1. 常壓下基熔(rong)體的氮溶解度模型(xing)

  常溫(wen)下(xia)(xia)氮(dan)以雙原(yuan)子分(fen)(fen)子形式存在，高溫(wen)下(xia)(xia)則分(fen)(fen)解成氮(dan)原(yuan)子溶(rong)(rong)解于金(jin)屬熔(rong)體(ti)(ti)中。如圖2-1所示，氮(dan)在金(jin)屬熔(rong)體(ti)(ti)中的溶(rong)(rong)解過程可以描述如下(xia)(xia)：氮(dan)氣(qi)接觸到熔(rong)體(ti)(ti)表面后(hou)發生物理吸(xi)(xi)附，當(dang)氣(qi)體(ti)(ti)分(fen)(fen)子和(he)熔(rong)體(ti)(ti)表面的結合(he)力(li)大于氣(qi)體(ti)(ti)內部(bu)分(fen)(fen)子的結合(he)力(li)時發生化學吸(xi)(xi)附，吸(xi)(xi)附的氮(dan)分(fen)(fen)子分(fen)(fen)解成原(yuan)子，隨后(hou)從熔(rong)體(ti)(ti)表面向內部(bu)擴散。

  表2-1總結了研究人員(yuan)在1873K、0.1MPa氮氣(qi)壓力(li)下測得的熔(rong)融(rong)(rong)鐵(tie)液(ye)中(zhong)的氮溶(rong)(rong)解度(du)(du)。根據文獻中(zhong)的實驗數據可知，熔(rong)融(rong)(rong)鐵(tie)液(ye)的氮溶(rong)(rong)解度(du)(du)集(ji)中(zhong)在0.043%~0.046%范圍內。圖2-2歸納了冶煉溫(wen)度(du)(du)對熔(rong)融(rong)(rong)鐵(tie)液(ye)中(zhong)氮溶(rong)(rong)解度(du)(du)的影(ying)響(xiang)。可以(yi)看出(chu)，在熔(rong)融(rong)(rong)鐵(tie)液(ye)中(zhong)，氮溶(rong)(rong)解度(du)(du)隨溫(wen)度(du)(du)的升高而增大。

  若氮(dan)(dan)活度(du)的參考態為(wei)合金(jin)(jin)熔體中假想(xiang)的1%N溶液，則0.5mol氮(dan)(dan)氣溶解于合金(jin)(jin)熔體的吉(ji)布斯自由(you)能變可以表示為(wei)

  在早期對合(he)金(jin)熔(rong)體中氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)研究(jiu)中，各(ge)種合(he)金(jin)元素(su)對氮(dan)(dan)的(de)(de)二階(jie)活(huo)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)相(xiang)互(hu)作用(yong)系數(shu)及(ji)二階(jie)交(jiao)叉活(huo)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)相(xiang)互(hu)作用(yong)系數(shu)的(de)(de)相(xiang)關測定(ding)尚不完善。1965年，Chipman等［18]開發了僅使用(yong)一階(jie)活(huo)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)相(xiang)互(hu)作用(yong)系數(shu)而(er)不涉及(ji)高階(jie)項的(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)模(mo)型(xing)。基于Chipman等的(de)(de)研究(jiu)結果和1873K下(xia)不同(tong)(tong)元素(su)對氮(dan)(dan)的(de)(de)一階(jie)活(huo)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)相(xiang)互(hu)作用(yong)系數(shu)（表2-2)[19],可以得到1873K下(xia)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)模(mo)型(xing)中氮(dan)(dan)的(de)(de)活(huo)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)系數(shu)1gf[式（2-9)],其他冶煉(lian)溫度(du)(du)(du)(du)(du)(du)下(xia)氮(dan)(dan)的(de)(de)活(huo)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)系數(shu)可由式（2-10)轉換(huan)獲得。據此，Chipman 等建立了預測不同(tong)(tong)溫度(du)(du)(du)(du)(du)(du)下(xia)合(he)金(jin)熔(rong)體中氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)式（2-11)。

  隨著對多元(yuan)合(he)(he)(he)金(jin)熔(rong)體氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)(du)研究(jiu)的(de)(de)(de)(de)深入(ru)(ru)，各種合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素對氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)一階(jie)、二(er)階(jie)以及二(er)階(jie)交叉活(huo)(huo)度(du)(du)(du)相(xiang)互作用(yong)(yong)系(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)實驗研究(jiu)與測(ce)定(ding)逐(zhu)步完善。1990年，Grigorenko等。探究(jiu)了合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素對氮(dan)(dan)(dan)(dan)活(huo)(huo)度(du)(du)(du)系(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)，認為在較高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)合(he)(he)(he)金(jin)濃度(du)(du)(du)下，僅采用(yong)(yong)一階(jie)活(huo)(huo)度(du)(du)(du)相(xiang)互作用(yong)(yong)系(xi)數(shu)(shu)(shu)來(lai)計(ji)算氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)活(huo)(huo)度(du)(du)(du)系(xi)數(shu)(shu)(shu)和預(yu)(yu)測(ce)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)(du)是不(bu)夠準確的(de)(de)(de)(de)。為了進一步提高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)(du)預(yu)(yu)測(ce)模型的(de)(de)(de)(de)準確性，必須以二(er)階(jie)乃(nai)至更高(gao)(gao)(gao)階(jie)泰勒級(ji)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)形式表(biao)示(shi)氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)活(huo)(huo)度(du)(du)(du)系(xi)數(shu)(shu)(shu)，即引入(ru)(ru)合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素對氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)高(gao)(gao)(gao)階(jie)活(huo)(huo)度(du)(du)(du)相(xiang)互作用(yong)(yong)系(xi)數(shu)(shu)(shu)。據此(ci)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)活(huo)(huo)度(du)(du)(du)系(xi)數(shu)(shu)(shu)按高(gao)(gao)(gao)階(jie)泰勒級(ji)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)形式展開，可表(biao)示(shi)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)為基礎的(de)各(ge)種合(he)金(jin)材料的(de)生產與應用非(fei)常廣泛，1996年Anson等開發了種常壓(ya)下以熔融(rong)Fe-20%Cr 合(he)金(jin)為基體的(de)氮(dan)溶解(jie)度(du)模型(xing)。在熔融(rong)Fe-20%Cr基合(he)金(jin)中，氮(dan)溶解(jie)熱力(li)學(xue)平衡關系如下所示：

3. 高氮氣壓力下的氮溶解度模型

  隨(sui)著含氮(dan)鋼種相關(guan)研究的不斷深入(ru)，高氮(dan)鋼由(you)于(yu)其優異的力(li)(li)學性(xing)(xing)能和耐(nai)腐蝕性(xing)(xing)能，在諸多領域得(de)到(dao)了廣泛(fan)應用。大(da)量研究發現，在高氮(dan)氣壓(ya)力(li)(li)下(xia)，高合金體系中氮(dan)溶解度出現了偏離(li) Sieverts 定律的現象，導(dao)致(zhi)高氮(dan)氣壓(ya)力(li)(li)下(xia)氮(dan)溶解度預測(ce)模型的準確度大(da)幅降低。

  如(ru)圖(tu)(tu)2-3和圖(tu)(tu)2-4所示，當鉻(ge)、錳等含量(liang)(liang)較高(gao)(gao)時(shi)，高(gao)(gao)氮氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)下(xia)(xia)合(he)金熔體的(de)(de)(de)(de)氮溶(rong)解(jie)度(du)(du)達到了(le)較高(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)數(shu)值(zhi)(zhi)，此時(shi)僅能(neng)在小(xiao)范圍內呈線性關(guan)(guan)系，合(he)金中的(de)(de)(de)(de)氮含量(liang)(liang)依然能(neng)隨著氮氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)加而持續提(ti)高(gao)(gao)，但與低(di)氮氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)時(shi)相比，高(gao)(gao)氮氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)下(xia)(xia)氮溶(rong)解(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)加趨勢(shi)明顯變緩。高(gao)(gao)氮氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)下(xia)(xia)氮氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)對氮溶(rong)解(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)提(ti)升作用被削弱，具(ju)體表現為實(shi)測的(de)(de)(de)(de)氮溶(rong)解(jie)度(du)(du)［％N]低(di)于根(gen)據Sieverts定(ding)律計(ji)算(suan)的(de)(de)(de)(de)值(zhi)(zhi)，即圖(tu)(tu)中各個實(shi)線（實(shi)驗值(zhi)(zhi)）均處(chu)于相應(ying)虛(xu)線（計(ji)算(suan)值(zhi)(zhi)）下(xia)(xia)方。同時(shi)，兩(liang)曲線的(de)(de)(de)(de)偏離程(cheng)度(du)(du)隨著鉻(ge)、錳等元(yuan)素含量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)加而變得(de)嚴重。這表明在氮氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)大于0.1MPa的(de)(de)(de)(de)冶煉(lian)氣(qi)(qi)氛中，尤其(qi)是當金屬熔體含有(you)(you)較高(gao)(gao)量(liang)(liang)具(ju)有(you)(you)提(ti)升氮溶(rong)解(jie)度(du)(du)能(neng)力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)合(he)金元(yuan)素時(shi)，氮溶(rong)解(jie)度(du)(du)很(hen)高(gao)(gao)，其(qi)與氮氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)關(guan)(guan)系將不再符合(he) Sieverts定(ding)律。

  1993年Rawers等［24]通過實(shi)驗研究了(le)Fe-Cr和Fe-Cr-Ni等合金(jin)體系在高氮(dan)氣(qi)壓力(li)下氮(dan)的溶解度模型(xing)。圖2-5給出了(le)不同氮(dan)氣(qi)壓力(li)下氮(dan)活度系數(shu)InfN隨鉻濃度變化(hua)曲線。對于鐵(tie)基合金(jin)，在低鉻濃度范圍內，lnfN與鉻濃度之間(jian)存在線性(xing)關系，其斜率隨著氮(dan)氣(qi)壓力(li)的增加而變化(hua)；在較高鉻濃度時，則(ze)明顯偏離線性(xing)關系。

  基(ji)于(yu)對實驗數據的(de)(de)回(hui)歸分(fen)析，獲得了Fe-Cr與Fe-Cr-Ni體系氮(dan)(dan)溶(rong)解度(du)模型中各相互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)系數，見(jian)表(biao)2-3.通過成分(fen)相互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)和氮(dan)(dan)氣壓力－成分(fen)效(xiao)應對氮(dan)(dan)溶(rong)解度(du)模型的(de)(de)修正(zheng)，可以(yi)更精確地預(yu)測高合金體系在高氮(dan)(dan)氣壓力條件(jian)下的(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解度(du)。

  為了進一步修(xiu)正高氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)(li)下(xia)的氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解度(du)(du)(du)模(mo)型(xing)(xing)，2005年Jiang(姜周華）等［25]根據(ju)實驗研(yan)究(jiu)和文獻報道(dao)的數據(ju)，回歸分析得到了氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)(li)對氮(dan)(dan)(dan)(dan)的相互作(zuo)用系數8,反映了常壓(ya)以(yi)上的高氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)(li)對氮(dan)(dan)(dan)(dan)活度(du)(du)(du)系數的影響(xiang)。該研(yan)究(jiu)通過考(kao)慮氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)(li)的影響(xiang)，對高壓(ya)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)活度(du)(du)(du)系數進行修(xiu)正［式（2-19)],從而(er)建立了高氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)(li)下(xia)的氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解熱(re)力(li)(li)(li)(li)學模(mo)型(xing)(xing)來預測高氮(dan)(dan)(dan)(dan)不(bu)銹鋼(gang)熔體中(zhong)的氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解度(du)(du)(du)：

  經過修(xiu)正后，重新利用(yong)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)熱力(li)(li)學模型(xing)計算(suan)了(le)(le)文獻中(zhong)(zhong)1873K下純鐵(tie)、Fe-Cr和Fe-Mn 等(deng)合金體系在高氮(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)下的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)隨氮(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)變化(hua)，并與(yu)實驗數據進行了(le)(le)比較，如圖2-6所示(shi)。同時，圖2-7比較了(le)(le)氮(dan)(dan)(dan)活度(du)(du)系數計算(suan)式中(zhong)(zhong)壓(ya)(ya)力(li)(li)項修(xiu)正后的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)模型(xing)計算(suan)值(zhi)與(yu)文獻實測(ce)值(zhi)。結(jie)(jie)(jie)果表明，修(xiu)正后的(de)(de)模型(xing)預(yu)(yu)測(ce)值(zhi)與(yu)Jiang等(deng)及Satir-Kolorz和Feichtinger的(de)(de)測(ce)量值(zhi)非常吻合，略小于Rawers和Gokcen[26]的(de)(de)測(ce)量值(zhi)。該差異可能是(shi)由(you)計算(suan)中(zhong)(zhong)選擇的(de)(de)溫度(du)(du)為(wei)1923K而引起的(de)(de)，因為(wei)當熔體以緩慢的(de)(de)冷卻速率降低到液相線時，氮(dan)(dan)(dan)濃度(du)(du)會(hui)增(zeng)加(jia)。驗證結(jie)(jie)(jie)果表明，經壓(ya)(ya)力(li)(li)項修(xiu)正后的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)熱力(li)(li)學模型(xing)，適用(yong)于計算(suan)高氮(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)下不銹鋼的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)。在著作 Mastering P-ESR Technology for High Nitrogen Steel Grades for HighValue Applications中(zhong)(zhong)，Carosi等(deng)認為(wei)Jiang等(deng)建立的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)模型(xing)的(de)(de)預(yu)(yu)測(ce)值(zhi)與(yu)工業結(jie)(jie)(jie)果非常符合，并將此模型(xing)應用(yong)到動態模型(xing)的(de)(de)仿真計算(suan)中(zhong)(zhong)。

  基于高氮(dan)(dan)氣壓(ya)力下氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度模型的修正，本書(shu)作者針對含(han)Nb和含(han)V鋼種(zhong)(zhong)，進一步研究(jiu)了其氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)熱力學行為，通過補充完善鋼液中(zhong)Nb和V對氮(dan)(dan)活(huo)度的相互作用系數，構(gou)建了包含(han) Nb、V體系鋼種(zhong)(zhong)或合(he)金在氮(dan)(dan)氣加壓(ya)下的氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度模型：

2. 合(he)金元素(su)成分對氮(dan)溶解度(du)的影響

 a. 合金元素(su)對氮的活度相互(hu)作用(yong)系數

  氮(dan)在鐵基合(he)金(jin)(jin)(jin)熔體中的(de)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)受(shou)其合(he)金(jin)(jin)(jin)成分(fen)(fen)(fen)的(de)影響顯著(zhu)，許多常用(yong)(yong)合(he)金(jin)(jin)(jin)元素(su)可有效地(di)提高氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)，同時也有部分(fen)(fen)(fen)元素(su)會(hui)降(jiang)低(di)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)。一般(ban)可以用(yong)(yong)各合(he)金(jin)(jin)(jin)元素(su)對(dui)氮(dan)的(de)一階活度(du)(du)相互作(zuo)用(yong)(yong)系數（表2-4)來表征合(he)金(jin)(jin)(jin)成分(fen)(fen)(fen)對(dui)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)的(de)影響，當其值為負時，相應的(de)合(he)金(jin)(jin)(jin)元素(su)可降(jiang)低(di)熔體中氮(dan)的(de)活度(du)(du)系數，增(zeng)加氮(dan)的(de)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)；當其值為正時，相應的(de)合(he)金(jin)(jin)(jin)元素(su)則增(zeng)大氮(dan)的(de)活度(du)(du)系數，降(jiang)低(di)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)。

合(he)(he)(he)金元素(su)對(dui)(dui)氮(dan)的(de)活度相互作(zuo)用系數，實質上表(biao)征了該合(he)(he)(he)金元素(su)與氮(dan)元素(su)的(de)原(yuan)子(zi)間親和(he)力，這(zhe)與其在(zai)元素(su)周(zhou)期(qi)表(biao)中的(de)位置密切(qie)相關，因為(wei)元素(su)的(de)電(dian)子(zi)結構(gou)與它們在(zai)周(zhou)期(qi)表(biao)中的(de)位置相對(dui)(dui)應。從合(he)(he)(he)金元素(su)的(de)微觀結構(gou)來(lai)看，同一周(zhou)期(qi)中，從左到(dao)右(you)，元素(su)核(he)外電(dian)子(zi)層數相同，而最(zui)外層電(dian)子(zi)數增(zeng)(zeng)加(jia)，原(yuan)子(zi)半(ban)(ban)徑遞減（0族元素(su)除外）；同一族中，從上到(dao)下，所有元素(su)具有相同數量的(de)價電(dian)子(zi)，而核(he)外電(dian)子(zi)層數逐漸增(zeng)(zeng)多，原(yuan)子(zi)半(ban)(ban)徑增(zeng)(zeng)大。原(yuan)子(zi)半(ban)(ban)徑大的(de)合(he)(he)(he)金元素(su)對(dui)(dui)氮(dan)的(de)親和(he)力普遍(bian)較(jiao)強。

  圖2-8給出了在(zai)1873K、0.1MPa氮(dan)氣(qi)壓(ya)力下(xia)Fe-X二元(yuan)合金體(ti)(ti)(ti)系中(zhong)各種(zhong)常見金元(yuan)素X對(dui)氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)的影響。在(zai)合金熔(rong)體(ti)(ti)(ti)中(zhong)，提高Mo、Mn、Ta、Cr、Nb和V等元(yuan)素的含量能夠(gou)顯著增大(da)熔(rong)體(ti)(ti)(ti)的氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)。例如，在(zai)1873K和氮(dan)氣(qi)壓(ya)力為0.1MPa條件下(xia)，Cr、Mn等典型(xing)合金元(yuan)素能夠(gou)提高高氮(dan)無鎳奧氏體(ti)(ti)(ti)不(bu)銹(xiu)鋼熔(rong)體(ti)(ti)(ti)的氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)，其中(zhong)20%Cr-20%Mn合金體(ti)(ti)(ti)系中(zhong)氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)可達0.8%以(yi)上，如圖2-9所示。然而，提高C、Si等元(yuan)素的含量則會明顯降低熔(rong)體(ti)(ti)(ti)的氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)，其他(ta)元(yuan)素（如Ni、Co、Cu、Sn和W等）含量的變化則對(dui)熔(rong)體(ti)(ti)(ti)的氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)影響相對(dui)較(jiao)小(xiao)。

  如圖2-10所示，根據對氮(dan)在(zai)熔(rong)體中(zhong)溶解(jie)度的(de)(de)(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang)規律不同(tong)，合(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)大體可以分為三大類(lei)：①. 第(di)一類(lei)為對熔(rong)融鐵(tie)(tie)基合(he)(he)金(jin)(jin)中(zhong)氮(dan)溶解(jie)度具(ju)有(you)(you)(you)顯著(zhu)提升作(zuo)(zuo)用的(de)(de)(de)(de)合(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)，如Cr、Mo、Mn、Ti、Zr、V和Nb等(deng)(deng)，其(qi)中(zhong)Ti、Zr、V和Nb具(ju)有(you)(you)(you)強(qiang)烈的(de)(de)(de)(de)形成氮(dan)化物的(de)(de)(de)(de)趨(qu)勢。Cr作(zuo)(zuo)為不銹鋼的(de)(de)(de)(de)重要合(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)之一，能夠顯著(zhu)提高熔(rong)融鐵(tie)(tie)基合(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)氮(dan)溶解(jie)度，其(qi)與Ti、Zr、V和Nb相比，形成氮(dan)化物的(de)(de)(de)(de)趨(qu)勢較小(xiao)。②. Ni、Co和Cu等(deng)(deng)元(yuan)素(su)(su)為第(di)二類(lei)，對氮(dan)溶解(jie)度的(de)(de)(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang)較小(xiao)。其(qi)中(zhong)Ni是不銹鋼中(zhong)重要的(de)(de)(de)(de)合(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)，但它對氮(dan)溶解(jie)度的(de)(de)(de)(de)負面影(ying)(ying)響(xiang)會降低(di)高氮(dan)合(he)(he)金(jin)(jin)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)氮(dan)含量。③. 第(di)三類(lei)為C、Si等(deng)(deng)非(fei)金(jin)(jin)屬元(yuan)素(su)(su)和A1等(deng)(deng)元(yuan)素(su)(su)，具(ju)有(you)(you)(you)明(ming)顯降低(di)熔(rong)體氮(dan)溶解(jie)度的(de)(de)(de)(de)作(zuo)(zuo)用。

  b. 合金元素的鉻等效因(yin)子與鉻當量濃度(du)

  除合金元素(su)(su)對(dui)氮的(de)(de)(de)活度(du)相(xiang)(xiang)互作(zuo)(zuo)(zuo)用系(xi)數外，也可(ke)以通過(guo)參(can)考元素(su)(su)的(de)(de)(de)等效(xiao)(xiao)作(zuo)(zuo)(zuo)用來(lai)描述不同元素(su)(su)對(dui)熔體(ti)氮溶(rong)解度(du)的(de)(de)(de)影響。較(jiao)為典型(xing)的(de)(de)(de)是(shi)以鉻(ge)(ge)為參(can)考，因為鉻(ge)(ge)具有(you)相(xiang)(xiang)當(dang)強的(de)(de)(de)增加氮溶(rong)解度(du)的(de)(de)(de)作(zuo)(zuo)(zuo)用，并且被認(ren)為是(shi)合金材料(liao)中(zhong)最重(zhong)要的(de)(de)(de)合金元素(su)(su)之一(yi)。在活度(du)相(xiang)(xiang)互作(zuo)(zuo)(zuo)用系(xi)數的(de)(de)(de)基礎上，Satir-Kolorz與Feichtinger 換算了各種(zhong)合金元素(su)(su)的(de)(de)(de)鉻(ge)(ge)等效(xiao)(xiao)因子(zi)c.表2-4列出了Ti、Zr、V、Nb、Ta、W、C、B、Al、Si、P、As、Sb和Sn等元素(su)(su)的(de)(de)(de)鉻(ge)(ge)等效(xiao)(xiao)因子(zi)。對(dui)于不同合金體(ti)系(xi)，可(ke)以將體(ti)系(xi)中(zhong)各種(zhong)合金元素(su)(su)X;的(de)(de)(de)濃(nong)度(du)乘(cheng)以相(xiang)(xiang)應(ying)的(de)(de)(de)鉻(ge)(ge)等效(xiao)(xiao)因子(zi)獲得對(dui)應(ying)的(de)(de)(de)鉻(ge)(ge)當(dang)量濃(nong)度(du)。據此，可(ke)將熔體(ti)中(zhong)所有(you)合金元素(su)(su)X;的(de)(de)(de)濃(nong)度(du)轉換為鉻(ge)(ge)當(dang)量濃(nong)度(du)。

  通(tong)過(guo)實驗(yan)測量(liang)鋼中的(de)(de)平衡氮含(han)量(liang)，得到了合(he)金體(ti)系對應(ying)的(de)(de)數值，如圖2-11中空心點所示(shi)；通(tong)過(guo)式(shi)（2-23)計算(suan)可以得到不同(tong)鉻當(dang)量(liang)濃(nong)度(du)與0.51gPN2-lg[%N]-e≈[%N](氮活度(du)系數）之間(jian)的(de)(de)關(guan)系曲(qu)線，兩符合(he)良好，驗(yan)證(zheng)了此等效(xiao)方法的(de)(de)合(he)理性。此研究的(de)(de)特別之處(chu)在(zai)于，通(tong)過(guo)鉻當(dang)量(liang)濃(nong)度(du)來間(jian)接表示(shi)多(duo)種合(he)金元(yuan)(yuan)素在(zai)大(da)濃(nong)度(du)范圍內的(de)(de)所有(you)數據，可以將復(fu)雜的(de)(de)多(duo)組元(yuan)(yuan)熔體(ti)等效(xiao)為(wei)鐵－氮－鉻三元(yuan)(yuan)體(ti)系后(hou)計算(suan)氮的(de)(de)溶(rong)解(jie)度(du)。基(ji)于鉻等效(xiao)因子(zi)，通(tong)過(guo)鉻當(dang)量(liang)濃(nong)度(du)的(de)(de)換(huan)算(suan)并參考關(guan)系曲(qu)線（圖2-11),復(fu)雜的(de)(de)多(duo)組元(yuan)(yuan)熔體(ti)氮溶(rong)解(jie)度(du)可統一表示(shi)為(wei)

3. 溫度對氮(dan)溶解度的影(ying)響(xiang)

  溫度(du)(du)對(dui)合(he)金熔體中氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)的(de)(de)影(ying)響，取決(jue)于氮(dan)在合(he)金熔體中的(de)(de)溶(rong)解(jie)反應為吸熱還是(shi)放熱過程，即氮(dan)溶(rong)解(jie)反應焓變ΔH的(de)(de)正負。在一定(ding)(ding)氮(dan)氣壓力下，對(dui)于不同(tong)合(he)金成分的(de)(de)熔體而言，氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)對(dui)溫度(du)(du)的(de)(de)依(yi)賴性(xing)（溫度(du)(du)對(dui)氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)的(de)(de)影(ying)響趨勢）是(shi)不同(tong)的(de)(de)，且隨溫度(du)(du)的(de)(de)變化(hua)程度(du)(du)也(ye)不同(tong)，這是(shi)由(you)該熔體中合(he)金元素(su)的(de)(de)種類與含量共(gong)同(tong)決(jue)定(ding)(ding)的(de)(de)，即ΔH的(de)(de)正負是(shi)由(you)合(he)金成分決(jue)定(ding)(ding)的(de)(de)。

  0.1MPa氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力下常見的(de)(de)(de)Fe-Cr-Mn-Ni合(he)(he)(he)金體系在1750~2000K溫(wen)度(du)范圍內的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)與溫(wen)度(du)的(de)(de)(de)關系如圖2-12所示。可以看(kan)出，純(chun)鐵和(he)Fe20Ni合(he)(he)(he)金體系的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)較(jiao)低，并且隨(sui)(sui)溫(wen)度(du)的(de)(de)(de)升高逐(zhu)漸增(zeng)大(da)。隨(sui)(sui)著熔(rong)體中(zhong)鉻、錳等(deng)元素含量(liang)的(de)(de)(de)增(zeng)加，如Fe18Mn和(he)Fe18Cr等(deng)合(he)(he)(he)金體系，氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)溶(rong)(rong)解度(du)顯著增(zeng)大(da)，溫(wen)度(du)對(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)的(de)(de)(de)影響(xiang)更(geng)加明顯，且隨(sui)(sui)著溫(wen)度(du)的(de)(de)(de)下降，熔(rong)體中(zhong)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)逐(zhu)漸增(zeng)大(da)。Fe18Cr8Ni合(he)(he)(he)金的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)對(dui)溫(wen)度(du)的(de)(de)(de)依賴性也(ye)為負；此外，由于(yu)鎳具有(you)降低氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)的(de)(de)(de)作用，相對(dui)于(yu)Fe18Cr合(he)(he)(he)金，Fe18Cr8Ni合(he)(he)(he)金的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)隨(sui)(sui)溫(wen)度(du)變化的(de)(de)(de)趨勢比較(jiao)平(ping)緩。

  從(cong)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)熱力(li)學理論來看，在(zai)合(he)金(jin)成(cheng)分(fen)與氮(dan)(dan)氣壓力(li)一(yi)(yi)定(ding)的(de)(de)(de)條件下(xia)，溫(wen)度(du)(du)(du)(du)對氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang)規(gui)律為(wei)：若式（2-36)中參數(shu)a<0,即焓(han)變(bian)ΔH>0時(shi)(shi)，氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)反應為(wei)吸熱過程，氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)隨溫(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)升(sheng)高而(er)(er)增大；若a>0,即焓(han)變(bian)ΔH<0時(shi)(shi)，反為(wei)放(fang)熱過程，氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)隨溫(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)升(sheng)高而(er)(er)減(jian)小(xiao)。因此(ci)，溫(wen)度(du)(du)(du)(du)對氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang)取決于焓(han)變(bian)ΔH數(shu)值的(de)(de)(de)正(zheng)負和大小(xiao)，最終歸(gui)結(jie)為(wei)合(he)金(jin)成(cheng)分(fen)決定(ding)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)依賴(lai)性。利用氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)模(mo)型，Satir-Kolorz 等探究(jiu)了(le)不(bu)同的(de)(de)(de)合(he)金(jin)體系在(zai)0.1MPa和5MPa氮(dan)(dan)氣壓力(li)下(xia)，1750~2000K 范圍內氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)與溫(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)關系，如(ru)(ru)圖2-13所示。結(jie)果與上面分(fen)析的(de)(de)(de)一(yi)(yi)致，在(zai)氮(dan)(dan)氣壓力(li)一(yi)(yi)定(ding)的(de)(de)(de)條件下(xia)，溫(wen)度(du)(du)(du)(du)對氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang)取決于合(he)金(jin)的(de)(de)(de)成(cheng)分(fen)：含有增加(jia)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)元素（如(ru)(ru)Mn、Cr、Mo)的(de)(de)(de)鐵(tie)基(ji)(ji)合(he)金(jin)（Fe-Cr和Fe-Mn合(he)金(jin)體系），氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)隨著(zhu)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)升(sheng)高而(er)(er)降低；而(er)(er)對于含有降低氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)元素的(de)(de)(de)鐵(tie)基(ji)(ji)合(he)金(jin)（如(ru)(ru)Fe-Ni合(he)金(jin)），隨著(zhu)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)升(sheng)高，熔(rong)體中的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)增大。

4. 氮氣(qi)壓力對氮溶解度的(de)影響

  鑒于高(gao)(gao)氮(dan)鋼產品對(dui)高(gao)(gao)氮(dan)含(han)量(liang)的(de)(de)需求，在常壓(ya)(ya)(ya)氮(dan)氣(qi)環境中無法實現(xian)鋼液的(de)(de)高(gao)(gao)效(xiao)增(zeng)氮(dan)和保氮(dan)，提高(gao)(gao)冶煉過程的(de)(de)氮(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力成為有效(xiao)手(shou)段(duan)。氮(dan)氣(qi)加壓(ya)(ya)(ya)冶煉技術，不僅能(neng)夠通過促(cu)進氣(qi)相－合金熔體間的(de)(de)氮(dan)溶解(jie)反(fan)應實現(xian)更佳的(de)(de)增(zeng)氮(dan)效(xiao)果，在抑(yi)制(zhi)(zhi)高(gao)(gao)氮(dan)濃度鋼液凝固過程中氮(dan)氣(qi)孔的(de)(de)形成方面(mian)也發揮著(zhu)重(zhong)要(yao)作用。研究(jiu)不同氮(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力下合金熔體中的(de)(de)氮(dan)溶解(jie)度，成為精確控制(zhi)(zhi)氮(dan)氣(qi)加壓(ya)(ya)(ya)冶煉工(gong)藝鋼中氮(dan)含(han)量(liang)的(de)(de)重(zhong)要(yao)理論基礎。在常壓(ya)(ya)(ya)［如(ru)圖2-14(a)和加壓(ya)(ya)(ya)［如(ru)圖2-14(b)]條件下，液態鐵(tie)基合金中的(de)(de)氮(dan)溶解(jie)度隨氮(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力的(de)(de)提高(gao)(gao)而顯著(zhu)增(zeng)大。

a. 低氮氣(qi)壓力

  如(ru)(ru)前所(suo)述，氮(dan)氣在(zai)金屬(shu)(shu)熔體中的溶解(jie)屬(shu)(shu)于雙原子(zi)分(fen)子(zi)的溶解(jie)過(guo)程，在(zai)低氮(dan)氣壓(ya)力范(fan)圍內，氮(dan)溶解(jie)度隨氮(dan)氣壓(ya)力的變(bian)化符(fu)(fu)合Sieverts定律。眾多(duo)研究(jiu)已經證實(shi)，在(zai)小于0.1MPa的低氮(dan)氣壓(ya)力范(fan)圍內，不銹鋼體系（表2-5中1~3號）的氮(dan)溶解(jie)度與氮(dan)氣壓(ya)力的關系符(fu)(fu)合 Sieverts定律，即呈(cheng)線性相關，如(ru)(ru)圖2-15所(suo)示(shi)。

  為(wei)了進一步驗(yan)證不同氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)下 Sieverts定律的(de)適用情況，Jiang(姜周華）等研(yan)究(jiu)了氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)不高于0.1MPa,即低氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)下典型不銹(xiu)鋼品種AISI304和AISI 316L 熔體中氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解度與氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)的(de)關系(xi)，結果如圖2-16所示。隨著氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)的(de)增加，氮(dan)(dan)(dan)(dan)在兩(liang)類典型不銹(xiu)鋼熔體中的(de)溶解度顯著提(ti)升，并(bing)且與氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)的(de)關系(xi)符(fu)合Sieverts定律。

 b. 高(gao)氮氣(qi)壓力

  隨(sui)著冶(ye)煉過(guo)程(cheng)中(zhong)氮(dan)氣壓(ya)力(li)(li)(li)的(de)進一步提(ti)高(gao)，各種(zhong)合金(jin)體(ti)系(xi)(xi)的(de)氮(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)均(jun)會增大(da)。純(chun)鐵液(ye)(ye)的(de)飽和氮(dan)濃度(du)(du)不僅(jin)在(zai)(zai)常壓(ya)以下(xia)，而且在(zai)(zai)0.1~200MPa的(de)高(gao)壓(ya)范(fan)圍(wei)內(nei)也(ye)始(shi)終與氮(dan)氣壓(ya)力(li)(li)(li)的(de)平方(fang)根呈線(xian)性關系(xi)(xi)。這(zhe)是因為即使在(zai)(zai)高(gao)氮(dan)氣壓(ya)力(li)(li)(li)下(xia)純(chun)鐵液(ye)(ye)中(zhong)的(de)氮(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)也(ye)處于較低(di)的(de)水平，如圖2-17所(suo)(suo)示。在(zai)(zai)Fe-Ni合金(jin)體(ti)系(xi)(xi)中(zhong)，由于鎳(nie)元素具有降低(di)氮(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)的(de)作(zuo)用(yong)，鎳(nie)含量越(yue)高(gao)氮(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)反而越(yue)低(di)，即使在(zai)(zai)高(gao)氮(dan)氣壓(ya)力(li)(li)(li)下(xia)氮(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)也(ye)處于較低(di)水平。研(yan)究結果表明，高(gao)氮(dan)氣壓(ya)力(li)(li)(li)下(xia)Fe-Ni體(ti)系(xi)(xi)也(ye)符合 Sieverts定律(lv)，如圖2-18所(suo)(suo)示。

  然而，隨著高(gao)氮鋼品種的(de)(de)(de)開發和冶煉工(gong)藝的(de)(de)(de)發展，大量(liang)研(yan)究(jiu)顯示(shi)，對于(yu)較高(gao)氮氣壓(ya)力下(xia)的(de)(de)(de)Fe-Cr-Mn-Ni-Mo等高(gao)合金(jin)體系（表2-5中(zhong)4~6號），氮溶解度隨氮氣壓(ya)力的(de)(de)(de)變(bian)化與Sieverts定律(lv)描述的(de)(de)(de)線性(xing)關系產生了較大的(de)(de)(de)偏差，如(ru)圖2-19所(suo)示(shi)。

  圖2-19 1873K 高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)隨(sui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)平(ping)方根的(de)變化氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)與(yu)Sieverts 定律(lv)的(de)偏(pian)離(li)，并非存在(zai)于(yu)(yu)所有高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)下(xia)的(de)情(qing)況，與(yu)合(he)(he)金(jin)熔體(ti)(ti)成(cheng)分密切相(xiang)(xiang)關(guan)。上述純(chun)鐵液和Fe-Ni合(he)(he)金(jin)這兩(liang)類低氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)體(ti)(ti)系就是偏(pian)差不顯著的(de)實例；相(xiang)(xiang)反，具有高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)的(de)合(he)(he)金(jin)熔體(ti)(ti)（如Fe-Cr-Mn體(ti)(ti)系）在(zai)高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)下(xia)通常不符合(he)(he) Sieverts 定律(lv)。由此(ci)可(ke)以推測，高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)隨(sui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)提高(gao)較慢的(de)原(yuan)因(yin)是，高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)下(xia)熔體(ti)(ti)中氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)(du)(du)處(chu)于(yu)(yu)較高(gao)水(shui)平(ping)，不再滿足無限(xian)稀(xi)釋溶(rong)(rong)液的(de)理想情(qing)況。此(ci)時，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)子之間(jian)存在(zai)自身相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)，彼此(ci)之間(jian)的(de)相(xiang)(xiang)斥(chi)(chi)效應(ying)將會導致氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)的(de)降低；氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)(du)(du)越(yue)高(gao)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)自身的(de)相(xiang)(xiang)斥(chi)(chi)作(zuo)用(yong)越(yue)明(ming)顯。由此(ci)可(ke)知，高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)與(yu)Sieverts 定律(lv)的(de)偏(pian)離(li)主要由氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)自身相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)導致，而(er)高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)通常是熔體(ti)(ti)中高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)含量(liang)的(de)一個關(guan)鍵誘因(yin)。

  對于圖(tu)(tu)2-17和圖(tu)(tu)2-18中純鐵液、低合(he)金鋼或類似Fe-Ni合(he)金等(deng)低氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)的(de)(de)體系而言，氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)自身相(xiang)互作(zuo)用(yong)幾乎可以忽(hu)略(lve)，在高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力下(xia)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)與氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力的(de)(de)平方根也(ye)接近線性關系。常見的(de)(de)具有高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)的(de)(de)Fe-Cr-Mn等(deng)體系則不同，在高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力下(xia)高(gao)(gao)合(he)金含(han)量的(de)(de)熔體氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)可達1%以上，超出(chu) Sieverts定律的(de)(de)適用(yong)范圍。定義Sieverts定律對氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)的(de)(de)壓(ya)(ya)力適用(yong)極限，為(wei)開(kai)始出(chu)現明顯(xian)偏差的(de)(de)臨界氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力，如圖(tu)(tu)2-20所示，不同鉻(ge)含(han)量的(de)(de)Fe-Cr合(he)金的(de)(de)壓(ya)(ya)力適用(yong)極限不同（實驗數(shu)據來源于Torkhov等(deng)的(de)(de)研究）。隨著鉻(ge)和氮(dan)(dan)(dan)含(han)量的(de)(de)增加，Sieverts定律的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力適用(yong)極限快速降低，高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力下(xia)的(de)(de)偏差程度(du)(du)也(ye)變得更為(wei)顯(xian)著。

  針對高合金(jin)、高氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度體系(xi)(xi)(xi)在(zai)(zai)高氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)熱力(li)學(xue)偏離 Sieverts定律的(de)(de)(de)(de)現象，可(ke)通過熔體中各(ge)類(lei)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)之(zhi)間(jian)(jian)(jian)存(cun)(cun)在(zai)(zai)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)互(hu)(hu)(hu)(hu)作(zuo)用(yong)來解(jie)(jie)(jie)(jie)釋氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)機制。圖(tu)2-21(a)顯示(shi)了單(dan)個氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)在(zai)(zai)鐵(tie)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)晶格(ge)中的(de)(de)(de)(de)賦存(cun)(cun)狀況：由(you)于(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)處于(yu)無限稀釋的(de)(de)(de)(de)狀態，它(ta)只與鐵(tie)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)存(cun)(cun)在(zai)(zai)相(xiang)互(hu)(hu)(hu)(hu)作(zuo)用(yong)，不(bu)發生氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)自身的(de)(de)(de)(de)相(xiang)互(hu)(hu)(hu)(hu)作(zuo)用(yong)。圖(tu)2-21(b)顯示(shi)了高氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃度下(xia)（如在(zai)(zai)高氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)下(xia)）的(de)(de)(de)(de)鐵(tie)－氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)二元合金(jin)晶格(ge)：氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)周圍除相(xiang)鄰的(de)(de)(de)(de)鐵(tie)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)外(wai)，也存(cun)(cun)在(zai)(zai)臨近的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)間(jian)(jian)(jian)彼此相(xiang)互(hu)(hu)(hu)(hu)抑制，從而(er)(er)導致氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度降低并偏離 Sieverts 定律的(de)(de)(de)(de)預測曲線。這種自身作(zuo)用(yong)可(ke)由(you)自身活(huo)度相(xiang)互(hu)(hu)(hu)(hu)作(zuo)用(yong)系(xi)(xi)(xi)數來表示(shi)，由(you)于(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)之(zhi)間(jian)(jian)(jian)處于(yu)相(xiang)互(hu)(hu)(hu)(hu)抑制的(de)(de)(de)(de)狀態，自身活(huo)度相(xiang)互(hu)(hu)(hu)(hu)作(zuo)用(yong)系(xi)(xi)(xi)數e值為(wei)(wei)正數。圖(tu)2-21(c)顯示(shi)了鐵(tie)－鉻(ge)－氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)三元合金(jin)的(de)(de)(de)(de)晶格(ge)：由(you)于(yu)鉻(ge)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)和氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)之(zhi)間(jian)(jian)(jian)具有很強的(de)(de)(de)(de)吸引力(li)，其(qi)相(xiang)互(hu)(hu)(hu)(hu)作(zuo)用(yong)系(xi)(xi)(xi)數為(wei)(wei)負值。在(zai)(zai)此結構(gou)中，由(you)于(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)向(xiang)鉻(ge)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)偏移，就(jiu)有更多空間(jian)(jian)(jian)留給額外(wai)的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)，從而(er)(er)產生較高的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度。不(bu)過隨著氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃度的(de)(de)(de)(de)增加，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)對自身的(de)(de)(de)(de)強烈排(pai)斥作(zuo)用(yong)開(kai)始凸顯，因此在(zai)(zai)高鉻(ge)和高氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃度下(xia)，實際(ji)的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)的(de)(de)(de)(de)變化(hua)規(gui)律與 Sieverts定律之(zhi)間(jian)(jian)(jian)存(cun)(cun)在(zai)(zai)明顯的(de)(de)(de)(de)偏差(cha)。

  研(yan)究(jiu)發現，在超過(guo)10MPa氮(dan)(dan)氣壓(ya)力的(de)(de)(de)(de)條(tiao)件(jian)下(xia)，將(jiang)合金(jin)(jin)元(yuan)素含量(liang)提(ti)(ti)高(gao)至45%,熔體的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)可(ke)以高(gao)達3%以上。在氮(dan)(dan)濃度(du)如(ru)此(ci)(ci)高(gao)的(de)(de)(de)(de)情況(kuang)下(xia)，熔體不(bu)滿足使用(yong)(yong)Sieverts 定律的(de)(de)(de)(de)前提(ti)(ti)條(tiao)件(jian)，即無限稀(xi)釋溶液的(de)(de)(de)(de)假設，因此(ci)(ci)在此(ci)(ci)條(tiao)件(jian)下(xia)，Sieverts定律無法準確預(yu)測氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)，必須引(yin)入一個附加的(de)(de)(de)(de)活度(du)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)f,以體現氮(dan)(dan)對自(zi)(zi)(zi)身(shen)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)影響。圖2-22顯示了實驗測得(de)的(de)(de)(de)(de)不(bu)同(tong)氮(dan)(dan)氣壓(ya)力下(xia)，不(bu)同(tong)合金(jin)(jin)體系(xi)(xi)中(zhong)氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)的(de)(de)(de)(de)變化(hua)。首(shou)先(xian)在不(bu)考(kao)慮氮(dan)(dan)自(zi)(zi)(zi)身(shen)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)情況(kuang)下(xia)，通過(guo)對實驗結(jie)果(guo)進行回(hui)歸(gui)分析(xi)，確定鉻、錳、鉬和(he)鎳等(deng)主要(yao)合金(jin)(jin)元(yuan)素對氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)一階和(he)二階活度(du)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)。同(tong)時，從(cong)文獻數(shu)(shu)(shu)據(ju)中(zhong)獲得(de)其他合金(jin)(jin)元(yuan)素的(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)。基于所有(you)合金(jin)(jin)對體系(xi)(xi)中(zhong)氮(dan)(dan)活度(du)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)，通過(guo)回(hui)歸(gui)分析(xi)確定氮(dan)(dan)對自(zi)(zi)(zi)身(shen)的(de)(de)(de)(de)活度(du)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)e為(wei)0.13。e的(de)(de)(de)(de)數(shu)(shu)(shu)值為(wei)正，表(biao)明氮(dan)(dan)含量(liang)的(de)(de)(de)(de)提(ti)(ti)高(gao)會增加活度(du)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)，降(jiang)低自(zi)(zi)(zi)身(shen)溶解(jie)度(du)。