Mn合金(jin)(jin)體(ti)系中氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)可達0.8%以上，如(ru)圖2-9所(suo)示(shi)。然而(er)，提(ti)高C、Si等(deng)元素的(de)含量則(ze)會(hui)明顯降低熔(rong)體(ti)的(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)，其他元素（如(ru)Ni、Co、Cu、Sn和(he)W等(deng)）含量的(de)變(bian)化則(ze)對(dui)熔(rong)體(ti)的(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)影響相對(dui)較(jiao)小(xiao)。

  如(ru)圖2-10所示，根據對氮(dan)在熔(rong)體(ti)中(zhong)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)影(ying)響(xiang)規律不同，合(he)(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)大體(ti)可以(yi)分為三大類(lei)：①. 第一類(lei)為對熔(rong)融鐵(tie)基合(he)(he)金中(zhong)氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)具(ju)有(you)顯(xian)著提升作(zuo)用(yong)的(de)(de)合(he)(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)，如(ru)Cr、Mo、Mn、Ti、Zr、V和Nb等(deng)，其(qi)中(zhong)Ti、Zr、V和Nb具(ju)有(you)強烈的(de)(de)形成氮(dan)化(hua)(hua)物的(de)(de)趨勢。Cr作(zuo)為不銹(xiu)鋼的(de)(de)重要合(he)(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)之一，能(neng)夠顯(xian)著提高熔(rong)融鐵(tie)基合(he)(he)金的(de)(de)氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)，其(qi)與Ti、Zr、V和Nb相(xiang)比，形成氮(dan)化(hua)(hua)物的(de)(de)趨勢較小。②. Ni、Co和Cu等(deng)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)為第二類(lei)，對氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)影(ying)響(xiang)較小。其(qi)中(zhong)Ni是不銹(xiu)鋼中(zhong)重要的(de)(de)合(he)(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)，但它對氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)負面影(ying)響(xiang)會(hui)降(jiang)低(di)高氮(dan)合(he)(he)金中(zhong)的(de)(de)氮(dan)含(han)量。③. 第三類(lei)為C、Si等(deng)非金屬(shu)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)和A1等(deng)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)，具(ju)有(you)明顯(xian)降(jiang)低(di)熔(rong)體(ti)氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)作(zuo)用(yong)。

  b. 合金元素的鉻等(deng)效因子與鉻當量濃度

  除(chu)合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)對氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)活(huo)度(du)(du)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)系(xi)(xi)數外，也可以(yi)通過參(can)考元(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)(de)等效作(zuo)用(yong)(yong)來描述不(bu)同(tong)元(yuan)素(su)(su)(su)對熔(rong)(rong)體(ti)氮(dan)(dan)溶解度(du)(du)的(de)(de)(de)影響。較為典型的(de)(de)(de)是(shi)以(yi)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)為參(can)考，因(yin)為鉻(ge)(ge)(ge)(ge)具有相(xiang)(xiang)當強的(de)(de)(de)增加氮(dan)(dan)溶解度(du)(du)的(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)(yong)，并且被認為是(shi)合(he)(he)(he)金(jin)材料中最重(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)之一。在活(huo)度(du)(du)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)系(xi)(xi)數的(de)(de)(de)基礎上，Satir-Kolorz與Feichtinger 換算了各(ge)種合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)(de)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)等效因(yin)子c.表2-4列出了Ti、Zr、V、Nb、Ta、W、C、B、Al、Si、P、As、Sb和Sn等元(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)(de)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)等效因(yin)子。對于不(bu)同(tong)合(he)(he)(he)金(jin)體(ti)系(xi)(xi)，可以(yi)將體(ti)系(xi)(xi)中各(ge)種合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)X;的(de)(de)(de)濃(nong)(nong)度(du)(du)乘以(yi)相(xiang)(xiang)應的(de)(de)(de)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)等效因(yin)子獲得對應的(de)(de)(de)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)當量濃(nong)(nong)度(du)(du)。據此，可將熔(rong)(rong)體(ti)中所有合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)X;的(de)(de)(de)濃(nong)(nong)度(du)(du)轉(zhuan)換為鉻(ge)(ge)(ge)(ge)當量濃(nong)(nong)度(du)(du)。

  通(tong)過實驗測量鋼中的(de)平衡氮(dan)含量，得(de)到了(le)合(he)金(jin)體(ti)(ti)系對應的(de)數(shu)值，如(ru)圖2-11中空(kong)心(xin)點所示(shi)；通(tong)過式（2-23)計算(suan)可(ke)以得(de)到不同鉻當(dang)量濃度(du)(du)與0.51gPN2-lg[%N]-e≈[%N](氮(dan)活(huo)度(du)(du)系數(shu)）之間的(de)關(guan)系曲(qu)線，兩符合(he)良好，驗證(zheng)了(le)此(ci)等效(xiao)方法的(de)合(he)理性。此(ci)研究的(de)特別之處在(zai)于，通(tong)過鉻當(dang)量濃度(du)(du)來(lai)間接表示(shi)多(duo)種合(he)金(jin)元(yuan)素在(zai)大濃度(du)(du)范圍內的(de)所有數(shu)據(ju)，可(ke)以將復雜的(de)多(duo)組元(yuan)熔(rong)體(ti)(ti)等效(xiao)為(wei)鐵－氮(dan)－鉻三元(yuan)體(ti)(ti)系后計算(suan)氮(dan)的(de)溶解(jie)(jie)度(du)(du)。基于鉻等效(xiao)因子，通(tong)過鉻當(dang)量濃度(du)(du)的(de)換算(suan)并參考關(guan)系曲(qu)線（圖2-11),復雜的(de)多(duo)組元(yuan)熔(rong)體(ti)(ti)氮(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)可(ke)統一表示(shi)為(wei)

3. 溫度(du)對氮(dan)溶解度(du)的影響(xiang)

  溫(wen)(wen)度(du)對合金(jin)熔體(ti)中氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)影響，取決于氮(dan)(dan)在合金(jin)熔體(ti)中的(de)(de)(de)(de)(de)溶解(jie)反應(ying)為吸(xi)熱還是(shi)(shi)(shi)放熱過程，即氮(dan)(dan)溶解(jie)反應(ying)焓變(bian)ΔH的(de)(de)(de)(de)(de)正負。在一定氮(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)下，對于不(bu)同(tong)合金(jin)成分的(de)(de)(de)(de)(de)熔體(ti)而言(yan)，氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)對溫(wen)(wen)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)依賴性（溫(wen)(wen)度(du)對氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)影響趨勢(shi)）是(shi)(shi)(shi)不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)，且隨溫(wen)(wen)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)程度(du)也不(bu)同(tong)，這是(shi)(shi)(shi)由(you)該熔體(ti)中合金(jin)元素(su)的(de)(de)(de)(de)(de)種類(lei)與含量共同(tong)決定的(de)(de)(de)(de)(de)，即ΔH的(de)(de)(de)(de)(de)正負是(shi)(shi)(shi)由(you)合金(jin)成分決定的(de)(de)(de)(de)(de)。

  0.1MPa氮(dan)(dan)(dan)氣壓力下常見的(de)(de)Fe-Cr-Mn-Ni合(he)(he)金(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(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)與溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)關系(xi)(xi)如(ru)(ru)圖2-12所示。可以看出，純(chun)鐵和(he)Fe20Ni合(he)(he)金(jin)體系(xi)(xi)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)較(jiao)(jiao)低，并且隨(sui)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)升高逐(zhu)漸增(zeng)(zeng)大。隨(sui)著(zhu)熔體中鉻、錳等元素(su)含量的(de)(de)增(zeng)(zeng)加，如(ru)(ru)Fe18Mn和(he)Fe18Cr等合(he)(he)金(jin)體系(xi)(xi)，氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)顯著(zhu)增(zeng)(zeng)大，溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)對氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)影響更加明顯，且隨(sui)著(zhu)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)下降，熔體中的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)逐(zhu)漸增(zeng)(zeng)大。Fe18Cr8Ni合(he)(he)金(jin)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)對溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)依賴性也(ye)為負(fu)；此外，由于(yu)(yu)鎳具有降低氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)作(zuo)用，相對于(yu)(yu)Fe18Cr合(he)(he)金(jin)，Fe18Cr8Ni合(he)(he)金(jin)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)隨(sui)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)變化的(de)(de)趨(qu)勢比較(jiao)(jiao)平緩。

  從溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)熱(re)力(li)學理(li)論(lun)來(lai)看，在(zai)(zai)合(he)(he)金(jin)成分(fen)與(yu)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)一定的(de)(de)(de)條件(jian)下，溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)對(dui)(dui)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang)(xiang)規律(lv)為(wei)(wei)：若(ruo)式（2-36)中(zhong)(zhong)參數a<0,即(ji)焓變(bian)ΔH>0時，氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)反應(ying)為(wei)(wei)吸熱(re)過程，氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)隨(sui)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)升(sheng)高(gao)而增大(da)(da)；若(ruo)a>0,即(ji)焓變(bian)ΔH<0時，反為(wei)(wei)放熱(re)過程，氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)隨(sui)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)升(sheng)高(gao)而減小(xiao)。因此(ci)，溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)對(dui)(dui)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang)(xiang)取(qu)決于(yu)焓變(bian)ΔH數值(zhi)的(de)(de)(de)正(zheng)負(fu)和大(da)(da)小(xiao)，最終歸結(jie)為(wei)(wei)合(he)(he)金(jin)成分(fen)決定氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)依賴性。利(li)用(yong)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)模型(xing)，Satir-Kolorz 等探究了不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)合(he)(he)金(jin)體(ti)系(xi)在(zai)(zai)0.1MPa和5MPa氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)下，1750~2000K 范(fan)圍內氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)與(yu)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)關系(xi)，如圖2-13所示。結(jie)果與(yu)上面(mian)分(fen)析的(de)(de)(de)一致，在(zai)(zai)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)一定的(de)(de)(de)條件(jian)下，溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)對(dui)(dui)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang)(xiang)取(qu)決于(yu)合(he)(he)金(jin)的(de)(de)(de)成分(fen)：含(han)有增加(jia)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)元(yuan)(yuan)素（如Mn、Cr、Mo)的(de)(de)(de)鐵基合(he)(he)金(jin)（Fe-Cr和Fe-Mn合(he)(he)金(jin)體(ti)系(xi)），氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)隨(sui)著溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)升(sheng)高(gao)而降低(di)(di)；而對(dui)(dui)于(yu)含(han)有降低(di)(di)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)元(yuan)(yuan)素的(de)(de)(de)鐵基合(he)(he)金(jin)（如Fe-Ni合(he)(he)金(jin)），隨(sui)著溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)升(sheng)高(gao)，熔(rong)體(ti)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)增大(da)(da)。

4. 氮氣壓力對氮溶解度(du)的影響

  鑒于高氮(dan)(dan)鋼產品(pin)對高氮(dan)(dan)含(han)量(liang)的(de)需(xu)求，在(zai)常(chang)壓(ya)氮(dan)(dan)氣(qi)環境中(zhong)(zhong)無法實現鋼液(ye)的(de)高效增(zeng)(zeng)氮(dan)(dan)和保氮(dan)(dan)，提(ti)高冶煉過程的(de)氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)成(cheng)(cheng)為有效手段。氮(dan)(dan)氣(qi)加壓(ya)冶煉技(ji)術，不僅能夠通過促進氣(qi)相(xiang)－合金(jin)熔體(ti)間的(de)氮(dan)(dan)溶解(jie)反(fan)應實現更佳的(de)增(zeng)(zeng)氮(dan)(dan)效果，在(zai)抑制高氮(dan)(dan)濃度(du)鋼液(ye)凝固(gu)過程中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)氣(qi)孔的(de)形成(cheng)(cheng)方面也發揮(hui)著重要作用。研(yan)究不同氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)下(xia)合金(jin)熔體(ti)中(zhong)(zhong)的(de)氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)，成(cheng)(cheng)為精確控制氮(dan)(dan)氣(qi)加壓(ya)冶煉工(gong)藝鋼中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)含(han)量(liang)的(de)重要理論基礎。在(zai)常(chang)壓(ya)［如(ru)圖2-14(a)和加壓(ya)［如(ru)圖2-14(b)]條件下(xia)，液(ye)態鐵基合金(jin)中(zhong)(zhong)的(de)氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)隨氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)的(de)提(ti)高而顯著增(zeng)(zeng)大。

a. 低氮氣壓(ya)力

  如前所述，氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)在金屬熔體中的溶(rong)解屬于(yu)雙原子分子的溶(rong)解過程，在低氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)壓(ya)力范圍內，氮(dan)溶(rong)解度隨氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)壓(ya)力的變化(hua)符合(he)Sieverts定律(lv)(lv)。眾多研究已經證實，在小(xiao)于(yu)0.1MPa的低氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)壓(ya)力范圍內，不銹鋼體系（表2-5中1~3號(hao)）的氮(dan)溶(rong)解度與(yu)氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)壓(ya)力的關(guan)系符合(he) Sieverts定律(lv)(lv)，即(ji)呈線性相(xiang)關(guan)，如圖2-15所示(shi)。

  為了進一(yi)步驗證不(bu)(bu)同氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)下(xia) Sieverts定律的(de)(de)適(shi)用情(qing)況，Jiang(姜周華(hua)）等研究了氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)不(bu)(bu)高(gao)于0.1MPa,即低氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)下(xia)典(dian)型不(bu)(bu)銹鋼品種AISI304和AISI 316L 熔體中氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度與氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)的(de)(de)關系，結果如圖2-16所示。隨著氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)的(de)(de)增加，氮(dan)(dan)在兩類典(dian)型不(bu)(bu)銹鋼熔體中的(de)(de)溶(rong)解(jie)度顯(xian)著提升(sheng)，并且與氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)的(de)(de)關系符合Sieverts定律。

 b. 高氮(dan)氣壓力

  隨著(zhu)冶煉過程中(zhong)氮(dan)氣壓(ya)(ya)(ya)力的(de)(de)進一步提高(gao)，各種合(he)金(jin)體系的(de)(de)氮(dan)溶(rong)解度(du)均會(hui)增(zeng)大。純鐵(tie)液(ye)的(de)(de)飽(bao)和氮(dan)濃度(du)不僅在常(chang)壓(ya)(ya)(ya)以下，而且在0.1~200MPa的(de)(de)高(gao)壓(ya)(ya)(ya)范圍內也始(shi)終與氮(dan)氣壓(ya)(ya)(ya)力的(de)(de)平方根呈線性關(guan)系。這是因為(wei)即使在高(gao)氮(dan)氣壓(ya)(ya)(ya)力下純鐵(tie)液(ye)中(zhong)的(de)(de)氮(dan)溶(rong)解度(du)也處于較(jiao)低(di)的(de)(de)水平，如圖2-17所(suo)示(shi)。在Fe-Ni合(he)金(jin)體系中(zhong)，由于鎳元素具有(you)降低(di)氮(dan)溶(rong)解度(du)的(de)(de)作用，鎳含(han)量越高(gao)氮(dan)溶(rong)解度(du)反(fan)而越低(di)，即使在高(gao)氮(dan)氣壓(ya)(ya)(ya)力下氮(dan)溶(rong)解度(du)也處于較(jiao)低(di)水平。研究結(jie)果表明，高(gao)氮(dan)氣壓(ya)(ya)(ya)力下Fe-Ni體系也符合(he) Sieverts定律(lv)，如圖2-18所(suo)示(shi)。

  然(ran)而，隨著高(gao)(gao)氮(dan)鋼品種的開發和冶煉(lian)工(gong)藝(yi)的發展，大量研究(jiu)顯(xian)示，對于較高(gao)(gao)氮(dan)氣(qi)壓力下的Fe-Cr-Mn-Ni-Mo等高(gao)(gao)合(he)金體系(xi)（表(biao)2-5中4~6號(hao)），氮(dan)溶(rong)解度(du)隨氮(dan)氣(qi)壓力的變化與Sieverts定律(lv)描(miao)述的線性關系(xi)產生了較大的偏差，如(ru)圖2-19所示。

  圖2-19 1873K 高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)下氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)隨氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)平(ping)方(fang)根的(de)(de)(de)變化氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)與Sieverts 定律(lv)(lv)的(de)(de)(de)偏離(li)，并非存(cun)在于(yu)所有高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)下的(de)(de)(de)情況(kuang)，與合金(jin)熔(rong)體(ti)成分密切相(xiang)關。上述純(chun)鐵液和Fe-Ni合金(jin)這兩(liang)類低(di)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)體(ti)系(xi)就是(shi)偏差不顯著的(de)(de)(de)實例；相(xiang)反，具有高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)的(de)(de)(de)合金(jin)熔(rong)體(ti)（如(ru)Fe-Cr-Mn體(ti)系(xi)）在高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)下通常不符合 Sieverts 定律(lv)(lv)。由(you)此可以推測，高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)下氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)隨氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)提(ti)高(gao)(gao)(gao)(gao)較慢的(de)(de)(de)原(yuan)因(yin)是(shi)，高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)下熔(rong)體(ti)中(zhong)氮(dan)(dan)濃度(du)處于(yu)較高(gao)(gao)(gao)(gao)水平(ping)，不再滿足無限稀釋溶(rong)液的(de)(de)(de)理想情況(kuang)。此時，氮(dan)(dan)原(yuan)子之(zhi)間存(cun)在自(zi)身(shen)相(xiang)互(hu)作(zuo)用，彼此之(zhi)間的(de)(de)(de)相(xiang)斥效應將會導致氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)的(de)(de)(de)降(jiang)低(di)；氮(dan)(dan)濃度(du)越高(gao)(gao)(gao)(gao)，氮(dan)(dan)自(zi)身(shen)的(de)(de)(de)相(xiang)斥作(zuo)用越明顯。由(you)此可知，高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)下氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)與Sieverts 定律(lv)(lv)的(de)(de)(de)偏離(li)主要由(you)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)自(zi)身(shen)相(xiang)互(hu)作(zuo)用導致，而高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)通常是(shi)熔(rong)體(ti)中(zhong)高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)含(han)量的(de)(de)(de)一個關鍵誘因(yin)。

  對于圖(tu)2-17和(he)圖(tu)2-18中(zhong)純鐵液(ye)、低合(he)(he)金(jin)(jin)鋼或類似Fe-Ni合(he)(he)金(jin)(jin)等低氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度的(de)(de)(de)體(ti)系(xi)而(er)言，氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)自(zi)身相互作(zuo)用幾乎可(ke)(ke)以(yi)忽略，在高氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)(li)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度與氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)(li)的(de)(de)(de)平方根(gen)也接(jie)近(jin)線性關(guan)系(xi)。常見的(de)(de)(de)具有高氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度的(de)(de)(de)Fe-Cr-Mn等體(ti)系(xi)則不(bu)同，在高氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)(li)下(xia)高合(he)(he)金(jin)(jin)含量的(de)(de)(de)熔(rong)體(ti)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度可(ke)(ke)達1%以(yi)上，超出 Sieverts定(ding)律(lv)(lv)的(de)(de)(de)適用范圍(wei)。定(ding)義Sieverts定(ding)律(lv)(lv)對氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度的(de)(de)(de)壓力(li)(li)適用極限，為開始出現明顯偏差(cha)的(de)(de)(de)臨界(jie)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)(li)，如圖(tu)2-20所示(shi)，不(bu)同鉻(ge)含量的(de)(de)(de)Fe-Cr合(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)壓力(li)(li)適用極限不(bu)同（實(shi)驗數(shu)據來源于Torkhov等的(de)(de)(de)研究）。隨著鉻(ge)和(he)氮(dan)(dan)(dan)含量的(de)(de)(de)增加，Sieverts定(ding)律(lv)(lv)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)(li)適用極限快速降低，高氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)(li)下(xia)的(de)(de)(de)偏差(cha)程度也變得(de)更為顯著。

  針對(dui)高(gao)(gao)合金(jin)(jin)、高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)體(ti)系在(zai)(zai)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)熱(re)力(li)學(xue)偏(pian)離 Sieverts定律(lv)(lv)的(de)(de)(de)現象，可(ke)通過(guo)熔體(ti)中(zhong)各類原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)之間(jian)(jian)存在(zai)(zai)的(de)(de)(de)相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)來解(jie)(jie)釋氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)機制。圖(tu)2-21(a)顯示(shi)了單(dan)個氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)在(zai)(zai)鐵(tie)(tie)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)晶(jing)格(ge)中(zhong)的(de)(de)(de)賦存狀(zhuang)況：由(you)于(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)處于(yu)無(wu)限稀(xi)釋的(de)(de)(de)狀(zhuang)態，它只與鐵(tie)(tie)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)存在(zai)(zai)相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)，不發(fa)生(sheng)氮(dan)(dan)(dan)(dan)自(zi)身(shen)的(de)(de)(de)相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)。圖(tu)2-21(b)顯示(shi)了高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)(du)下(xia)（如(ru)在(zai)(zai)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)下(xia)）的(de)(de)(de)鐵(tie)(tie)－氮(dan)(dan)(dan)(dan)二元合金(jin)(jin)晶(jing)格(ge)：氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)周圍除(chu)相(xiang)鄰的(de)(de)(de)鐵(tie)(tie)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)外(wai)，也存在(zai)(zai)臨近的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)間(jian)(jian)彼此(ci)相(xiang)互(hu)抑(yi)制，從而導致氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)降低并偏(pian)離 Sieverts 定律(lv)(lv)的(de)(de)(de)預測曲線。這種自(zi)身(shen)作(zuo)(zuo)用(yong)可(ke)由(you)自(zi)身(shen)活(huo)度(du)(du)相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)系數(shu)(shu)來表示(shi)，由(you)于(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)之間(jian)(jian)處于(yu)相(xiang)互(hu)抑(yi)制的(de)(de)(de)狀(zhuang)態，自(zi)身(shen)活(huo)度(du)(du)相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)系數(shu)(shu)e值(zhi)為正數(shu)(shu)。圖(tu)2-21(c)顯示(shi)了鐵(tie)(tie)－鉻－氮(dan)(dan)(dan)(dan)三元合金(jin)(jin)的(de)(de)(de)晶(jing)格(ge)：由(you)于(yu)鉻原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)和氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)之間(jian)(jian)具有很(hen)強的(de)(de)(de)吸引力(li)，其(qi)相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)系數(shu)(shu)為負值(zhi)。在(zai)(zai)此(ci)結(jie)構中(zhong)，由(you)于(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)向鉻原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)偏(pian)移，就有更多空(kong)間(jian)(jian)留給額外(wai)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)，從而產生(sheng)較(jiao)高(gao)(gao)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)。不過(guo)隨著(zhu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)(du)的(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)對(dui)自(zi)身(shen)的(de)(de)(de)強烈排斥作(zuo)(zuo)用(yong)開始凸顯，因(yin)此(ci)在(zai)(zai)高(gao)(gao)鉻和高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)(du)下(xia)，實(shi)際的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)變化規(gui)律(lv)(lv)與 Sieverts定律(lv)(lv)之間(jian)(jian)存在(zai)(zai)明(ming)顯的(de)(de)(de)偏(pian)差。

  研究發現(xian)，在超過(guo)10MPa氮(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力的(de)條件下，將合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)元素含量(liang)提(ti)高至45%,熔(rong)體(ti)(ti)(ti)的(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)可(ke)以高達3%以上。在氮(dan)(dan)(dan)濃(nong)度(du)(du)如此高的(de)情況下，熔(rong)體(ti)(ti)(ti)不滿足使用(yong)Sieverts 定(ding)律的(de)前提(ti)條件，即無限(xian)稀(xi)釋溶液(ye)的(de)假(jia)設，因此在此條件下，Sieverts定(ding)律無法準確(que)預測氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)，必須引入一(yi)個(ge)附加(jia)的(de)活(huo)度(du)(du)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)f,以體(ti)(ti)(ti)現(xian)氮(dan)(dan)(dan)對(dui)(dui)自(zi)(zi)身作用(yong)的(de)影(ying)響。圖2-22顯示了(le)實驗測得的(de)不同(tong)氮(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力下，不同(tong)合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)體(ti)(ti)(ti)系(xi)(xi)(xi)(xi)中氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)的(de)變化(hua)。首先在不考慮氮(dan)(dan)(dan)自(zi)(zi)身相(xiang)互(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)作用(yong)的(de)情況下，通(tong)過(guo)對(dui)(dui)實驗結果(guo)進行回歸(gui)分析(xi)，確(que)定(ding)鉻(ge)、錳、鉬和鎳等主要合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)元素對(dui)(dui)氮(dan)(dan)(dan)的(de)一(yi)階和二階活(huo)度(du)(du)相(xiang)互(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)作用(yong)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)。同(tong)時，從(cong)文獻數(shu)(shu)(shu)據中獲得其他合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)元素的(de)相(xiang)互(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)作用(yong)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)。基于所有合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)對(dui)(dui)體(ti)(ti)(ti)系(xi)(xi)(xi)(xi)中氮(dan)(dan)(dan)活(huo)度(du)(du)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)相(xiang)互(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)作用(yong)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)，通(tong)過(guo)回歸(gui)分析(xi)確(que)定(ding)氮(dan)(dan)(dan)對(dui)(dui)自(zi)(zi)身的(de)活(huo)度(du)(du)相(xiang)互(hu)(hu)(hu)(hu)(hu)作用(yong)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)e為0.13。e的(de)數(shu)(shu)(shu)值為正，表(biao)明氮(dan)(dan)(dan)含量(liang)的(de)提(ti)高會增加(jia)活(huo)度(du)(du)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)，降低自(zi)(zi)身溶解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)。