1. 常壓下基熔體(ti)的氮溶解度模型

  常溫(wen)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)以(yi)(yi)雙原(yuan)子(zi)分子(zi)形式(shi)存在(zai)，高(gao)溫(wen)下(xia)則分解(jie)成(cheng)氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)子(zi)溶解(jie)于金(jin)屬(shu)熔體(ti)(ti)中(zhong)。如圖2-1所示(shi)，氮(dan)(dan)(dan)在(zai)金(jin)屬(shu)熔體(ti)(ti)中(zhong)的(de)溶解(jie)過程可以(yi)(yi)描述如下(xia)：氮(dan)(dan)(dan)氣接觸到熔體(ti)(ti)表面后(hou)發(fa)生(sheng)物理吸(xi)附(fu)，當(dang)氣體(ti)(ti)分子(zi)和熔體(ti)(ti)表面的(de)結合力大于氣體(ti)(ti)內部(bu)分子(zi)的(de)結合力時發(fa)生(sheng)化學(xue)吸(xi)附(fu)，吸(xi)附(fu)的(de)氮(dan)(dan)(dan)分子(zi)分解(jie)成(cheng)原(yuan)子(zi)，隨后(hou)從熔體(ti)(ti)表面向內部(bu)擴散(san)。

  表2-1總結了研究人員在(zai)(zai)1873K、0.1MPa氮(dan)(dan)氣壓力下測得的(de)熔(rong)融鐵(tie)液(ye)(ye)(ye)中的(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)。根據(ju)(ju)文獻(xian)中的(de)實(shi)驗數(shu)據(ju)(ju)可知(zhi)，熔(rong)融鐵(tie)液(ye)(ye)(ye)的(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)集中在(zai)(zai)0.043%~0.046%范圍(wei)內。圖(tu)2-2歸納了冶煉溫度(du)(du)對熔(rong)融鐵(tie)液(ye)(ye)(ye)中氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)的(de)影(ying)響。可以看出，在(zai)(zai)熔(rong)融鐵(tie)液(ye)(ye)(ye)中，氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)隨溫度(du)(du)的(de)升高而(er)增大。

  若(ruo)氮活度的(de)參考態(tai)為(wei)合金(jin)熔(rong)體中假想的(de)1%N溶液，則(ze)0.5mol氮氣溶解(jie)于合金(jin)熔(rong)體的(de)吉布斯自由(you)能變可以(yi)表(biao)示為(wei)

  在(zai)早期(qi)對(dui)合金熔(rong)體中(zhong)(zhong)氮溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)的研(yan)究中(zhong)(zhong)，各種合金元素(su)對(dui)氮的二階(jie)活(huo)度(du)(du)(du)(du)(du)相(xiang)(xiang)(xiang)互作(zuo)用(yong)系(xi)(xi)數(shu)及二階(jie)交叉活(huo)度(du)(du)(du)(du)(du)相(xiang)(xiang)(xiang)互作(zuo)用(yong)系(xi)(xi)數(shu)的相(xiang)(xiang)(xiang)關測(ce)定尚不(bu)(bu)完善。1965年(nian)，Chipman等(deng)(deng)［18]開發了(le)僅(jin)使用(yong)一(yi)階(jie)活(huo)度(du)(du)(du)(du)(du)相(xiang)(xiang)(xiang)互作(zuo)用(yong)系(xi)(xi)數(shu)而不(bu)(bu)涉及高階(jie)項的氮溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)模型(xing)。基于Chipman等(deng)(deng)的研(yan)究結果和(he)1873K下不(bu)(bu)同元素(su)對(dui)氮的一(yi)階(jie)活(huo)度(du)(du)(du)(du)(du)相(xiang)(xiang)(xiang)互作(zuo)用(yong)系(xi)(xi)數(shu)（表2-2)[19],可以得到1873K下氮溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)模型(xing)中(zhong)(zhong)氮的活(huo)度(du)(du)(du)(du)(du)系(xi)(xi)數(shu)1gf[式(shi)（2-9)],其他冶煉溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)下氮的活(huo)度(du)(du)(du)(du)(du)系(xi)(xi)數(shu)可由式(shi)（2-10)轉換獲得。據(ju)此，Chipman 等(deng)(deng)建立了(le)預測(ce)不(bu)(bu)同溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)下合金熔(rong)體中(zhong)(zhong)氮溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)的式(shi)（2-11)。

  隨著對多元(yuan)合(he)(he)金(jin)熔(rong)體氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)研究的(de)深入(ru)(ru)，各種合(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)對氮(dan)的(de)一(yi)階(jie)(jie)、二(er)階(jie)(jie)以(yi)及二(er)階(jie)(jie)交(jiao)叉活(huo)(huo)(huo)度(du)相(xiang)互(hu)作用系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)的(de)實驗研究與測(ce)定逐步完善。1990年，Grigorenko等。探究了合(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)對氮(dan)活(huo)(huo)(huo)度(du)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)的(de)影響，認為在較(jiao)高(gao)(gao)的(de)合(he)(he)金(jin)濃度(du)下(xia)，僅(jin)采用一(yi)階(jie)(jie)活(huo)(huo)(huo)度(du)相(xiang)互(hu)作用系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)來計算氮(dan)的(de)活(huo)(huo)(huo)度(du)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)和預測(ce)氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)是不夠(gou)準確(que)的(de)。為了進一(yi)步提高(gao)(gao)氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)預測(ce)模(mo)型的(de)準確(que)性，必須以(yi)二(er)階(jie)(jie)乃至(zhi)更高(gao)(gao)階(jie)(jie)泰勒級(ji)數(shu)的(de)形式表(biao)示氮(dan)的(de)活(huo)(huo)(huo)度(du)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)，即(ji)引入(ru)(ru)合(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)對氮(dan)的(de)高(gao)(gao)階(jie)(jie)活(huo)(huo)(huo)度(du)相(xiang)互(hu)作用系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)。據此，氮(dan)活(huo)(huo)(huo)度(du)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)按高(gao)(gao)階(jie)(jie)泰勒級(ji)數(shu)的(de)形式展開，可表(biao)示為

2. 常(chang)壓下(xia)Fe-20%Cr基熔體的氮溶解度(du)模型

  鑒(jian)于以Fe-Cr 合(he)金(jin)(jin)為(wei)基(ji)礎的各種合(he)金(jin)(jin)材料的生產與應用非常廣泛，1996年Anson等開發(fa)了種常壓下(xia)(xia)以熔融Fe-20%Cr 合(he)金(jin)(jin)為(wei)基(ji)體(ti)的氮溶解度(du)模型。在(zai)熔融Fe-20%Cr基(ji)合(he)金(jin)(jin)中，氮溶解熱(re)力(li)學平(ping)衡關系如(ru)下(xia)(xia)所示：

3. 高氮(dan)氣壓力下(xia)的氮(dan)溶解度(du)模型

  隨(sui)著(zhu)含(han)氮鋼種(zhong)相關研(yan)究的(de)不斷深(shen)入(ru)，高(gao)氮鋼由(you)于其優異的(de)力(li)學性能和耐腐蝕性能，在(zai)諸多(duo)領(ling)域得到了廣泛(fan)應用。大量(liang)研(yan)究發現，在(zai)高(gao)氮氣壓力(li)下，高(gao)合金體(ti)系中氮溶(rong)解度(du)(du)出現了偏(pian)離 Sieverts 定律的(de)現象，導(dao)致高(gao)氮氣壓力(li)下氮溶(rong)解度(du)(du)預測模型的(de)準確度(du)(du)大幅(fu)降低。

  如圖2-3和(he)圖2-4所示，當鉻、錳(meng)等(deng)含(han)量較高(gao)(gao)時，高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)下(xia)(xia)合金(jin)(jin)熔體的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度達到了(le)較高(gao)(gao)的(de)(de)數值，此時僅能在小范(fan)圍(wei)內呈線性關系，合金(jin)(jin)中的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)含(han)量依然能隨著氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)增加(jia)而持續提(ti)高(gao)(gao)，但與(yu)低氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)時相比，高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)下(xia)(xia)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度的(de)(de)增加(jia)趨勢明顯變(bian)(bian)緩。高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)下(xia)(xia)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)對氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度的(de)(de)提(ti)升(sheng)作用(yong)被削弱，具(ju)體表(biao)現為實測(ce)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度［％N]低于根據Sieverts定(ding)律(lv)計算(suan)的(de)(de)值，即(ji)圖中各個實線（實驗值）均處于相應虛線（計算(suan)值）下(xia)(xia)方。同時，兩(liang)曲線的(de)(de)偏(pian)離(li)程(cheng)度隨著鉻、錳(meng)等(deng)元素(su)含(han)量的(de)(de)增加(jia)而變(bian)(bian)得嚴重。這表(biao)明在氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)大于0.1MPa的(de)(de)冶煉氣(qi)(qi)氛中，尤其是當金(jin)(jin)屬(shu)熔體含(han)有(you)較高(gao)(gao)量具(ju)有(you)提(ti)升(sheng)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度能力(li)(li)的(de)(de)合金(jin)(jin)元素(su)時，氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度很高(gao)(gao)，其與(yu)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)關系將不再符合 Sieverts定(ding)律(lv)。

  1993年Rawers等［24]通過實驗(yan)研究(jiu)了Fe-Cr和Fe-Cr-Ni等合金(jin)體系在高(gao)氮(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)下氮(dan)的溶解度(du)模型。圖2-5給出(chu)了不同氮(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)下氮(dan)活度(du)系數(shu)InfN隨鉻濃度(du)變化(hua)曲線。對于(yu)鐵基合金(jin)，在低鉻濃度(du)范圍內，lnfN與鉻濃度(du)之間存在線性(xing)關(guan)系，其(qi)斜(xie)率隨著氮(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)的增(zeng)加而變化(hua)；在較高(gao)鉻濃度(du)時，則明顯偏離線性(xing)關(guan)系。

  基于對實驗數(shu)據的(de)回(hui)歸分(fen)析，獲(huo)得了Fe-Cr與Fe-Cr-Ni體系氮溶解(jie)(jie)度模型中各(ge)相互(hu)作用系數(shu)，見(jian)表2-3.通過成分(fen)相互(hu)作用和氮氣(qi)壓(ya)力－成分(fen)效應對氮溶解(jie)(jie)度模型的(de)修正(zheng)，可以(yi)更精確地預測高合(he)金體系在高氮氣(qi)壓(ya)力條件下(xia)的(de)氮溶解(jie)(jie)度。

  為(wei)了(le)進一步(bu)修正高(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)下的(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解度模(mo)型，2005年Jiang(姜(jiang)周華）等(deng)［25]根(gen)據實驗研究和文獻報道的(de)數(shu)(shu)據，回歸(gui)分析得到了(le)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)對氮(dan)(dan)的(de)相互作(zuo)用(yong)系(xi)數(shu)(shu)8,反(fan)映了(le)常壓(ya)(ya)以(yi)上(shang)的(de)高(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)對氮(dan)(dan)活度系(xi)數(shu)(shu)的(de)影響(xiang)。該研究通過考慮氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)影響(xiang)，對高(gao)壓(ya)(ya)下氮(dan)(dan)活度系(xi)數(shu)(shu)進行修正［式（2-19)],從而建立了(le)高(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)下的(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解熱力(li)(li)學(xue)模(mo)型來預測(ce)高(gao)氮(dan)(dan)不銹鋼(gang)熔體中的(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解度：

  經(jing)過修(xiu)正(zheng)后，重新利用氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)熱力(li)(li)學(xue)模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)計(ji)(ji)算(suan)(suan)了(le)文(wen)獻(xian)中(zhong)(zhong)1873K下(xia)純鐵(tie)、Fe-Cr和(he)Fe-Mn 等合金體(ti)系在高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)下(xia)的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)隨氮(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)變化，并與實(shi)驗數(shu)據進行了(le)比(bi)較，如圖2-6所(suo)示。同時(shi)，圖2-7比(bi)較了(le)氮(dan)(dan)(dan)活度(du)(du)系數(shu)計(ji)(ji)算(suan)(suan)式中(zhong)(zhong)壓(ya)力(li)(li)項修(xiu)正(zheng)后的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)計(ji)(ji)算(suan)(suan)值與文(wen)獻(xian)實(shi)測(ce)值。結果(guo)表明(ming)，修(xiu)正(zheng)后的(de)(de)(de)(de)模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)預測(ce)值與Jiang等及(ji)Satir-Kolorz和(he)Feichtinger的(de)(de)(de)(de)測(ce)量(liang)值非常(chang)(chang)吻合，略小于(yu)Rawers和(he)Gokcen[26]的(de)(de)(de)(de)測(ce)量(liang)值。該(gai)差異可能(neng)是由(you)計(ji)(ji)算(suan)(suan)中(zhong)(zhong)選擇的(de)(de)(de)(de)溫度(du)(du)為(wei)1923K而引起的(de)(de)(de)(de)，因為(wei)當(dang)熔體(ti)以緩慢的(de)(de)(de)(de)冷卻速率降低到液相線時(shi)，氮(dan)(dan)(dan)濃度(du)(du)會(hui)增加。驗證(zheng)結果(guo)表明(ming)，經(jing)壓(ya)力(li)(li)項修(xiu)正(zheng)后的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)熱力(li)(li)學(xue)模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)，適(shi)用于(yu)計(ji)(ji)算(suan)(suan)高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)下(xia)不銹鋼的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)。在著作 Mastering P-ESR Technology for High Nitrogen Steel Grades for HighValue Applications中(zhong)(zhong)，Carosi等認為(wei)Jiang等建立的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)預測(ce)值與工業結果(guo)非常(chang)(chang)符合，并將此模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)應用到動態模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)仿真計(ji)(ji)算(suan)(suan)中(zhong)(zhong)。

  基于高氮氣(qi)壓力下(xia)氮溶解度模(mo)(mo)型(xing)的(de)修正，本書作者針對含(han)Nb和含(han)V鋼(gang)種，進一步研究了(le)其(qi)氮溶解熱力學行為，通過補充完善鋼(gang)液中(zhong)Nb和V對氮活度的(de)相互作用(yong)系數(shu)，構建了(le)包(bao)含(han) Nb、V體系鋼(gang)種或合金在氮氣(qi)加壓下(xia)的(de)氮溶解度模(mo)(mo)型(xing)：

2. 合金元素成分對氮溶解度的(de)影響

 a. 合(he)金(jin)元素對氮的活度(du)相互作用系(xi)數

  氮(dan)(dan)(dan)(dan)在鐵基合金(jin)(jin)熔(rong)體中的溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)受其合金(jin)(jin)成分的影響顯著，許多常用合金(jin)(jin)元素可有效地提高氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)，同時也有部分元素會降(jiang)低(di)(di)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)。一般可以(yi)用各合金(jin)(jin)元素對氮(dan)(dan)(dan)(dan)的一階(jie)活度(du)相互作用系數(shu)（表2-4)來表征(zheng)合金(jin)(jin)成分對氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)的影響，當其值為負時，相應(ying)的合金(jin)(jin)元素可降(jiang)低(di)(di)熔(rong)體中氮(dan)(dan)(dan)(dan)的活度(du)系數(shu)，增加氮(dan)(dan)(dan)(dan)的溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)；當其值為正時，相應(ying)的合金(jin)(jin)元素則增大氮(dan)(dan)(dan)(dan)的活度(du)系數(shu)，降(jiang)低(di)(di)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)。

合金元(yuan)(yuan)素(su)(su)對(dui)(dui)氮的(de)活度相(xiang)互作用系數，實(shi)質上表征了該合金元(yuan)(yuan)素(su)(su)與(yu)氮元(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)原(yuan)子(zi)間(jian)親(qin)和(he)力，這與(yu)其(qi)在元(yuan)(yuan)素(su)(su)周(zhou)期(qi)表中的(de)位置密切相(xiang)關，因為(wei)元(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)電子(zi)結(jie)構與(yu)它們在周(zhou)期(qi)表中的(de)位置相(xiang)對(dui)(dui)應(ying)。從合金元(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)微觀結(jie)構來(lai)看，同(tong)(tong)(tong)一周(zhou)期(qi)中，從左到右(you)，元(yuan)(yuan)素(su)(su)核外(wai)電子(zi)層數相(xiang)同(tong)(tong)(tong)，而最外(wai)層電子(zi)數增(zeng)加，原(yuan)子(zi)半徑遞減（0族元(yuan)(yuan)素(su)(su)除外(wai)）；同(tong)(tong)(tong)一族中，從上到下，所(suo)有元(yuan)(yuan)素(su)(su)具有相(xiang)同(tong)(tong)(tong)數量的(de)價(jia)電子(zi)，而核外(wai)電子(zi)層數逐漸增(zeng)多，原(yuan)子(zi)半徑增(zeng)大(da)。原(yuan)子(zi)半徑大(da)的(de)合金元(yuan)(yuan)素(su)(su)對(dui)(dui)氮的(de)親(qin)和(he)力普(pu)遍較強(qiang)。

  圖(tu)2-8給出了在(zai)1873K、0.1MPa氮(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)(li)下Fe-X二(er)元(yuan)(yuan)合(he)金(jin)體(ti)系中(zhong)各種(zhong)常(chang)見金(jin)元(yuan)(yuan)素X對(dui)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)的(de)(de)影響。在(zai)合(he)金(jin)熔體(ti)中(zhong)，提(ti)(ti)高(gao)(gao)Mo、Mn、Ta、Cr、Nb和(he)(he)V等(deng)(deng)元(yuan)(yuan)素的(de)(de)含量能(neng)夠(gou)顯(xian)著增大熔體(ti)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)。例如(ru)(ru)，在(zai)1873K和(he)(he)氮(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)(li)為0.1MPa條件(jian)下，Cr、Mn等(deng)(deng)典型合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素能(neng)夠(gou)提(ti)(ti)高(gao)(gao)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)無鎳(nie)奧氏(shi)體(ti)不銹鋼熔體(ti)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)，其(qi)中(zhong)20%Cr-20%Mn合(he)金(jin)體(ti)系中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)可達0.8%以(yi)上，如(ru)(ru)圖(tu)2-9所示(shi)。然而，提(ti)(ti)高(gao)(gao)C、Si等(deng)(deng)元(yuan)(yuan)素的(de)(de)含量則會明顯(xian)降低熔體(ti)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)，其(qi)他元(yuan)(yuan)素（如(ru)(ru)Ni、Co、Cu、Sn和(he)(he)W等(deng)(deng)）含量的(de)(de)變化(hua)則對(dui)熔體(ti)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)影響相對(dui)較小。

  如圖(tu)2-10所示，根據對(dui)氮(dan)(dan)在熔(rong)(rong)(rong)體(ti)中溶解(jie)度(du)(du)的(de)(de)影響規律不同，合(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)大體(ti)可以分為(wei)(wei)(wei)三大類(lei)(lei)：①. 第一類(lei)(lei)為(wei)(wei)(wei)對(dui)熔(rong)(rong)(rong)融鐵基(ji)合(he)金(jin)中氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)(du)具有顯(xian)(xian)著(zhu)提(ti)(ti)升作(zuo)用的(de)(de)合(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)，如Cr、Mo、Mn、Ti、Zr、V和Nb等，其中Ti、Zr、V和Nb具有強烈的(de)(de)形(xing)成氮(dan)(dan)化(hua)物的(de)(de)趨(qu)勢。Cr作(zuo)為(wei)(wei)(wei)不銹鋼的(de)(de)重要(yao)合(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)之一，能夠顯(xian)(xian)著(zhu)提(ti)(ti)高(gao)熔(rong)(rong)(rong)融鐵基(ji)合(he)金(jin)的(de)(de)氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)(du)，其與Ti、Zr、V和Nb相比，形(xing)成氮(dan)(dan)化(hua)物的(de)(de)趨(qu)勢較(jiao)小。②. Ni、Co和Cu等元(yuan)素(su)(su)為(wei)(wei)(wei)第二類(lei)(lei)，對(dui)氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)(du)的(de)(de)影響較(jiao)小。其中Ni是不銹鋼中重要(yao)的(de)(de)合(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)，但(dan)它對(dui)氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)(du)的(de)(de)負面影響會降低(di)高(gao)氮(dan)(dan)合(he)金(jin)中的(de)(de)氮(dan)(dan)含量。③. 第三類(lei)(lei)為(wei)(wei)(wei)C、Si等非金(jin)屬(shu)元(yuan)素(su)(su)和A1等元(yuan)素(su)(su)，具有明顯(xian)(xian)降低(di)熔(rong)(rong)(rong)體(ti)氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)(du)的(de)(de)作(zuo)用。

  b. 合金元素的(de)鉻等效(xiao)因子與鉻當量濃(nong)度

  除合金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)對(dui)氮的(de)(de)(de)活度(du)相(xiang)(xiang)互(hu)作用(yong)系數外，也(ye)可以通過參考元(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)(de)等(deng)(deng)效作用(yong)來描述不同元(yuan)(yuan)素(su)對(dui)熔體(ti)氮溶解度(du)的(de)(de)(de)影響。較(jiao)為(wei)典型的(de)(de)(de)是(shi)以鉻(ge)為(wei)參考，因(yin)為(wei)鉻(ge)具有(you)相(xiang)(xiang)當強的(de)(de)(de)增加氮溶解度(du)的(de)(de)(de)作用(yong)，并且被認為(wei)是(shi)合金(jin)(jin)材料中(zhong)最(zui)重(zhong)要的(de)(de)(de)合金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)之(zhi)一。在活度(du)相(xiang)(xiang)互(hu)作用(yong)系數的(de)(de)(de)基礎上，Satir-Kolorz與(yu)Feichtinger 換算了(le)各種合金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)(de)鉻(ge)等(deng)(deng)效因(yin)子c.表2-4列出了(le)Ti、Zr、V、Nb、Ta、W、C、B、Al、Si、P、As、Sb和Sn等(deng)(deng)元(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)(de)鉻(ge)等(deng)(deng)效因(yin)子。對(dui)于不同合金(jin)(jin)體(ti)系，可以將(jiang)(jiang)體(ti)系中(zhong)各種合金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)X;的(de)(de)(de)濃(nong)(nong)度(du)乘以相(xiang)(xiang)應的(de)(de)(de)鉻(ge)等(deng)(deng)效因(yin)子獲(huo)得對(dui)應的(de)(de)(de)鉻(ge)當量濃(nong)(nong)度(du)。據此，可將(jiang)(jiang)熔體(ti)中(zhong)所有(you)合金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)X;的(de)(de)(de)濃(nong)(nong)度(du)轉換為(wei)鉻(ge)當量濃(nong)(nong)度(du)。

  通過(guo)(guo)實驗(yan)測(ce)量(liang)鋼中的(de)平(ping)衡氮(dan)含量(liang)，得到了合金(jin)體(ti)(ti)(ti)系(xi)對應的(de)數(shu)值，如圖(tu)(tu)2-11中空心點(dian)所示(shi)；通過(guo)(guo)式（2-23)計算(suan)可(ke)以(yi)(yi)得到不同鉻(ge)當(dang)量(liang)濃度(du)(du)與0.51gPN2-lg[%N]-e≈[%N](氮(dan)活(huo)度(du)(du)系(xi)數(shu)）之(zhi)間的(de)關(guan)系(xi)曲線，兩符合良好，驗(yan)證了此(ci)(ci)等(deng)效方法的(de)合理性。此(ci)(ci)研究(jiu)的(de)特別之(zhi)處在于，通過(guo)(guo)鉻(ge)當(dang)量(liang)濃度(du)(du)來間接(jie)表(biao)示(shi)多(duo)(duo)種(zhong)合金(jin)元(yuan)素在大濃度(du)(du)范圍內(nei)的(de)所有數(shu)據(ju)，可(ke)以(yi)(yi)將復雜(za)(za)的(de)多(duo)(duo)組元(yuan)熔體(ti)(ti)(ti)等(deng)效為(wei)(wei)鐵－氮(dan)－鉻(ge)三(san)元(yuan)體(ti)(ti)(ti)系(xi)后計算(suan)氮(dan)的(de)溶解(jie)度(du)(du)。基于鉻(ge)等(deng)效因子，通過(guo)(guo)鉻(ge)當(dang)量(liang)濃度(du)(du)的(de)換算(suan)并(bing)參考關(guan)系(xi)曲線（圖(tu)(tu)2-11),復雜(za)(za)的(de)多(duo)(duo)組元(yuan)熔體(ti)(ti)(ti)氮(dan)溶解(jie)度(du)(du)可(ke)統(tong)一表(biao)示(shi)為(wei)(wei)

3. 溫(wen)度對氮溶解度的影響(xiang)

  溫度(du)對合(he)(he)金熔體(ti)中氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響，取決(jue)于(yu)氮(dan)(dan)(dan)在(zai)合(he)(he)金熔體(ti)中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)反應為吸(xi)熱還是(shi)放(fang)熱過程，即氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)反應焓變(bian)ΔH的(de)(de)(de)(de)(de)(de)正負。在(zai)一定(ding)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力下，對于(yu)不(bu)同(tong)合(he)(he)金成(cheng)分的(de)(de)(de)(de)(de)(de)熔體(ti)而言(yan)，氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)對溫度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)依賴性(xing)（溫度(du)對氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響趨勢）是(shi)不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，且隨(sui)溫度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化程度(du)也不(bu)同(tong)，這是(shi)由該熔體(ti)中合(he)(he)金元素(su)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)種類與含量共同(tong)決(jue)定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，即ΔH的(de)(de)(de)(de)(de)(de)正負是(shi)由合(he)(he)金成(cheng)分決(jue)定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。

  0.1MPa氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)下常見(jian)的(de)(de)Fe-Cr-Mn-Ni合(he)(he)金(jin)(jin)體系(xi)在1750~2000K溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)范圍內的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)(du)(du)(du)(du)(du)與溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)關系(xi)如(ru)圖2-12所示。可以(yi)看出，純鐵和(he)Fe20Ni合(he)(he)金(jin)(jin)體系(xi)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)(du)(du)(du)(du)(du)較低，并且(qie)隨(sui)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)升高逐漸(jian)增大(da)。隨(sui)著熔體中鉻(ge)、錳(meng)等元素(su)含量(liang)的(de)(de)增加，如(ru)Fe18Mn和(he)Fe18Cr等合(he)(he)金(jin)(jin)體系(xi)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)溶(rong)(rong)解度(du)(du)(du)(du)(du)(du)顯著增大(da)，溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)對氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)影響更加明顯，且(qie)隨(sui)著溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)下降(jiang)，熔體中的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)(du)(du)(du)(du)(du)逐漸(jian)增大(da)。Fe18Cr8Ni合(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)(du)(du)(du)(du)(du)對溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)依賴性也為(wei)負；此(ci)外(wai)，由于(yu)鎳具有降(jiang)低氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)作用，相(xiang)對于(yu)Fe18Cr合(he)(he)金(jin)(jin)，Fe18Cr8Ni合(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)(du)(du)(du)(du)(du)隨(sui)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)變化的(de)(de)趨勢(shi)比較平(ping)緩。

  從溶(rong)解(jie)(jie)熱(re)力學(xue)理論來看，在合(he)(he)金(jin)(jin)成(cheng)分與(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)(de)條件下，溫度(du)(du)(du)對(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響規律(lv)為(wei)(wei)(wei)：若式（2-36)中(zhong)(zhong)參(can)數a<0,即(ji)焓變(bian)ΔH>0時，氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)反(fan)應為(wei)(wei)(wei)吸熱(re)過程，氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)隨(sui)溫度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)升高而(er)(er)增大；若a>0,即(ji)焓變(bian)ΔH<0時，反(fan)為(wei)(wei)(wei)放熱(re)過程，氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)隨(sui)溫度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)升高而(er)(er)減小。因此，溫度(du)(du)(du)對(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響取(qu)決(jue)于焓變(bian)ΔH數值的(de)(de)(de)(de)正(zheng)負(fu)和(he)大小，最(zui)終歸結為(wei)(wei)(wei)合(he)(he)金(jin)(jin)成(cheng)分決(jue)定(ding)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)溫度(du)(du)(du)依賴性。利用氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)模(mo)型，Satir-Kolorz 等探究了(le)不同的(de)(de)(de)(de)合(he)(he)金(jin)(jin)體(ti)系(xi)在0.1MPa和(he)5MPa氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力下，1750~2000K 范圍內氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)與(yu)溫度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)關(guan)系(xi)，如圖2-13所示。結果與(yu)上面(mian)分析的(de)(de)(de)(de)一(yi)致，在氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)(de)條件下，溫度(du)(du)(du)對(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響取(qu)決(jue)于合(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)成(cheng)分：含有增加氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)元素(su)（如Mn、Cr、Mo)的(de)(de)(de)(de)鐵(tie)基合(he)(he)金(jin)(jin)（Fe-Cr和(he)Fe-Mn合(he)(he)金(jin)(jin)體(ti)系(xi)），氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)隨(sui)著溫度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)升高而(er)(er)降(jiang)低；而(er)(er)對(dui)于含有降(jiang)低氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)元素(su)的(de)(de)(de)(de)鐵(tie)基合(he)(he)金(jin)(jin)（如Fe-Ni合(he)(he)金(jin)(jin)），隨(sui)著溫度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)升高，熔體(ti)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)增大。

4. 氮氣(qi)壓(ya)力對氮溶(rong)解度的影響

  鑒于高(gao)氮(dan)(dan)(dan)鋼產品(pin)對高(gao)氮(dan)(dan)(dan)含量的(de)(de)(de)需求，在常壓(ya)(ya)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)環(huan)境中無法實現(xian)(xian)鋼液的(de)(de)(de)高(gao)效增氮(dan)(dan)(dan)和保氮(dan)(dan)(dan)，提高(gao)冶煉過程的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)成為有(you)效手段。氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)加(jia)(jia)壓(ya)(ya)冶煉技術，不(bu)僅能夠(gou)通(tong)過促(cu)進氣(qi)相(xiang)－合(he)金(jin)熔體間的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解反(fan)應實現(xian)(xian)更佳的(de)(de)(de)增氮(dan)(dan)(dan)效果(guo)，在抑制(zhi)高(gao)氮(dan)(dan)(dan)濃(nong)度(du)鋼液凝固(gu)過程中氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)孔的(de)(de)(de)形(xing)成方(fang)面(mian)也發(fa)揮著(zhu)重要作(zuo)用。研究不(bu)同氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)下(xia)合(he)金(jin)熔體中的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)，成為精確控制(zhi)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)加(jia)(jia)壓(ya)(ya)冶煉工藝鋼中氮(dan)(dan)(dan)含量的(de)(de)(de)重要理論(lun)基礎。在常壓(ya)(ya)［如(ru)圖(tu)2-14(a)和加(jia)(jia)壓(ya)(ya)［如(ru)圖(tu)2-14(b)]條件(jian)下(xia)，液態(tai)鐵基合(he)金(jin)中的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)隨氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)(de)提高(gao)而顯著(zhu)增大。

a. 低氮氣壓力

  如(ru)前所述，氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)在(zai)金屬(shu)熔體中的溶(rong)解屬(shu)于雙原(yuan)子(zi)分子(zi)的溶(rong)解過程(cheng)，在(zai)低氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)范圍(wei)內，氮(dan)(dan)溶(rong)解度(du)隨氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)的變化符(fu)合Sieverts定律。眾多研究(jiu)已經證實(shi)，在(zai)小于0.1MPa的低氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)范圍(wei)內，不銹(xiu)鋼體系（表2-5中1~3號）的氮(dan)(dan)溶(rong)解度(du)與(yu)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)的關(guan)系符(fu)合 Sieverts定律，即呈線性相關(guan)，如(ru)圖2-15所示。

  為了進一步(bu)驗證(zheng)不同氮(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)下 Sieverts定律(lv)的(de)(de)適用情況，Jiang(姜(jiang)周(zhou)華）等(deng)研究了氮(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)不高于0.1MPa,即低氮(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)下典型不銹(xiu)鋼品種AISI304和AISI 316L 熔體(ti)中(zhong)氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)與(yu)氮(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)關系(xi)，結(jie)果如圖2-16所示(shi)。隨著(zhu)氮(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)增(zeng)加，氮(dan)(dan)在兩類典型不銹(xiu)鋼熔體(ti)中(zhong)的(de)(de)溶解(jie)度(du)顯著(zhu)提(ti)升，并且與(yu)氮(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)關系(xi)符(fu)合Sieverts定律(lv)。

 b. 高(gao)氮氣壓(ya)力(li)

  隨著冶煉過(guo)程中氮(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)的進一步提高(gao)，各種合金體(ti)系(xi)的氮(dan)溶(rong)解度(du)均(jun)會增(zeng)大。純(chun)鐵(tie)液的飽和氮(dan)濃度(du)不僅在(zai)(zai)常壓(ya)(ya)以下(xia)(xia)，而(er)且在(zai)(zai)0.1~200MPa的高(gao)壓(ya)(ya)范(fan)圍內也(ye)(ye)始終與氮(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)的平(ping)方根呈線性關系(xi)。這是因為即使(shi)在(zai)(zai)高(gao)氮(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)下(xia)(xia)純(chun)鐵(tie)液中的氮(dan)溶(rong)解度(du)也(ye)(ye)處(chu)于(yu)較低的水平(ping)，如(ru)圖2-17所(suo)示。在(zai)(zai)Fe-Ni合金體(ti)系(xi)中，由于(yu)鎳元素具有降低氮(dan)溶(rong)解度(du)的作用，鎳含量越(yue)高(gao)氮(dan)溶(rong)解度(du)反(fan)而(er)越(yue)低，即使(shi)在(zai)(zai)高(gao)氮(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)下(xia)(xia)氮(dan)溶(rong)解度(du)也(ye)(ye)處(chu)于(yu)較低水平(ping)。研究結果表明，高(gao)氮(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)下(xia)(xia)Fe-Ni體(ti)系(xi)也(ye)(ye)符(fu)合 Sieverts定律，如(ru)圖2-18所(suo)示。

  然而，隨(sui)著(zhu)高(gao)氮鋼品種的(de)開發和冶煉工藝的(de)發展(zhan)，大(da)量研究(jiu)顯示(shi)，對于較(jiao)高(gao)氮氣壓(ya)力下的(de)Fe-Cr-Mn-Ni-Mo等高(gao)合金體系（表(biao)2-5中4~6號），氮溶解度隨(sui)氮氣壓(ya)力的(de)變(bian)化(hua)與(yu)Sieverts定(ding)律描述的(de)線性關系產生了較(jiao)大(da)的(de)偏差，如圖2-19所示(shi)。

  圖(tu)2-19 1873K 高(gao)(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)下(xia)(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)平(ping)方根(gen)的(de)(de)變化氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)與Sieverts 定(ding)律(lv)的(de)(de)偏離，并非(fei)存在于(yu)所有高(gao)(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)下(xia)(xia)的(de)(de)情況(kuang)，與合金熔(rong)體(ti)成分密切相(xiang)關。上述(shu)純(chun)鐵(tie)液(ye)和Fe-Ni合金這(zhe)兩類低氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)體(ti)系就(jiu)是(shi)偏差不顯著的(de)(de)實例；相(xiang)反，具(ju)有高(gao)(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)合金熔(rong)體(ti)（如(ru)Fe-Cr-Mn體(ti)系）在高(gao)(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)下(xia)(xia)通常(chang)不符合 Sieverts 定(ding)律(lv)。由(you)此可以(yi)推測，高(gao)(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)下(xia)(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)提高(gao)(gao)(gao)(gao)(gao)較慢(man)的(de)(de)原因(yin)是(shi)，高(gao)(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)下(xia)(xia)熔(rong)體(ti)中氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)(du)(du)(du)處于(yu)較高(gao)(gao)(gao)(gao)(gao)水平(ping)，不再滿足(zu)無限(xian)稀釋溶(rong)(rong)液(ye)的(de)(de)理(li)想情況(kuang)。此時，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原子之間(jian)存在自(zi)身(shen)相(xiang)互作用，彼(bi)此之間(jian)的(de)(de)相(xiang)斥效應將會(hui)導致(zhi)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)降(jiang)低；氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)(du)(du)(du)越高(gao)(gao)(gao)(gao)(gao)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)自(zi)身(shen)的(de)(de)相(xiang)斥作用越明顯。由(you)此可知，高(gao)(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)下(xia)(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)與Sieverts 定(ding)律(lv)的(de)(de)偏離主要由(you)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)自(zi)身(shen)相(xiang)互作用導致(zhi)，而高(gao)(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)通常(chang)是(shi)熔(rong)體(ti)中高(gao)(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)含量的(de)(de)一個(ge)關鍵(jian)誘因(yin)。

  對(dui)于圖(tu)(tu)2-17和圖(tu)(tu)2-18中(zhong)純鐵(tie)液、低(di)合(he)金(jin)(jin)鋼或類似Fe-Ni合(he)金(jin)(jin)等(deng)低(di)氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)體系(xi)(xi)而言，氮(dan)的(de)(de)自身相互(hu)作用(yong)(yong)幾乎(hu)可(ke)以忽略，在(zai)高(gao)氮(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)下(xia)氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)與(yu)氮(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)平方(fang)根也接近線性關(guan)系(xi)(xi)。常見的(de)(de)具(ju)有高(gao)氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)Fe-Cr-Mn等(deng)體系(xi)(xi)則不(bu)同，在(zai)高(gao)氮(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)下(xia)高(gao)合(he)金(jin)(jin)含量的(de)(de)熔體氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)可(ke)達1%以上，超(chao)出 Sieverts定(ding)(ding)律的(de)(de)適用(yong)(yong)范圍。定(ding)(ding)義Sieverts定(ding)(ding)律對(dui)氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)壓(ya)(ya)力(li)適用(yong)(yong)極限，為開始(shi)出現明(ming)顯偏(pian)(pian)差的(de)(de)臨界氮(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)，如圖(tu)(tu)2-20所示，不(bu)同鉻(ge)含量的(de)(de)Fe-Cr合(he)金(jin)(jin)的(de)(de)壓(ya)(ya)力(li)適用(yong)(yong)極限不(bu)同（實驗(yan)數據來(lai)源于Torkhov等(deng)的(de)(de)研究）。隨著鉻(ge)和氮(dan)含量的(de)(de)增加，Sieverts定(ding)(ding)律的(de)(de)氮(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)適用(yong)(yong)極限快速降低(di)，高(gao)氮(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)下(xia)的(de)(de)偏(pian)(pian)差程度(du)(du)(du)(du)也變得更為顯著。

  針(zhen)對(dui)高(gao)(gao)(gao)合金、高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)體(ti)系(xi)在高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)(li)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)熱力(li)(li)學偏(pian)離 Sieverts定(ding)律(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)現象，可(ke)通過熔體(ti)中各類原(yuan)(yuan)子(zi)之間(jian)存(cun)在的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)來解(jie)釋氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)溶(rong)解(jie)機制(zhi)。圖2-21(a)顯(xian)示(shi)了(le)單個氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)在鐵(tie)原(yuan)(yuan)子(zi)晶(jing)格(ge)(ge)中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)賦存(cun)狀況(kuang)：由于氮(dan)(dan)(dan)(dan)處(chu)于無限稀(xi)釋的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)狀態(tai)，它只與鐵(tie)原(yuan)(yuan)子(zi)存(cun)在相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)，不(bu)發生氮(dan)(dan)(dan)(dan)自(zi)身的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)。圖2-21(b)顯(xian)示(shi)了(le)高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)下(xia)（如(ru)在高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)(li)下(xia)）的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)鐵(tie)－氮(dan)(dan)(dan)(dan)二元合金晶(jing)格(ge)(ge)：氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)周圍除相(xiang)(xiang)鄰(lin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)鐵(tie)原(yuan)(yuan)子(zi)外，也(ye)存(cun)在臨近的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)間(jian)彼此(ci)相(xiang)(xiang)互(hu)抑(yi)(yi)制(zhi)，從(cong)而導致氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)降(jiang)低并偏(pian)離 Sieverts 定(ding)律(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)預(yu)測曲(qu)線。這種(zhong)自(zi)身作(zuo)用(yong)(yong)可(ke)由自(zi)身活(huo)度(du)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)系(xi)數(shu)來表示(shi)，由于氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)之間(jian)處(chu)于相(xiang)(xiang)互(hu)抑(yi)(yi)制(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)狀態(tai)，自(zi)身活(huo)度(du)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)系(xi)數(shu)e值(zhi)(zhi)為正數(shu)。圖2-21(c)顯(xian)示(shi)了(le)鐵(tie)－鉻(ge)－氮(dan)(dan)(dan)(dan)三元合金的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)格(ge)(ge)：由于鉻(ge)原(yuan)(yuan)子(zi)和氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)之間(jian)具有很強的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)吸引(yin)力(li)(li)，其相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)系(xi)數(shu)為負值(zhi)(zhi)。在此(ci)結構中，由于氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)向鉻(ge)原(yuan)(yuan)子(zi)偏(pian)移，就有更多空間(jian)留給額(e)外的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)，從(cong)而產生較高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)。不(bu)過隨(sui)著氮(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)增加，氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)對(dui)自(zi)身的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)強烈(lie)排斥作(zuo)用(yong)(yong)開始凸(tu)顯(xian)，因此(ci)在高(gao)(gao)(gao)鉻(ge)和高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)下(xia)，實際(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)隨(sui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)變化規律(lv)與 Sieverts定(ding)律(lv)之間(jian)存(cun)在明顯(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)偏(pian)差。

  研究發現，在超過10MPa氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)的(de)條件下(xia)(xia)，將合金元素含(han)(han)量(liang)(liang)提(ti)高(gao)至45%,熔體(ti)(ti)(ti)的(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解度(du)(du)可以高(gao)達3%以上(shang)。在氮(dan)(dan)(dan)(dan)濃(nong)度(du)(du)如此(ci)高(gao)的(de)情(qing)況下(xia)(xia)，熔體(ti)(ti)(ti)不(bu)(bu)(bu)滿足使(shi)用(yong)(yong)(yong)Sieverts 定律(lv)的(de)前(qian)提(ti)條件，即無限稀釋溶(rong)(rong)(rong)液的(de)假設，因此(ci)在此(ci)條件下(xia)(xia)，Sieverts定律(lv)無法準確(que)預測氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解度(du)(du)，必(bi)須引入(ru)一(yi)個附加的(de)活(huo)(huo)度(du)(du)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)f,以體(ti)(ti)(ti)現氮(dan)(dan)(dan)(dan)對(dui)自(zi)身作用(yong)(yong)(yong)的(de)影響。圖2-22顯示了實(shi)驗測得(de)的(de)不(bu)(bu)(bu)同(tong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)下(xia)(xia)，不(bu)(bu)(bu)同(tong)合金體(ti)(ti)(ti)系(xi)(xi)(xi)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解度(du)(du)的(de)變化。首(shou)先(xian)在不(bu)(bu)(bu)考(kao)慮氮(dan)(dan)(dan)(dan)自(zi)身相(xiang)互(hu)(hu)作用(yong)(yong)(yong)的(de)情(qing)況下(xia)(xia)，通過對(dui)實(shi)驗結果(guo)進行回歸分(fen)析(xi)，確(que)定鉻、錳、鉬和鎳等主(zhu)要合金元素對(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)一(yi)階(jie)和二階(jie)活(huo)(huo)度(du)(du)相(xiang)互(hu)(hu)作用(yong)(yong)(yong)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)。同(tong)時，從文獻數(shu)(shu)據中(zhong)(zhong)獲(huo)得(de)其(qi)他合金元素的(de)相(xiang)互(hu)(hu)作用(yong)(yong)(yong)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)。基于所有合金對(dui)體(ti)(ti)(ti)系(xi)(xi)(xi)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)活(huo)(huo)度(du)(du)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)的(de)相(xiang)互(hu)(hu)作用(yong)(yong)(yong)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)，通過回歸分(fen)析(xi)確(que)定氮(dan)(dan)(dan)(dan)對(dui)自(zi)身的(de)活(huo)(huo)度(du)(du)相(xiang)互(hu)(hu)作用(yong)(yong)(yong)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)e為0.13。e的(de)數(shu)(shu)值為正，表明(ming)氮(dan)(dan)(dan)(dan)含(han)(han)量(liang)(liang)的(de)提(ti)高(gao)會增加活(huo)(huo)度(du)(du)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)，降低自(zi)身溶(rong)(rong)(rong)解度(du)(du)。