1. 常壓下基熔(rong)體的氮溶解度模(mo)型

  常溫下氮(dan)(dan)以雙原(yuan)子(zi)分(fen)(fen)(fen)子(zi)形(xing)式(shi)存在，高溫下則(ze)分(fen)(fen)(fen)解(jie)(jie)成氮(dan)(dan)原(yuan)子(zi)溶解(jie)(jie)于(yu)金屬(shu)熔體(ti)中。如圖2-1所示，氮(dan)(dan)在金屬(shu)熔體(ti)中的溶解(jie)(jie)過程可以描述如下：氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)接觸到熔體(ti)表面后發生物(wu)理吸附(fu)，當氣(qi)(qi)體(ti)分(fen)(fen)(fen)子(zi)和熔體(ti)表面的結(jie)合力大(da)于(yu)氣(qi)(qi)體(ti)內部(bu)分(fen)(fen)(fen)子(zi)的結(jie)合力時(shi)發生化學(xue)吸附(fu)，吸附(fu)的氮(dan)(dan)分(fen)(fen)(fen)子(zi)分(fen)(fen)(fen)解(jie)(jie)成原(yuan)子(zi)，隨后從熔體(ti)表面向(xiang)內部(bu)擴散。

  表2-1總結了研究人員在1873K、0.1MPa氮(dan)氣壓(ya)力下測(ce)得的(de)(de)熔融鐵(tie)液(ye)中的(de)(de)氮(dan)溶解度(du)。根據文獻(xian)中的(de)(de)實驗(yan)數據可知(zhi)，熔融鐵(tie)液(ye)的(de)(de)氮(dan)溶解度(du)集中在0.043%~0.046%范圍內。圖2-2歸(gui)納了冶煉(lian)溫(wen)度(du)對熔融鐵(tie)液(ye)中氮(dan)溶解度(du)的(de)(de)影(ying)響。可以看出，在熔融鐵(tie)液(ye)中，氮(dan)溶解度(du)隨溫(wen)度(du)的(de)(de)升高而增(zeng)大。

  若氮活(huo)度的(de)參考(kao)態為合金(jin)熔體中假(jia)想的(de)1%N溶(rong)液，則0.5mol氮氣溶(rong)解于合金(jin)熔體的(de)吉布斯自由能變可以表示為

  在早期(qi)對合金熔(rong)體中(zhong)氮(dan)溶(rong)解度(du)(du)的(de)(de)(de)研究(jiu)中(zhong)，各種合金元素(su)對氮(dan)的(de)(de)(de)二階(jie)(jie)活度(du)(du)相互(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用系(xi)(xi)(xi)數及二階(jie)(jie)交叉活度(du)(du)相互(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用系(xi)(xi)(xi)數的(de)(de)(de)相關(guan)測定尚不(bu)完善(shan)。1965年，Chipman等(deng)［18]開(kai)發(fa)了僅使用一階(jie)(jie)活度(du)(du)相互(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用系(xi)(xi)(xi)數而不(bu)涉及高階(jie)(jie)項的(de)(de)(de)氮(dan)溶(rong)解度(du)(du)模型。基于Chipman等(deng)的(de)(de)(de)研究(jiu)結果和1873K下(xia)不(bu)同元素(su)對氮(dan)的(de)(de)(de)一階(jie)(jie)活度(du)(du)相互(hu)作(zuo)(zuo)(zuo)用系(xi)(xi)(xi)數（表(biao)2-2)[19],可(ke)以得到1873K下(xia)氮(dan)溶(rong)解度(du)(du)模型中(zhong)氮(dan)的(de)(de)(de)活度(du)(du)系(xi)(xi)(xi)數1gf[式（2-9)],其他冶煉溫(wen)度(du)(du)下(xia)氮(dan)的(de)(de)(de)活度(du)(du)系(xi)(xi)(xi)數可(ke)由式（2-10)轉換獲得。據此，Chipman 等(deng)建(jian)立了預(yu)測不(bu)同溫(wen)度(du)(du)下(xia)合金熔(rong)體中(zhong)氮(dan)溶(rong)解度(du)(du)的(de)(de)(de)式（2-11)。

  隨著對多元(yuan)合(he)金熔體(ti)氮溶解(jie)度(du)(du)(du)研(yan)究的(de)深入，各種合(he)金元(yuan)素(su)對氮的(de)一階(jie)、二(er)階(jie)以及二(er)階(jie)交叉活(huo)度(du)(du)(du)相互作(zuo)(zuo)用系(xi)數(shu)的(de)實(shi)驗研(yan)究與測(ce)(ce)定(ding)逐步(bu)完善。1990年(nian)，Grigorenko等。探究了(le)合(he)金元(yuan)素(su)對氮活(huo)度(du)(du)(du)系(xi)數(shu)的(de)影響，認(ren)為(wei)(wei)在較高(gao)(gao)的(de)合(he)金濃(nong)度(du)(du)(du)下，僅采(cai)用一階(jie)活(huo)度(du)(du)(du)相互作(zuo)(zuo)用系(xi)數(shu)來(lai)計算氮的(de)活(huo)度(du)(du)(du)系(xi)數(shu)和預(yu)測(ce)(ce)氮溶解(jie)度(du)(du)(du)是不夠準確的(de)。為(wei)(wei)了(le)進一步(bu)提高(gao)(gao)氮溶解(jie)度(du)(du)(du)預(yu)測(ce)(ce)模型的(de)準確性(xing)，必須以二(er)階(jie)乃(nai)至更(geng)高(gao)(gao)階(jie)泰勒(le)級數(shu)的(de)形(xing)式(shi)表(biao)示氮的(de)活(huo)度(du)(du)(du)系(xi)數(shu)，即引入合(he)金元(yuan)素(su)對氮的(de)高(gao)(gao)階(jie)活(huo)度(du)(du)(du)相互作(zuo)(zuo)用系(xi)數(shu)。據此，氮活(huo)度(du)(du)(du)系(xi)數(shu)按(an)高(gao)(gao)階(jie)泰勒(le)級數(shu)的(de)形(xing)式(shi)展開(kai)，可表(biao)示為(wei)(wei)

2. 常(chang)壓下Fe-20%Cr基熔(rong)體的(de)氮溶解度模型

  鑒(jian)于以(yi)(yi)Fe-Cr 合(he)(he)金為基(ji)礎的各種合(he)(he)金材料的生產(chan)與應(ying)用非常廣泛，1996年Anson等開發了種常壓下(xia)以(yi)(yi)熔(rong)(rong)融(rong)(rong)Fe-20%Cr 合(he)(he)金為基(ji)體的氮溶解(jie)度模型。在熔(rong)(rong)融(rong)(rong)Fe-20%Cr基(ji)合(he)(he)金中，氮溶解(jie)熱(re)力學平(ping)衡關系(xi)如下(xia)所示：

3. 高氮氣壓(ya)力下的(de)氮溶解(jie)度模型(xing)

  隨著含氮(dan)(dan)鋼(gang)種相關研(yan)究的不斷深入(ru)，高氮(dan)(dan)鋼(gang)由于其優(you)異的力學性能和耐腐(fu)蝕性能，在諸多領域得(de)到了廣(guang)泛應用。大量研(yan)究發現，在高氮(dan)(dan)氣壓力下，高合金體系中氮(dan)(dan)溶解度(du)出現了偏離(li) Sieverts 定(ding)律的現象，導致(zhi)高氮(dan)(dan)氣壓力下氮(dan)(dan)溶解度(du)預測模型的準確(que)度(du)大幅(fu)降低。

  如圖(tu)(tu)2-3和圖(tu)(tu)2-4所示，當(dang)鉻、錳等含量較(jiao)高時，高氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)合金熔(rong)體(ti)的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度達到了較(jiao)高的(de)(de)(de)(de)數(shu)值，此時僅能在小范圍內呈(cheng)線(xian)性(xing)關(guan)系，合金中的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)含量依然能隨著氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)增加而(er)持續(xu)提高，但與低氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)時相比，高氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度的(de)(de)(de)(de)增加趨(qu)勢明顯(xian)變緩。高氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)對氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度的(de)(de)(de)(de)提升作用被削弱，具(ju)體(ti)表現(xian)為實測的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度［％N]低于(yu)(yu)根據Sieverts定律計算(suan)(suan)的(de)(de)(de)(de)值，即圖(tu)(tu)中各(ge)個(ge)實線(xian)（實驗值）均處于(yu)(yu)相應(ying)虛線(xian)（計算(suan)(suan)值）下(xia)方。同時，兩曲線(xian)的(de)(de)(de)(de)偏離程(cheng)度隨著鉻、錳等元素含量的(de)(de)(de)(de)增加而(er)變得嚴重(zhong)。這表明在氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)大于(yu)(yu)0.1MPa的(de)(de)(de)(de)冶煉氣(qi)(qi)(qi)氛(fen)中，尤(you)其(qi)是(shi)當(dang)金屬熔(rong)體(ti)含有較(jiao)高量具(ju)有提升氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度能力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)合金元素時，氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度很高，其(qi)與氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)關(guan)系將不再符合 Sieverts定律。

  1993年Rawers等(deng)［24]通過實驗(yan)研究了Fe-Cr和(he)Fe-Cr-Ni等(deng)合(he)(he)金(jin)體系(xi)(xi)在(zai)高氮氣壓(ya)力下(xia)(xia)氮的(de)溶解度(du)(du)模型(xing)。圖2-5給出(chu)了不同氮氣壓(ya)力下(xia)(xia)氮活度(du)(du)系(xi)(xi)數InfN隨(sui)鉻濃度(du)(du)變化曲線。對于鐵基合(he)(he)金(jin)，在(zai)低(di)鉻濃度(du)(du)范圍內，lnfN與鉻濃度(du)(du)之間(jian)存在(zai)線性關系(xi)(xi)，其(qi)斜率隨(sui)著氮氣壓(ya)力的(de)增(zeng)加(jia)而變化；在(zai)較高鉻濃度(du)(du)時，則明顯偏離線性關系(xi)(xi)。

  基(ji)于對實驗數據的回(hui)歸分(fen)(fen)析，獲得了Fe-Cr與Fe-Cr-Ni體系(xi)氮(dan)(dan)溶解度模型中各相(xiang)互(hu)作用(yong)系(xi)數，見表2-3.通過成(cheng)分(fen)(fen)相(xiang)互(hu)作用(yong)和氮(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)－成(cheng)分(fen)(fen)效應對氮(dan)(dan)溶解度模型的修正，可(ke)以更精(jing)確(que)地(di)預測高(gao)合金體系(xi)在(zai)高(gao)氮(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)條件下(xia)的氮(dan)(dan)溶解度。

  為了進一步修正高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)下的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解度(du)模型，2005年Jiang(姜周華）等［25]根據(ju)(ju)實驗(yan)研究和文獻報(bao)道的(de)(de)數(shu)(shu)據(ju)(ju)，回歸分析(xi)得到了氮(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)對(dui)氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)相(xiang)互作用系數(shu)(shu)8,反映了常壓以(yi)上的(de)(de)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)對(dui)氮(dan)(dan)(dan)活(huo)度(du)系數(shu)(shu)的(de)(de)影響(xiang)。該研究通(tong)過考(kao)慮氮(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)的(de)(de)影響(xiang)，對(dui)高(gao)(gao)壓下氮(dan)(dan)(dan)活(huo)度(du)系數(shu)(shu)進行修正［式（2-19)],從而建立了高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)下的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解熱力(li)學模型來預(yu)測(ce)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)不銹鋼熔(rong)體中的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解度(du)：

  經(jing)(jing)過修正(zheng)后(hou)(hou)，重新利用(yong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)熱力(li)學模(mo)型(xing)(xing)(xing)(xing)計(ji)算了文(wen)(wen)獻中(zhong)1873K下純鐵、Fe-Cr和Fe-Mn 等(deng)合(he)(he)金(jin)體(ti)系(xi)在高氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)下的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)變化，并(bing)與(yu)實(shi)驗數(shu)據進行了比較，如圖2-6所示。同時，圖2-7比較了氮(dan)(dan)(dan)(dan)活度(du)系(xi)數(shu)計(ji)算式中(zhong)壓(ya)力(li)項修正(zheng)后(hou)(hou)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)模(mo)型(xing)(xing)(xing)(xing)計(ji)算值(zhi)(zhi)與(yu)文(wen)(wen)獻實(shi)測(ce)值(zhi)(zhi)。結(jie)果表明(ming)，修正(zheng)后(hou)(hou)的(de)(de)(de)模(mo)型(xing)(xing)(xing)(xing)預測(ce)值(zhi)(zhi)與(yu)Jiang等(deng)及(ji)Satir-Kolorz和Feichtinger的(de)(de)(de)測(ce)量值(zhi)(zhi)非常吻合(he)(he)，略小于Rawers和Gokcen[26]的(de)(de)(de)測(ce)量值(zhi)(zhi)。該差異(yi)可能是由(you)計(ji)算中(zhong)選擇的(de)(de)(de)溫度(du)為(wei)(wei)1923K而(er)引起的(de)(de)(de)，因為(wei)(wei)當熔體(ti)以緩慢的(de)(de)(de)冷(leng)卻(que)速率降(jiang)低到液(ye)相線時，氮(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)會(hui)增加(jia)。驗證結(jie)果表明(ming)，經(jing)(jing)壓(ya)力(li)項修正(zheng)后(hou)(hou)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)熱力(li)學模(mo)型(xing)(xing)(xing)(xing)，適用(yong)于計(ji)算高氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)下不(bu)銹鋼的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)。在著(zhu)作 Mastering P-ESR Technology for High Nitrogen Steel Grades for HighValue Applications中(zhong)，Carosi等(deng)認為(wei)(wei)Jiang等(deng)建立的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)模(mo)型(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)預測(ce)值(zhi)(zhi)與(yu)工業結(jie)果非常符合(he)(he)，并(bing)將此(ci)模(mo)型(xing)(xing)(xing)(xing)應用(yong)到動態模(mo)型(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)仿(fang)真計(ji)算中(zhong)。

  基(ji)于高氮氣壓力下氮溶(rong)(rong)解(jie)度(du)模(mo)型(xing)的修正，本書作者(zhe)針對含Nb和含V鋼種(zhong)，進一步研究了其氮溶(rong)(rong)解(jie)熱力學行為，通過(guo)補充完善鋼液中Nb和V對氮活度(du)的相互作用系數，構建了包含 Nb、V體系鋼種(zhong)或(huo)合金在氮氣加壓下的氮溶(rong)(rong)解(jie)度(du)模(mo)型(xing)：

2. 合(he)金元素成分(fen)對氮溶(rong)解度的(de)影(ying)響

 a. 合金元素對氮(dan)的活度相(xiang)互作用系數

  氮在(zai)鐵基(ji)合(he)金(jin)熔體(ti)中(zhong)的溶(rong)解(jie)度受其合(he)金(jin)成分的影響顯著，許多常用(yong)合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素可(ke)有效地提高氮溶(rong)解(jie)度，同時(shi)也有部分元(yuan)(yuan)素會降低(di)氮溶(rong)解(jie)度。一般(ban)可(ke)以(yi)用(yong)各合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素對(dui)氮的一階活(huo)度相互(hu)作用(yong)系數（表2-4)來表征(zheng)合(he)金(jin)成分對(dui)氮溶(rong)解(jie)度的影響，當(dang)其值(zhi)為(wei)負時(shi)，相應的合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素可(ke)降低(di)熔體(ti)中(zhong)氮的活(huo)度系數，增加氮的溶(rong)解(jie)度；當(dang)其值(zhi)為(wei)正時(shi)，相應的合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素則增大氮的活(huo)度系數，降低(di)氮溶(rong)解(jie)度。

合金元(yuan)素(su)對氮的(de)(de)活度相(xiang)互作用系數(shu)(shu)，實質上(shang)(shang)表(biao)(biao)征(zheng)了該合金元(yuan)素(su)與氮元(yuan)素(su)的(de)(de)原(yuan)子(zi)(zi)間親和(he)力，這與其在元(yuan)素(su)周(zhou)期(qi)(qi)表(biao)(biao)中(zhong)的(de)(de)位置密切相(xiang)關，因為元(yuan)素(su)的(de)(de)電子(zi)(zi)結(jie)構與它們在周(zhou)期(qi)(qi)表(biao)(biao)中(zhong)的(de)(de)位置相(xiang)對應。從(cong)合金元(yuan)素(su)的(de)(de)微觀結(jie)構來(lai)看，同(tong)一周(zhou)期(qi)(qi)中(zhong)，從(cong)左(zuo)到右(you)，元(yuan)素(su)核(he)外電子(zi)(zi)層(ceng)數(shu)(shu)相(xiang)同(tong)，而(er)最外層(ceng)電子(zi)(zi)數(shu)(shu)增(zeng)(zeng)加(jia)，原(yuan)子(zi)(zi)半(ban)徑遞減（0族元(yuan)素(su)除(chu)外）；同(tong)一族中(zhong)，從(cong)上(shang)(shang)到下，所有元(yuan)素(su)具有相(xiang)同(tong)數(shu)(shu)量的(de)(de)價電子(zi)(zi)，而(er)核(he)外電子(zi)(zi)層(ceng)數(shu)(shu)逐(zhu)漸(jian)增(zeng)(zeng)多，原(yuan)子(zi)(zi)半(ban)徑增(zeng)(zeng)大。原(yuan)子(zi)(zi)半(ban)徑大的(de)(de)合金元(yuan)素(su)對氮的(de)(de)親和(he)力普遍較強。

  圖2-8給(gei)出了在1873K、0.1MPa氮(dan)氣壓力(li)下(xia)Fe-X二元(yuan)合(he)金體系(xi)中各種常見(jian)金元(yuan)素(su)(su)X對(dui)(dui)氮(dan)溶(rong)解度的(de)(de)影響(xiang)(xiang)。在合(he)金熔(rong)體中，提高Mo、Mn、Ta、Cr、Nb和(he)(he)V等(deng)元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)含量(liang)能夠(gou)顯著(zhu)增大熔(rong)體的(de)(de)氮(dan)溶(rong)解度。例如(ru)，在1873K和(he)(he)氮(dan)氣壓力(li)為0.1MPa條(tiao)件下(xia)，Cr、Mn等(deng)典(dian)型合(he)金元(yuan)素(su)(su)能夠(gou)提高高氮(dan)無鎳奧氏體不銹(xiu)鋼熔(rong)體的(de)(de)氮(dan)溶(rong)解度，其中20%Cr-20%Mn合(he)金體系(xi)中氮(dan)溶(rong)解度可達(da)0.8%以(yi)上，如(ru)圖2-9所(suo)示。然(ran)而，提高C、Si等(deng)元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)含量(liang)則(ze)會明顯降低熔(rong)體的(de)(de)氮(dan)溶(rong)解度，其他元(yuan)素(su)(su)（如(ru)Ni、Co、Cu、Sn和(he)(he)W等(deng)）含量(liang)的(de)(de)變化(hua)則(ze)對(dui)(dui)熔(rong)體的(de)(de)氮(dan)溶(rong)解度影響(xiang)(xiang)相對(dui)(dui)較小。

  如圖2-10所(suo)示，根據對(dui)(dui)氮(dan)(dan)(dan)在熔體中(zhong)(zhong)溶(rong)解度(du)的(de)影(ying)(ying)響規律不同(tong)，合金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)大(da)體可(ke)以分為三(san)(san)大(da)類(lei)：①. 第一(yi)類(lei)為對(dui)(dui)熔融鐵基合金(jin)(jin)(jin)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)具有顯著提升作用的(de)合金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)，如Cr、Mo、Mn、Ti、Zr、V和(he)Nb等(deng)(deng)，其中(zhong)(zhong)Ti、Zr、V和(he)Nb具有強(qiang)烈(lie)的(de)形成氮(dan)(dan)(dan)化(hua)物的(de)趨勢。Cr作為不銹(xiu)鋼的(de)重要合金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)之(zhi)一(yi)，能夠(gou)顯著提高(gao)熔融鐵基合金(jin)(jin)(jin)的(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)，其與Ti、Zr、V和(he)Nb相比(bi)，形成氮(dan)(dan)(dan)化(hua)物的(de)趨勢較小。②. Ni、Co和(he)Cu等(deng)(deng)元(yuan)素(su)為第二類(lei)，對(dui)(dui)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)的(de)影(ying)(ying)響較小。其中(zhong)(zhong)Ni是不銹(xiu)鋼中(zhong)(zhong)重要的(de)合金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)，但它對(dui)(dui)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)的(de)負(fu)面影(ying)(ying)響會降(jiang)低高(gao)氮(dan)(dan)(dan)合金(jin)(jin)(jin)中(zhong)(zhong)的(de)氮(dan)(dan)(dan)含量(liang)。③. 第三(san)(san)類(lei)為C、Si等(deng)(deng)非金(jin)(jin)(jin)屬元(yuan)素(su)和(he)A1等(deng)(deng)元(yuan)素(su)，具有明顯降(jiang)低熔體氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)的(de)作用。

  b. 合金元素的鉻(ge)等效因子與鉻(ge)當(dang)量濃度(du)

  除合(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)對氮的(de)(de)(de)(de)活度相(xiang)互作(zuo)(zuo)(zuo)用系數外，也(ye)可(ke)以(yi)通過參(can)考元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)等(deng)(deng)效(xiao)(xiao)(xiao)作(zuo)(zuo)(zuo)用來描述不(bu)同元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)對熔體(ti)氮溶(rong)解度的(de)(de)(de)(de)影響。較為(wei)典(dian)型的(de)(de)(de)(de)是(shi)以(yi)鉻(ge)(ge)(ge)為(wei)參(can)考，因(yin)為(wei)鉻(ge)(ge)(ge)具有相(xiang)當強的(de)(de)(de)(de)增加氮溶(rong)解度的(de)(de)(de)(de)作(zuo)(zuo)(zuo)用，并且被認為(wei)是(shi)合(he)金(jin)(jin)(jin)材料中最重要的(de)(de)(de)(de)合(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)之一。在活度相(xiang)互作(zuo)(zuo)(zuo)用系數的(de)(de)(de)(de)基(ji)礎上，Satir-Kolorz與Feichtinger 換算了各(ge)種(zhong)合(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)鉻(ge)(ge)(ge)等(deng)(deng)效(xiao)(xiao)(xiao)因(yin)子(zi)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)(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)鉻(ge)(ge)(ge)等(deng)(deng)效(xiao)(xiao)(xiao)因(yin)子(zi)。對于不(bu)同合(he)金(jin)(jin)(jin)體(ti)系，可(ke)以(yi)將(jiang)體(ti)系中各(ge)種(zhong)合(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)X;的(de)(de)(de)(de)濃(nong)度乘以(yi)相(xiang)應的(de)(de)(de)(de)鉻(ge)(ge)(ge)等(deng)(deng)效(xiao)(xiao)(xiao)因(yin)子(zi)獲(huo)得(de)對應的(de)(de)(de)(de)鉻(ge)(ge)(ge)當量(liang)濃(nong)度。據此，可(ke)將(jiang)熔體(ti)中所有合(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)X;的(de)(de)(de)(de)濃(nong)度轉換為(wei)鉻(ge)(ge)(ge)當量(liang)濃(nong)度。

  通(tong)過(guo)實驗(yan)測量鋼中的(de)(de)平(ping)衡氮(dan)(dan)(dan)含量，得到了合(he)金體(ti)(ti)(ti)系(xi)(xi)對(dui)應的(de)(de)數值(zhi)，如(ru)圖2-11中空心點所示(shi)；通(tong)過(guo)式（2-23)計(ji)算(suan)可以(yi)(yi)得到不同鉻(ge)當(dang)量濃(nong)度(du)與0.51gPN2-lg[%N]-e≈[%N](氮(dan)(dan)(dan)活度(du)系(xi)(xi)數）之間(jian)(jian)的(de)(de)關系(xi)(xi)曲線，兩符合(he)良好，驗(yan)證了此(ci)等(deng)效(xiao)方法的(de)(de)合(he)理性。此(ci)研究的(de)(de)特別之處在(zai)于，通(tong)過(guo)鉻(ge)當(dang)量濃(nong)度(du)來間(jian)(jian)接表示(shi)多種(zhong)合(he)金元素在(zai)大濃(nong)度(du)范圍內(nei)的(de)(de)所有數據，可以(yi)(yi)將復雜的(de)(de)多組(zu)元熔體(ti)(ti)(ti)等(deng)效(xiao)為鐵－氮(dan)(dan)(dan)－鉻(ge)三元體(ti)(ti)(ti)系(xi)(xi)后計(ji)算(suan)氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)溶(rong)解度(du)。基于鉻(ge)等(deng)效(xiao)因子，通(tong)過(guo)鉻(ge)當(dang)量濃(nong)度(du)的(de)(de)換算(suan)并參考(kao)關系(xi)(xi)曲線（圖2-11),復雜的(de)(de)多組(zu)元熔體(ti)(ti)(ti)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)可統一表示(shi)為

3. 溫度(du)對氮(dan)溶解(jie)度(du)的影(ying)響(xiang)

  溫度(du)(du)對合(he)金熔(rong)體(ti)中(zhong)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)的(de)(de)影(ying)響(xiang)，取決(jue)于氮(dan)(dan)在合(he)金熔(rong)體(ti)中(zhong)的(de)(de)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)反應為(wei)吸熱(re)還是(shi)(shi)(shi)放熱(re)過(guo)程，即氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)反應焓變ΔH的(de)(de)正負(fu)。在一定氮(dan)(dan)氣壓力下，對于不(bu)同(tong)(tong)合(he)金成分的(de)(de)熔(rong)體(ti)而(er)言(yan)，氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)對溫度(du)(du)的(de)(de)依賴性（溫度(du)(du)對氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)的(de)(de)影(ying)響(xiang)趨勢）是(shi)(shi)(shi)不(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)，且隨溫度(du)(du)的(de)(de)變化(hua)程度(du)(du)也不(bu)同(tong)(tong)，這是(shi)(shi)(shi)由(you)該熔(rong)體(ti)中(zhong)合(he)金元(yuan)素的(de)(de)種類與含量共同(tong)(tong)決(jue)定的(de)(de)，即ΔH的(de)(de)正負(fu)是(shi)(shi)(shi)由(you)合(he)金成分決(jue)定的(de)(de)。

  0.1MPa氮(dan)氣壓力下常見(jian)的(de)(de)Fe-Cr-Mn-Ni合(he)金體系(xi)在1750~2000K溫度(du)(du)(du)(du)(du)范圍(wei)內(nei)的(de)(de)氮(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)與溫度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)關系(xi)如(ru)圖(tu)2-12所示(shi)。可(ke)以(yi)看出(chu)，純鐵和(he)Fe20Ni合(he)金體系(xi)的(de)(de)氮(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)較(jiao)低(di)，并且(qie)隨(sui)溫度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)升(sheng)高逐(zhu)漸增(zeng)大。隨(sui)著熔體中(zhong)鉻、錳等元素(su)含量的(de)(de)增(zeng)加(jia)(jia)，如(ru)Fe18Mn和(he)Fe18Cr等合(he)金體系(xi)，氮(dan)的(de)(de)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)顯(xian)著增(zeng)大，溫度(du)(du)(du)(du)(du)對氮(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)影響更加(jia)(jia)明顯(xian)，且(qie)隨(sui)著溫度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)下降，熔體中(zhong)的(de)(de)氮(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)逐(zhu)漸增(zeng)大。Fe18Cr8Ni合(he)金的(de)(de)氮(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)對溫度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)依(yi)賴性也為負(fu)；此外，由于鎳具有降低(di)氮(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)作用，相(xiang)對于Fe18Cr合(he)金，Fe18Cr8Ni合(he)金的(de)(de)氮(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)隨(sui)溫度(du)(du)(du)(du)(du)變化的(de)(de)趨勢比較(jiao)平緩(huan)。

  從溶(rong)(rong)解(jie)熱(re)力(li)學理論來看，在(zai)合(he)金(jin)成分(fen)與氮(dan)(dan)氣壓力(li)一(yi)定的(de)(de)(de)條(tiao)件下(xia)(xia)，溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)對(dui)(dui)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)影響(xiang)規律為(wei)(wei)(wei)：若式（2-36)中參數a<0,即焓變(bian)(bian)(bian)ΔH>0時，氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)反(fan)應為(wei)(wei)(wei)吸(xi)熱(re)過(guo)程(cheng)(cheng)，氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)隨溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)升(sheng)高而(er)(er)增大；若a>0,即焓變(bian)(bian)(bian)ΔH<0時，反(fan)為(wei)(wei)(wei)放熱(re)過(guo)程(cheng)(cheng)，氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)隨溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)升(sheng)高而(er)(er)減小。因此，溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)對(dui)(dui)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)影響(xiang)取決(jue)于焓變(bian)(bian)(bian)ΔH數值的(de)(de)(de)正負(fu)和大小，最終歸結為(wei)(wei)(wei)合(he)金(jin)成分(fen)決(jue)定氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)依賴性。利用氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)模(mo)型，Satir-Kolorz 等探究了不同的(de)(de)(de)合(he)金(jin)體(ti)系在(zai)0.1MPa和5MPa氮(dan)(dan)氣壓力(li)下(xia)(xia)，1750~2000K 范圍(wei)內氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)與溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)關系，如圖2-13所示。結果與上面分(fen)析的(de)(de)(de)一(yi)致(zhi)，在(zai)氮(dan)(dan)氣壓力(li)一(yi)定的(de)(de)(de)條(tiao)件下(xia)(xia)，溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)對(dui)(dui)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)影響(xiang)取決(jue)于合(he)金(jin)的(de)(de)(de)成分(fen)：含(han)有增加氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)元素(su)（如Mn、Cr、Mo)的(de)(de)(de)鐵(tie)基(ji)合(he)金(jin)（Fe-Cr和Fe-Mn合(he)金(jin)體(ti)系），氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)隨著溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)升(sheng)高而(er)(er)降(jiang)低；而(er)(er)對(dui)(dui)于含(han)有降(jiang)低氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)元素(su)的(de)(de)(de)鐵(tie)基(ji)合(he)金(jin)（如Fe-Ni合(he)金(jin)），隨著溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)升(sheng)高，熔體(ti)中的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)增大。

4. 氮氣壓力對氮溶解度的影響(xiang)

  鑒于(yu)高(gao)氮(dan)(dan)(dan)鋼(gang)(gang)產品對高(gao)氮(dan)(dan)(dan)含(han)量的(de)(de)(de)需(xu)求，在常(chang)壓氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)環境中(zhong)(zhong)(zhong)無法實現鋼(gang)(gang)液的(de)(de)(de)高(gao)效(xiao)增氮(dan)(dan)(dan)和(he)保氮(dan)(dan)(dan)，提高(gao)冶煉過(guo)程的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力成(cheng)(cheng)為有效(xiao)手段。氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)加壓冶煉技術，不(bu)僅能夠通過(guo)促進(jin)氣(qi)相－合(he)金(jin)(jin)熔(rong)體(ti)間(jian)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)反應實現更(geng)佳的(de)(de)(de)增氮(dan)(dan)(dan)效(xiao)果，在抑制(zhi)高(gao)氮(dan)(dan)(dan)濃度(du)鋼(gang)(gang)液凝固過(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)孔(kong)的(de)(de)(de)形成(cheng)(cheng)方面也發揮著重(zhong)要(yao)作(zuo)用。研究不(bu)同氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力下合(he)金(jin)(jin)熔(rong)體(ti)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)，成(cheng)(cheng)為精確控(kong)制(zhi)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)加壓冶煉工(gong)藝(yi)鋼(gang)(gang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)含(han)量的(de)(de)(de)重(zhong)要(yao)理論(lun)基礎。在常(chang)壓［如(ru)圖2-14(a)和(he)加壓［如(ru)圖2-14(b)]條(tiao)件下，液態鐵基合(he)金(jin)(jin)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)隨氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力的(de)(de)(de)提高(gao)而顯著增大。

a. 低氮氣壓力

  如(ru)前所述，氮氣(qi)(qi)在金屬(shu)熔(rong)體中的(de)溶解屬(shu)于雙原子(zi)分子(zi)的(de)溶解過程，在低氮氣(qi)(qi)壓力(li)范圍內(nei)，氮溶解度隨氮氣(qi)(qi)壓力(li)的(de)變化符合(he)Sieverts定律。眾(zhong)多(duo)研究已(yi)經證實，在小于0.1MPa的(de)低氮氣(qi)(qi)壓力(li)范圍內(nei)，不銹鋼體系（表2-5中1~3號）的(de)氮溶解度與氮氣(qi)(qi)壓力(li)的(de)關系符合(he) Sieverts定律，即呈(cheng)線性相關，如(ru)圖2-15所示。

  為了進一步驗證不(bu)同氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓力(li)(li)下 Sieverts定律的(de)適用情況，Jiang(姜周華(hua)）等研究(jiu)了氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓力(li)(li)不(bu)高于0.1MPa,即低(di)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓力(li)(li)下典型(xing)(xing)不(bu)銹鋼品種AISI304和AISI 316L 熔體(ti)(ti)中(zhong)氮(dan)(dan)溶(rong)解度與(yu)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓力(li)(li)的(de)關系，結果如圖2-16所示。隨著氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓力(li)(li)的(de)增加，氮(dan)(dan)在兩類典型(xing)(xing)不(bu)銹鋼熔體(ti)(ti)中(zhong)的(de)溶(rong)解度顯著提升，并且與(yu)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓力(li)(li)的(de)關系符合Sieverts定律。

 b. 高氮(dan)氣壓力(li)

  隨著冶煉過程中氮(dan)氣壓(ya)力的(de)(de)進一步提高，各種合金(jin)體系(xi)(xi)的(de)(de)氮(dan)溶解度均會增(zeng)大。純鐵液(ye)的(de)(de)飽和(he)氮(dan)濃(nong)度不(bu)僅在常壓(ya)以下(xia)，而(er)且在0.1~200MPa的(de)(de)高壓(ya)范圍內也始終與氮(dan)氣壓(ya)力的(de)(de)平方根(gen)呈線(xian)性(xing)關系(xi)(xi)。這是因為即使在高氮(dan)氣壓(ya)力下(xia)純鐵液(ye)中的(de)(de)氮(dan)溶解度也處于(yu)較低(di)的(de)(de)水平，如圖(tu)2-17所示。在Fe-Ni合金(jin)體系(xi)(xi)中，由于(yu)鎳(nie)元(yuan)素具有(you)降低(di)氮(dan)溶解度的(de)(de)作(zuo)用，鎳(nie)含量越高氮(dan)溶解度反而(er)越低(di)，即使在高氮(dan)氣壓(ya)力下(xia)氮(dan)溶解度也處于(yu)較低(di)水平。研究結(jie)果表明(ming)，高氮(dan)氣壓(ya)力下(xia)Fe-Ni體系(xi)(xi)也符合 Sieverts定律，如圖(tu)2-18所示。

  然而，隨(sui)著(zhu)高(gao)氮鋼品種(zhong)的開發和冶煉工(gong)藝的發展(zhan)，大量研(yan)究(jiu)顯示，對于較高(gao)氮氣壓力(li)下(xia)的Fe-Cr-Mn-Ni-Mo等高(gao)合金(jin)體系（表2-5中(zhong)4~6號），氮溶(rong)解度隨(sui)氮氣壓力(li)的變化與(yu)Sieverts定律(lv)描述的線性關(guan)系產生(sheng)了較大的偏差(cha)，如圖2-19所(suo)示。

  圖2-19 1873K 高(gao)(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)下氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)隨(sui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)平方根的(de)(de)(de)變化氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)與(yu)(yu)(yu)Sieverts 定律的(de)(de)(de)偏(pian)(pian)離，并非存在于所有(you)高(gao)(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)下的(de)(de)(de)情況，與(yu)(yu)(yu)合金熔體(ti)成分密切相(xiang)關。上述純鐵液和Fe-Ni合金這兩類低氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)體(ti)系(xi)就(jiu)是偏(pian)(pian)差不(bu)顯(xian)著的(de)(de)(de)實例(li)；相(xiang)反，具有(you)高(gao)(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)的(de)(de)(de)合金熔體(ti)（如Fe-Cr-Mn體(ti)系(xi)）在高(gao)(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)下通常不(bu)符合 Sieverts 定律。由此(ci)可以推測，高(gao)(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)下氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)隨(sui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)提(ti)高(gao)(gao)(gao)(gao)(gao)較(jiao)慢(man)的(de)(de)(de)原因(yin)是，高(gao)(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)下熔體(ti)中氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)處于較(jiao)高(gao)(gao)(gao)(gao)(gao)水(shui)平，不(bu)再滿足無限稀釋溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)液的(de)(de)(de)理想情況。此(ci)時，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原子之間存在自身相(xiang)互(hu)作(zuo)用，彼此(ci)之間的(de)(de)(de)相(xiang)斥(chi)效(xiao)應將會導致氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)的(de)(de)(de)降(jiang)低；氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)越高(gao)(gao)(gao)(gao)(gao)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)自身的(de)(de)(de)相(xiang)斥(chi)作(zuo)用越明顯(xian)。由此(ci)可知，高(gao)(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)下氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)與(yu)(yu)(yu)Sieverts 定律的(de)(de)(de)偏(pian)(pian)離主要由氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)自身相(xiang)互(hu)作(zuo)用導致，而高(gao)(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)通常是熔體(ti)中高(gao)(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)含量的(de)(de)(de)一個關鍵誘因(yin)。

  對于圖(tu)2-17和圖(tu)2-18中純鐵液、低合金(jin)鋼或類(lei)似Fe-Ni合金(jin)等(deng)低氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)的(de)(de)(de)體系而言，氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)自身相(xiang)互作用(yong)幾(ji)乎可(ke)以忽(hu)略，在高氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)(li)下氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)與(yu)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)(li)的(de)(de)(de)平方根(gen)也(ye)接(jie)近線性關(guan)系。常見的(de)(de)(de)具有高氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)的(de)(de)(de)Fe-Cr-Mn等(deng)體系則不同(tong)，在高氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)(li)下高合金(jin)含(han)量的(de)(de)(de)熔體氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)可(ke)達(da)1%以上，超出 Sieverts定律的(de)(de)(de)適(shi)用(yong)范圍。定義Sieverts定律對氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)的(de)(de)(de)壓力(li)(li)適(shi)用(yong)極限(xian)(xian)，為開始出現明顯(xian)偏差(cha)的(de)(de)(de)臨界氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)(li)，如圖(tu)2-20所(suo)示，不同(tong)鉻含(han)量的(de)(de)(de)Fe-Cr合金(jin)的(de)(de)(de)壓力(li)(li)適(shi)用(yong)極限(xian)(xian)不同(tong)（實驗數據來(lai)源于Torkhov等(deng)的(de)(de)(de)研究）。隨著(zhu)鉻和氮(dan)(dan)含(han)量的(de)(de)(de)增(zeng)加，Sieverts定律的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)(li)適(shi)用(yong)極限(xian)(xian)快(kuai)速降低，高氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)(li)下的(de)(de)(de)偏差(cha)程度(du)也(ye)變得更為顯(xian)著(zhu)。

  針(zhen)對(dui)(dui)高(gao)(gao)(gao)合(he)(he)金(jin)、高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)體系在(zai)高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力下(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)熱力學偏(pian)離(li)(li) Sieverts定律的(de)(de)(de)(de)(de)現象，可通(tong)過熔體中各類原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)之間存在(zai)的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)來(lai)解(jie)釋(shi)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)溶(rong)(rong)解(jie)機制。圖(tu)2-21(a)顯(xian)(xian)(xian)示了單個氮(dan)(dan)(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)晶格中的(de)(de)(de)(de)(de)賦存狀況：由(you)(you)于(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)處(chu)于(yu)無(wu)限(xian)稀釋(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)狀態，它只與鐵(tie)(tie)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)存在(zai)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)，不(bu)發生氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)自(zi)(zi)身的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)。圖(tu)2-21(b)顯(xian)(xian)(xian)示了高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)(du)(du)下(xia)（如在(zai)高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力下(xia)）的(de)(de)(de)(de)(de)鐵(tie)(tie)－氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)二元合(he)(he)金(jin)晶格：氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)周圍除相(xiang)(xiang)鄰的(de)(de)(de)(de)(de)鐵(tie)(tie)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)外，也存在(zai)臨近的(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)間彼此(ci)相(xiang)(xiang)互(hu)抑制，從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)降低(di)并(bing)偏(pian)離(li)(li) Sieverts 定律的(de)(de)(de)(de)(de)預測曲線。這種自(zi)(zi)身作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)可由(you)(you)自(zi)(zi)身活度(du)(du)(du)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)系數(shu)(shu)來(lai)表示，由(you)(you)于(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)之間處(chu)于(yu)相(xiang)(xiang)互(hu)抑制的(de)(de)(de)(de)(de)狀態，自(zi)(zi)身活度(du)(du)(du)相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)系數(shu)(shu)e值為正數(shu)(shu)。圖(tu)2-21(c)顯(xian)(xian)(xian)示了鐵(tie)(tie)－鉻(ge)－氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)三元合(he)(he)金(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)晶格：由(you)(you)于(yu)鉻(ge)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)和(he)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)之間具有很強的(de)(de)(de)(de)(de)吸引力，其相(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)系數(shu)(shu)為負(fu)值。在(zai)此(ci)結構中，由(you)(you)于(yu)氮(dan)(dan)(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)移(yi)，就有更多空間留(liu)給額外的(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)，從(cong)而(er)產生較高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)。不(bu)過隨著氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)增加，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)對(dui)(dui)自(zi)(zi)身的(de)(de)(de)(de)(de)強烈排斥作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)開始凸顯(xian)(xian)(xian)，因此(ci)在(zai)高(gao)(gao)(gao)鉻(ge)和(he)高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)(du)(du)下(xia)，實際的(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力的(de)(de)(de)(de)(de)變化規律與 Sieverts定律之間存在(zai)明顯(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)偏(pian)差。

  研(yan)究發現，在(zai)超過10MPa氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)的(de)(de)(de)條件(jian)(jian)(jian)下，將(jiang)合(he)金元素(su)含量提(ti)高(gao)(gao)至45%,熔體(ti)(ti)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解度(du)(du)可以(yi)高(gao)(gao)達3%以(yi)上。在(zai)氮(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)(du)如此高(gao)(gao)的(de)(de)(de)情況(kuang)下，熔體(ti)(ti)不(bu)滿足(zu)使用(yong)(yong)Sieverts 定(ding)(ding)律(lv)的(de)(de)(de)前提(ti)條件(jian)(jian)(jian)，即無限(xian)稀釋溶液(ye)的(de)(de)(de)假設，因此在(zai)此條件(jian)(jian)(jian)下，Sieverts定(ding)(ding)律(lv)無法準(zhun)確(que)預測氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解度(du)(du)，必須(xu)引入(ru)一個(ge)附加(jia)的(de)(de)(de)活度(du)(du)系(xi)數(shu)(shu)(shu)f,以(yi)體(ti)(ti)現氮(dan)(dan)(dan)(dan)對(dui)(dui)自(zi)(zi)(zi)身(shen)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)影響。圖2-22顯示了實(shi)(shi)驗(yan)測得的(de)(de)(de)不(bu)同氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)下，不(bu)同合(he)金體(ti)(ti)系(xi)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解度(du)(du)的(de)(de)(de)變化。首先在(zai)不(bu)考(kao)慮氮(dan)(dan)(dan)(dan)自(zi)(zi)(zi)身(shen)相(xiang)(xiang)互作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)情況(kuang)下，通(tong)過對(dui)(dui)實(shi)(shi)驗(yan)結果進行(xing)回歸(gui)(gui)分析，確(que)定(ding)(ding)鉻(ge)、錳、鉬(mu)和鎳(nie)等主(zhu)要合(he)金元素(su)對(dui)(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)一階和二階活度(du)(du)相(xiang)(xiang)互作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)系(xi)數(shu)(shu)(shu)。同時(shi)，從(cong)文獻數(shu)(shu)(shu)據中(zhong)獲得其他合(he)金元素(su)的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)互作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)系(xi)數(shu)(shu)(shu)。基于所有合(he)金對(dui)(dui)體(ti)(ti)系(xi)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)活度(du)(du)系(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)互作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)系(xi)數(shu)(shu)(shu)，通(tong)過回歸(gui)(gui)分析確(que)定(ding)(ding)氮(dan)(dan)(dan)(dan)對(dui)(dui)自(zi)(zi)(zi)身(shen)的(de)(de)(de)活度(du)(du)相(xiang)(xiang)互作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)系(xi)數(shu)(shu)(shu)e為0.13。e的(de)(de)(de)數(shu)(shu)(shu)值(zhi)為正，表明氮(dan)(dan)(dan)(dan)含量的(de)(de)(de)提(ti)高(gao)(gao)會增(zeng)加(jia)活度(du)(du)系(xi)數(shu)(shu)(shu)，降(jiang)低自(zi)(zi)(zi)身(shen)溶解度(du)(du)。