1. 常壓下基(ji)熔體的(de)氮溶解度模型

  常(chang)溫下氮(dan)以雙原(yuan)子(zi)(zi)分子(zi)(zi)形式存在(zai)，高溫下則分解成(cheng)(cheng)氮(dan)原(yuan)子(zi)(zi)溶解于金(jin)屬熔體(ti)中(zhong)。如圖2-1所示，氮(dan)在(zai)金(jin)屬熔體(ti)中(zhong)的溶解過程可(ke)以描(miao)述如下：氮(dan)氣(qi)接觸到熔體(ti)表(biao)面(mian)(mian)后發生物(wu)理吸附，當氣(qi)體(ti)分子(zi)(zi)和熔體(ti)表(biao)面(mian)(mian)的結合力大于氣(qi)體(ti)內(nei)部分子(zi)(zi)的結合力時(shi)發生化學吸附，吸附的氮(dan)分子(zi)(zi)分解成(cheng)(cheng)原(yuan)子(zi)(zi)，隨(sui)后從熔體(ti)表(biao)面(mian)(mian)向內(nei)部擴(kuo)散。

  表2-1總(zong)結了研究人員在(zai)1873K、0.1MPa氮氣壓(ya)力下測得的(de)熔融(rong)鐵(tie)液(ye)中(zhong)的(de)氮溶(rong)(rong)解度(du)(du)(du)。根據文獻中(zhong)的(de)實(shi)驗數據可知，熔融(rong)鐵(tie)液(ye)的(de)氮溶(rong)(rong)解度(du)(du)(du)集中(zhong)在(zai)0.043%~0.046%范圍內。圖2-2歸(gui)納了冶煉(lian)溫(wen)度(du)(du)(du)對(dui)熔融(rong)鐵(tie)液(ye)中(zhong)氮溶(rong)(rong)解度(du)(du)(du)的(de)影響。可以看(kan)出，在(zai)熔融(rong)鐵(tie)液(ye)中(zhong)，氮溶(rong)(rong)解度(du)(du)(du)隨溫(wen)度(du)(du)(du)的(de)升高而增大(da)。

  若氮活度的參(can)考態為合金熔體中假想的1%N溶液(ye)，則0.5mol氮氣溶解于合金熔體的吉布斯自(zi)由能變(bian)可以表示為

  在早期對合金熔體中(zhong)(zhong)氮(dan)溶解(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)中(zhong)(zhong)，各種合金元(yuan)(yuan)素對氮(dan)的(de)(de)二階(jie)活(huo)(huo)度(du)(du)(du)相(xiang)互(hu)作用(yong)(yong)系(xi)(xi)數(shu)及二階(jie)交(jiao)叉活(huo)(huo)度(du)(du)(du)相(xiang)互(hu)作用(yong)(yong)系(xi)(xi)數(shu)的(de)(de)相(xiang)關(guan)測定尚不完(wan)善。1965年，Chipman等(deng)［18]開發(fa)了僅使用(yong)(yong)一(yi)階(jie)活(huo)(huo)度(du)(du)(du)相(xiang)互(hu)作用(yong)(yong)系(xi)(xi)數(shu)而不涉及高階(jie)項的(de)(de)氮(dan)溶解(jie)度(du)(du)(du)模(mo)型。基(ji)于Chipman等(deng)的(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)結果和1873K下不同(tong)元(yuan)(yuan)素對氮(dan)的(de)(de)一(yi)階(jie)活(huo)(huo)度(du)(du)(du)相(xiang)互(hu)作用(yong)(yong)系(xi)(xi)數(shu)（表2-2)[19],可(ke)以(yi)得(de)到1873K下氮(dan)溶解(jie)度(du)(du)(du)模(mo)型中(zhong)(zhong)氮(dan)的(de)(de)活(huo)(huo)度(du)(du)(du)系(xi)(xi)數(shu)1gf[式（2-9)],其他冶煉(lian)溫度(du)(du)(du)下氮(dan)的(de)(de)活(huo)(huo)度(du)(du)(du)系(xi)(xi)數(shu)可(ke)由(you)式（2-10)轉換獲得(de)。據此，Chipman 等(deng)建立了預(yu)測不同(tong)溫度(du)(du)(du)下合金熔體中(zhong)(zhong)氮(dan)溶解(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)式（2-11)。

  隨(sui)著(zhu)對多元(yuan)合(he)金(jin)熔體氮(dan)(dan)溶解度(du)(du)研究的(de)深(shen)入(ru)，各種(zhong)合(he)金(jin)元(yuan)素(su)對氮(dan)(dan)的(de)一(yi)階(jie)(jie)、二階(jie)(jie)以及(ji)二階(jie)(jie)交叉活度(du)(du)相互作用系(xi)數(shu)的(de)實驗研究與(yu)測定逐步完善(shan)。1990年，Grigorenko等。探究了合(he)金(jin)元(yuan)素(su)對氮(dan)(dan)活度(du)(du)系(xi)數(shu)的(de)影(ying)響，認(ren)為在較高的(de)合(he)金(jin)濃(nong)度(du)(du)下(xia)，僅采用一(yi)階(jie)(jie)活度(du)(du)相互作用系(xi)數(shu)來(lai)計算氮(dan)(dan)的(de)活度(du)(du)系(xi)數(shu)和預測氮(dan)(dan)溶解度(du)(du)是(shi)不夠準確的(de)。為了進一(yi)步提高氮(dan)(dan)溶解度(du)(du)預測模(mo)型的(de)準確性(xing)，必(bi)須以二階(jie)(jie)乃至更高階(jie)(jie)泰(tai)勒(le)級(ji)數(shu)的(de)形(xing)式(shi)表(biao)示(shi)氮(dan)(dan)的(de)活度(du)(du)系(xi)數(shu)，即引入(ru)合(he)金(jin)元(yuan)素(su)對氮(dan)(dan)的(de)高階(jie)(jie)活度(du)(du)相互作用系(xi)數(shu)。據此，氮(dan)(dan)活度(du)(du)系(xi)數(shu)按高階(jie)(jie)泰(tai)勒(le)級(ji)數(shu)的(de)形(xing)式(shi)展開(kai)，可表(biao)示(shi)為

2. 常壓下Fe-20%Cr基(ji)熔體的(de)氮溶解度模型

  鑒(jian)于以Fe-Cr 合金為基礎的(de)(de)各種(zhong)合金材(cai)料的(de)(de)生產(chan)與應用(yong)非(fei)常廣(guang)泛，1996年Anson等開發了種(zhong)常壓下以熔融(rong)Fe-20%Cr 合金為基體的(de)(de)氮溶(rong)解(jie)度模型。在熔融(rong)Fe-20%Cr基合金中(zhong)，氮溶(rong)解(jie)熱力學平衡關系如下所示：

3. 高氮(dan)氣壓(ya)力下的(de)氮(dan)溶(rong)解度模型

  隨(sui)著含氮(dan)鋼(gang)種(zhong)相關(guan)研究(jiu)的不(bu)斷深入，高(gao)氮(dan)鋼(gang)由(you)于(yu)其優異的力(li)學性(xing)能(neng)和耐腐蝕性(xing)能(neng)，在諸多領(ling)域得到了廣泛應用。大量研究(jiu)發現(xian)，在高(gao)氮(dan)氣壓力(li)下(xia)，高(gao)合(he)金體系中(zhong)氮(dan)溶解度(du)出現(xian)了偏離 Sieverts 定律(lv)的現(xian)象(xiang)，導致高(gao)氮(dan)氣壓力(li)下(xia)氮(dan)溶解度(du)預測模型的準確度(du)大幅降(jiang)低。

  如(ru)圖2-3和圖2-4所示，當(dang)鉻、錳等(deng)(deng)含(han)(han)量(liang)(liang)較高(gao)時，高(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)(li)下合(he)金(jin)熔體的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)達(da)到了較高(gao)的(de)(de)(de)數值(zhi)，此時僅能(neng)在(zai)(zai)小范圍(wei)內呈線(xian)(xian)性關(guan)系，合(he)金(jin)中的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)含(han)(han)量(liang)(liang)依然(ran)能(neng)隨著氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)增(zeng)加而持續提(ti)高(gao)，但與(yu)低氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)(li)時相比，高(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)(li)下氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)增(zeng)加趨勢明(ming)(ming)顯(xian)變(bian)(bian)緩。高(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)(li)下氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)(li)對(dui)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)提(ti)升作用被削弱，具體表(biao)現為實(shi)測的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)［％N]低于(yu)根據Sieverts定律(lv)計算的(de)(de)(de)值(zhi)，即圖中各個實(shi)線(xian)(xian)（實(shi)驗值(zhi)）均處于(yu)相應虛線(xian)(xian)（計算值(zhi)）下方。同時，兩曲(qu)線(xian)(xian)的(de)(de)(de)偏離程度(du)(du)(du)隨著鉻、錳等(deng)(deng)元素含(han)(han)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)增(zeng)加而變(bian)(bian)得嚴(yan)重。這表(biao)明(ming)(ming)在(zai)(zai)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)(li)大于(yu)0.1MPa的(de)(de)(de)冶煉(lian)氣(qi)(qi)氛中，尤其是當(dang)金(jin)屬熔體含(han)(han)有較高(gao)量(liang)(liang)具有提(ti)升氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)能(neng)力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)合(he)金(jin)元素時，氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)很高(gao)，其與(yu)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)關(guan)系將不再符合(he) Sieverts定律(lv)。

  1993年Rawers等［24]通過實驗研究了Fe-Cr和Fe-Cr-Ni等合金體系在(zai)(zai)高氮(dan)氣(qi)壓力下(xia)氮(dan)的溶解度(du)(du)模型。圖2-5給出了不同氮(dan)氣(qi)壓力下(xia)氮(dan)活度(du)(du)系數InfN隨鉻濃(nong)度(du)(du)變化曲線(xian)。對于鐵(tie)基合金，在(zai)(zai)低鉻濃(nong)度(du)(du)范圍內，lnfN與鉻濃(nong)度(du)(du)之間(jian)存在(zai)(zai)線(xian)性關系，其斜(xie)率隨著氮(dan)氣(qi)壓力的增加而變化；在(zai)(zai)較(jiao)高鉻濃(nong)度(du)(du)時，則明(ming)顯偏離線(xian)性關系。

  基于對實驗(yan)數據的回歸分析，獲得(de)了(le)Fe-Cr與Fe-Cr-Ni體系氮溶(rong)解(jie)度模型中各相互作用系數，見表2-3.通過(guo)成分相互作用和(he)氮氣(qi)壓力(li)－成分效應(ying)對氮溶(rong)解(jie)度模型的修正，可以(yi)更精確地預測高合金體系在高氮氣(qi)壓力(li)條件下(xia)的氮溶(rong)解(jie)度。

  為(wei)了(le)(le)進一步修正高(gao)(gao)氮(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)下(xia)的(de)氮(dan)溶解度(du)模型，2005年Jiang(姜周華(hua)）等［25]根據實(shi)驗研究和文獻報道的(de)數(shu)據，回歸分析得到了(le)(le)氮(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)對氮(dan)的(de)相互(hu)作用系數(shu)8,反(fan)映了(le)(le)常壓(ya)以上(shang)的(de)高(gao)(gao)氮(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)對氮(dan)活度(du)系數(shu)的(de)影響。該研究通過考慮(lv)氮(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)的(de)影響，對高(gao)(gao)壓(ya)下(xia)氮(dan)活度(du)系數(shu)進行(xing)修正［式（2-19)],從而建立(li)了(le)(le)高(gao)(gao)氮(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)下(xia)的(de)氮(dan)溶解熱力(li)(li)學模型來預測高(gao)(gao)氮(dan)不(bu)銹鋼(gang)熔體中的(de)氮(dan)溶解度(du)：

  經過修正(zheng)(zheng)(zheng)后(hou)，重新利用(yong)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)熱力(li)學(xue)模(mo)(mo)型(xing)計(ji)(ji)(ji)算了文獻(xian)中(zhong)1873K下純鐵、Fe-Cr和Fe-Mn 等(deng)合金體系在高(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)下的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)隨氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)(de)(de)變化，并(bing)與(yu)(yu)實驗數(shu)據進行(xing)了比較(jiao)，如圖2-6所示。同(tong)時，圖2-7比較(jiao)了氮(dan)(dan)活度(du)系數(shu)計(ji)(ji)(ji)算式中(zhong)壓(ya)(ya)力(li)項修正(zheng)(zheng)(zheng)后(hou)的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)模(mo)(mo)型(xing)計(ji)(ji)(ji)算值(zhi)與(yu)(yu)文獻(xian)實測(ce)值(zhi)。結果表明，修正(zheng)(zheng)(zheng)后(hou)的(de)(de)(de)(de)模(mo)(mo)型(xing)預測(ce)值(zhi)與(yu)(yu)Jiang等(deng)及Satir-Kolorz和Feichtinger的(de)(de)(de)(de)測(ce)量(liang)值(zhi)非常(chang)吻(wen)合，略小(xiao)于Rawers和Gokcen[26]的(de)(de)(de)(de)測(ce)量(liang)值(zhi)。該差異可能是由計(ji)(ji)(ji)算中(zhong)選擇的(de)(de)(de)(de)溫(wen)度(du)為1923K而引起的(de)(de)(de)(de)，因為當熔體以緩慢(man)的(de)(de)(de)(de)冷卻速率降(jiang)低到(dao)液相線時，氮(dan)(dan)濃度(du)會增加。驗證結果表明，經壓(ya)(ya)力(li)項修正(zheng)(zheng)(zheng)后(hou)的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)熱力(li)學(xue)模(mo)(mo)型(xing)，適(shi)用(yong)于計(ji)(ji)(ji)算高(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)下不銹鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)。在著作 Mastering P-ESR Technology for High Nitrogen Steel Grades for HighValue Applications中(zhong)，Carosi等(deng)認為Jiang等(deng)建立(li)的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)模(mo)(mo)型(xing)的(de)(de)(de)(de)預測(ce)值(zhi)與(yu)(yu)工(gong)業結果非常(chang)符(fu)合，并(bing)將此模(mo)(mo)型(xing)應(ying)用(yong)到(dao)動態模(mo)(mo)型(xing)的(de)(de)(de)(de)仿真(zhen)計(ji)(ji)(ji)算中(zhong)。

  基于高(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)(li)下氮(dan)(dan)溶解度模型(xing)的(de)修(xiu)正，本書作(zuo)者針對含(han)Nb和含(han)V鋼(gang)種，進(jin)一步(bu)研(yan)究了其氮(dan)(dan)溶解熱力(li)(li)學行為，通過補充完善(shan)鋼(gang)液中Nb和V對氮(dan)(dan)活度的(de)相互作(zuo)用(yong)系數，構(gou)建了包含(han) Nb、V體系鋼(gang)種或合金(jin)在(zai)氮(dan)(dan)氣(qi)加壓下的(de)氮(dan)(dan)溶解度模型(xing)：

2. 合金元(yuan)素成分(fen)對(dui)氮溶解度的影響

 a. 合金元素對氮的活度相互作用系數

  氮(dan)在鐵基合金(jin)熔體中的(de)(de)溶(rong)解(jie)度(du)(du)受其合金(jin)成分的(de)(de)影響(xiang)顯著，許多常用(yong)(yong)合金(jin)元(yuan)素可有(you)效地提高氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)，同時(shi)也有(you)部分元(yuan)素會降低氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)。一般(ban)可以(yi)用(yong)(yong)各合金(jin)元(yuan)素對氮(dan)的(de)(de)一階活度(du)(du)相互作用(yong)(yong)系數(shu)（表2-4)來表征合金(jin)成分對氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)的(de)(de)影響(xiang)，當(dang)其值(zhi)為負時(shi)，相應(ying)(ying)的(de)(de)合金(jin)元(yuan)素可降低熔體中氮(dan)的(de)(de)活度(du)(du)系數(shu)，增(zeng)加氮(dan)的(de)(de)溶(rong)解(jie)度(du)(du)；當(dang)其值(zhi)為正(zheng)時(shi)，相應(ying)(ying)的(de)(de)合金(jin)元(yuan)素則(ze)增(zeng)大氮(dan)的(de)(de)活度(du)(du)系數(shu)，降低氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)。

合金元素(su)(su)對氮的(de)活度相互作(zuo)用(yong)系數(shu)，實質上表征了該合金元素(su)(su)與(yu)氮元素(su)(su)的(de)原(yuan)子(zi)間親和力，這與(yu)其在元素(su)(su)周期(qi)表中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)位置密切相關，因為元素(su)(su)的(de)電(dian)(dian)子(zi)結構與(yu)它們在周期(qi)表中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)位置相對應。從合金元素(su)(su)的(de)微觀結構來看，同(tong)一周期(qi)中(zhong)(zhong)(zhong)，從左到(dao)右，元素(su)(su)核(he)外電(dian)(dian)子(zi)層(ceng)數(shu)相同(tong)，而最(zui)外層(ceng)電(dian)(dian)子(zi)數(shu)增加(jia)，原(yuan)子(zi)半徑(jing)遞減（0族元素(su)(su)除外）；同(tong)一族中(zhong)(zhong)(zhong)，從上到(dao)下，所(suo)有元素(su)(su)具(ju)有相同(tong)數(shu)量(liang)的(de)價(jia)電(dian)(dian)子(zi)，而核(he)外電(dian)(dian)子(zi)層(ceng)數(shu)逐漸(jian)增多，原(yuan)子(zi)半徑(jing)增大。原(yuan)子(zi)半徑(jing)大的(de)合金元素(su)(su)對氮的(de)親和力普遍較(jiao)強。

  圖(tu)2-8給出了在(zai)1873K、0.1MPa氮(dan)氣(qi)壓力下Fe-X二元(yuan)(yuan)合金體(ti)(ti)(ti)(ti)系(xi)中各種常見金元(yuan)(yuan)素(su)(su)X對(dui)氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)的影響(xiang)。在(zai)合金熔(rong)(rong)(rong)體(ti)(ti)(ti)(ti)中，提高(gao)(gao)Mo、Mn、Ta、Cr、Nb和(he)V等元(yuan)(yuan)素(su)(su)的含(han)(han)量(liang)(liang)能(neng)夠顯(xian)著增大熔(rong)(rong)(rong)體(ti)(ti)(ti)(ti)的氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)。例如(ru)(ru)，在(zai)1873K和(he)氮(dan)氣(qi)壓力為0.1MPa條件(jian)下，Cr、Mn等典型合金元(yuan)(yuan)素(su)(su)能(neng)夠提高(gao)(gao)高(gao)(gao)氮(dan)無鎳奧氏體(ti)(ti)(ti)(ti)不銹(xiu)鋼熔(rong)(rong)(rong)體(ti)(ti)(ti)(ti)的氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)，其(qi)中20%Cr-20%Mn合金體(ti)(ti)(ti)(ti)系(xi)中氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)可達(da)0.8%以上，如(ru)(ru)圖(tu)2-9所示。然(ran)而，提高(gao)(gao)C、Si等元(yuan)(yuan)素(su)(su)的含(han)(han)量(liang)(liang)則(ze)會明顯(xian)降低熔(rong)(rong)(rong)體(ti)(ti)(ti)(ti)的氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)，其(qi)他(ta)元(yuan)(yuan)素(su)(su)（如(ru)(ru)Ni、Co、Cu、Sn和(he)W等）含(han)(han)量(liang)(liang)的變化則(ze)對(dui)熔(rong)(rong)(rong)體(ti)(ti)(ti)(ti)的氮(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)影響(xiang)相對(dui)較小。

  如(ru)圖2-10所示，根據(ju)對氮(dan)(dan)在(zai)熔體中(zhong)(zhong)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)的(de)影響(xiang)規律不(bu)同，合金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)大(da)體可以分(fen)為三(san)大(da)類(lei)：①. 第(di)一類(lei)為對熔融(rong)鐵(tie)基(ji)合金(jin)(jin)(jin)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)具(ju)有顯(xian)著提升作(zuo)用(yong)的(de)合金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)，如(ru)Cr、Mo、Mn、Ti、Zr、V和(he)(he)Nb等(deng)，其(qi)(qi)中(zhong)(zhong)Ti、Zr、V和(he)(he)Nb具(ju)有強烈的(de)形成氮(dan)(dan)化物(wu)的(de)趨勢(shi)。Cr作(zuo)為不(bu)銹鋼(gang)的(de)重要合金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)之一，能夠顯(xian)著提高(gao)熔融(rong)鐵(tie)基(ji)合金(jin)(jin)(jin)的(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)，其(qi)(qi)與Ti、Zr、V和(he)(he)Nb相比，形成氮(dan)(dan)化物(wu)的(de)趨勢(shi)較小(xiao)。②. Ni、Co和(he)(he)Cu等(deng)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)為第(di)二類(lei)，對氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)的(de)影響(xiang)較小(xiao)。其(qi)(qi)中(zhong)(zhong)Ni是不(bu)銹鋼(gang)中(zhong)(zhong)重要的(de)合金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)，但它(ta)對氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)的(de)負(fu)面影響(xiang)會(hui)降低高(gao)氮(dan)(dan)合金(jin)(jin)(jin)中(zhong)(zhong)的(de)氮(dan)(dan)含量。③. 第(di)三(san)類(lei)為C、Si等(deng)非金(jin)(jin)(jin)屬元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)和(he)(he)A1等(deng)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)，具(ju)有明(ming)顯(xian)降低熔體氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)的(de)作(zuo)用(yong)。

  b. 合金元素的鉻等效因子(zi)與鉻當量濃(nong)度

  除合(he)(he)金元(yuan)素(su)(su)對(dui)(dui)氮的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)活度(du)相互作用系數(shu)外，也可(ke)以(yi)(yi)通過參考(kao)元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)等(deng)效作用來描述不(bu)同元(yuan)素(su)(su)對(dui)(dui)熔體(ti)氮溶解度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響(xiang)。較為(wei)典型的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)以(yi)(yi)鉻(ge)為(wei)參考(kao)，因為(wei)鉻(ge)具有相當強(qiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)增加氮溶解度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)作用，并且被認為(wei)是(shi)合(he)(he)金材料中(zhong)最重要的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)合(he)(he)金元(yuan)素(su)(su)之(zhi)一。在(zai)活度(du)相互作用系數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)基礎上，Satir-Kolorz與(yu)Feichtinger 換(huan)算了各種合(he)(he)金元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)鉻(ge)等(deng)效因子(zi)c.表(biao)2-4列(lie)出了Ti、Zr、V、Nb、Ta、W、C、B、Al、Si、P、As、Sb和Sn等(deng)元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)鉻(ge)等(deng)效因子(zi)。對(dui)(dui)于不(bu)同合(he)(he)金體(ti)系，可(ke)以(yi)(yi)將(jiang)體(ti)系中(zhong)各種合(he)(he)金元(yuan)素(su)(su)X;的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)濃(nong)(nong)度(du)乘以(yi)(yi)相應(ying)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)鉻(ge)等(deng)效因子(zi)獲得(de)對(dui)(dui)應(ying)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)鉻(ge)當量濃(nong)(nong)度(du)。據此，可(ke)將(jiang)熔體(ti)中(zhong)所有合(he)(he)金元(yuan)素(su)(su)X;的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)濃(nong)(nong)度(du)轉(zhuan)換(huan)為(wei)鉻(ge)當量濃(nong)(nong)度(du)。

  通過(guo)實(shi)驗(yan)測(ce)量(liang)鋼中的平衡氮(dan)含量(liang)，得到(dao)了(le)合金體(ti)系(xi)對應(ying)的數(shu)值，如圖2-11中空心點(dian)所示；通過(guo)式（2-23)計算可(ke)以(yi)得到(dao)不同鉻當量(liang)濃度與0.51gPN2-lg[%N]-e≈[%N](氮(dan)活度系(xi)數(shu)）之間的關(guan)系(xi)曲線(xian)(xian)，兩(liang)符合良(liang)好(hao)，驗(yan)證了(le)此等效(xiao)(xiao)方(fang)法的合理性。此研究的特別之處在于，通過(guo)鉻當量(liang)濃度來間接(jie)表示多種合金元素在大濃度范圍內(nei)的所有數(shu)據，可(ke)以(yi)將復(fu)雜(za)的多組元熔(rong)體(ti)等效(xiao)(xiao)為鐵－氮(dan)－鉻三元體(ti)系(xi)后計算氮(dan)的溶(rong)解(jie)(jie)度。基(ji)于鉻等效(xiao)(xiao)因(yin)子，通過(guo)鉻當量(liang)濃度的換算并參考關(guan)系(xi)曲線(xian)(xian)（圖2-11),復(fu)雜(za)的多組元熔(rong)體(ti)氮(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度可(ke)統一表示為

3. 溫度(du)(du)對氮溶解度(du)(du)的影響(xiang)

  溫(wen)度(du)對合(he)金(jin)熔(rong)體(ti)中氮溶(rong)解(jie)(jie)度(du)的(de)影響，取決(jue)(jue)于氮在合(he)金(jin)熔(rong)體(ti)中的(de)溶(rong)解(jie)(jie)反應為吸熱還是(shi)放熱過程，即氮溶(rong)解(jie)(jie)反應焓(han)變ΔH的(de)正(zheng)負(fu)。在一定氮氣(qi)壓力下(xia)，對于不同合(he)金(jin)成(cheng)分的(de)熔(rong)體(ti)而言，氮溶(rong)解(jie)(jie)度(du)對溫(wen)度(du)的(de)依賴性(xing)（溫(wen)度(du)對氮溶(rong)解(jie)(jie)度(du)的(de)影響趨勢）是(shi)不同的(de)，且隨溫(wen)度(du)的(de)變化程度(du)也不同，這是(shi)由該(gai)熔(rong)體(ti)中合(he)金(jin)元素的(de)種類與(yu)含量共同決(jue)(jue)定的(de)，即ΔH的(de)正(zheng)負(fu)是(shi)由合(he)金(jin)成(cheng)分決(jue)(jue)定的(de)。

  0.1MPa氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力下常見的(de)(de)(de)(de)(de)Fe-Cr-Mn-Ni合(he)金體(ti)系在1750~2000K溫(wen)度(du)(du)(du)范圍(wei)內的(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)與溫(wen)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)關系如圖2-12所示。可以(yi)看出，純(chun)鐵和(he)Fe20Ni合(he)金體(ti)系的(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)較低，并且隨(sui)溫(wen)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)升高(gao)逐(zhu)(zhu)漸增大。隨(sui)著(zhu)熔(rong)體(ti)中鉻、錳(meng)等(deng)元(yuan)素(su)含(han)量的(de)(de)(de)(de)(de)增加，如Fe18Mn和(he)Fe18Cr等(deng)合(he)金體(ti)系，氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)溶解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)顯(xian)著(zhu)增大，溫(wen)度(du)(du)(du)對(dui)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)影響(xiang)更加明顯(xian)，且隨(sui)著(zhu)溫(wen)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)下降，熔(rong)體(ti)中的(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)逐(zhu)(zhu)漸增大。Fe18Cr8Ni合(he)金的(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)對(dui)溫(wen)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)依(yi)賴性也為負；此外，由于鎳(nie)具有降低氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)作用(yong)，相對(dui)于Fe18Cr合(he)金，Fe18Cr8Ni合(he)金的(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)隨(sui)溫(wen)度(du)(du)(du)變化的(de)(de)(de)(de)(de)趨勢比較平(ping)緩。

  從溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)熱(re)力(li)學理論來看(kan)，在合(he)(he)金(jin)成(cheng)分與氮氣(qi)壓(ya)力(li)一(yi)定的(de)(de)(de)(de)(de)(de)條件下，溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)對(dui)氮溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響(xiang)規律為：若式（2-36)中參(can)數(shu)a<0,即(ji)焓(han)(han)變(bian)ΔH>0時，氮溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)反(fan)應為吸熱(re)過程(cheng)，氮溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)隨溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)升(sheng)高而(er)增(zeng)大；若a>0,即(ji)焓(han)(han)變(bian)ΔH<0時，反(fan)為放熱(re)過程(cheng)，氮溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)隨溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)升(sheng)高而(er)減小(xiao)。因此，溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)對(dui)氮溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響(xiang)取決(jue)(jue)(jue)于(yu)焓(han)(han)變(bian)ΔH數(shu)值的(de)(de)(de)(de)(de)(de)正(zheng)負和(he)大小(xiao)，最終(zhong)歸結為合(he)(he)金(jin)成(cheng)分決(jue)(jue)(jue)定氮溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)依賴性。利用(yong)氮溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)模型，Satir-Kolorz 等(deng)探究了不同的(de)(de)(de)(de)(de)(de)合(he)(he)金(jin)體(ti)系(xi)在0.1MPa和(he)5MPa氮氣(qi)壓(ya)力(li)下，1750~2000K 范圍內氮溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)與溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)關系(xi)，如(ru)圖2-13所示。結果與上(shang)面分析的(de)(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)致(zhi)，在氮氣(qi)壓(ya)力(li)一(yi)定的(de)(de)(de)(de)(de)(de)條件下，溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)對(dui)氮溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響(xiang)取決(jue)(jue)(jue)于(yu)合(he)(he)金(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)成(cheng)分：含(han)有(you)增(zeng)加氮溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)元(yuan)素(su)（如(ru)Mn、Cr、Mo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)鐵基(ji)合(he)(he)金(jin)（Fe-Cr和(he)Fe-Mn合(he)(he)金(jin)體(ti)系(xi)），氮的(de)(de)(de)(de)(de)(de)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)隨著溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)升(sheng)高而(er)降(jiang)低(di)；而(er)對(dui)于(yu)含(han)有(you)降(jiang)低(di)氮溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)元(yuan)素(su)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)鐵基(ji)合(he)(he)金(jin)（如(ru)Fe-Ni合(he)(he)金(jin)），隨著溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)升(sheng)高，熔體(ti)中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)氮溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)增(zeng)大。

4. 氮氣(qi)壓力對氮溶(rong)解度的影(ying)響(xiang)

  鑒于高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)鋼(gang)產品對高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)含量的(de)需(xu)求，在常壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)環境中(zhong)(zhong)無(wu)法實現鋼(gang)液的(de)高(gao)(gao)效(xiao)增氮(dan)(dan)(dan)(dan)和保氮(dan)(dan)(dan)(dan)，提高(gao)(gao)冶(ye)煉(lian)(lian)過(guo)程(cheng)的(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力成為(wei)有(you)效(xiao)手段。氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)加(jia)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)冶(ye)煉(lian)(lian)技術，不僅能(neng)夠通(tong)過(guo)促進(jin)氣(qi)相(xiang)－合(he)(he)金(jin)(jin)熔體間(jian)的(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解反應實現更佳的(de)增氮(dan)(dan)(dan)(dan)效(xiao)果，在抑制(zhi)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)濃度鋼(gang)液凝固過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)孔的(de)形成方(fang)面也(ye)發揮(hui)著重要作用(yong)。研究不同氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力下(xia)合(he)(he)金(jin)(jin)熔體中(zhong)(zhong)的(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度，成為(wei)精確控制(zhi)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)加(jia)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)冶(ye)煉(lian)(lian)工(gong)藝鋼(gang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)含量的(de)重要理論基礎。在常壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)［如圖2-14(a)和加(jia)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)［如圖2-14(b)]條(tiao)件下(xia)，液態鐵(tie)基合(he)(he)金(jin)(jin)中(zhong)(zhong)的(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力的(de)提高(gao)(gao)而顯著增大。

a. 低氮氣(qi)壓力

  如前所述，氮(dan)氣(qi)在(zai)金屬熔體中(zhong)的(de)溶(rong)解(jie)屬于雙原(yuan)子分子的(de)溶(rong)解(jie)過程(cheng)，在(zai)低氮(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)范圍內，氮(dan)溶(rong)解(jie)度隨氮(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)的(de)變化符(fu)(fu)合Sieverts定律。眾(zhong)多研究已(yi)經證實，在(zai)小(xiao)于0.1MPa的(de)低氮(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)范圍內，不(bu)銹鋼體系(xi)（表2-5中(zhong)1~3號(hao)）的(de)氮(dan)溶(rong)解(jie)度與氮(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)的(de)關系(xi)符(fu)(fu)合 Sieverts定律，即呈線性相關，如圖2-15所示。

  為了進一步驗證不(bu)同氮氣壓力下 Sieverts定律的(de)(de)適(shi)用情(qing)況，Jiang(姜周華）等研究了氮氣壓力不(bu)高于0.1MPa,即(ji)低氮氣壓力下典(dian)型不(bu)銹鋼品(pin)種AISI304和AISI 316L 熔(rong)體中(zhong)氮溶解度與氮氣壓力的(de)(de)關系，結果如圖2-16所示。隨著氮氣壓力的(de)(de)增加，氮在兩類典(dian)型不(bu)銹鋼熔(rong)體中(zhong)的(de)(de)溶解度顯著提升，并且與氮氣壓力的(de)(de)關系符合Sieverts定律。

 b. 高(gao)氮氣(qi)壓力

  隨著(zhu)冶(ye)煉過程(cheng)中氮(dan)氣壓(ya)力(li)的(de)(de)進一步提高(gao)(gao)，各種(zhong)合金(jin)體(ti)系(xi)的(de)(de)氮(dan)溶(rong)解度均會增大。純鐵液(ye)的(de)(de)飽和氮(dan)濃度不僅在常壓(ya)以下(xia)，而且(qie)在0.1~200MPa的(de)(de)高(gao)(gao)壓(ya)范圍內也(ye)始(shi)終與氮(dan)氣壓(ya)力(li)的(de)(de)平方(fang)根呈線性關系(xi)。這是因為即(ji)使(shi)在高(gao)(gao)氮(dan)氣壓(ya)力(li)下(xia)純鐵液(ye)中的(de)(de)氮(dan)溶(rong)解度也(ye)處于較(jiao)低(di)(di)的(de)(de)水(shui)平，如(ru)圖2-17所(suo)示。在Fe-Ni合金(jin)體(ti)系(xi)中，由(you)于鎳元素具有降低(di)(di)氮(dan)溶(rong)解度的(de)(de)作(zuo)用，鎳含量越高(gao)(gao)氮(dan)溶(rong)解度反而越低(di)(di)，即(ji)使(shi)在高(gao)(gao)氮(dan)氣壓(ya)力(li)下(xia)氮(dan)溶(rong)解度也(ye)處于較(jiao)低(di)(di)水(shui)平。研究結果表明，高(gao)(gao)氮(dan)氣壓(ya)力(li)下(xia)Fe-Ni體(ti)系(xi)也(ye)符合 Sieverts定律，如(ru)圖2-18所(suo)示。

  然(ran)而，隨(sui)著(zhu)高氮鋼品種的(de)開發和冶煉工藝(yi)的(de)發展，大量(liang)研究顯示，對于較高氮氣(qi)壓力(li)下的(de)Fe-Cr-Mn-Ni-Mo等高合金體系（表(biao)2-5中4~6號），氮溶解(jie)度隨(sui)氮氣(qi)壓力(li)的(de)變(bian)化與Sieverts定律(lv)描述的(de)線性關系產生了較大的(de)偏差，如(ru)圖(tu)2-19所示。

  圖2-19 1873K 高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)(xia)氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)隨(sui)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)平方根的(de)(de)(de)(de)變化氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)與Sieverts 定(ding)(ding)律的(de)(de)(de)(de)偏離，并(bing)非(fei)存在(zai)于所有(you)高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)(xia)的(de)(de)(de)(de)情(qing)況(kuang)，與合(he)金(jin)熔(rong)(rong)體(ti)成分(fen)密切(qie)相(xiang)關。上(shang)述純(chun)鐵液和Fe-Ni合(he)金(jin)這兩(liang)類(lei)低氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)體(ti)系就是(shi)(shi)偏差不(bu)顯著的(de)(de)(de)(de)實例；相(xiang)反(fan)，具(ju)有(you)高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)的(de)(de)(de)(de)合(he)金(jin)熔(rong)(rong)體(ti)（如(ru)Fe-Cr-Mn體(ti)系）在(zai)高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)(xia)通常(chang)不(bu)符合(he) Sieverts 定(ding)(ding)律。由(you)此可(ke)以推測，高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)(xia)氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)隨(sui)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)提高(gao)(gao)(gao)較慢的(de)(de)(de)(de)原因是(shi)(shi)，高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)(xia)熔(rong)(rong)體(ti)中氮(dan)(dan)濃度(du)處于較高(gao)(gao)(gao)水(shui)平，不(bu)再滿(man)足(zu)無限稀(xi)釋(shi)溶液的(de)(de)(de)(de)理想(xiang)情(qing)況(kuang)。此時(shi)，氮(dan)(dan)原子之(zhi)間(jian)存在(zai)自身相(xiang)互作用(yong)(yong)，彼此之(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)斥效應(ying)將(jiang)會導致氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)的(de)(de)(de)(de)降低；氮(dan)(dan)濃度(du)越高(gao)(gao)(gao)，氮(dan)(dan)自身的(de)(de)(de)(de)相(xiang)斥作用(yong)(yong)越明顯。由(you)此可(ke)知，高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)下(xia)(xia)氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)與Sieverts 定(ding)(ding)律的(de)(de)(de)(de)偏離主要由(you)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)自身相(xiang)互作用(yong)(yong)導致，而高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)通常(chang)是(shi)(shi)熔(rong)(rong)體(ti)中高(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)含量的(de)(de)(de)(de)一個關鍵(jian)誘因。

  對(dui)于(yu)圖(tu)(tu)(tu)2-17和(he)圖(tu)(tu)(tu)2-18中純(chun)鐵液、低合金(jin)(jin)鋼或類似(si)Fe-Ni合金(jin)(jin)等低氮(dan)(dan)溶(rong)解度的(de)(de)(de)(de)體(ti)系(xi)而言，氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)自身相互作用幾乎(hu)可(ke)以(yi)忽(hu)略，在高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)(li)(li)(li)下(xia)氮(dan)(dan)溶(rong)解度與氮(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)平方根(gen)也接近線性(xing)關(guan)系(xi)。常見的(de)(de)(de)(de)具有高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)溶(rong)解度的(de)(de)(de)(de)Fe-Cr-Mn等體(ti)系(xi)則不同，在高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)(li)(li)(li)下(xia)高(gao)(gao)(gao)(gao)合金(jin)(jin)含(han)量的(de)(de)(de)(de)熔體(ti)氮(dan)(dan)溶(rong)解度可(ke)達1%以(yi)上，超出(chu) Sieverts定(ding)律(lv)的(de)(de)(de)(de)適(shi)用范圍。定(ding)義Sieverts定(ding)律(lv)對(dui)氮(dan)(dan)溶(rong)解度的(de)(de)(de)(de)壓力(li)(li)(li)(li)適(shi)用極(ji)限，為開始出(chu)現明顯偏差(cha)的(de)(de)(de)(de)臨界氮(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)(li)(li)(li)，如圖(tu)(tu)(tu)2-20所示，不同鉻含(han)量的(de)(de)(de)(de)Fe-Cr合金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)壓力(li)(li)(li)(li)適(shi)用極(ji)限不同（實驗數(shu)據來源于(yu)Torkhov等的(de)(de)(de)(de)研究）。隨著鉻和(he)氮(dan)(dan)含(han)量的(de)(de)(de)(de)增加，Sieverts定(ding)律(lv)的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)(li)(li)(li)適(shi)用極(ji)限快速降低，高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)(li)(li)(li)下(xia)的(de)(de)(de)(de)偏差(cha)程度也變得更為顯著。

  針(zhen)對(dui)高合金、高氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度體系在(zai)(zai)高氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)下氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)熱(re)力(li)學偏離 Sieverts定(ding)律的(de)(de)(de)(de)(de)現象，可通過(guo)熔體中(zhong)各(ge)類原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)之間(jian)存在(zai)(zai)的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)來解(jie)(jie)釋氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)機制(zhi)(zhi)。圖(tu)2-21(a)顯(xian)示(shi)了單個氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)在(zai)(zai)鐵(tie)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)晶(jing)格(ge)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)賦存狀況(kuang)：由(you)于(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)處于(yu)無(wu)限(xian)稀釋的(de)(de)(de)(de)(de)狀態，它只與(yu)鐵(tie)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)存在(zai)(zai)相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)，不發生氮(dan)(dan)(dan)(dan)自身(shen)的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)。圖(tu)2-21(b)顯(xian)示(shi)了高氮(dan)(dan)(dan)(dan)濃(nong)度下（如在(zai)(zai)高氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)下）的(de)(de)(de)(de)(de)鐵(tie)－氮(dan)(dan)(dan)(dan)二元合金晶(jing)格(ge)：氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)周圍除相(xiang)鄰的(de)(de)(de)(de)(de)鐵(tie)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)外(wai)，也存在(zai)(zai)臨近的(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)間(jian)彼此相(xiang)互(hu)抑(yi)制(zhi)(zhi)，從而導(dao)致(zhi)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度降(jiang)低并偏離 Sieverts 定(ding)律的(de)(de)(de)(de)(de)預測(ce)曲線。這(zhe)種(zhong)自身(shen)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)可由(you)自身(shen)活(huo)度相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)系數(shu)來表示(shi)，由(you)于(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)之間(jian)處于(yu)相(xiang)互(hu)抑(yi)制(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)狀態，自身(shen)活(huo)度相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)系數(shu)e值為正數(shu)。圖(tu)2-21(c)顯(xian)示(shi)了鐵(tie)－鉻(ge)－氮(dan)(dan)(dan)(dan)三元合金的(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)格(ge)：由(you)于(yu)鉻(ge)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)之間(jian)具有很強(qiang)的(de)(de)(de)(de)(de)吸引力(li)，其相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)系數(shu)為負(fu)值。在(zai)(zai)此結(jie)構中(zhong)，由(you)于(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)向鉻(ge)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)偏移，就有更(geng)多(duo)空間(jian)留給額外(wai)的(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，從而產生較高的(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度。不過(guo)隨著氮(dan)(dan)(dan)(dan)濃(nong)度的(de)(de)(de)(de)(de)增加，氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)對(dui)自身(shen)的(de)(de)(de)(de)(de)強(qiang)烈排斥(chi)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)開始凸顯(xian)，因(yin)此在(zai)(zai)高鉻(ge)和高氮(dan)(dan)(dan)(dan)濃(nong)度下，實際的(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)的(de)(de)(de)(de)(de)變化規(gui)律與(yu) Sieverts定(ding)律之間(jian)存在(zai)(zai)明(ming)顯(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)偏差。

  研究發現(xian)，在(zai)超過(guo)(guo)10MPa氮(dan)氣(qi)壓力的(de)(de)(de)條件(jian)下(xia)，將合(he)金元(yuan)素含(han)量(liang)提(ti)高(gao)至45%,熔(rong)體的(de)(de)(de)氮(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)可(ke)以(yi)(yi)高(gao)達3%以(yi)(yi)上。在(zai)氮(dan)濃度(du)如此高(gao)的(de)(de)(de)情況(kuang)下(xia)，熔(rong)體不(bu)(bu)滿足(zu)使用Sieverts 定律的(de)(de)(de)前提(ti)條件(jian)，即無(wu)限稀釋溶(rong)(rong)(rong)液的(de)(de)(de)假設(she)，因此在(zai)此條件(jian)下(xia)，Sieverts定律無(wu)法準確(que)預測氮(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)，必須引入一個附加(jia)的(de)(de)(de)活(huo)(huo)度(du)系(xi)數(shu)f,以(yi)(yi)體現(xian)氮(dan)對(dui)自身(shen)(shen)作(zuo)用的(de)(de)(de)影響。圖2-22顯示了實(shi)驗(yan)測得的(de)(de)(de)不(bu)(bu)同(tong)氮(dan)氣(qi)壓力下(xia)，不(bu)(bu)同(tong)合(he)金體系(xi)中氮(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)的(de)(de)(de)變化(hua)。首先在(zai)不(bu)(bu)考慮氮(dan)自身(shen)(shen)相(xiang)互作(zuo)用的(de)(de)(de)情況(kuang)下(xia)，通過(guo)(guo)對(dui)實(shi)驗(yan)結果進行(xing)回歸(gui)分析，確(que)定鉻、錳(meng)、鉬和(he)鎳等主要(yao)合(he)金元(yuan)素對(dui)氮(dan)的(de)(de)(de)一階和(he)二階活(huo)(huo)度(du)相(xiang)互作(zuo)用系(xi)數(shu)。同(tong)時，從(cong)文獻數(shu)據中獲得其(qi)他合(he)金元(yuan)素的(de)(de)(de)相(xiang)互作(zuo)用系(xi)數(shu)。基于(yu)所有合(he)金對(dui)體系(xi)中氮(dan)活(huo)(huo)度(du)系(xi)數(shu)的(de)(de)(de)相(xiang)互作(zuo)用系(xi)數(shu)，通過(guo)(guo)回歸(gui)分析確(que)定氮(dan)對(dui)自身(shen)(shen)的(de)(de)(de)活(huo)(huo)度(du)相(xiang)互作(zuo)用系(xi)數(shu)e為0.13。e的(de)(de)(de)數(shu)值為正，表明氮(dan)含(han)量(liang)的(de)(de)(de)提(ti)高(gao)會增加(jia)活(huo)(huo)度(du)系(xi)數(shu)，降低自身(shen)(shen)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)。