1. 常壓下基熔體的氮(dan)溶解度模(mo)型

  常溫下氮(dan)(dan)以雙原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)分子(zi)形式存在，高溫下則分解(jie)成(cheng)氮(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)溶(rong)解(jie)于(yu)金(jin)(jin)屬(shu)熔(rong)體(ti)(ti)中。如圖2-1所示，氮(dan)(dan)在金(jin)(jin)屬(shu)熔(rong)體(ti)(ti)中的(de)溶(rong)解(jie)過程可以描述如下：氮(dan)(dan)氣(qi)接觸到熔(rong)體(ti)(ti)表面(mian)后(hou)發生(sheng)物理吸(xi)附(fu)(fu)，當氣(qi)體(ti)(ti)分子(zi)和熔(rong)體(ti)(ti)表面(mian)的(de)結合(he)力(li)大于(yu)氣(qi)體(ti)(ti)內部分子(zi)的(de)結合(he)力(li)時發生(sheng)化學吸(xi)附(fu)(fu)，吸(xi)附(fu)(fu)的(de)氮(dan)(dan)分子(zi)分解(jie)成(cheng)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)，隨后(hou)從熔(rong)體(ti)(ti)表面(mian)向內部擴散。

  表2-1總結了研究(jiu)人員在(zai)1873K、0.1MPa氮(dan)氣壓力(li)下(xia)測得的(de)熔(rong)(rong)(rong)融(rong)鐵液(ye)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)。根(gen)據文獻中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)實驗數據可(ke)知，熔(rong)(rong)(rong)融(rong)鐵液(ye)的(de)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)集中(zhong)(zhong)(zhong)在(zai)0.043%~0.046%范圍內。圖2-2歸(gui)納(na)了冶煉溫(wen)度(du)對(dui)熔(rong)(rong)(rong)融(rong)鐵液(ye)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)的(de)影響。可(ke)以(yi)看(kan)出，在(zai)熔(rong)(rong)(rong)融(rong)鐵液(ye)中(zhong)(zhong)(zhong)，氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)隨溫(wen)度(du)的(de)升高而增大。

  若氮(dan)活(huo)度的參考(kao)態為(wei)(wei)合金(jin)(jin)熔(rong)(rong)體(ti)中假想的1%N溶(rong)液(ye)，則0.5mol氮(dan)氣溶(rong)解(jie)于合金(jin)(jin)熔(rong)(rong)體(ti)的吉布斯自由能變可以表示(shi)為(wei)(wei)

  在(zai)早(zao)期對(dui)合金熔(rong)體中(zhong)氮(dan)溶解度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)研究中(zhong)，各種合金元(yuan)素對(dui)氮(dan)的(de)(de)二(er)階活(huo)(huo)度(du)(du)(du)(du)相互(hu)作(zuo)用系數(shu)及(ji)二(er)階交(jiao)叉(cha)活(huo)(huo)度(du)(du)(du)(du)相互(hu)作(zuo)用系數(shu)的(de)(de)相關(guan)測定尚不(bu)完善。1965年，Chipman等［18]開發(fa)了僅使用一階活(huo)(huo)度(du)(du)(du)(du)相互(hu)作(zuo)用系數(shu)而不(bu)涉及(ji)高階項(xiang)的(de)(de)氮(dan)溶解度(du)(du)(du)(du)模型。基于Chipman等的(de)(de)研究結果和1873K下不(bu)同元(yuan)素對(dui)氮(dan)的(de)(de)一階活(huo)(huo)度(du)(du)(du)(du)相互(hu)作(zuo)用系數(shu)（表2-2)[19],可以得到1873K下氮(dan)溶解度(du)(du)(du)(du)模型中(zhong)氮(dan)的(de)(de)活(huo)(huo)度(du)(du)(du)(du)系數(shu)1gf[式(shi)（2-9)],其他冶(ye)煉溫(wen)度(du)(du)(du)(du)下氮(dan)的(de)(de)活(huo)(huo)度(du)(du)(du)(du)系數(shu)可由(you)式(shi)（2-10)轉換獲得。據此，Chipman 等建(jian)立了預測不(bu)同溫(wen)度(du)(du)(du)(du)下合金熔(rong)體中(zhong)氮(dan)溶解度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)式(shi)（2-11)。

  隨著對(dui)多(duo)元(yuan)合金(jin)(jin)熔體氮(dan)溶解度(du)研(yan)究的(de)(de)(de)深入，各種合金(jin)(jin)元(yuan)素對(dui)氮(dan)的(de)(de)(de)一階(jie)、二(er)(er)階(jie)以及(ji)二(er)(er)階(jie)交叉活(huo)(huo)度(du)相(xiang)互作(zuo)用(yong)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)實(shi)驗研(yan)究與測定逐步(bu)完善(shan)。1990年(nian)，Grigorenko等。探究了(le)合金(jin)(jin)元(yuan)素對(dui)氮(dan)活(huo)(huo)度(du)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)影響，認為在較(jiao)高的(de)(de)(de)合金(jin)(jin)濃(nong)度(du)下，僅采用(yong)一階(jie)活(huo)(huo)度(du)相(xiang)互作(zuo)用(yong)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)來計算氮(dan)的(de)(de)(de)活(huo)(huo)度(du)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)和預測氮(dan)溶解度(du)是不夠準確的(de)(de)(de)。為了(le)進一步(bu)提高氮(dan)溶解度(du)預測模型(xing)的(de)(de)(de)準確性，必須以二(er)(er)階(jie)乃至(zhi)更高階(jie)泰勒級數(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)形式(shi)表(biao)示氮(dan)的(de)(de)(de)活(huo)(huo)度(du)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)，即引入合金(jin)(jin)元(yuan)素對(dui)氮(dan)的(de)(de)(de)高階(jie)活(huo)(huo)度(du)相(xiang)互作(zuo)用(yong)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)。據此，氮(dan)活(huo)(huo)度(du)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)按(an)高階(jie)泰勒級數(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)形式(shi)展開(kai)，可表(biao)示為

2. 常壓下Fe-20%Cr基(ji)熔體的氮溶解度模型

  鑒于以Fe-Cr 合金(jin)為基礎的各種合金(jin)材(cai)料(liao)的生產與應用(yong)非(fei)常(chang)廣泛，1996年(nian)Anson等開發了種常(chang)壓下以熔融(rong)Fe-20%Cr 合金(jin)為基體的氮溶解(jie)度模型(xing)。在熔融(rong)Fe-20%Cr基合金(jin)中，氮溶解(jie)熱力(li)學平衡關系如下所示：

3. 高氮氣壓力下的氮溶解度(du)模(mo)型

  隨著含氮鋼種相關(guan)研(yan)(yan)究的不斷深入(ru)，高(gao)(gao)氮鋼由(you)于其優異的力(li)學性能(neng)和耐(nai)腐(fu)蝕性能(neng)，在(zai)諸多(duo)領(ling)域得到了(le)廣泛應用。大(da)量研(yan)(yan)究發現(xian)，在(zai)高(gao)(gao)氮氣(qi)(qi)壓力(li)下，高(gao)(gao)合金體(ti)系中氮溶(rong)解度出現(xian)了(le)偏離 Sieverts 定律的現(xian)象，導(dao)致(zhi)高(gao)(gao)氮氣(qi)(qi)壓力(li)下氮溶(rong)解度預測模型的準(zhun)確度大(da)幅(fu)降低(di)。

  如圖(tu)(tu)2-3和圖(tu)(tu)2-4所示，當鉻、錳等含(han)量較高(gao)時(shi)(shi)，高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)力下(xia)(xia)合(he)(he)金熔體(ti)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度達到(dao)了較高(gao)的(de)(de)(de)數值(zhi)，此時(shi)(shi)僅能在小范圍(wei)內呈線(xian)性關系，合(he)(he)金中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)含(han)量依然能隨(sui)著氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)力的(de)(de)(de)增(zeng)加而(er)持(chi)續(xu)提(ti)高(gao)，但與(yu)低氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)力時(shi)(shi)相比，高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)力下(xia)(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度的(de)(de)(de)增(zeng)加趨勢明(ming)顯變緩。高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)力下(xia)(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)力對氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度的(de)(de)(de)提(ti)升作用被削弱，具體(ti)表現為(wei)實(shi)測(ce)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度［％N]低于根據Sieverts定律計算的(de)(de)(de)值(zhi)，即(ji)圖(tu)(tu)中(zhong)(zhong)各個實(shi)線(xian)（實(shi)驗值(zhi)）均處于相應(ying)虛線(xian)（計算值(zhi)）下(xia)(xia)方。同時(shi)(shi)，兩(liang)曲(qu)線(xian)的(de)(de)(de)偏離程度隨(sui)著鉻、錳等元素含(han)量的(de)(de)(de)增(zeng)加而(er)變得嚴重(zhong)。這表明(ming)在氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)力大于0.1MPa的(de)(de)(de)冶煉氣(qi)(qi)(qi)氛中(zhong)(zhong)，尤其是(shi)當金屬熔體(ti)含(han)有較高(gao)量具有提(ti)升氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度能力的(de)(de)(de)合(he)(he)金元素時(shi)(shi)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度很高(gao)，其與(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)力的(de)(de)(de)關系將不再符合(he)(he) Sieverts定律。

  1993年Rawers等［24]通過(guo)實驗研究了(le)(le)Fe-Cr和(he)Fe-Cr-Ni等合金(jin)體系在高(gao)氮氣壓力下氮的(de)溶解(jie)度(du)模(mo)型。圖2-5給出了(le)(le)不同氮氣壓力下氮活(huo)度(du)系數(shu)InfN隨鉻(ge)濃(nong)度(du)變化曲線(xian)。對于鐵(tie)基合金(jin)，在低鉻(ge)濃(nong)度(du)范圍內，lnfN與(yu)鉻(ge)濃(nong)度(du)之間存在線(xian)性(xing)關系，其斜率隨著氮氣壓力的(de)增加(jia)而變化；在較高(gao)鉻(ge)濃(nong)度(du)時，則明顯(xian)偏離線(xian)性(xing)關系。

  基(ji)于對實(shi)驗數據的回歸分析(xi)，獲(huo)得(de)了Fe-Cr與Fe-Cr-Ni體系氮(dan)(dan)溶(rong)解度模型中各相互作用(yong)系數，見表2-3.通(tong)過成分相互作用(yong)和氮(dan)(dan)氣(qi)壓力－成分效應對氮(dan)(dan)溶(rong)解度模型的修正(zheng)，可以更精確地(di)預測高合金(jin)體系在高氮(dan)(dan)氣(qi)壓力條件下的氮(dan)(dan)溶(rong)解度。

  為了(le)進(jin)一步修正(zheng)高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度模型，2005年Jiang(姜周華）等(deng)［25]根(gen)據實驗研究和文獻報道的(de)(de)(de)(de)數據，回歸分(fen)析得到(dao)了(le)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)對氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)互作用系(xi)數8,反映了(le)常壓(ya)(ya)以上(shang)的(de)(de)(de)(de)高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)對氮(dan)(dan)(dan)活(huo)度系(xi)數的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)。該研究通(tong)過(guo)考慮氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)，對高(gao)壓(ya)(ya)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)活(huo)度系(xi)數進(jin)行修正(zheng)［式（2-19)],從而建立了(le)高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)熱力(li)(li)(li)學模型來預測高(gao)氮(dan)(dan)(dan)不銹鋼(gang)熔體中(zhong)的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度：

  經(jing)過修正(zheng)(zheng)后，重新利用(yong)(yong)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)熱(re)力(li)學模(mo)型計(ji)算(suan)了文獻中1873K下純鐵、Fe-Cr和(he)(he)Fe-Mn 等(deng)(deng)合金體系(xi)在高氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)下的(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)隨氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)的(de)變化，并與(yu)(yu)實驗數據進行了比(bi)較(jiao)，如圖2-6所示。同時，圖2-7比(bi)較(jiao)了氮(dan)(dan)活(huo)度(du)系(xi)數計(ji)算(suan)式(shi)中壓(ya)(ya)(ya)力(li)項修正(zheng)(zheng)后的(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)模(mo)型計(ji)算(suan)值(zhi)(zhi)與(yu)(yu)文獻實測(ce)值(zhi)(zhi)。結果表明(ming)，修正(zheng)(zheng)后的(de)模(mo)型預測(ce)值(zhi)(zhi)與(yu)(yu)Jiang等(deng)(deng)及Satir-Kolorz和(he)(he)Feichtinger的(de)測(ce)量值(zhi)(zhi)非(fei)常吻合，略小于Rawers和(he)(he)Gokcen[26]的(de)測(ce)量值(zhi)(zhi)。該(gai)差異可能是由計(ji)算(suan)中選擇的(de)溫度(du)為1923K而引起(qi)的(de)，因為當熔體以緩慢的(de)冷卻速(su)率降低(di)到(dao)液相線時，氮(dan)(dan)濃度(du)會增加。驗證結果表明(ming)，經(jing)壓(ya)(ya)(ya)力(li)項修正(zheng)(zheng)后的(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)熱(re)力(li)學模(mo)型，適用(yong)(yong)于計(ji)算(suan)高氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)下不銹(xiu)鋼的(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)。在著作 Mastering P-ESR Technology for High Nitrogen Steel Grades for HighValue Applications中，Carosi等(deng)(deng)認為Jiang等(deng)(deng)建立的(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)模(mo)型的(de)預測(ce)值(zhi)(zhi)與(yu)(yu)工業結果非(fei)常符合，并將此(ci)模(mo)型應用(yong)(yong)到(dao)動態模(mo)型的(de)仿真計(ji)算(suan)中。

  基于高氮氣(qi)(qi)壓(ya)力下(xia)氮溶(rong)解度(du)模型的修(xiu)正，本書作(zuo)(zuo)者針對(dui)含(han)Nb和(he)含(han)V鋼種(zhong)，進一步研究了(le)其(qi)氮溶(rong)解熱力學行為(wei)，通(tong)過補充完(wan)善鋼液(ye)中Nb和(he)V對(dui)氮活度(du)的相互作(zuo)(zuo)用系數，構建了(le)包含(han) Nb、V體系鋼種(zhong)或合金(jin)在氮氣(qi)(qi)加壓(ya)下(xia)的氮溶(rong)解度(du)模型：

2. 合金元素成分對(dui)氮溶解度的影響

 a. 合(he)金元素對氮的活度相互(hu)作(zuo)用系(xi)數

  氮(dan)(dan)(dan)在(zai)鐵(tie)基合金(jin)熔體中的(de)(de)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)受其合金(jin)成分(fen)的(de)(de)影響顯著，許多常用合金(jin)元素(su)(su)(su)可有效地提高(gao)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)，同時(shi)也(ye)有部分(fen)元素(su)(su)(su)會降低氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)。一般可以用各(ge)合金(jin)元素(su)(su)(su)對氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)一階活度(du)相互作(zuo)用系數(shu)（表(biao)2-4)來表(biao)征合金(jin)成分(fen)對氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)的(de)(de)影響，當其值(zhi)為負時(shi)，相應的(de)(de)合金(jin)元素(su)(su)(su)可降低熔體中氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)活度(du)系數(shu)，增(zeng)加氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)；當其值(zhi)為正時(shi)，相應的(de)(de)合金(jin)元素(su)(su)(su)則增(zeng)大氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)活度(du)系數(shu)，降低氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)。

合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素對(dui)氮(dan)的活度相互作用系數(shu)，實質(zhi)上表(biao)征(zheng)了該合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素與氮(dan)元(yuan)(yuan)素的原(yuan)(yuan)子(zi)間(jian)親和力(li)，這與其(qi)在元(yuan)(yuan)素周期(qi)表(biao)中(zhong)的位(wei)置(zhi)密切相關，因為元(yuan)(yuan)素的電子(zi)結構與它(ta)們在周期(qi)表(biao)中(zhong)的位(wei)置(zhi)相對(dui)應。從(cong)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素的微觀結構來看，同一周期(qi)中(zhong)，從(cong)左到右，元(yuan)(yuan)素核外(wai)電子(zi)層數(shu)相同，而(er)最外(wai)層電子(zi)數(shu)增(zeng)加，原(yuan)(yuan)子(zi)半(ban)徑(jing)(jing)遞減（0族元(yuan)(yuan)素除外(wai)）；同一族中(zhong)，從(cong)上到下(xia)，所有元(yuan)(yuan)素具有相同數(shu)量的價電子(zi)，而(er)核外(wai)電子(zi)層數(shu)逐漸(jian)增(zeng)多，原(yuan)(yuan)子(zi)半(ban)徑(jing)(jing)增(zeng)大。原(yuan)(yuan)子(zi)半(ban)徑(jing)(jing)大的合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素對(dui)氮(dan)的親和力(li)普遍較強。

  圖(tu)2-8給出了(le)在(zai)1873K、0.1MPa氮(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)下Fe-X二元(yuan)合金(jin)體(ti)(ti)系中各(ge)種常見金(jin)元(yuan)素(su)X對氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)的(de)(de)影(ying)響。在(zai)合金(jin)熔體(ti)(ti)中，提高Mo、Mn、Ta、Cr、Nb和(he)(he)(he)V等(deng)元(yuan)素(su)的(de)(de)含量能(neng)夠(gou)顯著增大熔體(ti)(ti)的(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)。例(li)如(ru)，在(zai)1873K和(he)(he)(he)氮(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)為0.1MPa條(tiao)件(jian)下，Cr、Mn等(deng)典(dian)型合金(jin)元(yuan)素(su)能(neng)夠(gou)提高高氮(dan)(dan)無鎳奧氏體(ti)(ti)不銹鋼熔體(ti)(ti)的(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)，其中20%Cr-20%Mn合金(jin)體(ti)(ti)系中氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)可達(da)0.8%以上，如(ru)圖(tu)2-9所示。然而，提高C、Si等(deng)元(yuan)素(su)的(de)(de)含量則(ze)會明顯降低熔體(ti)(ti)的(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)，其他元(yuan)素(su)（如(ru)Ni、Co、Cu、Sn和(he)(he)(he)W等(deng)）含量的(de)(de)變化則(ze)對熔體(ti)(ti)的(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)影(ying)響相對較小。

  如圖(tu)2-10所示，根(gen)據對氮(dan)(dan)在熔(rong)體中(zhong)(zhong)(zhong)溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)的(de)影(ying)響(xiang)規律不(bu)(bu)同(tong)，合金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)大體可以分為三大類：①. 第一類為對熔(rong)融鐵(tie)基(ji)合金(jin)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)具有顯著提升作(zuo)用的(de)合金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)，如Cr、Mo、Mn、Ti、Zr、V和(he)Nb等(deng)，其中(zhong)(zhong)(zhong)Ti、Zr、V和(he)Nb具有強烈的(de)形成(cheng)氮(dan)(dan)化物(wu)的(de)趨(qu)勢。Cr作(zuo)為不(bu)(bu)銹鋼的(de)重要合金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)之一，能夠顯著提高熔(rong)融鐵(tie)基(ji)合金(jin)的(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)，其與(yu)Ti、Zr、V和(he)Nb相(xiang)比，形成(cheng)氮(dan)(dan)化物(wu)的(de)趨(qu)勢較小(xiao)。②. Ni、Co和(he)Cu等(deng)元(yuan)(yuan)素(su)為第二類，對氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)的(de)影(ying)響(xiang)較小(xiao)。其中(zhong)(zhong)(zhong)Ni是不(bu)(bu)銹鋼中(zhong)(zhong)(zhong)重要的(de)合金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)，但(dan)它對氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)的(de)負面影(ying)響(xiang)會降(jiang)低(di)高氮(dan)(dan)合金(jin)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)氮(dan)(dan)含量。③. 第三類為C、Si等(deng)非金(jin)屬元(yuan)(yuan)素(su)和(he)A1等(deng)元(yuan)(yuan)素(su)，具有明顯降(jiang)低(di)熔(rong)體氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)的(de)作(zuo)用。

  b. 合金元素的鉻等效因子與鉻當量濃度

  除合(he)(he)(he)金元(yuan)素(su)(su)(su)對氮(dan)的(de)(de)活度(du)(du)相互(hu)作(zuo)用(yong)系(xi)數外(wai)，也(ye)可(ke)以(yi)通(tong)過參(can)考(kao)元(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)等效作(zuo)用(yong)來描述不(bu)同元(yuan)素(su)(su)(su)對熔(rong)(rong)體(ti)氮(dan)溶解(jie)度(du)(du)的(de)(de)影響。較為典型的(de)(de)是以(yi)鉻(ge)為參(can)考(kao)，因(yin)為鉻(ge)具有相當強的(de)(de)增加氮(dan)溶解(jie)度(du)(du)的(de)(de)作(zuo)用(yong)，并且(qie)被認為是合(he)(he)(he)金材(cai)料中(zhong)最重(zhong)要的(de)(de)合(he)(he)(he)金元(yuan)素(su)(su)(su)之一(yi)。在活度(du)(du)相互(hu)作(zuo)用(yong)系(xi)數的(de)(de)基礎上，Satir-Kolorz與(yu)Feichtinger 換算了各(ge)種(zhong)合(he)(he)(he)金元(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)鉻(ge)等效因(yin)子(zi)(zi)c.表2-4列出了Ti、Zr、V、Nb、Ta、W、C、B、Al、Si、P、As、Sb和(he)Sn等元(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)鉻(ge)等效因(yin)子(zi)(zi)。對于不(bu)同合(he)(he)(he)金體(ti)系(xi)，可(ke)以(yi)將(jiang)體(ti)系(xi)中(zhong)各(ge)種(zhong)合(he)(he)(he)金元(yuan)素(su)(su)(su)X;的(de)(de)濃度(du)(du)乘以(yi)相應的(de)(de)鉻(ge)等效因(yin)子(zi)(zi)獲得(de)對應的(de)(de)鉻(ge)當量(liang)(liang)濃度(du)(du)。據此，可(ke)將(jiang)熔(rong)(rong)體(ti)中(zhong)所有合(he)(he)(he)金元(yuan)素(su)(su)(su)X;的(de)(de)濃度(du)(du)轉換為鉻(ge)當量(liang)(liang)濃度(du)(du)。

  通(tong)過(guo)實驗測量(liang)鋼中(zhong)的(de)平衡氮(dan)(dan)(dan)含量(liang)，得(de)到(dao)了合(he)(he)(he)金體(ti)(ti)系(xi)(xi)對應(ying)的(de)數(shu)值(zhi)，如(ru)圖2-11中(zhong)空心點所(suo)示(shi)(shi)；通(tong)過(guo)式（2-23)計(ji)算(suan)可(ke)以得(de)到(dao)不(bu)同(tong)鉻(ge)(ge)當量(liang)濃(nong)(nong)(nong)度(du)(du)與0.51gPN2-lg[%N]-e≈[%N](氮(dan)(dan)(dan)活度(du)(du)系(xi)(xi)數(shu)）之間的(de)關(guan)系(xi)(xi)曲線，兩符合(he)(he)(he)良好，驗證了此等效(xiao)方法的(de)合(he)(he)(he)理性。此研(yan)究(jiu)的(de)特別(bie)之處在于，通(tong)過(guo)鉻(ge)(ge)當量(liang)濃(nong)(nong)(nong)度(du)(du)來間接(jie)表示(shi)(shi)多(duo)種(zhong)合(he)(he)(he)金元(yuan)素在大(da)濃(nong)(nong)(nong)度(du)(du)范圍內的(de)所(suo)有數(shu)據，可(ke)以將復雜的(de)多(duo)組(zu)元(yuan)熔體(ti)(ti)等效(xiao)為鐵－氮(dan)(dan)(dan)－鉻(ge)(ge)三元(yuan)體(ti)(ti)系(xi)(xi)后(hou)計(ji)算(suan)氮(dan)(dan)(dan)的(de)溶(rong)解(jie)度(du)(du)。基(ji)于鉻(ge)(ge)等效(xiao)因子(zi)，通(tong)過(guo)鉻(ge)(ge)當量(liang)濃(nong)(nong)(nong)度(du)(du)的(de)換算(suan)并參考關(guan)系(xi)(xi)曲線（圖2-11),復雜的(de)多(duo)組(zu)元(yuan)熔體(ti)(ti)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)可(ke)統(tong)一(yi)表示(shi)(shi)為

3. 溫度(du)對氮溶解度(du)的影響

  溫度(du)(du)對(dui)(dui)合(he)金(jin)(jin)熔體(ti)(ti)中(zhong)氮溶(rong)解度(du)(du)的(de)(de)影(ying)響，取決于氮在合(he)金(jin)(jin)熔體(ti)(ti)中(zhong)的(de)(de)溶(rong)解反(fan)(fan)應(ying)為(wei)吸熱還是(shi)放熱過程(cheng)，即(ji)氮溶(rong)解反(fan)(fan)應(ying)焓變ΔH的(de)(de)正(zheng)負(fu)。在一定氮氣壓(ya)力(li)下，對(dui)(dui)于不同(tong)(tong)(tong)合(he)金(jin)(jin)成分的(de)(de)熔體(ti)(ti)而言，氮溶(rong)解度(du)(du)對(dui)(dui)溫度(du)(du)的(de)(de)依(yi)賴性（溫度(du)(du)對(dui)(dui)氮溶(rong)解度(du)(du)的(de)(de)影(ying)響趨勢）是(shi)不同(tong)(tong)(tong)的(de)(de)，且隨溫度(du)(du)的(de)(de)變化(hua)程(cheng)度(du)(du)也不同(tong)(tong)(tong)，這(zhe)是(shi)由(you)該(gai)熔體(ti)(ti)中(zhong)合(he)金(jin)(jin)元素的(de)(de)種類(lei)與含量共同(tong)(tong)(tong)決定的(de)(de)，即(ji)ΔH的(de)(de)正(zheng)負(fu)是(shi)由(you)合(he)金(jin)(jin)成分決定的(de)(de)。

  0.1MPa氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)下常見的(de)Fe-Cr-Mn-Ni合(he)金(jin)體(ti)系(xi)(xi)在(zai)1750~2000K溫(wen)(wen)度(du)(du)范圍內的(de)氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)與溫(wen)(wen)度(du)(du)的(de)關系(xi)(xi)如圖2-12所示。可以看出，純鐵(tie)和Fe20Ni合(he)金(jin)體(ti)系(xi)(xi)的(de)氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)較低，并且隨(sui)溫(wen)(wen)度(du)(du)的(de)升高逐(zhu)(zhu)漸(jian)增大(da)(da)。隨(sui)著(zhu)熔體(ti)中鉻、錳等(deng)元(yuan)素含量的(de)增加，如Fe18Mn和Fe18Cr等(deng)合(he)金(jin)體(ti)系(xi)(xi)，氮(dan)(dan)的(de)溶解(jie)(jie)度(du)(du)顯(xian)著(zhu)增大(da)(da)，溫(wen)(wen)度(du)(du)對氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)的(de)影響更加明(ming)顯(xian)，且隨(sui)著(zhu)溫(wen)(wen)度(du)(du)的(de)下降(jiang)(jiang)，熔體(ti)中的(de)氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)逐(zhu)(zhu)漸(jian)增大(da)(da)。Fe18Cr8Ni合(he)金(jin)的(de)氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)對溫(wen)(wen)度(du)(du)的(de)依賴性(xing)也為負(fu)；此外，由于鎳具(ju)有降(jiang)(jiang)低氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)的(de)作用，相(xiang)對于Fe18Cr合(he)金(jin)，Fe18Cr8Ni合(he)金(jin)的(de)氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)隨(sui)溫(wen)(wen)度(du)(du)變化的(de)趨勢比較平緩。

  從溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)熱(re)力(li)學理論來看，在合(he)(he)(he)金(jin)(jin)成(cheng)分(fen)(fen)與氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓力(li)一定的(de)(de)(de)(de)條件(jian)下(xia)(xia)，溫度(du)(du)(du)(du)(du)對氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)規律(lv)為(wei)：若式（2-36)中參數a<0,即焓變ΔH>0時，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)反應為(wei)吸(xi)熱(re)過程，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)隨溫度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)升高而(er)增大；若a>0,即焓變ΔH<0時，反為(wei)放熱(re)過程，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)隨溫度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)升高而(er)減小。因此，溫度(du)(du)(du)(du)(du)對氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)取決(jue)(jue)于(yu)焓變ΔH數值的(de)(de)(de)(de)正負和(he)大小，最終歸結為(wei)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)成(cheng)分(fen)(fen)決(jue)(jue)定氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)溫度(du)(du)(du)(du)(du)依賴(lai)性。利用氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)模型，Satir-Kolorz 等探究了(le)不同的(de)(de)(de)(de)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)體系(xi)在0.1MPa和(he)5MPa氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓力(li)下(xia)(xia)，1750~2000K 范圍內氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)與溫度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)關系(xi)，如(ru)圖2-13所(suo)示。結果與上(shang)面分(fen)(fen)析的(de)(de)(de)(de)一致，在氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓力(li)一定的(de)(de)(de)(de)條件(jian)下(xia)(xia)，溫度(du)(du)(du)(du)(du)對氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)取決(jue)(jue)于(yu)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)成(cheng)分(fen)(fen)：含有增加氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)元素(su)（如(ru)Mn、Cr、Mo)的(de)(de)(de)(de)鐵基(ji)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)（Fe-Cr和(he)Fe-Mn合(he)(he)(he)金(jin)(jin)體系(xi)），氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)隨著溫度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)升高而(er)降(jiang)低；而(er)對于(yu)含有降(jiang)低氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)元素(su)的(de)(de)(de)(de)鐵基(ji)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)（如(ru)Fe-Ni合(he)(he)(he)金(jin)(jin)），隨著溫度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)升高，熔體中的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)增大。

4. 氮氣(qi)壓(ya)力(li)對氮溶解度的影響(xiang)

  鑒于高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)鋼(gang)(gang)產品對高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)含量(liang)的(de)(de)(de)需求，在(zai)常壓氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)環境中無法實現鋼(gang)(gang)液(ye)的(de)(de)(de)高(gao)(gao)效增(zeng)氮(dan)(dan)(dan)和保氮(dan)(dan)(dan)，提高(gao)(gao)冶煉過程(cheng)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力成為(wei)有效手段。氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)加壓冶煉技術，不僅(jin)能夠通過促進(jin)氣(qi)相(xiang)－合金(jin)熔體(ti)間的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)反(fan)應實現更佳的(de)(de)(de)增(zeng)氮(dan)(dan)(dan)效果(guo)，在(zai)抑制高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)濃度鋼(gang)(gang)液(ye)凝固過程(cheng)中氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)孔的(de)(de)(de)形成方面也發揮著重(zhong)要作用。研(yan)究不同氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力下合金(jin)熔體(ti)中的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度，成為(wei)精確控制氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)加壓冶煉工藝鋼(gang)(gang)中氮(dan)(dan)(dan)含量(liang)的(de)(de)(de)重(zhong)要理論基礎。在(zai)常壓［如(ru)(ru)圖2-14(a)和加壓［如(ru)(ru)圖2-14(b)]條件下，液(ye)態鐵基合金(jin)中的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度隨氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力的(de)(de)(de)提高(gao)(gao)而顯(xian)著增(zeng)大。

a. 低氮氣壓力(li)

  如前所述(shu)，氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)在(zai)金屬熔體中(zhong)的(de)溶(rong)解屬于雙原子分子的(de)溶(rong)解過(guo)程，在(zai)低氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力范(fan)圍內，氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)隨(sui)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力的(de)變化符合(he)Sieverts定(ding)律。眾多(duo)研究已經證實，在(zai)小于0.1MPa的(de)低氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力范(fan)圍內，不(bu)銹(xiu)鋼體系（表2-5中(zhong)1~3號）的(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)與氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力的(de)關系符合(he) Sieverts定(ding)律，即(ji)呈線性相關，如圖2-15所示。

  為了(le)進一步驗證不同氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)下 Sieverts定律的(de)適用情況，Jiang(姜周華(hua)）等研究了(le)氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)不高于0.1MPa,即低(di)氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)下典型不銹鋼品種(zhong)AISI304和AISI 316L 熔體(ti)(ti)中氮(dan)(dan)溶解度與氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)的(de)關系，結(jie)果如(ru)圖(tu)2-16所示。隨著(zhu)(zhu)氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)的(de)增加，氮(dan)(dan)在兩(liang)類典型不銹鋼熔體(ti)(ti)中的(de)溶解度顯(xian)著(zhu)(zhu)提升，并(bing)且與氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)的(de)關系符(fu)合(he)Sieverts定律。

 b. 高氮氣壓力

  隨著(zhu)冶(ye)煉過程中氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)的(de)(de)(de)(de)(de)進一步提高(gao)(gao)，各種合(he)金(jin)(jin)體(ti)系(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)均會(hui)增大。純(chun)鐵液(ye)的(de)(de)(de)(de)(de)飽和(he)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)(du)(du)(du)不僅在常壓以下(xia)，而且在0.1~200MPa的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)(gao)壓范(fan)圍內也始(shi)終(zhong)與氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)的(de)(de)(de)(de)(de)平(ping)方(fang)根呈線性關系(xi)。這(zhe)是因為即(ji)使在高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)下(xia)純(chun)鐵液(ye)中的(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)也處(chu)(chu)于(yu)較(jiao)(jiao)低的(de)(de)(de)(de)(de)水(shui)平(ping)，如圖2-17所(suo)示(shi)。在Fe-Ni合(he)金(jin)(jin)體(ti)系(xi)中，由于(yu)鎳(nie)元(yuan)素具有降低氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)作用，鎳(nie)含量越高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)反而越低，即(ji)使在高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)也處(chu)(chu)于(yu)較(jiao)(jiao)低水(shui)平(ping)。研(yan)究結果表(biao)明，高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)下(xia)Fe-Ni體(ti)系(xi)也符合(he) Sieverts定律，如圖2-18所(suo)示(shi)。

  然而，隨(sui)著高氮(dan)鋼(gang)品種(zhong)的(de)(de)開發和冶煉(lian)工(gong)藝的(de)(de)發展，大(da)量研究(jiu)顯示(shi)，對于較(jiao)高氮(dan)氣壓力下的(de)(de)Fe-Cr-Mn-Ni-Mo等高合金(jin)體系（表(biao)2-5中4~6號），氮(dan)溶解(jie)度隨(sui)氮(dan)氣壓力的(de)(de)變化與(yu)Sieverts定律描(miao)述的(de)(de)線(xian)性關系產生(sheng)了較(jiao)大(da)的(de)(de)偏差，如圖2-19所示(shi)。

  圖2-19 1873K 高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)平方根(gen)的(de)(de)(de)(de)(de)變化氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度與Sieverts 定律的(de)(de)(de)(de)(de)偏(pian)(pian)離，并非存(cun)在(zai)(zai)于所有高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)下(xia)的(de)(de)(de)(de)(de)情況，與合(he)金(jin)(jin)熔(rong)體(ti)成分密(mi)切相(xiang)(xiang)關。上述純鐵液和Fe-Ni合(he)金(jin)(jin)這兩類低氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度體(ti)系就是偏(pian)(pian)差不顯(xian)著的(de)(de)(de)(de)(de)實例；相(xiang)(xiang)反，具有高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度的(de)(de)(de)(de)(de)合(he)金(jin)(jin)熔(rong)體(ti)（如Fe-Cr-Mn體(ti)系）在(zai)(zai)高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)下(xia)通常不符合(he) Sieverts 定律。由此(ci)可以推測，高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)提高(gao)較慢的(de)(de)(de)(de)(de)原因(yin)是，高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)下(xia)熔(rong)體(ti)中氮(dan)(dan)(dan)(dan)濃(nong)度處于較高(gao)水平，不再滿足無限稀釋溶(rong)液的(de)(de)(de)(de)(de)理想情況。此(ci)時，氮(dan)(dan)(dan)(dan)原子之(zhi)(zhi)間(jian)存(cun)在(zai)(zai)自(zi)身相(xiang)(xiang)互作用，彼此(ci)之(zhi)(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)斥效應將會導(dao)致(zhi)(zhi)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度的(de)(de)(de)(de)(de)降低；氮(dan)(dan)(dan)(dan)濃(nong)度越高(gao)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)自(zi)身的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)斥作用越明(ming)顯(xian)。由此(ci)可知，高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度與Sieverts 定律的(de)(de)(de)(de)(de)偏(pian)(pian)離主(zhu)要由氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)自(zi)身相(xiang)(xiang)互作用導(dao)致(zhi)(zhi)，而高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)通常是熔(rong)體(ti)中高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)含量的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)個關鍵誘因(yin)。

  對于圖(tu)2-17和圖(tu)2-18中純鐵液、低(di)合(he)金鋼(gang)或類似Fe-Ni合(he)金等(deng)(deng)低(di)氮(dan)(dan)溶(rong)解度(du)的(de)(de)(de)體系(xi)(xi)而言，氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)自身相(xiang)互作(zuo)用(yong)(yong)(yong)幾乎可以(yi)忽略，在高氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)氮(dan)(dan)溶(rong)解度(du)與氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)平方根也接近線性關系(xi)(xi)。常見的(de)(de)(de)具有高氮(dan)(dan)溶(rong)解度(du)的(de)(de)(de)Fe-Cr-Mn等(deng)(deng)體系(xi)(xi)則不(bu)同(tong)，在高氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)高合(he)金含(han)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)熔(rong)體氮(dan)(dan)溶(rong)解度(du)可達1%以(yi)上，超出 Sieverts定(ding)律的(de)(de)(de)適(shi)用(yong)(yong)(yong)范圍。定(ding)義Sieverts定(ding)律對氮(dan)(dan)溶(rong)解度(du)的(de)(de)(de)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)適(shi)用(yong)(yong)(yong)極(ji)限，為(wei)開始出現明顯偏差的(de)(de)(de)臨界氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)，如(ru)圖(tu)2-20所示，不(bu)同(tong)鉻(ge)含(han)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)Fe-Cr合(he)金的(de)(de)(de)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)適(shi)用(yong)(yong)(yong)極(ji)限不(bu)同(tong)（實驗數據來源于Torkhov等(deng)(deng)的(de)(de)(de)研究(jiu)）。隨著鉻(ge)和氮(dan)(dan)含(han)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)增加，Sieverts定(ding)律的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)適(shi)用(yong)(yong)(yong)極(ji)限快(kuai)速(su)降(jiang)低(di)，高氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)的(de)(de)(de)偏差程度(du)也變得更為(wei)顯著。

  針對高(gao)(gao)合金、高(gao)(gao)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)體(ti)(ti)系(xi)在(zai)(zai)(zai)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)氣壓力(li)(li)(li)下氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)熱力(li)(li)(li)學偏離(li) Sieverts定律(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)現象，可(ke)通過熔體(ti)(ti)中各類原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)之(zhi)(zhi)(zhi)間存(cun)(cun)在(zai)(zai)(zai)的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用來(lai)解(jie)釋氮(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)溶(rong)解(jie)機制。圖2-21(a)顯示了(le)單個氮(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)在(zai)(zai)(zai)鐵原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)晶格中的(de)(de)(de)(de)(de)賦存(cun)(cun)狀(zhuang)況：由(you)于(yu)氮(dan)(dan)處于(yu)無限稀(xi)釋的(de)(de)(de)(de)(de)狀(zhuang)態，它只與鐵原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)存(cun)(cun)在(zai)(zai)(zai)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用，不(bu)(bu)發生(sheng)氮(dan)(dan)自(zi)(zi)身的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用。圖2-21(b)顯示了(le)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)濃(nong)度(du)(du)(du)下（如在(zai)(zai)(zai)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)氣壓力(li)(li)(li)下）的(de)(de)(de)(de)(de)鐵－氮(dan)(dan)二元合金晶格：氮(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)周(zhou)圍除(chu)相(xiang)(xiang)(xiang)鄰的(de)(de)(de)(de)(de)鐵原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)外，也存(cun)(cun)在(zai)(zai)(zai)臨近的(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)，氮(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)間彼此相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)(hu)抑制，從而導致(zhi)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)降(jiang)低并偏離(li) Sieverts 定律(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)預測曲線。這(zhe)種自(zi)(zi)身作(zuo)(zuo)(zuo)用可(ke)由(you)自(zi)(zi)身活度(du)(du)(du)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用系(xi)數(shu)來(lai)表(biao)示，由(you)于(yu)氮(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)之(zhi)(zhi)(zhi)間處于(yu)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)(hu)抑制的(de)(de)(de)(de)(de)狀(zhuang)態，自(zi)(zi)身活度(du)(du)(du)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用系(xi)數(shu)e值(zhi)為正數(shu)。圖2-21(c)顯示了(le)鐵－鉻(ge)－氮(dan)(dan)三元合金的(de)(de)(de)(de)(de)晶格：由(you)于(yu)鉻(ge)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)和氮(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)之(zhi)(zhi)(zhi)間具有(you)很(hen)強的(de)(de)(de)(de)(de)吸引(yin)力(li)(li)(li)，其相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用系(xi)數(shu)為負值(zhi)。在(zai)(zai)(zai)此結(jie)構中，由(you)于(yu)氮(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)向鉻(ge)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)偏移，就有(you)更多空間留給額外的(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)，從而產(chan)生(sheng)較高(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)。不(bu)(bu)過隨(sui)著氮(dan)(dan)濃(nong)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)增加，氮(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)對自(zi)(zi)身的(de)(de)(de)(de)(de)強烈排斥作(zuo)(zuo)(zuo)用開(kai)始凸顯，因此在(zai)(zai)(zai)高(gao)(gao)鉻(ge)和高(gao)(gao)氮(dan)(dan)濃(nong)度(du)(du)(du)下，實際(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)隨(sui)氮(dan)(dan)氣壓力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)變化規律(lv)與 Sieverts定律(lv)之(zhi)(zhi)(zhi)間存(cun)(cun)在(zai)(zai)(zai)明顯的(de)(de)(de)(de)(de)偏差。

  研究發現(xian)，在(zai)(zai)(zai)超(chao)過(guo)10MPa氮(dan)氣壓(ya)力的(de)(de)(de)(de)條件(jian)(jian)下，將合(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)含(han)量提(ti)高(gao)(gao)至(zhi)45%,熔體(ti)的(de)(de)(de)(de)氮(dan)溶解(jie)度(du)可以(yi)(yi)(yi)高(gao)(gao)達3%以(yi)(yi)(yi)上。在(zai)(zai)(zai)氮(dan)濃(nong)度(du)如(ru)此(ci)高(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)情況下，熔體(ti)不(bu)滿(man)足使用Sieverts 定(ding)律的(de)(de)(de)(de)前提(ti)條件(jian)(jian)，即無限(xian)稀釋(shi)溶液的(de)(de)(de)(de)假設，因此(ci)在(zai)(zai)(zai)此(ci)條件(jian)(jian)下，Sieverts定(ding)律無法(fa)準(zhun)確預測氮(dan)溶解(jie)度(du)，必(bi)須引(yin)入一個附(fu)加的(de)(de)(de)(de)活(huo)度(du)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)f,以(yi)(yi)(yi)體(ti)現(xian)氮(dan)對自身作(zuo)(zuo)用的(de)(de)(de)(de)影響。圖(tu)2-22顯示了(le)實驗測得(de)的(de)(de)(de)(de)不(bu)同氮(dan)氣壓(ya)力下，不(bu)同合(he)(he)金(jin)體(ti)系(xi)(xi)(xi)中(zhong)(zhong)氮(dan)溶解(jie)度(du)的(de)(de)(de)(de)變化。首先在(zai)(zai)(zai)不(bu)考慮氮(dan)自身相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用的(de)(de)(de)(de)情況下，通過(guo)對實驗結果進(jin)行回歸分(fen)析，確定(ding)鉻、錳、鉬(mu)和鎳等(deng)主要合(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)對氮(dan)的(de)(de)(de)(de)一階和二階活(huo)度(du)相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)。同時，從文(wen)獻(xian)數(shu)(shu)據中(zhong)(zhong)獲得(de)其他合(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)。基于所有(you)合(he)(he)金(jin)對體(ti)系(xi)(xi)(xi)中(zhong)(zhong)氮(dan)活(huo)度(du)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)，通過(guo)回歸分(fen)析確定(ding)氮(dan)對自身的(de)(de)(de)(de)活(huo)度(du)相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)e為0.13。e的(de)(de)(de)(de)數(shu)(shu)值為正，表明(ming)氮(dan)含(han)量的(de)(de)(de)(de)提(ti)高(gao)(gao)會增加活(huo)度(du)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)，降低自身溶解(jie)度(du)。