1. 常(chang)壓下基熔體的(de)氮溶解(jie)度模型

  常溫下(xia)(xia)氮以雙原子(zi)分子(zi)形式存在(zai)，高溫下(xia)(xia)則分解(jie)成氮原子(zi)溶(rong)解(jie)于金屬(shu)熔(rong)體(ti)中(zhong)。如(ru)圖2-1所示，氮在(zai)金屬(shu)熔(rong)體(ti)中(zhong)的溶(rong)解(jie)過程可(ke)以描述如(ru)下(xia)(xia)：氮氣(qi)接觸(chu)到熔(rong)體(ti)表面(mian)(mian)后(hou)發(fa)生物(wu)理(li)吸附(fu)，當氣(qi)體(ti)分子(zi)和熔(rong)體(ti)表面(mian)(mian)的結合(he)力大于氣(qi)體(ti)內(nei)部(bu)分子(zi)的結合(he)力時(shi)發(fa)生化學吸附(fu)，吸附(fu)的氮分子(zi)分解(jie)成原子(zi)，隨后(hou)從熔(rong)體(ti)表面(mian)(mian)向內(nei)部(bu)擴散。

  表2-1總結了研究人員在(zai)1873K、0.1MPa氮氣壓力下(xia)測得的(de)熔融(rong)(rong)鐵(tie)液中(zhong)的(de)氮溶(rong)解度(du)(du)。根(gen)據(ju)文獻中(zhong)的(de)實驗數據(ju)可知，熔融(rong)(rong)鐵(tie)液的(de)氮溶(rong)解度(du)(du)集中(zhong)在(zai)0.043%~0.046%范圍內。圖(tu)2-2歸(gui)納了冶煉(lian)溫度(du)(du)對熔融(rong)(rong)鐵(tie)液中(zhong)氮溶(rong)解度(du)(du)的(de)影響。可以看出，在(zai)熔融(rong)(rong)鐵(tie)液中(zhong)，氮溶(rong)解度(du)(du)隨溫度(du)(du)的(de)升高而增大。

  若氮(dan)(dan)活(huo)度的(de)參考態為(wei)合(he)金熔體中(zhong)假想的(de)1%N溶(rong)液(ye)，則0.5mol氮(dan)(dan)氣溶(rong)解于合(he)金熔體的(de)吉布斯自由能變可(ke)以表示(shi)為(wei)

  在早期(qi)對合(he)金熔體(ti)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)的(de)研究中(zhong)(zhong)(zhong)，各種合(he)金元(yuan)素對氮(dan)的(de)二(er)階(jie)活度(du)(du)相(xiang)互作用(yong)(yong)(yong)系(xi)(xi)數(shu)(shu)及(ji)二(er)階(jie)交叉活度(du)(du)相(xiang)互作用(yong)(yong)(yong)系(xi)(xi)數(shu)(shu)的(de)相(xiang)關測定(ding)尚不完善。1965年，Chipman等［18]開發了(le)僅使用(yong)(yong)(yong)一階(jie)活度(du)(du)相(xiang)互作用(yong)(yong)(yong)系(xi)(xi)數(shu)(shu)而不涉及(ji)高(gao)階(jie)項的(de)氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)模(mo)型(xing)。基于Chipman等的(de)研究結果(guo)和1873K下(xia)(xia)不同(tong)元(yuan)素對氮(dan)的(de)一階(jie)活度(du)(du)相(xiang)互作用(yong)(yong)(yong)系(xi)(xi)數(shu)(shu)（表2-2)[19],可以(yi)得(de)到(dao)1873K下(xia)(xia)氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)模(mo)型(xing)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)的(de)活度(du)(du)系(xi)(xi)數(shu)(shu)1gf[式(shi)（2-9)],其他冶煉(lian)溫度(du)(du)下(xia)(xia)氮(dan)的(de)活度(du)(du)系(xi)(xi)數(shu)(shu)可由式(shi)（2-10)轉(zhuan)換獲得(de)。據此(ci)，Chipman 等建立了(le)預測不同(tong)溫度(du)(du)下(xia)(xia)合(he)金熔體(ti)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)的(de)式(shi)（2-11)。

  隨著對(dui)多元(yuan)(yuan)合(he)(he)金(jin)(jin)熔體(ti)氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)(du)研(yan)究(jiu)(jiu)的(de)(de)深(shen)入(ru)，各(ge)種(zhong)合(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)對(dui)氮(dan)(dan)的(de)(de)一(yi)階(jie)(jie)(jie)、二(er)階(jie)(jie)(jie)以及二(er)階(jie)(jie)(jie)交叉(cha)活(huo)度(du)(du)相(xiang)互作用系數(shu)的(de)(de)實驗(yan)研(yan)究(jiu)(jiu)與測(ce)定(ding)逐步完(wan)善。1990年，Grigorenko等(deng)。探究(jiu)(jiu)了(le)合(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)對(dui)氮(dan)(dan)活(huo)度(du)(du)系數(shu)的(de)(de)影響，認為(wei)(wei)在較高的(de)(de)合(he)(he)金(jin)(jin)濃(nong)度(du)(du)下，僅(jin)采用一(yi)階(jie)(jie)(jie)活(huo)度(du)(du)相(xiang)互作用系數(shu)來計(ji)算氮(dan)(dan)的(de)(de)活(huo)度(du)(du)系數(shu)和預(yu)測(ce)氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)(du)是(shi)不夠準確的(de)(de)。為(wei)(wei)了(le)進一(yi)步提高氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)(du)預(yu)測(ce)模(mo)型(xing)的(de)(de)準確性，必須以二(er)階(jie)(jie)(jie)乃至更高階(jie)(jie)(jie)泰勒(le)級(ji)數(shu)的(de)(de)形(xing)式表示氮(dan)(dan)的(de)(de)活(huo)度(du)(du)系數(shu)，即引入(ru)合(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)對(dui)氮(dan)(dan)的(de)(de)高階(jie)(jie)(jie)活(huo)度(du)(du)相(xiang)互作用系數(shu)。據此，氮(dan)(dan)活(huo)度(du)(du)系數(shu)按高階(jie)(jie)(jie)泰勒(le)級(ji)數(shu)的(de)(de)形(xing)式展開，可(ke)表示為(wei)(wei)

2. 常壓下Fe-20%Cr基熔體的氮溶解度模型

  鑒(jian)于(yu)以Fe-Cr 合(he)金(jin)為(wei)基礎(chu)的(de)各(ge)種合(he)金(jin)材(cai)料的(de)生產與應(ying)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)基體的(de)氮溶(rong)(rong)解度模型(xing)。在(zai)熔融Fe-20%Cr基合(he)金(jin)中(zhong)，氮溶(rong)(rong)解熱力學平衡關系(xi)如(ru)下所(suo)示(shi)：

3. 高氮(dan)氣壓力下的氮(dan)溶解度模型

  隨著含氮(dan)鋼種(zhong)相關研究的不斷深入(ru)，高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)鋼由于其(qi)優異的力(li)學(xue)性能(neng)和(he)耐腐蝕(shi)性能(neng)，在諸多領(ling)域得到了(le)(le)廣泛(fan)應用。大量研究發現，在高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)氣(qi)壓力(li)下，高(gao)(gao)(gao)(gao)合金(jin)體系中氮(dan)溶解度(du)出現了(le)(le)偏離 Sieverts 定律的現象，導致高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)氣(qi)壓力(li)下氮(dan)溶解度(du)預測模型的準確度(du)大幅降低。

  如圖2-3和圖2-4所示，當鉻(ge)、錳(meng)等含量較高(gao)(gao)時(shi)，高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)(li)下(xia)合(he)金熔體的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)達(da)到了(le)較高(gao)(gao)的(de)(de)數值，此時(shi)僅(jin)能(neng)在(zai)小范圍(wei)內呈線性關系，合(he)金中(zhong)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)含量依然(ran)能(neng)隨著氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)(li)的(de)(de)增(zeng)加而持續提高(gao)(gao)，但與低氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)(li)時(shi)相比，高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)(li)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)的(de)(de)增(zeng)加趨勢明(ming)(ming)顯變緩。高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)(li)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)(li)對氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)的(de)(de)提升作用被削弱(ruo)，具體表現為實(shi)測(ce)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)［％N]低于根(gen)據(ju)Sieverts定律計算(suan)的(de)(de)值，即圖中(zhong)各個(ge)實(shi)線（實(shi)驗(yan)值）均(jun)處于相應虛線（計算(suan)值）下(xia)方。同時(shi)，兩(liang)曲線的(de)(de)偏離程度(du)隨著鉻(ge)、錳(meng)等元(yuan)(yuan)素含量的(de)(de)增(zeng)加而變得嚴(yan)重。這表明(ming)(ming)在(zai)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)(li)大(da)于0.1MPa的(de)(de)冶煉氣(qi)(qi)氛中(zhong)，尤其(qi)是當金屬熔體含有較高(gao)(gao)量具有提升氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)能(neng)力(li)(li)的(de)(de)合(he)金元(yuan)(yuan)素時(shi)，氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)很高(gao)(gao)，其(qi)與氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)(li)的(de)(de)關系將不(bu)再符合(he) Sieverts定律。

  1993年Rawers等［24]通過實(shi)驗研究了Fe-Cr和Fe-Cr-Ni等合(he)金體系在(zai)高(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力下氮(dan)(dan)的(de)溶解(jie)度(du)模型。圖(tu)2-5給出了不同氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力下氮(dan)(dan)活度(du)系數InfN隨鉻(ge)濃(nong)度(du)變化(hua)曲線。對于鐵基合(he)金，在(zai)低鉻(ge)濃(nong)度(du)范(fan)圍內，lnfN與鉻(ge)濃(nong)度(du)之間存(cun)在(zai)線性關系，其斜率隨著氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力的(de)增加(jia)而變化(hua)；在(zai)較高(gao)鉻(ge)濃(nong)度(du)時，則(ze)明顯偏(pian)離線性關系。

  基(ji)于對實驗(yan)數據的(de)回歸分(fen)析，獲得了Fe-Cr與Fe-Cr-Ni體(ti)系氮(dan)溶(rong)解度(du)模型中各相(xiang)互(hu)作(zuo)用系數，見表2-3.通過成(cheng)分(fen)相(xiang)互(hu)作(zuo)用和氮(dan)氣(qi)壓(ya)力－成(cheng)分(fen)效應(ying)對氮(dan)溶(rong)解度(du)模型的(de)修正，可以更(geng)精確地預(yu)測高合金體(ti)系在高氮(dan)氣(qi)壓(ya)力條件下(xia)的(de)氮(dan)溶(rong)解度(du)。

  為了進(jin)一(yi)步修(xiu)正高氮(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)下(xia)(xia)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)模型(xing)，2005年(nian)Jiang(姜周(zhou)華）等［25]根據(ju)實驗研究和文獻報道的(de)(de)數據(ju)，回歸分析得到了氮(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)對氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)相(xiang)互作用系數8,反(fan)映(ying)了常壓(ya)以上的(de)(de)高氮(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)對氮(dan)(dan)(dan)活(huo)度(du)系數的(de)(de)影(ying)響(xiang)。該研究通過(guo)考慮氮(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)影(ying)響(xiang)，對高壓(ya)下(xia)(xia)氮(dan)(dan)(dan)活(huo)度(du)系數進(jin)行修(xiu)正［式（2-19)],從而建立了高氮(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)下(xia)(xia)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解熱力(li)(li)學模型(xing)來預測高氮(dan)(dan)(dan)不銹鋼熔體中的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)：

  經過修(xiu)正(zheng)后(hou)(hou)，重(zhong)新(xin)利用氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)熱(re)力學模(mo)型(xing)(xing)計算(suan)了文(wen)獻中1873K下純鐵、Fe-Cr和Fe-Mn 等合(he)金體系(xi)在高(gao)氮(dan)氣壓(ya)(ya)力下的(de)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)隨(sui)氮(dan)氣壓(ya)(ya)力的(de)變化，并與(yu)(yu)(yu)實驗數(shu)據進行了比較，如圖(tu)2-6所示(shi)。同時(shi)，圖(tu)2-7比較了氮(dan)活度(du)(du)系(xi)數(shu)計算(suan)式中壓(ya)(ya)力項(xiang)修(xiu)正(zheng)后(hou)(hou)的(de)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)模(mo)型(xing)(xing)計算(suan)值(zhi)(zhi)(zhi)與(yu)(yu)(yu)文(wen)獻實測值(zhi)(zhi)(zhi)。結(jie)果表明(ming)，修(xiu)正(zheng)后(hou)(hou)的(de)模(mo)型(xing)(xing)預測值(zhi)(zhi)(zhi)與(yu)(yu)(yu)Jiang等及Satir-Kolorz和Feichtinger的(de)測量值(zhi)(zhi)(zhi)非(fei)常吻合(he)，略(lve)小于Rawers和Gokcen[26]的(de)測量值(zhi)(zhi)(zhi)。該差異可(ke)能是由(you)計算(suan)中選擇的(de)溫(wen)度(du)(du)為(wei)1923K而(er)引(yin)起的(de)，因為(wei)當熔體以(yi)緩慢(man)的(de)冷卻速(su)率降低到液相線時(shi)，氮(dan)濃度(du)(du)會(hui)增加(jia)。驗證結(jie)果表明(ming)，經壓(ya)(ya)力項(xiang)修(xiu)正(zheng)后(hou)(hou)的(de)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)熱(re)力學模(mo)型(xing)(xing)，適用于計算(suan)高(gao)氮(dan)氣壓(ya)(ya)力下不銹鋼的(de)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)。在著(zhu)作 Mastering P-ESR Technology for High Nitrogen Steel Grades for HighValue Applications中，Carosi等認為(wei)Jiang等建立的(de)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)模(mo)型(xing)(xing)的(de)預測值(zhi)(zhi)(zhi)與(yu)(yu)(yu)工業結(jie)果非(fei)常符合(he)，并將此模(mo)型(xing)(xing)應(ying)用到動態模(mo)型(xing)(xing)的(de)仿(fang)真計算(suan)中。

  基于(yu)高氮(dan)(dan)氣壓力下氮(dan)(dan)溶(rong)解度模型的(de)(de)修(xiu)正，本書作者針對含(han)Nb和含(han)V鋼種，進一步研究(jiu)了其(qi)氮(dan)(dan)溶(rong)解熱力學行(xing)為，通過(guo)補(bu)充(chong)完善鋼液中Nb和V對氮(dan)(dan)活度的(de)(de)相互作用系(xi)數(shu)，構(gou)建了包含(han) Nb、V體系(xi)鋼種或合金在氮(dan)(dan)氣加壓下的(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解度模型：

2. 合金元素(su)成分對氮(dan)溶解度(du)的影響

 a. 合金元素對氮的活(huo)度相互(hu)作(zuo)用系數

  氮(dan)(dan)在鐵(tie)基合(he)(he)(he)金(jin)(jin)熔(rong)體(ti)中的溶(rong)解度(du)受其(qi)(qi)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)成分的影(ying)響顯著，許(xu)多常用合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素可(ke)有(you)(you)效地提(ti)高氮(dan)(dan)溶(rong)解度(du)，同時(shi)(shi)也有(you)(you)部分元(yuan)素會(hui)降低氮(dan)(dan)溶(rong)解度(du)。一(yi)般可(ke)以用各合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素對氮(dan)(dan)的一(yi)階活度(du)相互作用系(xi)數（表2-4)來(lai)表征(zheng)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)成分對氮(dan)(dan)溶(rong)解度(du)的影(ying)響，當(dang)其(qi)(qi)值為負時(shi)(shi)，相應(ying)的合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素可(ke)降低熔(rong)體(ti)中氮(dan)(dan)的活度(du)系(xi)數，增(zeng)加氮(dan)(dan)的溶(rong)解度(du)；當(dang)其(qi)(qi)值為正時(shi)(shi)，相應(ying)的合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素則增(zeng)大氮(dan)(dan)的活度(du)系(xi)數，降低氮(dan)(dan)溶(rong)解度(du)。

合金元(yuan)(yuan)(yuan)素對(dui)(dui)氮(dan)的(de)(de)活度(du)相(xiang)互(hu)作用(yong)系數(shu)(shu)(shu)(shu)，實(shi)質上(shang)表(biao)征了該合金元(yuan)(yuan)(yuan)素與氮(dan)元(yuan)(yuan)(yuan)素的(de)(de)原子(zi)間親(qin)和力(li)，這(zhe)與其在元(yuan)(yuan)(yuan)素周期表(biao)中(zhong)的(de)(de)位置密切(qie)相(xiang)關，因為(wei)元(yuan)(yuan)(yuan)素的(de)(de)電(dian)子(zi)結構與它們在周期表(biao)中(zhong)的(de)(de)位置相(xiang)對(dui)(dui)應。從合金元(yuan)(yuan)(yuan)素的(de)(de)微觀結構來(lai)看，同一(yi)周期中(zhong)，從左(zuo)到右，元(yuan)(yuan)(yuan)素核外(wai)電(dian)子(zi)層(ceng)數(shu)(shu)(shu)(shu)相(xiang)同，而最外(wai)層(ceng)電(dian)子(zi)數(shu)(shu)(shu)(shu)增加，原子(zi)半(ban)徑遞減（0族(zu)元(yuan)(yuan)(yuan)素除外(wai)）；同一(yi)族(zu)中(zhong)，從上(shang)到下，所有(you)(you)元(yuan)(yuan)(yuan)素具有(you)(you)相(xiang)同數(shu)(shu)(shu)(shu)量的(de)(de)價電(dian)子(zi)，而核外(wai)電(dian)子(zi)層(ceng)數(shu)(shu)(shu)(shu)逐漸增多，原子(zi)半(ban)徑增大(da)。原子(zi)半(ban)徑大(da)的(de)(de)合金元(yuan)(yuan)(yuan)素對(dui)(dui)氮(dan)的(de)(de)親(qin)和力(li)普遍較強(qiang)。

  圖2-8給出了在1873K、0.1MPa氮(dan)(dan)氣壓力下Fe-X二(er)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)合金體(ti)系中各種常(chang)見(jian)金元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)X對氮(dan)(dan)溶(rong)解度(du)的(de)影(ying)響(xiang)。在合金熔(rong)體(ti)中，提(ti)高(gao)Mo、Mn、Ta、Cr、Nb和V等元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)的(de)含(han)量(liang)能(neng)夠(gou)顯(xian)著增大(da)熔(rong)體(ti)的(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解度(du)。例如(ru)，在1873K和氮(dan)(dan)氣壓力為0.1MPa條件下，Cr、Mn等典型合金元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)能(neng)夠(gou)提(ti)高(gao)高(gao)氮(dan)(dan)無鎳(nie)奧(ao)氏體(ti)不銹鋼熔(rong)體(ti)的(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解度(du)，其中20%Cr-20%Mn合金體(ti)系中氮(dan)(dan)溶(rong)解度(du)可達(da)0.8%以上，如(ru)圖2-9所示。然而，提(ti)高(gao)C、Si等元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)的(de)含(han)量(liang)則會明(ming)顯(xian)降(jiang)低熔(rong)體(ti)的(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解度(du)，其他(ta)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)（如(ru)Ni、Co、Cu、Sn和W等）含(han)量(liang)的(de)變化則對熔(rong)體(ti)的(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解度(du)影(ying)響(xiang)相對較(jiao)小。

  如圖2-10所示，根據對氮(dan)在熔(rong)體中(zhong)(zhong)溶解(jie)度(du)的(de)(de)影響規律(lv)不(bu)同(tong)，合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)大體可以分為(wei)三大類：①. 第一類為(wei)對熔(rong)融鐵基合(he)(he)(he)金(jin)中(zhong)(zhong)氮(dan)溶解(jie)度(du)具有(you)顯著(zhu)提升作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)的(de)(de)合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)，如Cr、Mo、Mn、Ti、Zr、V和Nb等，其(qi)中(zhong)(zhong)Ti、Zr、V和Nb具有(you)強烈的(de)(de)形成(cheng)氮(dan)化(hua)物的(de)(de)趨勢。Cr作(zuo)(zuo)為(wei)不(bu)銹鋼的(de)(de)重(zhong)要合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)之一，能夠顯著(zhu)提高(gao)熔(rong)融鐵基合(he)(he)(he)金(jin)的(de)(de)氮(dan)溶解(jie)度(du)，其(qi)與(yu)Ti、Zr、V和Nb相比，形成(cheng)氮(dan)化(hua)物的(de)(de)趨勢較小。②. Ni、Co和Cu等元(yuan)(yuan)素(su)為(wei)第二類，對氮(dan)溶解(jie)度(du)的(de)(de)影響較小。其(qi)中(zhong)(zhong)Ni是(shi)不(bu)銹鋼中(zhong)(zhong)重(zhong)要的(de)(de)合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)，但(dan)它對氮(dan)溶解(jie)度(du)的(de)(de)負面影響會降低(di)高(gao)氮(dan)合(he)(he)(he)金(jin)中(zhong)(zhong)的(de)(de)氮(dan)含量。③. 第三類為(wei)C、Si等非(fei)金(jin)屬元(yuan)(yuan)素(su)和A1等元(yuan)(yuan)素(su)，具有(you)明(ming)顯降低(di)熔(rong)體氮(dan)溶解(jie)度(du)的(de)(de)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)。

  b. 合金元素的鉻等效因(yin)子與鉻當(dang)量濃度(du)

  除合(he)(he)金元(yuan)(yuan)素(su)對氮的(de)活度(du)相互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)系(xi)(xi)數(shu)外(wai)，也可(ke)以(yi)通過參(can)考元(yuan)(yuan)素(su)的(de)等(deng)(deng)(deng)效(xiao)作(zuo)用(yong)(yong)來描述不(bu)同元(yuan)(yuan)素(su)對熔體(ti)氮溶解度(du)的(de)影(ying)響。較為典(dian)型的(de)是(shi)以(yi)鉻(ge)為參(can)考，因為鉻(ge)具有(you)(you)相當(dang)強的(de)增加氮溶解度(du)的(de)作(zuo)用(yong)(yong)，并且(qie)被認為是(shi)合(he)(he)金材料(liao)中最(zui)重要的(de)合(he)(he)金元(yuan)(yuan)素(su)之(zhi)一。在活度(du)相互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)系(xi)(xi)數(shu)的(de)基(ji)礎(chu)上，Satir-Kolorz與Feichtinger 換(huan)算(suan)了(le)各種合(he)(he)金元(yuan)(yuan)素(su)的(de)鉻(ge)等(deng)(deng)(deng)效(xiao)因子c.表2-4列出了(le)Ti、Zr、V、Nb、Ta、W、C、B、Al、Si、P、As、Sb和(he)Sn等(deng)(deng)(deng)元(yuan)(yuan)素(su)的(de)鉻(ge)等(deng)(deng)(deng)效(xiao)因子。對于(yu)不(bu)同合(he)(he)金體(ti)系(xi)(xi)，可(ke)以(yi)將(jiang)體(ti)系(xi)(xi)中各種合(he)(he)金元(yuan)(yuan)素(su)X;的(de)濃(nong)度(du)乘(cheng)以(yi)相應的(de)鉻(ge)等(deng)(deng)(deng)效(xiao)因子獲得(de)對應的(de)鉻(ge)當(dang)量濃(nong)度(du)。據此，可(ke)將(jiang)熔體(ti)中所有(you)(you)合(he)(he)金元(yuan)(yuan)素(su)X;的(de)濃(nong)度(du)轉換(huan)為鉻(ge)當(dang)量濃(nong)度(du)。

  通過(guo)(guo)實驗測量鋼中(zhong)的(de)(de)(de)平衡氮(dan)含量，得(de)到了(le)合金體(ti)(ti)(ti)系(xi)對應的(de)(de)(de)數值，如(ru)圖2-11中(zhong)空心(xin)點所示；通過(guo)(guo)式（2-23)計(ji)算(suan)可以(yi)得(de)到不同鉻(ge)當量濃度(du)與(yu)0.51gPN2-lg[%N]-e≈[%N](氮(dan)活(huo)度(du)系(xi)數）之間(jian)的(de)(de)(de)關系(xi)曲(qu)線(xian)，兩符合良好，驗證了(le)此等效(xiao)方法(fa)的(de)(de)(de)合理性。此研究的(de)(de)(de)特別之處在于(yu)，通過(guo)(guo)鉻(ge)當量濃度(du)來間(jian)接表示多(duo)(duo)種合金元(yuan)素(su)在大濃度(du)范圍內的(de)(de)(de)所有數據，可以(yi)將復(fu)雜(za)的(de)(de)(de)多(duo)(duo)組元(yuan)熔體(ti)(ti)(ti)等效(xiao)為鐵－氮(dan)－鉻(ge)三元(yuan)體(ti)(ti)(ti)系(xi)后計(ji)算(suan)氮(dan)的(de)(de)(de)溶(rong)解(jie)度(du)。基(ji)于(yu)鉻(ge)等效(xiao)因子，通過(guo)(guo)鉻(ge)當量濃度(du)的(de)(de)(de)換(huan)算(suan)并參考關系(xi)曲(qu)線(xian)（圖2-11),復(fu)雜(za)的(de)(de)(de)多(duo)(duo)組元(yuan)熔體(ti)(ti)(ti)氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)可統一表示為

3. 溫度(du)對(dui)氮(dan)溶解度(du)的影(ying)響(xiang)

  溫度(du)(du)對(dui)合金(jin)(jin)熔(rong)體(ti)中(zhong)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)的影響，取決(jue)于(yu)氮(dan)在(zai)合金(jin)(jin)熔(rong)體(ti)中(zhong)的溶(rong)(rong)解(jie)反(fan)應為吸熱還是(shi)放(fang)熱過程，即氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)反(fan)應焓變ΔH的正(zheng)負。在(zai)一(yi)定氮(dan)氣壓(ya)力(li)下，對(dui)于(yu)不(bu)(bu)同(tong)合金(jin)(jin)成分(fen)的熔(rong)體(ti)而言，氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)對(dui)溫度(du)(du)的依(yi)賴性（溫度(du)(du)對(dui)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)的影響趨(qu)勢）是(shi)不(bu)(bu)同(tong)的，且隨(sui)溫度(du)(du)的變化程度(du)(du)也不(bu)(bu)同(tong)，這是(shi)由該熔(rong)體(ti)中(zhong)合金(jin)(jin)元(yuan)素(su)的種類(lei)與含量共同(tong)決(jue)定的，即ΔH的正(zheng)負是(shi)由合金(jin)(jin)成分(fen)決(jue)定的。

  0.1MPa氮(dan)氣壓力下(xia)常見的Fe-Cr-Mn-Ni合(he)金體(ti)系(xi)在1750~2000K溫度(du)(du)(du)(du)(du)(du)范(fan)圍內的氮(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)與(yu)溫度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的關(guan)系(xi)如圖(tu)2-12所示(shi)。可以看出，純(chun)鐵(tie)和(he)Fe20Ni合(he)金體(ti)系(xi)的氮(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)較(jiao)低，并且(qie)隨溫度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的升高(gao)逐漸增(zeng)大。隨著(zhu)熔體(ti)中鉻、錳(meng)等(deng)元素(su)含量的增(zeng)加，如Fe18Mn和(he)Fe18Cr等(deng)合(he)金體(ti)系(xi)，氮(dan)的溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)顯著(zhu)增(zeng)大，溫度(du)(du)(du)(du)(du)(du)對氮(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的影響更加明顯，且(qie)隨著(zhu)溫度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的下(xia)降(jiang)，熔體(ti)中的氮(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)逐漸增(zeng)大。Fe18Cr8Ni合(he)金的氮(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)對溫度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的依(yi)賴性也為負；此外，由于鎳具有降(jiang)低氮(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的作(zuo)用，相(xiang)對于Fe18Cr合(he)金，Fe18Cr8Ni合(he)金的氮(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)隨溫度(du)(du)(du)(du)(du)(du)變化的趨勢比(bi)較(jiao)平(ping)緩。

  從溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)熱力學(xue)理(li)論來看，在合(he)金(jin)(jin)(jin)成分(fen)(fen)與(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力一(yi)定的(de)(de)條(tiao)件(jian)下(xia)，溫(wen)度(du)(du)對(dui)(dui)(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)的(de)(de)影響規(gui)律為：若式（2-36)中參(can)數a<0,即(ji)焓變ΔH>0時，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)反應(ying)為吸(xi)熱過程，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)隨(sui)溫(wen)度(du)(du)的(de)(de)升(sheng)高而(er)增大；若a>0,即(ji)焓變ΔH<0時，反為放(fang)熱過程，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)隨(sui)溫(wen)度(du)(du)的(de)(de)升(sheng)高而(er)減小。因(yin)此，溫(wen)度(du)(du)對(dui)(dui)(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)的(de)(de)影響取(qu)決于焓變ΔH數值的(de)(de)正負和大小，最終歸結(jie)為合(he)金(jin)(jin)(jin)成分(fen)(fen)決定氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)的(de)(de)溫(wen)度(du)(du)依賴(lai)性。利用氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)模型(xing)，Satir-Kolorz 等探究了不同的(de)(de)合(he)金(jin)(jin)(jin)體(ti)系在0.1MPa和5MPa氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力下(xia)，1750~2000K 范圍內氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)與(yu)溫(wen)度(du)(du)的(de)(de)關系，如(ru)圖2-13所示(shi)。結(jie)果與(yu)上面分(fen)(fen)析的(de)(de)一(yi)致，在氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力一(yi)定的(de)(de)條(tiao)件(jian)下(xia)，溫(wen)度(du)(du)對(dui)(dui)(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)的(de)(de)影響取(qu)決于合(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)(de)成分(fen)(fen)：含有增加氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)元素（如(ru)Mn、Cr、Mo)的(de)(de)鐵基(ji)(ji)合(he)金(jin)(jin)(jin)（Fe-Cr和Fe-Mn合(he)金(jin)(jin)(jin)體(ti)系），氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)隨(sui)著溫(wen)度(du)(du)的(de)(de)升(sheng)高而(er)降低(di)；而(er)對(dui)(dui)(dui)于含有降低(di)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)元素的(de)(de)鐵基(ji)(ji)合(he)金(jin)(jin)(jin)（如(ru)Fe-Ni合(he)金(jin)(jin)(jin)），隨(sui)著溫(wen)度(du)(du)的(de)(de)升(sheng)高，熔體(ti)中的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)增大。

4. 氮氣壓力對氮溶解度的影響

  鑒于高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)鋼(gang)(gang)產品對(dui)高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)含量(liang)的(de)(de)需求，在(zai)常(chang)壓(ya)(ya)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)環境中(zhong)無法(fa)實(shi)現鋼(gang)(gang)液的(de)(de)高(gao)(gao)(gao)效(xiao)(xiao)增(zeng)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)和保氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)，提高(gao)(gao)(gao)冶煉過程的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力成為有效(xiao)(xiao)手段。氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)加(jia)壓(ya)(ya)冶煉技術，不(bu)僅能夠通過促進(jin)氣(qi)(qi)相－合(he)金熔(rong)體間的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)反應實(shi)現更(geng)佳的(de)(de)增(zeng)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)效(xiao)(xiao)果，在(zai)抑制高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃度鋼(gang)(gang)液凝固過程中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)孔的(de)(de)形(xing)成方面也發揮著重要作用。研究不(bu)同氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力下合(he)金熔(rong)體中(zhong)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度，成為精確控制氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)加(jia)壓(ya)(ya)冶煉工藝鋼(gang)(gang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)含量(liang)的(de)(de)重要理(li)論基礎。在(zai)常(chang)壓(ya)(ya)［如圖(tu)2-14(a)和加(jia)壓(ya)(ya)［如圖(tu)2-14(b)]條(tiao)件下，液態鐵基合(he)金中(zhong)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力的(de)(de)提高(gao)(gao)(gao)而(er)顯著增(zeng)大。

a. 低氮氣壓力

  如前所述，氮(dan)氣(qi)在(zai)(zai)(zai)金屬熔體(ti)中(zhong)的(de)溶(rong)解(jie)(jie)屬于(yu)雙(shuang)原(yuan)子分子的(de)溶(rong)解(jie)(jie)過程，在(zai)(zai)(zai)低氮(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)范圍(wei)內，氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)隨(sui)氮(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)的(de)變化符(fu)合Sieverts定律。眾多研究已經證實，在(zai)(zai)(zai)小(xiao)于(yu)0.1MPa的(de)低氮(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)范圍(wei)內，不(bu)銹(xiu)鋼體(ti)系（表(biao)2-5中(zhong)1~3號）的(de)氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)與(yu)氮(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)的(de)關系符(fu)合 Sieverts定律，即呈線性相關，如圖2-15所示(shi)。

  為了進一步驗證不同(tong)氮氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力下 Sieverts定(ding)律(lv)的(de)適用情況，Jiang(姜(jiang)周華）等(deng)研究了氮氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力不高于0.1MPa,即低(di)氮氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力下典(dian)型不銹鋼品(pin)種AISI304和AISI 316L 熔體中(zhong)氮溶(rong)解(jie)度(du)(du)與(yu)氮氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力的(de)關(guan)系(xi)，結果如圖2-16所(suo)示(shi)。隨著氮氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力的(de)增加，氮在兩類(lei)典(dian)型不銹鋼熔體中(zhong)的(de)溶(rong)解(jie)度(du)(du)顯著提升，并(bing)且與(yu)氮氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力的(de)關(guan)系(xi)符合Sieverts定(ding)律(lv)。

 b. 高(gao)氮氣壓力

  隨著冶煉(lian)過程中(zhong)氮氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)的(de)進一步提高(gao)(gao)，各種合(he)金體系(xi)的(de)氮溶(rong)解(jie)(jie)度均會(hui)增大(da)。純鐵(tie)液(ye)的(de)飽和氮濃度不僅在(zai)常壓(ya)(ya)以下(xia)，而(er)且在(zai)0.1~200MPa的(de)高(gao)(gao)壓(ya)(ya)范圍內也(ye)(ye)始終與(yu)氮氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)的(de)平(ping)(ping)方根呈(cheng)線性關系(xi)。這是因為即使在(zai)高(gao)(gao)氮氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)下(xia)純鐵(tie)液(ye)中(zhong)的(de)氮溶(rong)解(jie)(jie)度也(ye)(ye)處(chu)于較低的(de)水平(ping)(ping)，如(ru)(ru)圖2-17所示。在(zai)Fe-Ni合(he)金體系(xi)中(zhong)，由(you)于鎳(nie)元素(su)具有降低氮溶(rong)解(jie)(jie)度的(de)作用，鎳(nie)含量越高(gao)(gao)氮溶(rong)解(jie)(jie)度反而(er)越低，即使在(zai)高(gao)(gao)氮氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)下(xia)氮溶(rong)解(jie)(jie)度也(ye)(ye)處(chu)于較低水平(ping)(ping)。研究結果表明，高(gao)(gao)氮氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)下(xia)Fe-Ni體系(xi)也(ye)(ye)符合(he) Sieverts定律，如(ru)(ru)圖2-18所示。

  然而，隨(sui)著(zhu)高氮(dan)鋼品種的開發和冶煉(lian)工藝的發展，大量研(yan)究顯示，對于較(jiao)高氮(dan)氣(qi)壓力(li)下的Fe-Cr-Mn-Ni-Mo等高合金(jin)體系(xi)（表(biao)2-5中4~6號），氮(dan)溶解度隨(sui)氮(dan)氣(qi)壓力(li)的變化與Sieverts定律(lv)描(miao)述(shu)的線性(xing)關系(xi)產生了較(jiao)大的偏差，如圖2-19所示。

  圖2-19 1873K 高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)下氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)隨(sui)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)平(ping)方根的(de)變(bian)化氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)與(yu)Sieverts 定(ding)律的(de)偏(pian)離，并非存在于所有高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)下的(de)情況(kuang)(kuang)，與(yu)合金熔(rong)體(ti)(ti)成分密切相(xiang)(xiang)關(guan)。上述(shu)純鐵(tie)液(ye)和Fe-Ni合金這兩(liang)類低氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)體(ti)(ti)系就是偏(pian)差(cha)不顯著的(de)實例；相(xiang)(xiang)反，具有高(gao)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)的(de)合金熔(rong)體(ti)(ti)（如Fe-Cr-Mn體(ti)(ti)系）在高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)下通(tong)常不符合 Sieverts 定(ding)律。由(you)此(ci)可(ke)以推測，高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)下氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)隨(sui)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)提(ti)高(gao)較(jiao)慢的(de)原因是，高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)下熔(rong)體(ti)(ti)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)濃度(du)處于較(jiao)高(gao)水平(ping)，不再滿足無限(xian)稀釋溶(rong)(rong)液(ye)的(de)理(li)想情況(kuang)(kuang)。此(ci)時，氮(dan)(dan)(dan)原子之間(jian)存在自身(shen)(shen)相(xiang)(xiang)互作(zuo)用(yong)，彼此(ci)之間(jian)的(de)相(xiang)(xiang)斥效應(ying)將(jiang)會導(dao)致(zhi)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)的(de)降低；氮(dan)(dan)(dan)濃度(du)越高(gao)，氮(dan)(dan)(dan)自身(shen)(shen)的(de)相(xiang)(xiang)斥作(zuo)用(yong)越明顯。由(you)此(ci)可(ke)知，高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)下氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)與(yu)Sieverts 定(ding)律的(de)偏(pian)離主要由(you)氮(dan)(dan)(dan)的(de)自身(shen)(shen)相(xiang)(xiang)互作(zuo)用(yong)導(dao)致(zhi)，而高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)通(tong)常是熔(rong)體(ti)(ti)中(zhong)高(gao)氮(dan)(dan)(dan)含量的(de)一(yi)個關(guan)鍵誘因。

  對于(yu)圖2-17和(he)圖2-18中純鐵液、低合金鋼或類似Fe-Ni合金等(deng)低氮(dan)溶解(jie)(jie)(jie)度(du)的(de)(de)(de)體系而言(yan)，氮(dan)的(de)(de)(de)自身相(xiang)互作用幾乎可以(yi)(yi)忽(hu)略(lve)，在高(gao)氮(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)下氮(dan)溶解(jie)(jie)(jie)度(du)與氮(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)平方根也(ye)接(jie)近線(xian)性關系。常見的(de)(de)(de)具有高(gao)氮(dan)溶解(jie)(jie)(jie)度(du)的(de)(de)(de)Fe-Cr-Mn等(deng)體系則不(bu)同，在高(gao)氮(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)下高(gao)合金含(han)量(liang)的(de)(de)(de)熔體氮(dan)溶解(jie)(jie)(jie)度(du)可達1%以(yi)(yi)上，超出 Sieverts定(ding)律(lv)(lv)的(de)(de)(de)適(shi)用范(fan)圍。定(ding)義Sieverts定(ding)律(lv)(lv)對氮(dan)溶解(jie)(jie)(jie)度(du)的(de)(de)(de)壓(ya)力(li)(li)適(shi)用極限(xian)，為(wei)(wei)開始(shi)出現(xian)明顯偏(pian)差的(de)(de)(de)臨界氮(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)，如圖2-20所示，不(bu)同鉻(ge)含(han)量(liang)的(de)(de)(de)Fe-Cr合金的(de)(de)(de)壓(ya)力(li)(li)適(shi)用極限(xian)不(bu)同（實驗數據來(lai)源(yuan)于(yu)Torkhov等(deng)的(de)(de)(de)研究）。隨著鉻(ge)和(he)氮(dan)含(han)量(liang)的(de)(de)(de)增加(jia)，Sieverts定(ding)律(lv)(lv)的(de)(de)(de)氮(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)適(shi)用極限(xian)快速降低，高(gao)氮(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)下的(de)(de)(de)偏(pian)差程度(du)也(ye)變得更為(wei)(wei)顯著。

  針對(dui)高(gao)(gao)(gao)(gao)合(he)(he)金(jin)、高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)體(ti)系(xi)在(zai)高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)下氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)熱力(li)學偏(pian)(pian)(pian)離 Sieverts定(ding)律的(de)(de)現象，可通過熔體(ti)中各類原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)之間(jian)存(cun)在(zai)的(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作用(yong)(yong)(yong)來解(jie)釋(shi)(shi)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)的(de)(de)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)機制。圖2-21(a)顯示(shi)了單個氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)在(zai)鐵(tie)(tie)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)晶(jing)格中的(de)(de)賦(fu)存(cun)狀(zhuang)況：由(you)于(yu)(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)處(chu)于(yu)(yu)無限稀釋(shi)(shi)的(de)(de)狀(zhuang)態，它只與鐵(tie)(tie)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)存(cun)在(zai)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作用(yong)(yong)(yong)，不發生氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)自身(shen)的(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作用(yong)(yong)(yong)。圖2-21(b)顯示(shi)了高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)(du)下（如在(zai)高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)下）的(de)(de)鐵(tie)(tie)－氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)二元合(he)(he)金(jin)晶(jing)格：氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)周圍除(chu)相(xiang)(xiang)(xiang)鄰(lin)的(de)(de)鐵(tie)(tie)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)外，也(ye)存(cun)在(zai)臨近的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)間(jian)彼此相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)(hu)抑(yi)制，從(cong)而導致氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)降低(di)并偏(pian)(pian)(pian)離 Sieverts 定(ding)律的(de)(de)預測曲線。這種(zhong)自身(shen)作用(yong)(yong)(yong)可由(you)自身(shen)活度(du)(du)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作用(yong)(yong)(yong)系(xi)數(shu)(shu)來表示(shi)，由(you)于(yu)(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)之間(jian)處(chu)于(yu)(yu)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)(hu)抑(yi)制的(de)(de)狀(zhuang)態，自身(shen)活度(du)(du)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作用(yong)(yong)(yong)系(xi)數(shu)(shu)e值(zhi)為(wei)正數(shu)(shu)。圖2-21(c)顯示(shi)了鐵(tie)(tie)－鉻(ge)－氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)三元合(he)(he)金(jin)的(de)(de)晶(jing)格：由(you)于(yu)(yu)鉻(ge)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)和氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)之間(jian)具(ju)有很強的(de)(de)吸引力(li)，其(qi)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作用(yong)(yong)(yong)系(xi)數(shu)(shu)為(wei)負(fu)值(zhi)。在(zai)此結構中，由(you)于(yu)(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)向鉻(ge)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)偏(pian)(pian)(pian)移，就(jiu)有更(geng)多空(kong)間(jian)留給額外的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)，從(cong)而產生較高(gao)(gao)(gao)(gao)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)。不過隨著氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)(du)的(de)(de)增加，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)對(dui)自身(shen)的(de)(de)強烈排斥作用(yong)(yong)(yong)開始凸顯，因此在(zai)高(gao)(gao)(gao)(gao)鉻(ge)和高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)(du)下，實際(ji)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)的(de)(de)變化規律與 Sieverts定(ding)律之間(jian)存(cun)在(zai)明顯的(de)(de)偏(pian)(pian)(pian)差。

  研究發(fa)現，在(zai)(zai)超過(guo)10MPa氮(dan)(dan)氣壓力(li)的(de)(de)(de)(de)條件下(xia)，將合(he)(he)金(jin)元素(su)(su)含(han)量(liang)提高(gao)至(zhi)45%,熔(rong)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)可以(yi)高(gao)達(da)3%以(yi)上。在(zai)(zai)氮(dan)(dan)濃度(du)(du)如此(ci)高(gao)的(de)(de)(de)(de)情況(kuang)下(xia)，熔(rong)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)不滿足(zu)使(shi)用(yong)(yong)Sieverts 定律(lv)的(de)(de)(de)(de)前(qian)提條件，即無(wu)(wu)限稀釋(shi)溶液的(de)(de)(de)(de)假(jia)設，因此(ci)在(zai)(zai)此(ci)條件下(xia)，Sieverts定律(lv)無(wu)(wu)法(fa)準確(que)(que)預(yu)測(ce)氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)，必(bi)須(xu)引(yin)入一個附加的(de)(de)(de)(de)活(huo)(huo)度(du)(du)系數(shu)(shu)(shu)(shu)f,以(yi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)現氮(dan)(dan)對(dui)自(zi)身(shen)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)影響。圖2-22顯示了實驗(yan)測(ce)得的(de)(de)(de)(de)不同(tong)氮(dan)(dan)氣壓力(li)下(xia)，不同(tong)合(he)(he)金(jin)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)系中氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)變化。首先在(zai)(zai)不考慮氮(dan)(dan)自(zi)身(shen)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)情況(kuang)下(xia)，通過(guo)對(dui)實驗(yan)結果進(jin)行回歸分析，確(que)(que)定鉻、錳、鉬和鎳等(deng)主要合(he)(he)金(jin)元素(su)(su)對(dui)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)一階和二階活(huo)(huo)度(du)(du)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)系數(shu)(shu)(shu)(shu)。同(tong)時(shi)，從文獻數(shu)(shu)(shu)(shu)據(ju)中獲得其他合(he)(he)金(jin)元素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)系數(shu)(shu)(shu)(shu)。基于所有(you)合(he)(he)金(jin)對(dui)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)系中氮(dan)(dan)活(huo)(huo)度(du)(du)系數(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)系數(shu)(shu)(shu)(shu)，通過(guo)回歸分析確(que)(que)定氮(dan)(dan)對(dui)自(zi)身(shen)的(de)(de)(de)(de)活(huo)(huo)度(du)(du)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)系數(shu)(shu)(shu)(shu)e為0.13。e的(de)(de)(de)(de)數(shu)(shu)(shu)(shu)值為正，表明氮(dan)(dan)含(han)量(liang)的(de)(de)(de)(de)提高(gao)會增加活(huo)(huo)度(du)(du)系數(shu)(shu)(shu)(shu)，降低自(zi)身(shen)溶解(jie)(jie)度(du)(du)。