1. 常壓(ya)下基熔體的(de)氮溶解(jie)度模(mo)型(xing)

  常溫下(xia)氮(dan)(dan)(dan)以(yi)雙原(yuan)子(zi)分子(zi)形(xing)式存在(zai)(zai)，高溫下(xia)則(ze)分解成(cheng)氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)子(zi)溶解于金屬(shu)熔(rong)(rong)體(ti)(ti)中。如(ru)圖2-1所示，氮(dan)(dan)(dan)在(zai)(zai)金屬(shu)熔(rong)(rong)體(ti)(ti)中的(de)溶解過(guo)程可以(yi)描述如(ru)下(xia)：氮(dan)(dan)(dan)氣接觸到熔(rong)(rong)體(ti)(ti)表面后發(fa)生(sheng)物理吸附(fu)，當氣體(ti)(ti)分子(zi)和熔(rong)(rong)體(ti)(ti)表面的(de)結合力(li)大于氣體(ti)(ti)內(nei)部分子(zi)的(de)結合力(li)時發(fa)生(sheng)化學吸附(fu)，吸附(fu)的(de)氮(dan)(dan)(dan)分子(zi)分解成(cheng)原(yuan)子(zi)，隨后從(cong)熔(rong)(rong)體(ti)(ti)表面向(xiang)內(nei)部擴散。

  表2-1總結了(le)研究人員在1873K、0.1MPa氮氣壓力下(xia)測(ce)得的(de)(de)熔融鐵液中(zhong)(zhong)的(de)(de)氮溶解(jie)度。根據(ju)文獻(xian)中(zhong)(zhong)的(de)(de)實驗數(shu)據(ju)可(ke)知，熔融鐵液的(de)(de)氮溶解(jie)度集中(zhong)(zhong)在0.043%~0.046%范圍內。圖2-2歸納(na)了(le)冶煉(lian)溫(wen)(wen)度對熔融鐵液中(zhong)(zhong)氮溶解(jie)度的(de)(de)影響。可(ke)以(yi)看出，在熔融鐵液中(zhong)(zhong)，氮溶解(jie)度隨溫(wen)(wen)度的(de)(de)升高而(er)增大(da)。

  若氮活度的(de)參考態為合(he)金熔(rong)體中假想的(de)1%N溶液，則0.5mol氮氣溶解于合(he)金熔(rong)體的(de)吉(ji)布斯自由能變可(ke)以表示為

  在早期對(dui)(dui)合金熔體中(zhong)氮(dan)溶解度(du)(du)的(de)(de)(de)研究中(zhong)，各種合金元(yuan)素對(dui)(dui)氮(dan)的(de)(de)(de)二(er)階(jie)(jie)活(huo)(huo)(huo)度(du)(du)相(xiang)互作用(yong)系(xi)數(shu)及二(er)階(jie)(jie)交叉活(huo)(huo)(huo)度(du)(du)相(xiang)互作用(yong)系(xi)數(shu)的(de)(de)(de)相(xiang)關測(ce)定尚不(bu)(bu)完善。1965年，Chipman等［18]開(kai)發了僅(jin)使(shi)用(yong)一(yi)階(jie)(jie)活(huo)(huo)(huo)度(du)(du)相(xiang)互作用(yong)系(xi)數(shu)而不(bu)(bu)涉及高(gao)階(jie)(jie)項的(de)(de)(de)氮(dan)溶解度(du)(du)模型(xing)。基于Chipman等的(de)(de)(de)研究結果和1873K下(xia)不(bu)(bu)同元(yuan)素對(dui)(dui)氮(dan)的(de)(de)(de)一(yi)階(jie)(jie)活(huo)(huo)(huo)度(du)(du)相(xiang)互作用(yong)系(xi)數(shu)（表2-2)[19],可以得到(dao)1873K下(xia)氮(dan)溶解度(du)(du)模型(xing)中(zhong)氮(dan)的(de)(de)(de)活(huo)(huo)(huo)度(du)(du)系(xi)數(shu)1gf[式(shi)（2-9)],其他冶煉(lian)溫度(du)(du)下(xia)氮(dan)的(de)(de)(de)活(huo)(huo)(huo)度(du)(du)系(xi)數(shu)可由式(shi)（2-10)轉換獲得。據此(ci)，Chipman 等建立了預測(ce)不(bu)(bu)同溫度(du)(du)下(xia)合金熔體中(zhong)氮(dan)溶解度(du)(du)的(de)(de)(de)式(shi)（2-11)。

  隨(sui)著對(dui)(dui)多元(yuan)合(he)金熔體氮溶(rong)解度研究(jiu)(jiu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)深(shen)入，各(ge)種(zhong)合(he)金元(yuan)素對(dui)(dui)氮的(de)(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)階(jie)、二階(jie)以及(ji)二階(jie)交叉活(huo)(huo)度相互(hu)作用(yong)系(xi)(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)實驗(yan)研究(jiu)(jiu)與測定逐步(bu)完善。1990年，Grigorenko等。探究(jiu)(jiu)了(le)合(he)金元(yuan)素對(dui)(dui)氮活(huo)(huo)度系(xi)(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響，認為在較高的(de)(de)(de)(de)(de)(de)合(he)金濃度下，僅采(cai)用(yong)一(yi)階(jie)活(huo)(huo)度相互(hu)作用(yong)系(xi)(xi)數(shu)(shu)來計算(suan)氮的(de)(de)(de)(de)(de)(de)活(huo)(huo)度系(xi)(xi)數(shu)(shu)和預(yu)(yu)測氮溶(rong)解度是(shi)不夠準(zhun)確的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。為了(le)進一(yi)步(bu)提高氮溶(rong)解度預(yu)(yu)測模型(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)準(zhun)確性，必須以二階(jie)乃至(zhi)更高階(jie)泰勒(le)級(ji)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)式表示氮的(de)(de)(de)(de)(de)(de)活(huo)(huo)度系(xi)(xi)數(shu)(shu)，即引入合(he)金元(yuan)素對(dui)(dui)氮的(de)(de)(de)(de)(de)(de)高階(jie)活(huo)(huo)度相互(hu)作用(yong)系(xi)(xi)數(shu)(shu)。據此，氮活(huo)(huo)度系(xi)(xi)數(shu)(shu)按高階(jie)泰勒(le)級(ji)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)式展開(kai)，可表示為

2. 常壓下(xia)Fe-20%Cr基熔體(ti)的氮溶解度(du)模型(xing)

  鑒于以(yi)Fe-Cr 合金為基礎的各種(zhong)合金材料的生產與應用非常(chang)廣泛(fan)，1996年(nian)Anson等開發了種(zhong)常(chang)壓下以(yi)熔(rong)融Fe-20%Cr 合金為基體的氮(dan)溶(rong)解度模型。在熔(rong)融Fe-20%Cr基合金中，氮(dan)溶(rong)解熱力學(xue)平(ping)衡關系如下所示：

3. 高氮氣壓(ya)力下的氮溶解度模型

  隨著(zhu)含氮(dan)鋼種相關(guan)研究的(de)不斷(duan)深入，高(gao)(gao)(gao)氮(dan)鋼由于其優異的(de)力學(xue)性能和耐(nai)腐蝕性能，在諸多領域得(de)到了廣泛應(ying)用(yong)。大量研究發現，在高(gao)(gao)(gao)氮(dan)氣(qi)壓力下，高(gao)(gao)(gao)合金(jin)體系中(zhong)氮(dan)溶解(jie)度(du)出現了偏離 Sieverts 定律的(de)現象，導致高(gao)(gao)(gao)氮(dan)氣(qi)壓力下氮(dan)溶解(jie)度(du)預測(ce)模(mo)型的(de)準確度(du)大幅降低(di)。

  如圖(tu)(tu)2-3和圖(tu)(tu)2-4所示(shi)，當鉻(ge)、錳等含量較高(gao)(gao)時(shi)，高(gao)(gao)氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)下(xia)合金熔體(ti)(ti)的(de)(de)(de)氮(dan)溶(rong)解度(du)(du)達到了較高(gao)(gao)的(de)(de)(de)數值(zhi)(zhi)(zhi)，此時(shi)僅能(neng)在小范(fan)圍內呈(cheng)線性關系(xi)，合金中的(de)(de)(de)氮(dan)含量依然(ran)能(neng)隨著(zhu)氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)增加(jia)而(er)持續提高(gao)(gao)，但與(yu)低氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)時(shi)相比，高(gao)(gao)氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)下(xia)氮(dan)溶(rong)解度(du)(du)的(de)(de)(de)增加(jia)趨(qu)勢明(ming)(ming)顯變緩。高(gao)(gao)氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)下(xia)氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)對氮(dan)溶(rong)解度(du)(du)的(de)(de)(de)提升(sheng)作用被削(xue)弱，具(ju)體(ti)(ti)表(biao)現(xian)為實測的(de)(de)(de)氮(dan)溶(rong)解度(du)(du)［％N]低于根據(ju)Sieverts定(ding)律計算的(de)(de)(de)值(zhi)(zhi)(zhi)，即(ji)圖(tu)(tu)中各個實線（實驗(yan)值(zhi)(zhi)(zhi)）均處于相應虛(xu)線（計算值(zhi)(zhi)(zhi)）下(xia)方。同(tong)時(shi)，兩(liang)曲線的(de)(de)(de)偏離程(cheng)度(du)(du)隨著(zhu)鉻(ge)、錳等元(yuan)素含量的(de)(de)(de)增加(jia)而(er)變得嚴(yan)重。這表(biao)明(ming)(ming)在氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)大于0.1MPa的(de)(de)(de)冶煉氣(qi)(qi)(qi)氛中，尤其是(shi)當金屬熔體(ti)(ti)含有較高(gao)(gao)量具(ju)有提升(sheng)氮(dan)溶(rong)解度(du)(du)能(neng)力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)合金元(yuan)素時(shi)，氮(dan)溶(rong)解度(du)(du)很(hen)高(gao)(gao)，其與(yu)氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)關系(xi)將不再符(fu)合 Sieverts定(ding)律。

  1993年Rawers等［24]通過實驗研究了Fe-Cr和Fe-Cr-Ni等合(he)金體系(xi)在(zai)高氮氣壓(ya)力下(xia)氮的溶解度(du)模型(xing)。圖2-5給出了不同(tong)氮氣壓(ya)力下(xia)氮活(huo)度(du)系(xi)數InfN隨鉻濃(nong)度(du)變化曲線。對(dui)于鐵基合(he)金，在(zai)低鉻濃(nong)度(du)范圍內，lnfN與鉻濃(nong)度(du)之間存在(zai)線性關系(xi)，其斜率隨著氮氣壓(ya)力的增加(jia)而(er)變化；在(zai)較高鉻濃(nong)度(du)時，則明顯(xian)偏離線性關系(xi)。

  基(ji)于對實驗數據的回歸(gui)分析，獲(huo)得(de)了(le)Fe-Cr與Fe-Cr-Ni體系氮(dan)溶解(jie)度(du)模型(xing)中各相(xiang)互(hu)作用系數，見(jian)表2-3.通過(guo)成分相(xiang)互(hu)作用和氮(dan)氣壓(ya)力(li)－成分效應(ying)對氮(dan)溶解(jie)度(du)模型(xing)的修正，可以更精確(que)地預測高(gao)(gao)合(he)金體系在高(gao)(gao)氮(dan)氣壓(ya)力(li)條件下(xia)的氮(dan)溶解(jie)度(du)。

  為了(le)進一(yi)步修正(zheng)高氮(dan)氣壓力下的(de)(de)氮(dan)溶解度(du)模(mo)型，2005年Jiang(姜周華(hua)）等［25]根據實(shi)驗研究(jiu)和文獻報道的(de)(de)數據，回歸分析(xi)得(de)到了(le)氮(dan)氣壓力對氮(dan)的(de)(de)相互作用系(xi)數8,反映(ying)了(le)常壓以上的(de)(de)高氮(dan)氣壓力對氮(dan)活(huo)度(du)系(xi)數的(de)(de)影響(xiang)。該研究(jiu)通(tong)過考(kao)慮氮(dan)氣壓力的(de)(de)影響(xiang)，對高壓下氮(dan)活(huo)度(du)系(xi)數進行修正(zheng)［式(shi)（2-19)],從而建立了(le)高氮(dan)氣壓力下的(de)(de)氮(dan)溶解熱力學(xue)模(mo)型來預測高氮(dan)不銹鋼熔體中(zhong)的(de)(de)氮(dan)溶解度(du)：

  經過修(xiu)(xiu)正(zheng)(zheng)后(hou)，重新利用氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)熱力(li)(li)(li)學模(mo)型(xing)(xing)計算(suan)了(le)文獻中1873K下純(chun)鐵、Fe-Cr和(he)Fe-Mn 等(deng)合(he)金體系在(zai)(zai)高氮(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)下的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)隨氮(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)變化，并與(yu)實驗(yan)數據進行了(le)比較(jiao)，如(ru)圖(tu)2-6所示。同(tong)時(shi)，圖(tu)2-7比較(jiao)了(le)氮(dan)(dan)(dan)活度(du)系數計算(suan)式中壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)項修(xiu)(xiu)正(zheng)(zheng)后(hou)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)模(mo)型(xing)(xing)計算(suan)值(zhi)(zhi)與(yu)文獻實測(ce)(ce)值(zhi)(zhi)。結果(guo)表明(ming)，修(xiu)(xiu)正(zheng)(zheng)后(hou)的(de)(de)(de)模(mo)型(xing)(xing)預(yu)測(ce)(ce)值(zhi)(zhi)與(yu)Jiang等(deng)及Satir-Kolorz和(he)Feichtinger的(de)(de)(de)測(ce)(ce)量值(zhi)(zhi)非常吻(wen)合(he)，略小于Rawers和(he)Gokcen[26]的(de)(de)(de)測(ce)(ce)量值(zhi)(zhi)。該差異可能是由(you)計算(suan)中選擇的(de)(de)(de)溫度(du)為1923K而引(yin)起的(de)(de)(de)，因(yin)為當熔體以緩慢的(de)(de)(de)冷(leng)卻(que)速率降低(di)到液相線時(shi)，氮(dan)(dan)(dan)濃度(du)會(hui)增(zeng)加。驗(yan)證結果(guo)表明(ming)，經壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)項修(xiu)(xiu)正(zheng)(zheng)后(hou)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)熱力(li)(li)(li)學模(mo)型(xing)(xing)，適用于計算(suan)高氮(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)下不(bu)銹鋼的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)。在(zai)(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)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)模(mo)型(xing)(xing)的(de)(de)(de)預(yu)測(ce)(ce)值(zhi)(zhi)與(yu)工業結果(guo)非常符合(he)，并將(jiang)此模(mo)型(xing)(xing)應用到動態(tai)模(mo)型(xing)(xing)的(de)(de)(de)仿真計算(suan)中。

  基(ji)于高氮氣(qi)壓力下(xia)氮溶(rong)解(jie)度模型(xing)的(de)修正，本書(shu)作(zuo)者針對(dui)含(han)Nb和含(han)V鋼種，進一步(bu)研究了其氮溶(rong)解(jie)熱(re)力學行為(wei)，通過補充完善鋼液中Nb和V對(dui)氮活度的(de)相互(hu)作(zuo)用(yong)系(xi)數，構建了包含(han) Nb、V體系(xi)鋼種或合金(jin)在氮氣(qi)加壓下(xia)的(de)氮溶(rong)解(jie)度模型(xing)：

2. 合(he)金元素(su)成分對氮(dan)溶解度的影響

 a. 合金(jin)元(yuan)素對(dui)氮的活度相互作用系數

  氮(dan)(dan)在鐵基合(he)金熔體(ti)(ti)中的(de)(de)溶解(jie)(jie)度受其合(he)金成分(fen)的(de)(de)影響顯著，許多(duo)常(chang)用合(he)金元(yuan)素(su)(su)可(ke)(ke)有效地提(ti)高氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度，同時(shi)也有部分(fen)元(yuan)素(su)(su)會(hui)降低(di)氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度。一(yi)般(ban)可(ke)(ke)以用各合(he)金元(yuan)素(su)(su)對氮(dan)(dan)的(de)(de)一(yi)階活度相(xiang)互作(zuo)用系(xi)數（表2-4)來表征合(he)金成分(fen)對氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度的(de)(de)影響，當(dang)(dang)其值為(wei)負(fu)時(shi)，相(xiang)應的(de)(de)合(he)金元(yuan)素(su)(su)可(ke)(ke)降低(di)熔體(ti)(ti)中氮(dan)(dan)的(de)(de)活度系(xi)數，增加氮(dan)(dan)的(de)(de)溶解(jie)(jie)度；當(dang)(dang)其值為(wei)正時(shi)，相(xiang)應的(de)(de)合(he)金元(yuan)素(su)(su)則增大氮(dan)(dan)的(de)(de)活度系(xi)數，降低(di)氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度。

合金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)對氮的活度相(xiang)互作(zuo)用系數(shu)，實(shi)質上表(biao)征(zheng)了該(gai)合金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)與氮元(yuan)(yuan)素(su)的原(yuan)子(zi)(zi)間親(qin)和力，這與其(qi)在元(yuan)(yuan)素(su)周期表(biao)中(zhong)的位置密切相(xiang)關，因為元(yuan)(yuan)素(su)的電(dian)(dian)子(zi)(zi)結(jie)構(gou)與它們在周期表(biao)中(zhong)的位置相(xiang)對應(ying)。從(cong)合金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)的微觀結(jie)構(gou)來(lai)看，同一(yi)(yi)周期中(zhong)，從(cong)左(zuo)到右，元(yuan)(yuan)素(su)核外電(dian)(dian)子(zi)(zi)層數(shu)相(xiang)同，而最外層電(dian)(dian)子(zi)(zi)數(shu)增加(jia)，原(yuan)子(zi)(zi)半徑遞(di)減（0族(zu)元(yuan)(yuan)素(su)除外）；同一(yi)(yi)族(zu)中(zhong)，從(cong)上到下，所(suo)有元(yuan)(yuan)素(su)具(ju)有相(xiang)同數(shu)量(liang)的價(jia)電(dian)(dian)子(zi)(zi)，而核外電(dian)(dian)子(zi)(zi)層數(shu)逐(zhu)漸增多，原(yuan)子(zi)(zi)半徑增大。原(yuan)子(zi)(zi)半徑大的合金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)對氮的親(qin)和力普遍較強。

  圖2-8給出了在(zai)1873K、0.1MPa氮(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)下Fe-X二元(yuan)合(he)金體(ti)系中各種常見金元(yuan)素(su)X對氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)的影響。在(zai)合(he)金熔(rong)體(ti)中，提高Mo、Mn、Ta、Cr、Nb和V等元(yuan)素(su)的含量(liang)能夠顯著增(zeng)大熔(rong)體(ti)的氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)。例如(ru)，在(zai)1873K和氮(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)為(wei)0.1MPa條(tiao)件(jian)下，Cr、Mn等典型合(he)金元(yuan)素(su)能夠提高高氮(dan)(dan)(dan)無(wu)鎳奧氏體(ti)不銹鋼熔(rong)體(ti)的氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)，其中20%Cr-20%Mn合(he)金體(ti)系中氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)可達0.8%以上，如(ru)圖2-9所示。然(ran)而，提高C、Si等元(yuan)素(su)的含量(liang)則會(hui)明顯降(jiang)低熔(rong)體(ti)的氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)，其他(ta)元(yuan)素(su)（如(ru)Ni、Co、Cu、Sn和W等）含量(liang)的變化則對熔(rong)體(ti)的氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)影響相(xiang)對較小。

  如(ru)圖2-10所示，根據對氮(dan)(dan)(dan)在熔體中(zhong)(zhong)(zhong)溶(rong)解(jie)度(du)的(de)影(ying)響(xiang)規律(lv)不同，合金(jin)元素(su)(su)大體可(ke)以(yi)分為(wei)三大類：①. 第(di)一類為(wei)對熔融鐵基合金(jin)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)具(ju)(ju)有顯著提升作(zuo)(zuo)用的(de)合金(jin)元素(su)(su)，如(ru)Cr、Mo、Mn、Ti、Zr、V和(he)Nb等(deng)，其(qi)中(zhong)(zhong)(zhong)Ti、Zr、V和(he)Nb具(ju)(ju)有強烈的(de)形(xing)成(cheng)(cheng)氮(dan)(dan)(dan)化物(wu)的(de)趨(qu)勢。Cr作(zuo)(zuo)為(wei)不銹(xiu)鋼的(de)重要合金(jin)元素(su)(su)之一，能夠(gou)顯著提高(gao)熔融鐵基合金(jin)的(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)，其(qi)與(yu)Ti、Zr、V和(he)Nb相比(bi)，形(xing)成(cheng)(cheng)氮(dan)(dan)(dan)化物(wu)的(de)趨(qu)勢較(jiao)小。②. Ni、Co和(he)Cu等(deng)元素(su)(su)為(wei)第(di)二(er)類，對氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)的(de)影(ying)響(xiang)較(jiao)小。其(qi)中(zhong)(zhong)(zhong)Ni是不銹(xiu)鋼中(zhong)(zhong)(zhong)重要的(de)合金(jin)元素(su)(su)，但它對氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)的(de)負面影(ying)響(xiang)會(hui)降低(di)高(gao)氮(dan)(dan)(dan)合金(jin)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)氮(dan)(dan)(dan)含量(liang)。③. 第(di)三類為(wei)C、Si等(deng)非(fei)金(jin)屬元素(su)(su)和(he)A1等(deng)元素(su)(su)，具(ju)(ju)有明顯降低(di)熔體氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)的(de)作(zuo)(zuo)用。

  b. 合金元素的鉻等效因子(zi)與鉻當量濃度

  除合(he)金元(yuan)(yuan)素對(dui)氮(dan)的(de)(de)(de)活(huo)(huo)度(du)(du)相(xiang)互作用(yong)(yong)系(xi)(xi)數外，也可以(yi)通(tong)過(guo)參(can)(can)考(kao)元(yuan)(yuan)素的(de)(de)(de)等(deng)(deng)效(xiao)(xiao)(xiao)作用(yong)(yong)來描述不同元(yuan)(yuan)素對(dui)熔體(ti)氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)影響。較(jiao)為典型的(de)(de)(de)是以(yi)鉻(ge)(ge)為參(can)(can)考(kao)，因(yin)(yin)(yin)為鉻(ge)(ge)具有相(xiang)當強的(de)(de)(de)增加氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)作用(yong)(yong)，并且被(bei)認為是合(he)金材(cai)料中(zhong)最重要的(de)(de)(de)合(he)金元(yuan)(yuan)素之(zhi)一。在活(huo)(huo)度(du)(du)相(xiang)互作用(yong)(yong)系(xi)(xi)數的(de)(de)(de)基礎(chu)上，Satir-Kolorz與Feichtinger 換算了各種(zhong)合(he)金元(yuan)(yuan)素的(de)(de)(de)鉻(ge)(ge)等(deng)(deng)效(xiao)(xiao)(xiao)因(yin)(yin)(yin)子c.表(biao)2-4列出了Ti、Zr、V、Nb、Ta、W、C、B、Al、Si、P、As、Sb和Sn等(deng)(deng)元(yuan)(yuan)素的(de)(de)(de)鉻(ge)(ge)等(deng)(deng)效(xiao)(xiao)(xiao)因(yin)(yin)(yin)子。對(dui)于不同合(he)金體(ti)系(xi)(xi)，可以(yi)將體(ti)系(xi)(xi)中(zhong)各種(zhong)合(he)金元(yuan)(yuan)素X;的(de)(de)(de)濃(nong)度(du)(du)乘(cheng)以(yi)相(xiang)應的(de)(de)(de)鉻(ge)(ge)等(deng)(deng)效(xiao)(xiao)(xiao)因(yin)(yin)(yin)子獲得對(dui)應的(de)(de)(de)鉻(ge)(ge)當量濃(nong)度(du)(du)。據此，可將熔體(ti)中(zhong)所(suo)有合(he)金元(yuan)(yuan)素X;的(de)(de)(de)濃(nong)度(du)(du)轉換為鉻(ge)(ge)當量濃(nong)度(du)(du)。

  通(tong)過(guo)(guo)實驗(yan)測(ce)量鋼中的(de)(de)(de)(de)平衡氮含量，得(de)到了合(he)金體系對應的(de)(de)(de)(de)數(shu)(shu)值，如(ru)圖(tu)2-11中空心點所示；通(tong)過(guo)(guo)式（2-23)計算可以得(de)到不同鉻(ge)(ge)當量濃度(du)與0.51gPN2-lg[%N]-e≈[%N](氮活度(du)系數(shu)(shu)）之間(jian)的(de)(de)(de)(de)關系曲線(xian)，兩符合(he)良好，驗(yan)證了此(ci)等(deng)效(xiao)方法的(de)(de)(de)(de)合(he)理性(xing)。此(ci)研究(jiu)的(de)(de)(de)(de)特別之處在于(yu)，通(tong)過(guo)(guo)鉻(ge)(ge)當量濃度(du)來間(jian)接表示多(duo)(duo)種合(he)金元素在大(da)濃度(du)范圍內的(de)(de)(de)(de)所有數(shu)(shu)據，可以將復雜的(de)(de)(de)(de)多(duo)(duo)組元熔(rong)體等(deng)效(xiao)為鐵(tie)－氮－鉻(ge)(ge)三(san)元體系后計算氮的(de)(de)(de)(de)溶(rong)解度(du)。基于(yu)鉻(ge)(ge)等(deng)效(xiao)因子，通(tong)過(guo)(guo)鉻(ge)(ge)當量濃度(du)的(de)(de)(de)(de)換算并(bing)參考關系曲線(xian)（圖(tu)2-11),復雜的(de)(de)(de)(de)多(duo)(duo)組元熔(rong)體氮溶(rong)解度(du)可統一表示為

3. 溫度(du)對氮溶解度(du)的影(ying)響

  溫(wen)度(du)對合金(jin)(jin)熔體中氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響，取(qu)決于(yu)(yu)氮(dan)在(zai)合金(jin)(jin)熔體中的(de)(de)(de)(de)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)反應為吸熱還是(shi)(shi)放熱過程，即氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)反應焓(han)變ΔH的(de)(de)(de)(de)正負(fu)。在(zai)一定氮(dan)氣(qi)壓(ya)力下，對于(yu)(yu)不同(tong)(tong)合金(jin)(jin)成分(fen)的(de)(de)(de)(de)熔體而言，氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)對溫(wen)度(du)的(de)(de)(de)(de)依賴性（溫(wen)度(du)對氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響趨勢）是(shi)(shi)不同(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)，且(qie)隨溫(wen)度(du)的(de)(de)(de)(de)變化程度(du)也不同(tong)(tong)，這是(shi)(shi)由(you)該熔體中合金(jin)(jin)元素的(de)(de)(de)(de)種類與含量共同(tong)(tong)決定的(de)(de)(de)(de)，即ΔH的(de)(de)(de)(de)正負(fu)是(shi)(shi)由(you)合金(jin)(jin)成分(fen)決定的(de)(de)(de)(de)。

  0.1MPa氮(dan)(dan)氣壓力(li)下常見的(de)(de)(de)(de)Fe-Cr-Mn-Ni合(he)(he)金體(ti)(ti)(ti)系(xi)(xi)在1750~2000K溫(wen)(wen)度范(fan)圍(wei)內的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解度與溫(wen)(wen)度的(de)(de)(de)(de)關系(xi)(xi)如(ru)圖2-12所(suo)示。可以看(kan)出，純鐵(tie)和Fe20Ni合(he)(he)金體(ti)(ti)(ti)系(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解度較低，并且隨溫(wen)(wen)度的(de)(de)(de)(de)升高逐漸增大。隨著(zhu)熔體(ti)(ti)(ti)中(zhong)(zhong)鉻、錳等(deng)元素含量的(de)(de)(de)(de)增加，如(ru)Fe18Mn和Fe18Cr等(deng)合(he)(he)金體(ti)(ti)(ti)系(xi)(xi)，氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)溶(rong)(rong)(rong)解度顯(xian)著(zhu)增大，溫(wen)(wen)度對氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解度的(de)(de)(de)(de)影(ying)響更加明顯(xian)，且隨著(zhu)溫(wen)(wen)度的(de)(de)(de)(de)下降，熔體(ti)(ti)(ti)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解度逐漸增大。Fe18Cr8Ni合(he)(he)金的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解度對溫(wen)(wen)度的(de)(de)(de)(de)依(yi)賴性也為(wei)負；此外，由于(yu)鎳具有(you)降低氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解度的(de)(de)(de)(de)作用，相對于(yu)Fe18Cr合(he)(he)金，Fe18Cr8Ni合(he)(he)金的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解度隨溫(wen)(wen)度變化的(de)(de)(de)(de)趨(qu)勢比較平緩。

  從溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)熱力(li)學(xue)理論來看，在(zai)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)成(cheng)分(fen)(fen)(fen)與(yu)氮(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)一定的(de)(de)(de)(de)條件下(xia)，溫(wen)(wen)度(du)(du)對氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)(xiang)規律為：若(ruo)式（2-36)中(zhong)參數a<0,即焓變(bian)ΔH>0時(shi)，氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)反(fan)(fan)應為吸熱過(guo)程，氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)隨(sui)(sui)溫(wen)(wen)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)升高(gao)(gao)(gao)而(er)增(zeng)大；若(ruo)a>0,即焓變(bian)ΔH<0時(shi)，反(fan)(fan)為放熱過(guo)程，氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)隨(sui)(sui)溫(wen)(wen)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)升高(gao)(gao)(gao)而(er)減小。因此，溫(wen)(wen)度(du)(du)對氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)(xiang)取(qu)決(jue)(jue)于焓變(bian)ΔH數值的(de)(de)(de)(de)正(zheng)負和(he)大小，最終(zhong)歸結為合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)成(cheng)分(fen)(fen)(fen)決(jue)(jue)定氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)溫(wen)(wen)度(du)(du)依賴性。利用氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)模型，Satir-Kolorz 等探究了不(bu)同的(de)(de)(de)(de)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)體(ti)系在(zai)0.1MPa和(he)5MPa氮(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)下(xia)，1750~2000K 范圍內氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)與(yu)溫(wen)(wen)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)關系，如圖2-13所示。結果與(yu)上面(mian)分(fen)(fen)(fen)析的(de)(de)(de)(de)一致，在(zai)氮(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)一定的(de)(de)(de)(de)條件下(xia)，溫(wen)(wen)度(du)(du)對氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)(xiang)取(qu)決(jue)(jue)于合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)成(cheng)分(fen)(fen)(fen)：含有增(zeng)加(jia)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)元(yuan)(yuan)素(su)（如Mn、Cr、Mo)的(de)(de)(de)(de)鐵基(ji)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)（Fe-Cr和(he)Fe-Mn合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)體(ti)系），氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)隨(sui)(sui)著溫(wen)(wen)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)升高(gao)(gao)(gao)而(er)降(jiang)低；而(er)對于含有降(jiang)低氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)元(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)(de)(de)鐵基(ji)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)（如Fe-Ni合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)），隨(sui)(sui)著溫(wen)(wen)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)升高(gao)(gao)(gao)，熔體(ti)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)增(zeng)大。

4. 氮氣壓力(li)對氮溶解度的影響

  鑒于(yu)高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)鋼產品對(dui)高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)含量的(de)(de)(de)需(xu)求，在常壓(ya)(ya)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)環境中(zhong)(zhong)(zhong)無法(fa)實(shi)現鋼液的(de)(de)(de)高(gao)效(xiao)增(zeng)氮(dan)(dan)(dan)(dan)和保氮(dan)(dan)(dan)(dan)，提高(gao)冶煉(lian)過程(cheng)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)成為有(you)效(xiao)手段。氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)加(jia)壓(ya)(ya)冶煉(lian)技術，不(bu)僅能(neng)夠通過促(cu)進(jin)氣(qi)(qi)相－合(he)金熔(rong)(rong)體(ti)間的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解反應實(shi)現更佳(jia)的(de)(de)(de)增(zeng)氮(dan)(dan)(dan)(dan)效(xiao)果，在抑制高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)濃(nong)度(du)鋼液凝(ning)固過程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)孔的(de)(de)(de)形成方面也發揮著(zhu)(zhu)重要作用。研究不(bu)同氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)下合(he)金熔(rong)(rong)體(ti)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解度(du)，成為精確控制氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)加(jia)壓(ya)(ya)冶煉(lian)工藝鋼中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)含量的(de)(de)(de)重要理論基礎(chu)。在常壓(ya)(ya)［如(ru)圖2-14(a)和加(jia)壓(ya)(ya)［如(ru)圖2-14(b)]條(tiao)件下，液態鐵(tie)基合(he)金中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解度(du)隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)(de)提高(gao)而顯著(zhu)(zhu)增(zeng)大。

a. 低氮(dan)氣壓力(li)

  如(ru)前(qian)所述(shu)，氮(dan)氣在金屬熔(rong)體中的溶(rong)解(jie)屬于雙原子分子的溶(rong)解(jie)過程，在低氮(dan)氣壓力(li)范(fan)圍內，氮(dan)溶(rong)解(jie)度隨氮(dan)氣壓力(li)的變化符(fu)合Sieverts定律。眾多研究已經證實(shi)，在小(xiao)于0.1MPa的低氮(dan)氣壓力(li)范(fan)圍內，不銹鋼體系（表2-5中1~3號）的氮(dan)溶(rong)解(jie)度與(yu)氮(dan)氣壓力(li)的關(guan)系符(fu)合 Sieverts定律，即呈(cheng)線性(xing)相關(guan)，如(ru)圖2-15所示。

  為了進一步(bu)驗證(zheng)不同氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)下(xia) Sieverts定律(lv)的適(shi)用情況，Jiang(姜周(zhou)華）等(deng)研究了氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)不高于0.1MPa,即(ji)低(di)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)下(xia)典型不銹(xiu)鋼品種AISI304和AISI 316L 熔體中氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度與(yu)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)的關系(xi)，結果如圖2-16所示。隨著氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)的增加，氮(dan)(dan)(dan)在兩(liang)類典型不銹(xiu)鋼熔體中的溶(rong)解(jie)度顯著提升，并(bing)且(qie)與(yu)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)的關系(xi)符(fu)合Sieverts定律(lv)。

 b. 高氮(dan)氣壓力

  隨著冶(ye)煉過程中氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)的(de)進(jin)一步提高(gao)，各(ge)種合(he)金體(ti)系(xi)(xi)的(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)均會增大(da)。純鐵(tie)液(ye)(ye)的(de)飽和氮(dan)(dan)濃(nong)度(du)(du)(du)不僅在(zai)(zai)常壓(ya)(ya)以下，而(er)且在(zai)(zai)0.1~200MPa的(de)高(gao)壓(ya)(ya)范圍內(nei)也始(shi)終與氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)的(de)平(ping)(ping)(ping)方(fang)根呈線性關系(xi)(xi)。這是因為即(ji)使在(zai)(zai)高(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)下純鐵(tie)液(ye)(ye)中的(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)也處于較低(di)(di)的(de)水平(ping)(ping)(ping)，如圖2-17所(suo)示(shi)。在(zai)(zai)Fe-Ni合(he)金體(ti)系(xi)(xi)中，由于鎳(nie)元素具有(you)降低(di)(di)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)的(de)作用，鎳(nie)含量越(yue)高(gao)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)反而(er)越(yue)低(di)(di)，即(ji)使在(zai)(zai)高(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)下氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)也處于較低(di)(di)水平(ping)(ping)(ping)。研究結果表明(ming)，高(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)下Fe-Ni體(ti)系(xi)(xi)也符合(he) Sieverts定律，如圖2-18所(suo)示(shi)。

  然而，隨著高(gao)氮(dan)(dan)鋼品種的開(kai)發和冶煉(lian)工藝的發展，大(da)量研究顯示，對(dui)于(yu)較(jiao)高(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)壓力下的Fe-Cr-Mn-Ni-Mo等高(gao)合金(jin)體系(xi)（表2-5中4~6號），氮(dan)(dan)溶解度(du)隨氮(dan)(dan)氣(qi)壓力的變化與Sieverts定律描述的線(xian)性關(guan)系(xi)產生(sheng)了較(jiao)大(da)的偏差，如圖2-19所(suo)示。

  圖2-19 1873K 高氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)下氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解度(du)(du)隨(sui)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)平方根的(de)變化(hua)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解度(du)(du)與Sieverts 定(ding)律(lv)的(de)偏(pian)(pian)離，并非存在于(yu)所有(you)高氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)下的(de)情況，與合(he)金熔體(ti)成(cheng)分密切(qie)相(xiang)(xiang)(xiang)關。上(shang)述純(chun)鐵液和Fe-Ni合(he)金這兩類低氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解度(du)(du)體(ti)系就是偏(pian)(pian)差不顯(xian)著的(de)實例(li)；相(xiang)(xiang)(xiang)反，具有(you)高氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解度(du)(du)的(de)合(he)金熔體(ti)（如Fe-Cr-Mn體(ti)系）在高氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)下通常不符合(he) Sieverts 定(ding)律(lv)。由(you)此可(ke)以推測，高氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)下氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解度(du)(du)隨(sui)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)提高較慢的(de)原因是，高氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)下熔體(ti)中氮(dan)(dan)濃度(du)(du)處于(yu)較高水平，不再(zai)滿足無限稀釋溶(rong)(rong)(rong)液的(de)理想情況。此時，氮(dan)(dan)原子之(zhi)間存在自身(shen)相(xiang)(xiang)(xiang)互作用，彼此之(zhi)間的(de)相(xiang)(xiang)(xiang)斥(chi)效(xiao)應將會導致氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解度(du)(du)的(de)降低；氮(dan)(dan)濃度(du)(du)越(yue)(yue)高，氮(dan)(dan)自身(shen)的(de)相(xiang)(xiang)(xiang)斥(chi)作用越(yue)(yue)明顯(xian)。由(you)此可(ke)知，高氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)下氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解度(du)(du)與Sieverts 定(ding)律(lv)的(de)偏(pian)(pian)離主要由(you)氮(dan)(dan)的(de)自身(shen)相(xiang)(xiang)(xiang)互作用導致，而高氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)通常是熔體(ti)中高氮(dan)(dan)含量(liang)的(de)一(yi)個關鍵誘因。

  對(dui)于(yu)圖(tu)2-17和(he)圖(tu)2-18中純鐵(tie)液(ye)、低(di)合金(jin)鋼(gang)或(huo)類(lei)似Fe-Ni合金(jin)等(deng)低(di)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)體系(xi)而言，氮(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)自身(shen)相互作用幾(ji)乎可以忽略，在高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)下氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度與氮(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)平方(fang)根也(ye)接近線性關系(xi)。常(chang)見的(de)(de)(de)(de)(de)(de)具有高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)Fe-Cr-Mn等(deng)體系(xi)則不同，在高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)下高(gao)(gao)(gao)(gao)合金(jin)含(han)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)熔體氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度可達1%以上，超出 Sieverts定(ding)律的(de)(de)(de)(de)(de)(de)適(shi)用范圍。定(ding)義Sieverts定(ding)律對(dui)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)壓(ya)(ya)力(li)適(shi)用極限，為(wei)開始出現明顯偏(pian)差的(de)(de)(de)(de)(de)(de)臨(lin)界氮(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)，如圖(tu)2-20所示，不同鉻(ge)含(han)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)Fe-Cr合金(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)壓(ya)(ya)力(li)適(shi)用極限不同（實驗數據(ju)來(lai)源于(yu)Torkhov等(deng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)究）。隨著(zhu)鉻(ge)和(he)氮(dan)含(han)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)增加，Sieverts定(ding)律的(de)(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)適(shi)用極限快速降低(di)，高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)下的(de)(de)(de)(de)(de)(de)偏(pian)差程度也(ye)變得更為(wei)顯著(zhu)。

  針對高(gao)(gao)(gao)合(he)金(jin)、高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)體(ti)(ti)系(xi)在(zai)高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)熱力(li)學偏(pian)離 Sieverts定律的(de)(de)(de)現象，可(ke)通過熔體(ti)(ti)中各(ge)類原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)之(zhi)間(jian)(jian)存(cun)在(zai)的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)互作用來(lai)解(jie)釋氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)的(de)(de)(de)溶(rong)解(jie)機制。圖2-21(a)顯示了單個氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)在(zai)鐵(tie)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)晶(jing)(jing)格中的(de)(de)(de)賦存(cun)狀況：由(you)(you)于(yu)氮(dan)(dan)(dan)處(chu)于(yu)無限稀釋的(de)(de)(de)狀態，它只與鐵(tie)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)存(cun)在(zai)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)互作用，不發生(sheng)氮(dan)(dan)(dan)自(zi)(zi)身的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)互作用。圖2-21(b)顯示了高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)濃(nong)度(du)(du)(du)下(xia)（如(ru)在(zai)高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)下(xia)）的(de)(de)(de)鐵(tie)－氮(dan)(dan)(dan)二元(yuan)合(he)金(jin)晶(jing)(jing)格：氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)周圍除相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)鄰的(de)(de)(de)鐵(tie)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)外(wai)，也(ye)存(cun)在(zai)臨(lin)近的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)，氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)間(jian)(jian)彼此相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)互抑制，從而(er)導(dao)致氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)降(jiang)低并偏(pian)離 Sieverts 定律的(de)(de)(de)預測曲線。這種自(zi)(zi)身作用可(ke)由(you)(you)自(zi)(zi)身活(huo)度(du)(du)(du)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)互作用系(xi)數(shu)來(lai)表示，由(you)(you)于(yu)氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)之(zhi)間(jian)(jian)處(chu)于(yu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)互抑制的(de)(de)(de)狀態，自(zi)(zi)身活(huo)度(du)(du)(du)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)互作用系(xi)數(shu)e值為(wei)正數(shu)。圖2-21(c)顯示了鐵(tie)－鉻(ge)－氮(dan)(dan)(dan)三元(yuan)合(he)金(jin)的(de)(de)(de)晶(jing)(jing)格：由(you)(you)于(yu)鉻(ge)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)和氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)之(zhi)間(jian)(jian)具有很(hen)強的(de)(de)(de)吸(xi)引力(li)，其相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)互作用系(xi)數(shu)為(wei)負值。在(zai)此結構中，由(you)(you)于(yu)氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)向鉻(ge)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)偏(pian)移，就有更多(duo)空間(jian)(jian)留給(gei)額外(wai)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)，從而(er)產(chan)生(sheng)較高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)。不過隨(sui)著氮(dan)(dan)(dan)濃(nong)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)增加(jia)，氮(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)對自(zi)(zi)身的(de)(de)(de)強烈排斥作用開始凸顯，因此在(zai)高(gao)(gao)(gao)鉻(ge)和高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)濃(nong)度(du)(du)(du)下(xia)，實際的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)隨(sui)氮(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)的(de)(de)(de)變化規律與 Sieverts定律之(zhi)間(jian)(jian)存(cun)在(zai)明(ming)顯的(de)(de)(de)偏(pian)差。

  研究發現，在(zai)(zai)(zai)超過(guo)10MPa氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力的(de)(de)條件下，將合金(jin)(jin)(jin)元素含量提(ti)(ti)高至45%,熔體(ti)(ti)的(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)可以(yi)高達(da)3%以(yi)上。在(zai)(zai)(zai)氮(dan)(dan)濃(nong)度(du)如此高的(de)(de)情況下，熔體(ti)(ti)不(bu)滿足(zu)使用Sieverts 定律的(de)(de)前提(ti)(ti)條件，即無限(xian)稀釋(shi)溶(rong)液的(de)(de)假設，因此在(zai)(zai)(zai)此條件下，Sieverts定律無法準確(que)預測氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)，必須引入一(yi)(yi)個附加的(de)(de)活(huo)(huo)度(du)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)f,以(yi)體(ti)(ti)現氮(dan)(dan)對(dui)(dui)自身作用的(de)(de)影響(xiang)。圖2-22顯示了實驗(yan)測得的(de)(de)不(bu)同氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力下，不(bu)同合金(jin)(jin)(jin)體(ti)(ti)系(xi)(xi)(xi)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)的(de)(de)變化(hua)。首先在(zai)(zai)(zai)不(bu)考慮氮(dan)(dan)自身相互(hu)作用的(de)(de)情況下，通過(guo)對(dui)(dui)實驗(yan)結果進行回歸分析(xi)(xi)，確(que)定鉻(ge)、錳、鉬和鎳等主要(yao)合金(jin)(jin)(jin)元素對(dui)(dui)氮(dan)(dan)的(de)(de)一(yi)(yi)階和二(er)階活(huo)(huo)度(du)相互(hu)作用系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)。同時，從文獻數(shu)(shu)(shu)(shu)據中(zhong)(zhong)獲得其他合金(jin)(jin)(jin)元素的(de)(de)相互(hu)作用系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)。基于(yu)所(suo)有合金(jin)(jin)(jin)對(dui)(dui)體(ti)(ti)系(xi)(xi)(xi)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)活(huo)(huo)度(du)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)相互(hu)作用系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)，通過(guo)回歸分析(xi)(xi)確(que)定氮(dan)(dan)對(dui)(dui)自身的(de)(de)活(huo)(huo)度(du)相互(hu)作用系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)e為0.13。e的(de)(de)數(shu)(shu)(shu)(shu)值為正，表明氮(dan)(dan)含量的(de)(de)提(ti)(ti)高會(hui)增加活(huo)(huo)度(du)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)，降低自身溶(rong)解(jie)(jie)度(du)。