一(yi)、氮的固相溶解度模型(xing)
一般而言，不(bu)銹鋼熔體在凝固過程中首先生成δ-Fe相，而氮在δ-Fe中的溶解度遠低于在液相和奧氏體相中的溶解度（如圖2-42所示，容易使鋼中的氮析出并形成氮氣孔。因此，探究影響固相中氮溶解度的因素，并建立合理的固相溶解度模型，對高氮不銹(xiu)鋼的成分設計和凝固過程的控制具有重要意義。
根據 Hillert和Staffansson的(de)(de)(de)正(zheng)規溶(rong)(rong)(rong)(rong)體模型(xing)，每個狀態（相(xiang)、間(jian)隙(xi)溶(rong)(rong)(rong)(rong)液和空位等(deng)）可由相(xiang)應的(de)(de)(de)能(neng)量表示，可使用兩個晶格，分(fen)別當作溶(rong)(rong)(rong)(rong)質(zhi)原(yuan)子和間(jian)隙(xi)溶(rong)(rong)(rong)(rong)質(zhi)原(yuan)子。因(yin)為大量的(de)(de)(de)間(jian)隙(xi)位置不被占用，這些(xie)空位則被視為額外的(de)(de)(de)元素（Va).基于此(ci)模型(xing)，可建立氮(dan)(dan)在固相(xiang)高氮(dan)(dan)不銹鋼(gang)體系(xi)中的(de)(de)(de)溶(rong)(rong)(rong)(rong)解度模型(xing)，以預(yu)測氮(dan)(dan)在固相(xiang)中的(de)(de)(de)平衡氮(dan)(dan)含量或飽(bao)和滲(shen)氮(dan)(dan)量并(bing)分(fen)析其(qi)影響因(yin)素。
考慮到固態(tai)與熔體的不同，以Fe-Cr-Mn-N合金體系(xi)為(wei)例，在(zai)固態(tai)合金中(zhong)各元(yuan)素(su)的摩爾分(fen)數（xN、xi)可以轉化為(wei)相應的位置分(fen)數（yN、yi):
由于固相體系中氮的溶解度與晶體結構、間隙原子晶格位置等密切相關，需要分別針對典型的γ、δ和α相區建立氮溶解度模型。
1. 氮在γ相中固(gu)相溶解度模(mo)型的建(jian)立(li)
對于Fe-Cr-Mn-N系合金體(ti)系，在固態奧氏(shi)體(ti)（面心立方(fang)結構）相區，氣相和奧氏(shi)體(ti)相的平衡(heng)方(fang)程可(ke)表達為(wei)
2. 氮在δ相和α相中固相溶解度模型的建立
對于Fe-Cr-Mn-N系(xi)(xi)合金(jin)體(ti)系(xi)(xi)，在鐵素體(ti)相(xiang)(xiang)（體(ti)心(xin)立方結(jie)構）中，鐵晶格中每(mei)個填入間(jian)隙位置的(de)(de)(de)氮(dan)原子都會阻(zu)礙該(gai)間(jian)隙位置的(de)(de)(de)最近鄰的(de)(de)(de)三個間(jian)隙位置被其他(ta)氮(dan)原子占據(ju)。因此，氣相(xiang)(xiang)與(yu)鐵素體(ti)相(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)平(ping)衡方程(cheng)可表(biao)達為下(xia)式(shi)：
3. 合金中奧氏體數量和液相(xiang)線的確定(ding)
明確合(he)金(jin)凝固過程(cheng)的(de)(de)相(xiang)(xiang)轉(zhuan)變，是(shi)通過模型計(ji)算(suan)氮固相(xiang)(xiang)溶解度(du)的(de)(de)一個重要基礎。其中(zhong)，確定鋼種的(de)(de)液相(xiang)(xiang)線(xian)溫度(du)TL和奧(ao)氏(shi)體(ti)與鐵(tie)素體(ti)的(de)(de)數量(liang)或比例尤為重要。近(jin)年來，研究(jiu)人員(yuan)利(li)用(yong)熱(re)力(li)學數據計(ji)算(suan)了合(he)金(jin)元素與相(xiang)(xiang)平衡的(de)(de)關系，以鋼的(de)(de)化學成分和熱(re)處理溫度(du)作為計(ji)算(suan)奧(ao)氏(shi)體(ti)數量(liang)的(de)(de)基礎，根(gen)據SGTE熱(re)力(li)學數據庫(ku)進行計(ji)算(suan)，得出奧(ao)氏(shi)體(ti)線(xian)性方(fang)程(cheng)式如下：
根據(ju)鋼的化學成分和固溶(rong)溫度(du)，按此方程(cheng)式即(ji)可計(ji)算(suan)(suan)出在不同溫度(du)下的奧氏體(ti)數(shu)量，計(ji)算(suan)(suan)數(shu)據(ju)與(yu)(yu)實(shi)驗(yan)結果吻合得很(hen)(hen)好。吳忠忠等利(li)用(yong)奧氏體(ti)線(xian)性方程(cheng)和固溶(rong)實(shi)驗(yan)研究(jiu)了(le)不同固溶(rong)溫度(du)下各相的含量，奧氏體(ti)線(xian)性方程(cheng)理(li)論(lun)計(ji)算(suan)(suan)的奧氏體(ti)數(shu)量與(yu)(yu)實(shi)驗(yan)值(zhi)吻合得很(hen)(hen)好，精確度(du)很(hen)(hen)高(gao)。
利(li)用(yong)(yong)固相氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)模型(xing)，可以(yi)(yi)方(fang)(fang)便(bian)地計算(suan)出Fe-Cr-Mn-N系合金在各溫度(du)區(qu)間的(de)(de)氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)曲(qu)(qu)線(xian)(xian)。通過(guo)擬合前人的(de)(de)研究成果和奧(ao)氏體(ti)(ti)(ti)(ti)線(xian)(xian)性方(fang)(fang)程(cheng)，可以(yi)(yi)確(que)定(ding)固相中(zhong)鐵(tie)素體(ti)(ti)(ti)(ti)含量為(wei)80%是鐵(tie)素體(ti)(ti)(ti)(ti)和奧(ao)氏體(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)(de)理論分(fen)界點(dian)，鐵(tie)素體(ti)(ti)(ti)(ti)含量大于80%為(wei)鐵(tie)素體(ti)(ti)(ti)(ti)區(qu)域(yu)，該分(fen)界點(dian)即為(wei)氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)曲(qu)(qu)線(xian)(xian)上(shang)鐵(tie)素體(ti)(ti)(ti)(ti)全(quan)部轉(zhuan)變為(wei)奧(ao)氏體(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)(de)拐點(dian)。根據鋼(gang)種的(de)(de)液相線(xian)(xian)溫度(du)，可以(yi)(yi)方(fang)(fang)便(bian)地確(que)定(ding)氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)曲(qu)(qu)線(xian)(xian)上(shang)由液相轉(zhuan)變為(wei)鐵(tie)素體(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)(de)拐點(dian)溫度(du)。鋼(gang)種不(bu)同，液相線(xian)(xian)溫度(du)的(de)(de)表達式(shi)也不(bu)盡相同［54].在本研究中(zhong)采用(yong)(yong)下式(shi)來計算(suan)鋼(gang)種的(de)(de)液相線(xian)(xian)溫度(du)TL.
4. 氮的(de)固相(xiang)溶解(jie)度(du)模(mo)型的(de)驗證(zheng)
利用(yong)前人實(shi)驗(yan)(yan)數據，驗(yan)(yan)證(zheng)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)固(gu)相溶解度模型的(de)(de)(de)準確性。李光強等(deng)對(dui)氮(dan)(dan)在(zai)合金體系中的(de)(de)(de)溶解度進行(xing)了(le)實(shi)驗(yan)(yan)研究，直接(jie)用(yong)高(gao)純氮(dan)(dan)氣在(zai)1473K、0.1MPa下高(gao)溫電(dian)阻(zu)爐內(nei)進行(xing)滲氮(dan)(dan)實(shi)驗(yan)(yan)，爐管兩端封閉以(yi)形成穩定的(de)(de)(de)氣氛。該研究的(de)(de)(de)實(shi)驗(yan)(yan)鋼種成分和固(gu)相滲氮(dan)(dan)后的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)含量(liang)(liang)見(jian)表2-10。利用(yong)上述氮(dan)(dan)溶解度模型進行(xing)計(ji)(ji)算，其理論計(ji)(ji)算值與實(shi)驗(yan)(yan)值比較如圖2-43所示，氮(dan)(dan)溶解度的(de)(de)(de)模型計(ji)(ji)算值與測量(liang)(liang)值吻合良(liang)好。
Kunze等對(dui)Fe17.26Cr6.42Mn和(he)Fe20.53Cr11.63Mn合金體(ti)系在不同氮氣壓力條件下(xia)，進行了低溫奧氏體(ti)、高(gao)溫奧氏體(ti)和(he)δ-Fe的固相滲氮實驗研(yan)究(jiu)。本模型的計算(suan)結果與其(qi)實驗結果的對比見(jian)圖2-44和圖2-45。從圖中可以看到(dao)，實驗值(zhi)與模型的計算(suan)值(zhi)吻合得很好(hao)，尤其(qi)在δ-Fe相吻合(he)(he)得更好(hao)。但對于(yu)Fe17.26 Cr6.42Mn合(he)(he)金體系(xi)在(zai)奧氏體相中的(de)實驗點偏(pian)離計算(suan)曲線較(jiao)大，如圖2-44(a)所(suo)示(shi)。這可(ke)能是由于(yu)在(zai)建立模型(xing)的(de)過(guo)程中忽略了δ-Fe相(xiang)和γ奧氏(shi)體(ti)兩相(xiang)共(gong)存階段溶解度的計算，導致(zhi)模型(xing)的計算值(zhi)(zhi)與(yu)實驗值(zhi)(zhi)存在一定的偏(pian)差。
二、固相合金體系(xi)中氮(dan)溶解度模(mo)型的相關研究
面心立方(fang)結構鐵中氮的濃度可由奧氏體(ti)相與氮氣之間的平(ping)衡實驗(yan)得到(dao)，目前多數實驗(yan)都(dou)在912~1394℃范圍內，當溫度更(geng)高時，固體(ti)表面的氣體(ti)成分(fen)具有明顯的不確定性(xing)。Hillert和Jarl、曲英和Wada-Pehlk等分(fen)別給出了鐵中氮濃度與溫度和氮氣壓力的關系(xi)式：
Tsuchiyama等將厚(hou)度(du)(du)(du)為(wei)0.25~3.0mm的(de)(de)(de)(de)Fe-Cr-Mn 系合金(jin)(jin)試(shi)(shi)樣置(zhi)于0.1MPa的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣氛中(zhong)，在1473K溫度(du)(du)(du)下(xia)(xia)滲(shen)(shen)(shen)氮(dan)(dan)(dan)(dan)。滲(shen)(shen)(shen)氮(dan)(dan)(dan)(dan)60min后，厚(hou)度(du)(du)(du)為(wei)0.25mm的(de)(de)(de)(de)Fe12.5Cr 合金(jin)(jin)試(shi)(shi)樣中(zhong)滲(shen)(shen)(shen)氮(dan)(dan)(dan)(dan)反(fan)應(ying)達(da)(da)(da)到平(ping)(ping)衡(heng)，試(shi)(shi)樣的(de)(de)(de)(de)平(ping)(ping)均(jun)(jun)氮(dan)(dan)(dan)(dan)含量(liang)達(da)(da)(da)到了(le)(le)0.30%,并且試(shi)(shi)樣的(de)(de)(de)(de)平(ping)(ping)均(jun)(jun)氮(dan)(dan)(dan)(dan)含量(liang)隨著合金(jin)(jin)中(zhong)鉻、錳(meng)元素(su)含量(liang)的(de)(de)(de)(de)增加而逐漸增加，對于實(shi)驗Fe24.0Cr20.5Mn合金(jin)(jin)，滲(shen)(shen)(shen)氮(dan)(dan)(dan)(dan)反(fan)應(ying)平(ping)(ping)衡(heng)后試(shi)(shi)樣的(de)(de)(de)(de)平(ping)(ping)均(jun)(jun)氮(dan)(dan)(dan)(dan)含量(liang)達(da)(da)(da)到1.95%.此外(wai)，對固(gu)(gu)態滲(shen)(shen)(shen)氮(dan)(dan)(dan)(dan)時鋼(gang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)溶解度(du)(du)(du)計(ji)算模(mo)型進行(xing)了(le)(le)簡(jian)化，并通(tong)過固(gu)(gu)相滲(shen)(shen)(shen)氮(dan)(dan)(dan)(dan)實(shi)驗數據進行(xing)修(xiu)正，給出了(le)(le)1473K、0.1MPa氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)下(xia)(xia)Fe-Cr-Mn系不銹(xiu)鋼(gang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)近似(si)表達(da)(da)(da)式(shi)：
在前人研究的(de)(de)基(ji)礎上，Kunze和Rothe[50]計算和推導了氮(dan)在奧氏(shi)體Fe-Cr-Mn合金(jin)中的(de)(de)溶解度，氮(dan)的(de)(de)活度系(xi)數YN(以摩爾分數表(biao)示）與溫(wen)度及(ji)氮(dan)在合金(jin)中的(de)(de)摩爾分數xN存在如下(xia)關系(xi)：
表2-11給出了1000~1200℃范圍(wei)內，N與合金元素(su)Cr、Mn的活度相(xiang)互作(zuo)用(yong)系數和溫度之間的關系。根據(ju)Wagner模型(xing)，超額吉(ji)布斯自由(you)能可以用(yong)活度相(xiang)互作(zuo)用(yong)系數表示為
三、固(gu)相合金體系中(zhong)氮溶解度(du)的影響因素
利(li)用已建(jian)立的(de)氮(dan)在(zai)固相不(bu)(bu)銹(xiu)鋼(gang)中(zhong)的(de)溶解度(du)模型(xing)(xing)，可(ke)得(de)出高(gao)氮(dan)不(bu)(bu)銹(xiu)鋼(gang)在(zai)凝(ning)固過程中(zhong)隨溫度(du)變(bian)(bian)化時(shi)氮(dan)在(zai)不(bu)(bu)同相區的(de)溶解度(du)變(bian)(bian)化曲線，以(yi)明晰氮(dan)氣分壓和鉻(ge)、錳等典型(xing)(xing)合金(jin)元素對氮(dan)溶解的(de)影(ying)響。
研究結果表明，在(zai)凝(ning)(ning)固過程(cheng)(cheng)中(zhong)氮(dan)的(de)(de)(de)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)受相(xiang)轉變的(de)(de)(de)影響明顯，在(zai)相(xiang)變點處(chu)氮(dan)的(de)(de)(de)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)會(hui)有突變。隨著(zhu)鋼液(ye)溫度(du)(du)的(de)(de)(de)降低(di)(di)，氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)會(hui)逐漸(jian)增(zeng)(zeng)(zeng)加；在(zai)凝(ning)(ning)固初期，δ相(xiang)的(de)(de)(de)產(chan)生(sheng)(sheng)導(dao)致氮(dan)的(de)(de)(de)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)急(ji)劇降低(di)(di)；當鋼中(zhong)開始析(xi)出(chu)γ相(xiang)時，氮(dan)的(de)(de)(de)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)又會(hui)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，并(bing)且隨著(zhu)γ相(xiang)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)多，氮(dan)的(de)(de)(de)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)逐漸(jian)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)。固液(ye)兩相(xiang)區(qu)氮(dan)的(de)(de)(de)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)最小，在(zai)析(xi)出(chu)的(de)(de)(de)高溫鐵素體與液(ye)相(xiang)界(jie)面(mian)處(chu)最容(rong)易產(chan)生(sheng)(sheng)氮(dan)氣泡。在(zai)實(shi)際冶(ye)煉過程(cheng)(cheng)中(zhong)，8相(xiang)區(qu)的(de)(de)(de)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)決定了在(zai)凝(ning)(ning)固過程(cheng)(cheng)中(zhong)是否產(chan)生(sheng)(sheng)氮(dan)氣孔。
1. 氮氣壓力對合金體系(xi)氮溶(rong)解度的影響
我們利用(yong)建立的氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)在(zai)不(bu)銹鋼(gang)(gang)熔(rong)體(ti)(ti)中(zhong)(zhong)及氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)在(zai)γ相(xiang)、δ相(xiang)和α相(xiang)中(zhong)(zhong)的溶(rong)(rong)解度模型，對Fe-18Cr-18Mn合金體(ti)(ti)系在(zai)不(bu)同氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)（0.02MPa、0.1MPa和0.6MPa)條(tiao)件下，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)在(zai)該合金體(ti)(ti)系不(bu)同相(xiang)中(zhong)(zhong)的溶(rong)(rong)解度進行了計算，結(jie)果如(ru)圖2-46所示。隨著體(ti)(ti)系氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)的增(zeng)(zeng)(zeng)加，δ-Fe相(xiang)區逐漸減小(xiao)(xiao)，當氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)增(zeng)(zeng)(zeng)至0.6MPa時，8-Fe相(xiang)完(wan)全消失，凝固(gu)過(guo)程中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)直接由液相(xiang)進入γ奧氏體(ti)(ti)相(xiang)區。提(ti)高(gao)體(ti)(ti)系氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)不(bu)僅(jin)可(ke)(ke)以提(ti)高(gao)各相(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的溶(rong)(rong)解度，還(huan)可(ke)(ke)以減小(xiao)(xiao)δ-Fe區域，有效地抑(yi)制凝固(gu)過(guo)程中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的析(xi)出。目前，常見的高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)鋼(gang)(gang)制備工藝基本上都是采用(yong)增(zeng)(zeng)(zeng)加氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)，如(ru)高(gao)壓(ya)(ya)(ya)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)氣(qi)(qi)氛(fen)下的感應熔(rong)煉、高(gao)壓(ya)(ya)(ya)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)氣(qi)(qi)氛(fen)下的電(dian)渣重熔(rong)、高(gao)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)弧(hu)爐熔(rong)煉等。
2. 合(he)金成分對(dui)合(he)金體系氮(dan)溶解度的影響
研究表明(ming)，Cr、Mn等常用合金元(yuan)素均能增大氮(dan)(dan)的(de)(de)固相(xiang)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)。為了(le)探究合金元(yuan)素含(han)(han)量(liang)(liang)對氮(dan)(dan)固相(xiang)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)的(de)(de)影(ying)響規(gui)律，Tsuchiyama等基(ji)于實驗繪(hui)制了(le)1473K、0.1MPa氮(dan)(dan)氣壓(ya)力下Fe-Cr和Fe-Mn二元(yuan)合金的(de)(de)平衡氮(dan)(dan)含(han)(han)量(liang)(liang)與Cr或(huo)Mn含(han)(han)量(liang)(liang)的(de)(de)關系(xi)［圖(tu)2-47(a)].結果表明(ming)，提高兩種元(yuan)素的(de)(de)含(han)(han)量(liang)(liang)都增加了(le)氮(dan)(dan)的(de)(de)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)，其(qi)中Cr元(yuan)素較Mn元(yuan)素更能有效地增加鋼中氮(dan)(dan)的(de)(de)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)。例如，添加23%Cr可增加平衡氮(dan)(dan)含(han)(han)量(liang)(liang)至超高氮(dan)(dan)（1%N)的(de)(de)水平，而添加25%Mn時平衡氮(dan)(dan)含(han)(han)量(liang)(liang)也(ye)僅能達(da)(da)到0.15%。圖(tu)2-47(b)所示的(de)(de)等氮(dan)(dan)含(han)(han)量(liang)(liang)圖(tu)也(ye)證實了(le)這一點(dian)，達(da)(da)到相(xiang)同的(de)(de)氮(dan)(dan)固相(xiang)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)所需的(de)(de)Cr含(han)(han)量(liang)(liang)明(ming)顯低于Mn含(han)(han)量(liang)(liang)。
即便如此(ci)，Mn也(ye)是高氮(dan)(dan)鋼中(zhong)一(yi)種重要的(de)(de)合(he)金元(yuan)素(su)，因(yin)此(ci)，Cr和Mn同(tong)時添加對(dui)平(ping)衡氮(dan)(dan)含量的(de)(de)影響(xiang)也(ye)是研究的(de)(de)重點之一(yi)。圖2-47(a)進一(yi)步出了Fe-20Mn-Cr三(san)元(yuan)基合(he)金中(zhong)的(de)(de)平(ping)衡氮(dan)(dan)含量與Cr含量的(de)(de)關系(xi)。值得注意(yi)(yi)的(de)(de)是，在(zai)Fe-20Mn-Cr合(he)金中(zhong)實(shi)驗(yan)測(ce)量的(de)(de)氮(dan)(dan)含量，遠高于Fe-20Mn與Fe-Cr系(xi)氮(dan)(dan)溶(rong)解度(du)的(de)(de)加和。這(zhe)意(yi)(yi)味著(zhu)Cr和Mn的(de)(de)協(xie)同(tong)作(zuo)用顯著(zhu)提高了鋼中(zhong)氮(dan)(dan)的(de)(de)溶(rong)解度(du)。這(zhe)反映了Cr、Mn和N這(zhe)三(san)種元(yuan)素(su)之間存在(zai)相互(hu)作(zuo)用，具體表現為(wei)溶(rong)解度(du)表達式(shi)中(zhong)Cr、Mn元(yuan)素(su)對(dui)N的(de)(de)二階交叉活度(du)相互(hu)作(zuo)用系(xi)數(shu)較(jiao)大。
除了合(he)金元(yuan)素(su)含(han)量對氮溶(rong)解(jie)度(du)高低的(de)影響，不銹鋼中不同(tong)合(he)金元(yuan)素(su)對凝固過程(cheng)中不同(tong)相區氮溶(rong)解(jie)度(du)的(de)變化也具(ju)有顯(xian)著的(de)影響，一般可分為兩大類進行討論，即鐵(tie)素(su)體形成(cheng)元(yuan)素(su)（Cr、Mo和(he)Si等）和(he)奧(ao)氏體形成(cheng)元(yuan)素(su)（Ni、Mn、C和(he)N等）。
在(zai)0.1MPa下(xia)幾種(zhong)Fe-Cr合金中氮(dan)溶解度(du)(du)(du)隨著溫度(du)(du)(du)變(bian)化的(de)規律如圖2-42所示。存在(zai)如下(xia)特(te)點：隨著凝固的(de)進(jin)行，氮(dan)溶解度(du)(du)(du)在(zai)8-Fe 區(qu)(qu)域(yu)出現(xian)突降(jiang)，到奧氏體(ti)區(qu)(qu)域(yu)氮(dan)含量(liang)又急(ji)劇增加。隨著合金中Cr含量(liang)的(de)增加，氮(dan)溶解度(du)(du)(du)快速(su)上(shang)升(sheng)，但在(zai)各溫度(du)(du)(du)范圍中的(de)上(shang)升(sheng)幅(fu)度(du)(du)(du)不同，尤(you)其在(zai)奧氏體(ti)區(qu)(qu)的(de)升(sheng)幅(fu)特(te)別大。當Cr含量(liang)高于8.1%時(shi)，奧氏體(ti)區(qu)(qu)的(de)氮(dan)溶解度(du)(du)(du)已明顯大于相應液相中氮(dan)的(de)溶解度(du)(du)(du)。同時(shi)，隨著Cr含量(liang)的(de)提高，凝固過程中8-Fe區(qu)(qu)域(yu)也逐漸增大。
相反地(di)，鋼中(zhong)(zhong)的(de)(de)奧氏(shi)體(ti)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)元素，可(ke)使凝固(gu)(gu)(gu)過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong) δ-Fe 區(qu)域逐漸減(jian)(jian)小。圖(tu)2-48(a)為不同Mn含量(liang)鋼（合(he)金(jin)成(cheng)分見表2-12)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)溶解度(du)隨溫度(du)變(bian)化的(de)(de)曲線。結(jie)果表明：隨著Mn含量(liang)的(de)(de)提高(gao)(gao)，在(zai)液(ye)相與固(gu)(gu)(gu)相中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)溶解度(du)也(ye)會隨之增大；Mn是強奧氏(shi)體(ti)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)元素，隨著Mn含量(liang)的(de)(de)提高(gao)(gao)，凝固(gu)(gu)(gu)過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)8相區(qu)逐漸減(jian)(jian)小，甚至可(ke)能(neng)消(xiao)失。從圖(tu)中(zhong)(zhong)8.0%Mn鋼的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解度(du)計算結(jie)果可(ke)以看出(chu)(chu)，在(zai)凝固(gu)(gu)(gu)過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)未出(chu)(chu)現8相區(qu)。同時，利用建(jian)立的(de)(de)固(gu)(gu)(gu)相氮(dan)(dan)(dan)溶解度(du)模型對(dui)Fe-4Cr-16Mn合(he)金(jin)進行了計算，結(jie)果如圖(tu)2-48(b)所示。從圖(tu)中(zhong)(zhong)可(ke)以看出(chu)(chu)，在(zai)Fe-4Cr-16Mn合(he)金(jin)體(ti)系從液(ye)相凝固(gu)(gu)(gu)的(de)(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)也(ye)沒有(you)出(chu)(chu)現δ-Fe相區(qu)，與文(wen)獻中(zhong)(zhong)報道一(yi)致。因(yin)此，適當提高(gao)(gao)合(he)金(jin)體(ti)系中(zhong)(zhong)奧氏(shi)體(ti)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)元素的(de)(de)含量(liang)，有(you)助(zhu)于減(jian)(jian)少(shao)氮(dan)(dan)(dan)在(zai)其凝固(gu)(gu)(gu)過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)(de)析出(chu)(chu)趨勢，從而有(you)效(xiao)避免(mian)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)鋼在(zai)凝固(gu)(gu)(gu)過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)氣孔的(de)(de)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)。
