1. 常壓下(xia)基(ji)熔體的氮(dan)溶解度(du)模型

  常溫(wen)下氮(dan)以雙原子(zi)分(fen)子(zi)形式存在(zai)，高溫(wen)下則(ze)分(fen)解成氮(dan)原子(zi)溶解于金屬熔(rong)體(ti)(ti)中(zhong)。如圖(tu)2-1所(suo)示(shi)，氮(dan)在(zai)金屬熔(rong)體(ti)(ti)中(zhong)的(de)(de)溶解過程(cheng)可以描(miao)述如下：氮(dan)氣接觸到(dao)熔(rong)體(ti)(ti)表(biao)面(mian)后發生物理(li)吸(xi)附，當氣體(ti)(ti)分(fen)子(zi)和熔(rong)體(ti)(ti)表(biao)面(mian)的(de)(de)結合力大(da)于氣體(ti)(ti)內部分(fen)子(zi)的(de)(de)結合力時發生化學(xue)吸(xi)附，吸(xi)附的(de)(de)氮(dan)分(fen)子(zi)分(fen)解成原子(zi)，隨后從熔(rong)體(ti)(ti)表(biao)面(mian)向內部擴散。

  表2-1總結(jie)了(le)研究人員在(zai)(zai)1873K、0.1MPa氮(dan)(dan)(dan)氣壓力下測(ce)得的(de)熔融鐵(tie)液(ye)中(zhong)的(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)。根據文獻(xian)中(zhong)的(de)實(shi)驗數據可知，熔融鐵(tie)液(ye)的(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)集中(zhong)在(zai)(zai)0.043%~0.046%范圍內。圖2-2歸(gui)納了(le)冶煉溫度(du)對熔融鐵(tie)液(ye)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)的(de)影響。可以看出，在(zai)(zai)熔融鐵(tie)液(ye)中(zhong)，氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)隨溫度(du)的(de)升高而增(zeng)大。

  若氮活度的參考態(tai)為(wei)合金(jin)熔(rong)(rong)體中假想的1%N溶(rong)液，則0.5mol氮氣溶(rong)解于合金(jin)熔(rong)(rong)體的吉布斯自(zi)由能變可以表示為(wei)

  在(zai)早期(qi)對(dui)合(he)(he)金熔體中氮(dan)溶解度(du)(du)(du)的(de)研究中，各種(zhong)合(he)(he)金元素(su)(su)對(dui)氮(dan)的(de)二階(jie)(jie)活(huo)度(du)(du)(du)相互作(zuo)用(yong)(yong)(yong)系(xi)(xi)數(shu)及(ji)二階(jie)(jie)交叉活(huo)度(du)(du)(du)相互作(zuo)用(yong)(yong)(yong)系(xi)(xi)數(shu)的(de)相關測定(ding)尚(shang)不(bu)(bu)完(wan)善。1965年，Chipman等［18]開發了僅使用(yong)(yong)(yong)一階(jie)(jie)活(huo)度(du)(du)(du)相互作(zuo)用(yong)(yong)(yong)系(xi)(xi)數(shu)而(er)不(bu)(bu)涉(she)及(ji)高階(jie)(jie)項的(de)氮(dan)溶解度(du)(du)(du)模型。基于Chipman等的(de)研究結(jie)果和1873K下(xia)不(bu)(bu)同元素(su)(su)對(dui)氮(dan)的(de)一階(jie)(jie)活(huo)度(du)(du)(du)相互作(zuo)用(yong)(yong)(yong)系(xi)(xi)數(shu)（表2-2)[19],可(ke)以得(de)到1873K下(xia)氮(dan)溶解度(du)(du)(du)模型中氮(dan)的(de)活(huo)度(du)(du)(du)系(xi)(xi)數(shu)1gf[式(shi)(shi)（2-9)],其(qi)他冶煉溫度(du)(du)(du)下(xia)氮(dan)的(de)活(huo)度(du)(du)(du)系(xi)(xi)數(shu)可(ke)由式(shi)(shi)（2-10)轉換(huan)獲得(de)。據此，Chipman 等建立了預測不(bu)(bu)同溫度(du)(du)(du)下(xia)合(he)(he)金熔體中氮(dan)溶解度(du)(du)(du)的(de)式(shi)(shi)（2-11)。

  隨著對(dui)多(duo)元合金熔體氮溶解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)研(yan)究的(de)(de)(de)(de)深入(ru)，各(ge)種合金元素(su)(su)對(dui)氮的(de)(de)(de)(de)一階(jie)(jie)、二階(jie)(jie)以及(ji)二階(jie)(jie)交叉活度(du)(du)(du)(du)(du)相互(hu)作用系(xi)(xi)數(shu)的(de)(de)(de)(de)實驗研(yan)究與(yu)測定逐步(bu)完善。1990年，Grigorenko等。探究了(le)合金元素(su)(su)對(dui)氮活度(du)(du)(du)(du)(du)系(xi)(xi)數(shu)的(de)(de)(de)(de)影響，認為在(zai)較高(gao)的(de)(de)(de)(de)合金濃(nong)度(du)(du)(du)(du)(du)下，僅采用一階(jie)(jie)活度(du)(du)(du)(du)(du)相互(hu)作用系(xi)(xi)數(shu)來(lai)計算氮的(de)(de)(de)(de)活度(du)(du)(du)(du)(du)系(xi)(xi)數(shu)和預測氮溶解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)是不夠準確的(de)(de)(de)(de)。為了(le)進一步(bu)提高(gao)氮溶解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)預測模型的(de)(de)(de)(de)準確性，必須以二階(jie)(jie)乃至更高(gao)階(jie)(jie)泰(tai)勒(le)級數(shu)的(de)(de)(de)(de)形(xing)式(shi)表(biao)示氮的(de)(de)(de)(de)活度(du)(du)(du)(du)(du)系(xi)(xi)數(shu)，即引入(ru)合金元素(su)(su)對(dui)氮的(de)(de)(de)(de)高(gao)階(jie)(jie)活度(du)(du)(du)(du)(du)相互(hu)作用系(xi)(xi)數(shu)。據此，氮活度(du)(du)(du)(du)(du)系(xi)(xi)數(shu)按高(gao)階(jie)(jie)泰(tai)勒(le)級數(shu)的(de)(de)(de)(de)形(xing)式(shi)展開，可表(biao)示為

2. 常壓下Fe-20%Cr基熔體(ti)的氮溶解度模型

  鑒于以Fe-Cr 合(he)金(jin)為(wei)基礎的(de)各種合(he)金(jin)材料(liao)的(de)生(sheng)產與應用非常廣泛，1996年Anson等開發了種常壓下以熔融Fe-20%Cr 合(he)金(jin)為(wei)基體(ti)的(de)氮溶(rong)解度模型。在熔融Fe-20%Cr基合(he)金(jin)中，氮溶(rong)解熱力學平衡(heng)關系如下所示：

3. 高氮氣壓力下的氮溶(rong)解(jie)度模型(xing)

  隨著含氮(dan)(dan)鋼種相(xiang)關研究(jiu)的(de)(de)不斷深入(ru)，高(gao)氮(dan)(dan)鋼由于其優異的(de)(de)力學性能(neng)和(he)耐腐(fu)蝕(shi)性能(neng)，在(zai)諸(zhu)多領域得(de)到了廣泛應用(yong)。大量研究(jiu)發現，在(zai)高(gao)氮(dan)(dan)氣壓(ya)力下，高(gao)合金(jin)體系中(zhong)氮(dan)(dan)溶解(jie)度出現了偏(pian)離 Sieverts 定律的(de)(de)現象，導致高(gao)氮(dan)(dan)氣壓(ya)力下氮(dan)(dan)溶解(jie)度預測(ce)模型的(de)(de)準確(que)度大幅(fu)降低。

  如圖(tu)2-3和圖(tu)2-4所示，當鉻(ge)、錳等(deng)(deng)含量較(jiao)(jiao)高(gao)(gao)(gao)時，高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)下合(he)(he)金(jin)(jin)熔體的(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)達(da)到了較(jiao)(jiao)高(gao)(gao)(gao)的(de)數值(zhi)(zhi)，此時僅能(neng)在(zai)小范圍內呈(cheng)線(xian)(xian)(xian)性關系(xi)，合(he)(he)金(jin)(jin)中的(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)含量依然能(neng)隨著氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)的(de)增加而持續提高(gao)(gao)(gao)，但(dan)與(yu)低氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)時相(xiang)比，高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)下氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)增加趨勢明(ming)顯變緩。高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)下氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)對氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)提升(sheng)作用被削弱，具(ju)體表現為實(shi)測(ce)的(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)［％N]低于(yu)根據Sieverts定律計算的(de)值(zhi)(zhi)，即圖(tu)中各個實(shi)線(xian)(xian)(xian)（實(shi)驗(yan)值(zhi)(zhi)）均處(chu)于(yu)相(xiang)應虛線(xian)(xian)(xian)（計算值(zhi)(zhi)）下方。同(tong)時，兩曲線(xian)(xian)(xian)的(de)偏離程度(du)(du)(du)(du)隨著鉻(ge)、錳等(deng)(deng)元素含量的(de)增加而變得嚴重(zhong)。這(zhe)表明(ming)在(zai)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)大于(yu)0.1MPa的(de)冶煉氣(qi)(qi)氛(fen)中，尤其是當金(jin)(jin)屬熔體含有較(jiao)(jiao)高(gao)(gao)(gao)量具(ju)有提升(sheng)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)能(neng)力(li)(li)的(de)合(he)(he)金(jin)(jin)元素時，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)很高(gao)(gao)(gao)，其與(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)的(de)關系(xi)將不再符合(he)(he) Sieverts定律。

  1993年Rawers等(deng)［24]通(tong)過實驗研究了Fe-Cr和Fe-Cr-Ni等(deng)合金體系(xi)(xi)在高氮(dan)氣(qi)壓力下氮(dan)的溶解度(du)模(mo)型(xing)。圖2-5給出了不同氮(dan)氣(qi)壓力下氮(dan)活度(du)系(xi)(xi)數InfN隨鉻濃(nong)度(du)變化曲(qu)線(xian)。對于(yu)鐵基合金，在低鉻濃(nong)度(du)范(fan)圍內，lnfN與鉻濃(nong)度(du)之間存(cun)在線(xian)性關(guan)系(xi)(xi)，其斜(xie)率隨著氮(dan)氣(qi)壓力的增加而(er)變化；在較高鉻濃(nong)度(du)時，則明顯偏(pian)離線(xian)性關(guan)系(xi)(xi)。

  基于對實(shi)驗數據的(de)回歸分(fen)析，獲(huo)得了Fe-Cr與(yu)Fe-Cr-Ni體系氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)模(mo)型中(zhong)各相互作用(yong)系數，見表(biao)2-3.通(tong)過(guo)成分(fen)相互作用(yong)和(he)氮(dan)(dan)氣壓(ya)力－成分(fen)效應對氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)模(mo)型的(de)修正，可以更精確地預測高(gao)合金體系在高(gao)氮(dan)(dan)氣壓(ya)力條件下(xia)的(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)。

  為了(le)進(jin)一(yi)步修(xiu)正高(gao)氮(dan)氣壓(ya)力(li)(li)下的(de)(de)氮(dan)溶解度模(mo)型，2005年Jiang(姜周(zhou)華）等［25]根據實驗研究和文獻報(bao)道的(de)(de)數據，回歸分析得到(dao)了(le)氮(dan)氣壓(ya)力(li)(li)對氮(dan)的(de)(de)相(xiang)互作用系(xi)數8,反(fan)映了(le)常壓(ya)以上的(de)(de)高(gao)氮(dan)氣壓(ya)力(li)(li)對氮(dan)活度系(xi)數的(de)(de)影(ying)響。該研究通過考慮氮(dan)氣壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)影(ying)響，對高(gao)壓(ya)下氮(dan)活度系(xi)數進(jin)行修(xiu)正［式（2-19)],從而建立了(le)高(gao)氮(dan)氣壓(ya)力(li)(li)下的(de)(de)氮(dan)溶解熱力(li)(li)學(xue)模(mo)型來(lai)預測(ce)高(gao)氮(dan)不銹鋼熔體中的(de)(de)氮(dan)溶解度：

  經(jing)過修(xiu)正后(hou)，重新(xin)利用(yong)(yong)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)熱(re)力(li)(li)學模(mo)型(xing)計(ji)(ji)(ji)算(suan)了(le)文獻中1873K下純鐵、Fe-Cr和Fe-Mn 等(deng)合金體(ti)系在(zai)高氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)(li)下的(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度隨氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)變化，并(bing)與實驗數據進(jin)行了(le)比(bi)較，如圖(tu)2-6所示(shi)。同時，圖(tu)2-7比(bi)較了(le)氮(dan)(dan)(dan)活度系數計(ji)(ji)(ji)算(suan)式中壓力(li)(li)項修(xiu)正后(hou)的(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度模(mo)型(xing)計(ji)(ji)(ji)算(suan)值(zhi)與文獻實測值(zhi)。結果表明，修(xiu)正后(hou)的(de)(de)(de)(de)(de)模(mo)型(xing)預(yu)測值(zhi)與Jiang等(deng)及Satir-Kolorz和Feichtinger的(de)(de)(de)(de)(de)測量(liang)值(zhi)非(fei)常(chang)(chang)吻合，略小于Rawers和Gokcen[26]的(de)(de)(de)(de)(de)測量(liang)值(zhi)。該差異可能是由計(ji)(ji)(ji)算(suan)中選擇的(de)(de)(de)(de)(de)溫度為1923K而引起的(de)(de)(de)(de)(de)，因為當熔體(ti)以(yi)緩慢的(de)(de)(de)(de)(de)冷(leng)卻速率(lv)降低(di)到(dao)液相線時，氮(dan)(dan)(dan)濃度會增加。驗證結果表明，經(jing)壓力(li)(li)項修(xiu)正后(hou)的(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)熱(re)力(li)(li)學模(mo)型(xing)，適用(yong)(yong)于計(ji)(ji)(ji)算(suan)高氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)(li)下不銹鋼的(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度。在(zai)著作 Mastering P-ESR Technology for High Nitrogen Steel Grades for HighValue Applications中，Carosi等(deng)認為Jiang等(deng)建立的(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度模(mo)型(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)預(yu)測值(zhi)與工(gong)業結果非(fei)常(chang)(chang)符合，并(bing)將此模(mo)型(xing)應(ying)用(yong)(yong)到(dao)動(dong)態模(mo)型(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)仿真計(ji)(ji)(ji)算(suan)中。

  基于高氮氣壓(ya)力下氮溶解度模(mo)型的修正，本書(shu)作者針對(dui)含Nb和(he)含V鋼(gang)種，進一步研究了(le)其氮溶解熱力學行(xing)為，通(tong)過補(bu)充完善鋼(gang)液中Nb和(he)V對(dui)氮活度的相(xiang)互(hu)作用系(xi)數，構建了(le)包含 Nb、V體系(xi)鋼(gang)種或合金在氮氣加壓(ya)下的氮溶解度模(mo)型：

2. 合金(jin)元素成分(fen)對氮(dan)溶解(jie)度的影(ying)響(xiang)

 a. 合金(jin)元(yuan)素對氮的活(huo)度(du)相(xiang)互作用系(xi)數

  氮(dan)(dan)在鐵(tie)基合(he)(he)金(jin)(jin)熔體(ti)中的(de)溶解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)受其(qi)合(he)(he)金(jin)(jin)成(cheng)分的(de)影(ying)響(xiang)顯著(zhu)，許多常用合(he)(he)金(jin)(jin)元素(su)可有(you)效地提(ti)高(gao)氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)，同時(shi)也有(you)部分元素(su)會降低(di)(di)氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)。一(yi)般(ban)可以(yi)用各合(he)(he)金(jin)(jin)元素(su)對氮(dan)(dan)的(de)一(yi)階活度(du)(du)(du)相互作用系數(shu)（表(biao)2-4)來表(biao)征合(he)(he)金(jin)(jin)成(cheng)分對氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)的(de)影(ying)響(xiang)，當(dang)其(qi)值(zhi)為負時(shi)，相應的(de)合(he)(he)金(jin)(jin)元素(su)可降低(di)(di)熔體(ti)中氮(dan)(dan)的(de)活度(du)(du)(du)系數(shu)，增(zeng)加氮(dan)(dan)的(de)溶解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)；當(dang)其(qi)值(zhi)為正時(shi)，相應的(de)合(he)(he)金(jin)(jin)元素(su)則增(zeng)大氮(dan)(dan)的(de)活度(du)(du)(du)系數(shu)，降低(di)(di)氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)。

合(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)對氮的(de)活度相互作用系數(shu)，實質(zhi)上表(biao)征了該合(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)與(yu)(yu)氮元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)的(de)原(yuan)子(zi)間親和力，這與(yu)(yu)其在元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)周(zhou)(zhou)期(qi)表(biao)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)位置密(mi)切(qie)相關，因為元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)結(jie)構與(yu)(yu)它們(men)在周(zhou)(zhou)期(qi)表(biao)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)位置相對應。從(cong)合(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)的(de)微觀結(jie)構來看，同(tong)一(yi)周(zhou)(zhou)期(qi)中(zhong)(zhong)(zhong)，從(cong)左到(dao)右，元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)核外電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)層數(shu)相同(tong)，而最外層電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)數(shu)增加(jia)，原(yuan)子(zi)半(ban)徑(jing)遞(di)減（0族元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)除外）；同(tong)一(yi)族中(zhong)(zhong)(zhong)，從(cong)上到(dao)下，所有元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)具有相同(tong)數(shu)量的(de)價電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)，而核外電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)層數(shu)逐漸增多，原(yuan)子(zi)半(ban)徑(jing)增大。原(yuan)子(zi)半(ban)徑(jing)大的(de)合(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)對氮的(de)親和力普(pu)遍較強(qiang)。

  圖2-8給出了在(zai)1873K、0.1MPa氮氣壓力下Fe-X二元(yuan)(yuan)合(he)(he)金體(ti)(ti)(ti)系(xi)中各(ge)種常(chang)見金元(yuan)(yuan)素(su)X對氮溶(rong)解度(du)(du)的(de)(de)影響(xiang)。在(zai)合(he)(he)金熔(rong)(rong)體(ti)(ti)(ti)中，提高(gao)Mo、Mn、Ta、Cr、Nb和V等(deng)元(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)含量(liang)能夠(gou)顯(xian)著增(zeng)大熔(rong)(rong)體(ti)(ti)(ti)的(de)(de)氮溶(rong)解度(du)(du)。例如(ru)，在(zai)1873K和氮氣壓力為(wei)0.1MPa條件下，Cr、Mn等(deng)典(dian)型合(he)(he)金元(yuan)(yuan)素(su)能夠(gou)提高(gao)高(gao)氮無(wu)鎳奧氏體(ti)(ti)(ti)不(bu)銹鋼熔(rong)(rong)體(ti)(ti)(ti)的(de)(de)氮溶(rong)解度(du)(du)，其中20%Cr-20%Mn合(he)(he)金體(ti)(ti)(ti)系(xi)中氮溶(rong)解度(du)(du)可達(da)0.8%以(yi)上，如(ru)圖2-9所示。然而，提高(gao)C、Si等(deng)元(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)含量(liang)則會明(ming)顯(xian)降低熔(rong)(rong)體(ti)(ti)(ti)的(de)(de)氮溶(rong)解度(du)(du)，其他元(yuan)(yuan)素(su)（如(ru)Ni、Co、Cu、Sn和W等(deng)）含量(liang)的(de)(de)變化則對熔(rong)(rong)體(ti)(ti)(ti)的(de)(de)氮溶(rong)解度(du)(du)影響(xiang)相對較小。

  如(ru)圖2-10所示，根(gen)據對氮(dan)在(zai)熔(rong)體中(zhong)(zhong)溶解(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響規律不同，合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)大(da)體可以分(fen)為三大(da)類：①. 第(di)一類為對熔(rong)融鐵(tie)基(ji)(ji)合(he)金(jin)(jin)中(zhong)(zhong)氮(dan)溶解(jie)度(du)(du)具有(you)顯著(zhu)(zhu)提升作用的(de)(de)(de)(de)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)，如(ru)Cr、Mo、Mn、Ti、Zr、V和Nb等(deng)(deng)，其(qi)中(zhong)(zhong)Ti、Zr、V和Nb具有(you)強烈的(de)(de)(de)(de)形成氮(dan)化(hua)物的(de)(de)(de)(de)趨勢。Cr作為不銹鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)重(zhong)要合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)之一，能夠(gou)顯著(zhu)(zhu)提高熔(rong)融鐵(tie)基(ji)(ji)合(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)氮(dan)溶解(jie)度(du)(du)，其(qi)與Ti、Zr、V和Nb相比，形成氮(dan)化(hua)物的(de)(de)(de)(de)趨勢較(jiao)小(xiao)(xiao)。②. Ni、Co和Cu等(deng)(deng)元(yuan)(yuan)素(su)(su)為第(di)二(er)類，對氮(dan)溶解(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響較(jiao)小(xiao)(xiao)。其(qi)中(zhong)(zhong)Ni是不銹鋼(gang)中(zhong)(zhong)重(zhong)要的(de)(de)(de)(de)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)，但它對氮(dan)溶解(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)負(fu)面影(ying)響會(hui)降低高氮(dan)合(he)金(jin)(jin)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)氮(dan)含量。③. 第(di)三類為C、Si等(deng)(deng)非金(jin)(jin)屬元(yuan)(yuan)素(su)(su)和A1等(deng)(deng)元(yuan)(yuan)素(su)(su)，具有(you)明顯降低熔(rong)體氮(dan)溶解(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)作用。

  b. 合金元素的鉻(ge)等效因子與(yu)鉻(ge)當量濃度

  除合金(jin)(jin)(jin)元素(su)對(dui)氮(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)活度(du)(du)相(xiang)互作用系數(shu)外，也可以通過參(can)考(kao)元素(su)的(de)(de)(de)(de)(de)等效(xiao)作用來描述不同元素(su)對(dui)熔(rong)體(ti)氮(dan)溶(rong)解度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)影響。較(jiao)為(wei)(wei)(wei)典(dian)型的(de)(de)(de)(de)(de)是以鉻(ge)(ge)為(wei)(wei)(wei)參(can)考(kao)，因為(wei)(wei)(wei)鉻(ge)(ge)具有相(xiang)當(dang)(dang)強(qiang)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)加氮(dan)溶(rong)解度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)作用，并且被認為(wei)(wei)(wei)是合金(jin)(jin)(jin)材(cai)料(liao)中最重要的(de)(de)(de)(de)(de)合金(jin)(jin)(jin)元素(su)之一。在活度(du)(du)相(xiang)互作用系數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)基(ji)礎上，Satir-Kolorz與(yu)Feichtinger 換算(suan)了(le)各種合金(jin)(jin)(jin)元素(su)的(de)(de)(de)(de)(de)鉻(ge)(ge)等效(xiao)因子c.表2-4列出(chu)了(le)Ti、Zr、V、Nb、Ta、W、C、B、Al、Si、P、As、Sb和Sn等元素(su)的(de)(de)(de)(de)(de)鉻(ge)(ge)等效(xiao)因子。對(dui)于不同合金(jin)(jin)(jin)體(ti)系，可以將體(ti)系中各種合金(jin)(jin)(jin)元素(su)X;的(de)(de)(de)(de)(de)濃度(du)(du)乘(cheng)以相(xiang)應(ying)(ying)的(de)(de)(de)(de)(de)鉻(ge)(ge)等效(xiao)因子獲得對(dui)應(ying)(ying)的(de)(de)(de)(de)(de)鉻(ge)(ge)當(dang)(dang)量濃度(du)(du)。據此(ci)，可將熔(rong)體(ti)中所有合金(jin)(jin)(jin)元素(su)X;的(de)(de)(de)(de)(de)濃度(du)(du)轉換為(wei)(wei)(wei)鉻(ge)(ge)當(dang)(dang)量濃度(du)(du)。

  通(tong)過(guo)(guo)(guo)實驗(yan)測量(liang)鋼(gang)中的(de)(de)平衡氮(dan)(dan)含量(liang)，得到了合(he)金體(ti)系(xi)(xi)對應的(de)(de)數值，如圖2-11中空(kong)心點所示；通(tong)過(guo)(guo)(guo)式（2-23)計(ji)算(suan)可(ke)以得到不同鉻(ge)(ge)當(dang)(dang)(dang)量(liang)濃(nong)度與0.51gPN2-lg[%N]-e≈[%N](氮(dan)(dan)活(huo)度系(xi)(xi)數）之(zhi)(zhi)間(jian)的(de)(de)關(guan)(guan)系(xi)(xi)曲線(xian)(xian)，兩符合(he)良(liang)好(hao)，驗(yan)證(zheng)了此等效(xiao)方法的(de)(de)合(he)理性。此研究的(de)(de)特別(bie)之(zhi)(zhi)處在于(yu)，通(tong)過(guo)(guo)(guo)鉻(ge)(ge)當(dang)(dang)(dang)量(liang)濃(nong)度來間(jian)接(jie)表(biao)示多(duo)種合(he)金元(yuan)素在大濃(nong)度范圍(wei)內的(de)(de)所有數據，可(ke)以將復雜的(de)(de)多(duo)組元(yuan)熔體(ti)等效(xiao)為鐵(tie)－氮(dan)(dan)－鉻(ge)(ge)三元(yuan)體(ti)系(xi)(xi)后計(ji)算(suan)氮(dan)(dan)的(de)(de)溶解(jie)度。基于(yu)鉻(ge)(ge)等效(xiao)因子，通(tong)過(guo)(guo)(guo)鉻(ge)(ge)當(dang)(dang)(dang)量(liang)濃(nong)度的(de)(de)換算(suan)并參(can)考(kao)關(guan)(guan)系(xi)(xi)曲線(xian)(xian)（圖2-11),復雜的(de)(de)多(duo)組元(yuan)熔體(ti)氮(dan)(dan)溶解(jie)度可(ke)統一表(biao)示為

3. 溫度對(dui)氮溶解度的影響(xiang)

  溫(wen)度對(dui)合(he)金熔體(ti)中(zhong)(zhong)氮(dan)溶解(jie)(jie)度的(de)(de)(de)(de)影響，取(qu)決(jue)于氮(dan)在合(he)金熔體(ti)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)溶解(jie)(jie)反應為吸熱還是放熱過程，即氮(dan)溶解(jie)(jie)反應焓變ΔH的(de)(de)(de)(de)正負。在一定(ding)氮(dan)氣壓力下，對(dui)于不(bu)同合(he)金成(cheng)分(fen)的(de)(de)(de)(de)熔體(ti)而言，氮(dan)溶解(jie)(jie)度對(dui)溫(wen)度的(de)(de)(de)(de)依(yi)賴性（溫(wen)度對(dui)氮(dan)溶解(jie)(jie)度的(de)(de)(de)(de)影響趨勢）是不(bu)同的(de)(de)(de)(de)，且(qie)隨溫(wen)度的(de)(de)(de)(de)變化程度也(ye)不(bu)同，這是由(you)該(gai)熔體(ti)中(zhong)(zhong)合(he)金元素的(de)(de)(de)(de)種類與含(han)量共同決(jue)定(ding)的(de)(de)(de)(de)，即ΔH的(de)(de)(de)(de)正負是由(you)合(he)金成(cheng)分(fen)決(jue)定(ding)的(de)(de)(de)(de)。

  0.1MPa氮(dan)(dan)氣壓力(li)下常見的(de)(de)Fe-Cr-Mn-Ni合金體(ti)系在(zai)1750~2000K溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)范圍內的(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)與溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)關系如圖2-12所示。可以看出，純鐵和Fe20Ni合金體(ti)系的(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)較(jiao)低，并且(qie)隨溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)升高(gao)逐(zhu)漸(jian)增(zeng)(zeng)大。隨著(zhu)熔體(ti)中鉻(ge)、錳(meng)等元素含量的(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)，如Fe18Mn和Fe18Cr等合金體(ti)系，氮(dan)(dan)的(de)(de)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)顯著(zhu)增(zeng)(zeng)大，溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)對氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)影響更(geng)加(jia)(jia)明(ming)顯，且(qie)隨著(zhu)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)下降，熔體(ti)中的(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)逐(zhu)漸(jian)增(zeng)(zeng)大。Fe18Cr8Ni合金的(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)對溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)依賴性也(ye)為(wei)負(fu)；此外，由于鎳具有降低氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)作用，相對于Fe18Cr合金，Fe18Cr8Ni合金的(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)隨溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)變化的(de)(de)趨勢比較(jiao)平緩。

  從溶解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)熱力學(xue)理論來(lai)看，在(zai)合(he)金(jin)成(cheng)分與氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)(de)條件(jian)下，溫(wen)度(du)(du)(du)對(dui)(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)規律為：若式（2-36)中參數a<0,即焓變(bian)ΔH>0時，氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)反(fan)應為吸熱過(guo)(guo)程(cheng)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)隨(sui)(sui)(sui)溫(wen)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)升(sheng)高(gao)(gao)而(er)增大(da)(da)；若a>0,即焓變(bian)ΔH<0時，反(fan)為放熱過(guo)(guo)程(cheng)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)隨(sui)(sui)(sui)溫(wen)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)升(sheng)高(gao)(gao)而(er)減小(xiao)。因(yin)此，溫(wen)度(du)(du)(du)對(dui)(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)取決(jue)于焓變(bian)ΔH數值(zhi)的(de)(de)(de)(de)正負和(he)大(da)(da)小(xiao)，最終(zhong)歸結為合(he)金(jin)成(cheng)分決(jue)定(ding)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)溫(wen)度(du)(du)(du)依賴性(xing)。利用氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)模(mo)型(xing)，Satir-Kolorz 等(deng)探(tan)究(jiu)了(le)不同(tong)的(de)(de)(de)(de)合(he)金(jin)體系(xi)(xi)在(zai)0.1MPa和(he)5MPa氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力下，1750~2000K 范圍內氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)與溫(wen)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)關(guan)系(xi)(xi)，如圖2-13所(suo)示。結果(guo)與上面(mian)分析的(de)(de)(de)(de)一(yi)致，在(zai)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)(de)條件(jian)下，溫(wen)度(du)(du)(du)對(dui)(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)取決(jue)于合(he)金(jin)的(de)(de)(de)(de)成(cheng)分：含有(you)(you)增加氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)元素（如Mn、Cr、Mo)的(de)(de)(de)(de)鐵(tie)基合(he)金(jin)（Fe-Cr和(he)Fe-Mn合(he)金(jin)體系(xi)(xi)），氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)溶解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)隨(sui)(sui)(sui)著溫(wen)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)升(sheng)高(gao)(gao)而(er)降低；而(er)對(dui)(dui)于含有(you)(you)降低氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)元素的(de)(de)(de)(de)鐵(tie)基合(he)金(jin)（如Fe-Ni合(he)金(jin)），隨(sui)(sui)(sui)著溫(wen)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)升(sheng)高(gao)(gao)，熔(rong)體中的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)增大(da)(da)。

4. 氮(dan)氣壓力對氮(dan)溶解度的影響

  鑒于高氮(dan)(dan)鋼產品對高氮(dan)(dan)含(han)量(liang)的(de)(de)(de)需(xu)求，在常壓(ya)氮(dan)(dan)氣環(huan)境中無法實(shi)(shi)現(xian)鋼液(ye)的(de)(de)(de)高效增氮(dan)(dan)和(he)保(bao)氮(dan)(dan)，提高冶(ye)煉過(guo)程(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)氣壓(ya)力成(cheng)(cheng)為(wei)有效手(shou)段。氮(dan)(dan)氣加壓(ya)冶(ye)煉技術(shu)，不僅(jin)能夠通過(guo)促進氣相－合金熔(rong)體(ti)間的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶解反應實(shi)(shi)現(xian)更佳的(de)(de)(de)增氮(dan)(dan)效果(guo)，在抑制高氮(dan)(dan)濃度鋼液(ye)凝固過(guo)程(cheng)(cheng)中氮(dan)(dan)氣孔的(de)(de)(de)形成(cheng)(cheng)方面(mian)也發(fa)揮著重要作用。研究(jiu)不同氮(dan)(dan)氣壓(ya)力下合金熔(rong)體(ti)中的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶解度，成(cheng)(cheng)為(wei)精確控制氮(dan)(dan)氣加壓(ya)冶(ye)煉工藝鋼中氮(dan)(dan)含(han)量(liang)的(de)(de)(de)重要理(li)論基礎。在常壓(ya)［如(ru)圖2-14(a)和(he)加壓(ya)［如(ru)圖2-14(b)]條件下，液(ye)態(tai)鐵基合金中的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶解度隨(sui)氮(dan)(dan)氣壓(ya)力的(de)(de)(de)提高而顯著增大。

a. 低(di)氮(dan)氣壓力

  如(ru)前所述，氮(dan)(dan)氣(qi)在(zai)金屬熔體中(zhong)(zhong)的溶解(jie)(jie)屬于(yu)雙原子分子的溶解(jie)(jie)過程，在(zai)低氮(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)范(fan)圍(wei)內(nei)，氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度隨氮(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)的變化符合(he)Sieverts定(ding)律(lv)。眾多(duo)研究(jiu)已經證(zheng)實，在(zai)小于(yu)0.1MPa的低氮(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)范(fan)圍(wei)內(nei)，不銹鋼體系（表(biao)2-5中(zhong)(zhong)1~3號）的氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度與氮(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)的關(guan)系符合(he) Sieverts定(ding)律(lv)，即呈線(xian)性相關(guan)，如(ru)圖2-15所示。

  為了進一步驗證不(bu)同(tong)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)下(xia) Sieverts定(ding)律(lv)的(de)適用情況(kuang)，Jiang(姜周(zhou)華）等研究了氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)不(bu)高于0.1MPa,即低氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)典(dian)型(xing)不(bu)銹鋼品種AISI304和(he)AISI 316L 熔(rong)體中氮(dan)(dan)溶(rong)解度(du)與(yu)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)關系，結(jie)果如圖2-16所示。隨著氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)增加，氮(dan)(dan)在兩(liang)類典(dian)型(xing)不(bu)銹鋼熔(rong)體中的(de)溶(rong)解度(du)顯著提升，并且與(yu)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)關系符合(he)Sieverts定(ding)律(lv)。

 b. 高氮氣壓力

  隨(sui)著冶煉過程中氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力的進一步提高(gao)，各種合(he)金(jin)體系(xi)(xi)的氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)(du)均會增大。純鐵(tie)液的飽和氮(dan)(dan)(dan)濃(nong)度(du)(du)不僅(jin)在(zai)常壓以下(xia)(xia)，而且在(zai)0.1~200MPa的高(gao)壓范圍內也始終與氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力的平(ping)方根呈(cheng)線性關系(xi)(xi)。這是(shi)因為即使在(zai)高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力下(xia)(xia)純鐵(tie)液中的氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)(du)也處(chu)于較(jiao)低(di)(di)的水平(ping)，如圖(tu)2-17所示。在(zai)Fe-Ni合(he)金(jin)體系(xi)(xi)中，由于鎳(nie)元素具有(you)降低(di)(di)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)(du)的作用，鎳(nie)含量越高(gao)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)(du)反而越低(di)(di)，即使在(zai)高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力下(xia)(xia)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)(du)也處(chu)于較(jiao)低(di)(di)水平(ping)。研究結果表明，高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力下(xia)(xia)Fe-Ni體系(xi)(xi)也符合(he) Sieverts定律，如圖(tu)2-18所示。

  然而，隨著高氮(dan)(dan)鋼品種的(de)(de)開發(fa)(fa)和冶(ye)煉工藝的(de)(de)發(fa)(fa)展，大量(liang)研究顯示，對于較高氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力下的(de)(de)Fe-Cr-Mn-Ni-Mo等(deng)高合金體(ti)系(xi)（表(biao)2-5中4~6號），氮(dan)(dan)溶解度隨氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力的(de)(de)變化與Sieverts定律描述的(de)(de)線性關系(xi)產(chan)生了較大的(de)(de)偏差，如(ru)圖2-19所示。

  圖2-19 1873K 高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)下(xia)(xia)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)隨氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)平方根的(de)(de)(de)變化(hua)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)與(yu)Sieverts 定律的(de)(de)(de)偏離(li)，并(bing)非存在于(yu)所有高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)下(xia)(xia)的(de)(de)(de)情況，與(yu)合(he)金(jin)(jin)(jin)熔(rong)體成分密切相(xiang)(xiang)(xiang)關。上(shang)述純(chun)鐵液和Fe-Ni合(he)金(jin)(jin)(jin)這兩類(lei)低氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)體系就是(shi)(shi)偏差不顯著的(de)(de)(de)實例；相(xiang)(xiang)(xiang)反(fan)，具有高(gao)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)合(he)金(jin)(jin)(jin)熔(rong)體（如Fe-Cr-Mn體系）在高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)下(xia)(xia)通常(chang)不符(fu)合(he) Sieverts 定律。由(you)此可以(yi)推測，高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)下(xia)(xia)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)隨氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)提高(gao)較(jiao)慢的(de)(de)(de)原因是(shi)(shi)，高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)下(xia)(xia)熔(rong)體中氮(dan)(dan)(dan)濃度(du)(du)(du)(du)處于(yu)較(jiao)高(gao)水(shui)平，不再滿足無限稀釋溶(rong)液的(de)(de)(de)理想(xiang)情況。此時，氮(dan)(dan)(dan)原子(zi)之間存在自(zi)身(shen)相(xiang)(xiang)(xiang)互作用(yong)(yong)，彼此之間的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)斥效(xiao)應將會導致(zhi)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)降(jiang)低；氮(dan)(dan)(dan)濃度(du)(du)(du)(du)越(yue)高(gao)，氮(dan)(dan)(dan)自(zi)身(shen)的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)斥作用(yong)(yong)越(yue)明顯。由(you)此可知，高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)下(xia)(xia)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)與(yu)Sieverts 定律的(de)(de)(de)偏離(li)主要由(you)氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)自(zi)身(shen)相(xiang)(xiang)(xiang)互作用(yong)(yong)導致(zhi)，而高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)通常(chang)是(shi)(shi)熔(rong)體中高(gao)氮(dan)(dan)(dan)含量的(de)(de)(de)一個關鍵(jian)誘因。

  對于(yu)圖(tu)2-17和圖(tu)2-18中純(chun)鐵液、低(di)(di)合(he)(he)金鋼或類似Fe-Ni合(he)(he)金等(deng)(deng)低(di)(di)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度的(de)(de)體系而言，氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)自身相互作(zuo)用(yong)幾乎可以(yi)忽略，在高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)下氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度與氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)的(de)(de)平方根也(ye)接近線性(xing)關系。常見的(de)(de)具有高(gao)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度的(de)(de)Fe-Cr-Mn等(deng)(deng)體系則不同，在高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)下高(gao)合(he)(he)金含量的(de)(de)熔體氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度可達1%以(yi)上，超出 Sieverts定律(lv)的(de)(de)適(shi)(shi)用(yong)范圍。定義Sieverts定律(lv)對氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度的(de)(de)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)適(shi)(shi)用(yong)極限(xian)，為開始(shi)出現明(ming)顯(xian)(xian)偏差的(de)(de)臨界氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)，如圖(tu)2-20所示，不同鉻含量的(de)(de)Fe-Cr合(he)(he)金的(de)(de)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)適(shi)(shi)用(yong)極限(xian)不同（實驗數據來源于(yu)Torkhov等(deng)(deng)的(de)(de)研究）。隨著(zhu)鉻和氮(dan)(dan)(dan)含量的(de)(de)增(zeng)加，Sieverts定律(lv)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)適(shi)(shi)用(yong)極限(xian)快速降低(di)(di)，高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)下的(de)(de)偏差程度也(ye)變得更為顯(xian)(xian)著(zhu)。

  針對(dui)高(gao)(gao)(gao)(gao)合金、高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解度(du)(du)體(ti)系(xi)(xi)(xi)在(zai)(zai)(zai)高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解熱力(li)學偏(pian)離(li) Sieverts定律(lv)的(de)(de)(de)現象(xiang)，可(ke)通過(guo)熔體(ti)中各類原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)之(zhi)間(jian)存(cun)在(zai)(zai)(zai)的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)來解釋氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)溶解機制。圖(tu)(tu)2-21(a)顯(xian)示(shi)了單個(ge)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)在(zai)(zai)(zai)鐵原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)晶格中的(de)(de)(de)賦存(cun)狀況(kuang)：由(you)(you)(you)(you)于(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)處(chu)(chu)于(yu)無(wu)限稀釋的(de)(de)(de)狀態，它只與鐵原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)存(cun)在(zai)(zai)(zai)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)，不發生氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)自身(shen)的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)。圖(tu)(tu)2-21(b)顯(xian)示(shi)了高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃(nong)(nong)度(du)(du)下(xia)（如在(zai)(zai)(zai)高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)下(xia)）的(de)(de)(de)鐵－氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)二元合金晶格：氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)周圍除(chu)相(xiang)(xiang)(xiang)鄰的(de)(de)(de)鐵原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)，也存(cun)在(zai)(zai)(zai)臨近(jin)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)間(jian)彼此相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)(hu)抑制，從而(er)導致(zhi)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解度(du)(du)降低并偏(pian)離(li) Sieverts 定律(lv)的(de)(de)(de)預測曲線。這(zhe)種自身(shen)作(zuo)(zuo)用(yong)可(ke)由(you)(you)(you)(you)自身(shen)活度(du)(du)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)系(xi)(xi)(xi)數來表示(shi)，由(you)(you)(you)(you)于(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)之(zhi)間(jian)處(chu)(chu)于(yu)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)(hu)抑制的(de)(de)(de)狀態，自身(shen)活度(du)(du)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)系(xi)(xi)(xi)數e值為正數。圖(tu)(tu)2-21(c)顯(xian)示(shi)了鐵－鉻(ge)(ge)(ge)－氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)三元合金的(de)(de)(de)晶格：由(you)(you)(you)(you)于(yu)鉻(ge)(ge)(ge)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)之(zhi)間(jian)具有很強(qiang)的(de)(de)(de)吸引(yin)力(li)，其(qi)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)系(xi)(xi)(xi)數為負值。在(zai)(zai)(zai)此結構(gou)中，由(you)(you)(you)(you)于(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)向(xiang)鉻(ge)(ge)(ge)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)偏(pian)移，就有更多空間(jian)留給額(e)外(wai)(wai)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，從而(er)產(chan)生較(jiao)高(gao)(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解度(du)(du)。不過(guo)隨(sui)著(zhu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃(nong)(nong)度(du)(du)的(de)(de)(de)增(zeng)加，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)對(dui)自身(shen)的(de)(de)(de)強(qiang)烈排斥(chi)作(zuo)(zuo)用(yong)開(kai)始(shi)凸(tu)顯(xian)，因此在(zai)(zai)(zai)高(gao)(gao)(gao)(gao)鉻(ge)(ge)(ge)和高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃(nong)(nong)度(du)(du)下(xia)，實(shi)際(ji)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解度(du)(du)隨(sui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)的(de)(de)(de)變化規律(lv)與 Sieverts定律(lv)之(zhi)間(jian)存(cun)在(zai)(zai)(zai)明顯(xian)的(de)(de)(de)偏(pian)差。

  研究發現(xian)，在(zai)超過(guo)10MPa氮氣壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)(de)(de)(de)條(tiao)件(jian)下(xia)(xia)，將合(he)金元素含量提高至45%,熔體(ti)(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)氮溶解(jie)(jie)度(du)可以(yi)(yi)高達(da)3%以(yi)(yi)上。在(zai)氮濃度(du)如此高的(de)(de)(de)(de)(de)情況(kuang)下(xia)(xia)，熔體(ti)(ti)(ti)不(bu)滿足使用(yong)(yong)(yong)Sieverts 定(ding)律的(de)(de)(de)(de)(de)前提條(tiao)件(jian)，即無限稀釋溶液的(de)(de)(de)(de)(de)假設，因(yin)此在(zai)此條(tiao)件(jian)下(xia)(xia)，Sieverts定(ding)律無法準確(que)(que)預(yu)測(ce)氮溶解(jie)(jie)度(du)，必(bi)須引入一個附加的(de)(de)(de)(de)(de)活(huo)(huo)度(du)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)f,以(yi)(yi)體(ti)(ti)(ti)現(xian)氮對(dui)(dui)自身作(zuo)用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)影響。圖(tu)2-22顯示了實驗測(ce)得的(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)同氮氣壓(ya)(ya)力(li)下(xia)(xia)，不(bu)同合(he)金體(ti)(ti)(ti)系(xi)(xi)中氮溶解(jie)(jie)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)變化。首先在(zai)不(bu)考慮(lv)氮自身相(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)情況(kuang)下(xia)(xia)，通過(guo)對(dui)(dui)實驗結(jie)果進行(xing)回歸分析，確(que)(que)定(ding)鉻(ge)、錳、鉬和鎳等(deng)主要(yao)合(he)金元素對(dui)(dui)氮的(de)(de)(de)(de)(de)一階(jie)和二階(jie)活(huo)(huo)度(du)相(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)。同時(shi)，從文獻數(shu)(shu)(shu)(shu)據中獲得其他合(he)金元素的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)。基于所有合(he)金對(dui)(dui)體(ti)(ti)(ti)系(xi)(xi)中氮活(huo)(huo)度(du)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)，通過(guo)回歸分析確(que)(que)定(ding)氮對(dui)(dui)自身的(de)(de)(de)(de)(de)活(huo)(huo)度(du)相(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)e為0.13。e的(de)(de)(de)(de)(de)數(shu)(shu)(shu)(shu)值為正，表明氮含量的(de)(de)(de)(de)(de)提高會增加活(huo)(huo)度(du)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)，降低自身溶解(jie)(jie)度(du)。