1. 常壓下基熔體的氮(dan)溶解度模型

  常(chang)溫(wen)下氮(dan)以雙(shuang)原(yuan)(yuan)子(zi)分(fen)子(zi)形式存在，高溫(wen)下則分(fen)解(jie)成(cheng)氮(dan)原(yuan)(yuan)子(zi)溶(rong)解(jie)于金屬(shu)熔(rong)(rong)體(ti)(ti)中。如(ru)圖2-1所示(shi)，氮(dan)在金屬(shu)熔(rong)(rong)體(ti)(ti)中的溶(rong)解(jie)過程可以描述如(ru)下：氮(dan)氣接(jie)觸到熔(rong)(rong)體(ti)(ti)表面后發生物理吸附(fu)，當(dang)氣體(ti)(ti)分(fen)子(zi)和熔(rong)(rong)體(ti)(ti)表面的結合(he)力大(da)于氣體(ti)(ti)內部分(fen)子(zi)的結合(he)力時發生化學吸附(fu)，吸附(fu)的氮(dan)分(fen)子(zi)分(fen)解(jie)成(cheng)原(yuan)(yuan)子(zi)，隨后從熔(rong)(rong)體(ti)(ti)表面向內部擴(kuo)散。

  表(biao)2-1總(zong)結了(le)研(yan)究人(ren)員在(zai)1873K、0.1MPa氮氣壓力下測得的(de)(de)熔融(rong)(rong)鐵(tie)液(ye)(ye)中(zhong)的(de)(de)氮溶解(jie)(jie)度(du)。根據文獻中(zhong)的(de)(de)實驗(yan)數據可知，熔融(rong)(rong)鐵(tie)液(ye)(ye)的(de)(de)氮溶解(jie)(jie)度(du)集(ji)中(zhong)在(zai)0.043%~0.046%范圍內(nei)。圖2-2歸納了(le)冶煉溫度(du)對熔融(rong)(rong)鐵(tie)液(ye)(ye)中(zhong)氮溶解(jie)(jie)度(du)的(de)(de)影響。可以(yi)看出，在(zai)熔融(rong)(rong)鐵(tie)液(ye)(ye)中(zhong)，氮溶解(jie)(jie)度(du)隨(sui)溫度(du)的(de)(de)升(sheng)高而增(zeng)大(da)。

  若氮活度(du)的(de)參(can)考態(tai)為合金(jin)(jin)熔體中假(jia)想的(de)1%N溶(rong)液，則(ze)0.5mol氮氣溶(rong)解于合金(jin)(jin)熔體的(de)吉布斯自由能變可(ke)以表示為

  在早期(qi)對合(he)(he)金(jin)熔體中氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)中，各種(zhong)合(he)(he)金(jin)元素(su)對氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)二(er)階活(huo)度(du)(du)(du)相互(hu)(hu)(hu)作用(yong)系(xi)數及二(er)階交(jiao)叉活(huo)度(du)(du)(du)相互(hu)(hu)(hu)作用(yong)系(xi)數的(de)(de)(de)相關(guan)測定尚(shang)不(bu)完善。1965年，Chipman等(deng)(deng)(deng)［18]開發了僅使(shi)用(yong)一階活(huo)度(du)(du)(du)相互(hu)(hu)(hu)作用(yong)系(xi)數而不(bu)涉及高階項(xiang)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)模(mo)型。基于Chipman等(deng)(deng)(deng)的(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)結果(guo)和1873K下不(bu)同元素(su)對氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)一階活(huo)度(du)(du)(du)相互(hu)(hu)(hu)作用(yong)系(xi)數（表2-2)[19],可以得(de)到(dao)1873K下氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)模(mo)型中氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)活(huo)度(du)(du)(du)系(xi)數1gf[式(shi)(shi)（2-9)],其(qi)他冶煉(lian)溫(wen)度(du)(du)(du)下氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)活(huo)度(du)(du)(du)系(xi)數可由(you)式(shi)(shi)（2-10)轉(zhuan)換獲得(de)。據此，Chipman 等(deng)(deng)(deng)建立了預測不(bu)同溫(wen)度(du)(du)(du)下合(he)(he)金(jin)熔體中氮(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)式(shi)(shi)（2-11)。

  隨著對(dui)多元(yuan)合金(jin)熔體(ti)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)研究的(de)深入，各種合金(jin)元(yuan)素(su)對(dui)氮(dan)(dan)(dan)的(de)一階(jie)、二階(jie)以(yi)及二階(jie)交(jiao)叉活度(du)(du)(du)相(xiang)(xiang)互作(zuo)用系(xi)數(shu)的(de)實驗研究與測(ce)(ce)定(ding)逐步完善。1990年(nian)，Grigorenko等。探究了合金(jin)元(yuan)素(su)對(dui)氮(dan)(dan)(dan)活度(du)(du)(du)系(xi)數(shu)的(de)影響，認(ren)為(wei)在較(jiao)高(gao)(gao)(gao)(gao)的(de)合金(jin)濃(nong)度(du)(du)(du)下，僅采用一階(jie)活度(du)(du)(du)相(xiang)(xiang)互作(zuo)用系(xi)數(shu)來計算氮(dan)(dan)(dan)的(de)活度(du)(du)(du)系(xi)數(shu)和預(yu)測(ce)(ce)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)是(shi)不夠(gou)準(zhun)確(que)(que)的(de)。為(wei)了進一步提高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)預(yu)測(ce)(ce)模型的(de)準(zhun)確(que)(que)性，必須以(yi)二階(jie)乃至更高(gao)(gao)(gao)(gao)階(jie)泰勒級(ji)數(shu)的(de)形式表示(shi)氮(dan)(dan)(dan)的(de)活度(du)(du)(du)系(xi)數(shu)，即引入合金(jin)元(yuan)素(su)對(dui)氮(dan)(dan)(dan)的(de)高(gao)(gao)(gao)(gao)階(jie)活度(du)(du)(du)相(xiang)(xiang)互作(zuo)用系(xi)數(shu)。據此(ci)，氮(dan)(dan)(dan)活度(du)(du)(du)系(xi)數(shu)按高(gao)(gao)(gao)(gao)階(jie)泰勒級(ji)數(shu)的(de)形式展開，可表示(shi)為(wei)

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

  鑒于以Fe-Cr 合(he)金(jin)為基(ji)(ji)礎的(de)各種(zhong)合(he)金(jin)材料的(de)生產(chan)與應用非(fei)常(chang)廣泛，1996年Anson等開(kai)發了種(zhong)常(chang)壓(ya)下(xia)以熔(rong)融Fe-20%Cr 合(he)金(jin)為基(ji)(ji)體的(de)氮溶(rong)解(jie)度模型。在(zai)熔(rong)融Fe-20%Cr基(ji)(ji)合(he)金(jin)中，氮溶(rong)解(jie)熱(re)力學平衡關系(xi)如下(xia)所示(shi)：

3. 高氮氣壓力(li)下的氮溶解度模型

  隨(sui)著含氮鋼(gang)種(zhong)相關研究(jiu)的(de)(de)不斷深入，高氮鋼(gang)由(you)于(yu)其優異的(de)(de)力(li)學性(xing)能(neng)和(he)耐(nai)腐蝕(shi)性(xing)能(neng)，在(zai)諸多領域得(de)到了廣泛(fan)應用。大量研究(jiu)發現(xian)，在(zai)高氮氣壓力(li)下，高合金(jin)體系中(zhong)氮溶解度(du)出現(xian)了偏(pian)離(li) Sieverts 定律(lv)的(de)(de)現(xian)象(xiang)，導致(zhi)高氮氣壓力(li)下氮溶解度(du)預測模型的(de)(de)準確度(du)大幅降低。

  如圖(tu)2-3和圖(tu)2-4所示，當鉻(ge)(ge)、錳(meng)(meng)等(deng)含(han)量較(jiao)高(gao)(gao)(gao)(gao)時(shi)(shi)，高(gao)(gao)(gao)(gao)氮氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)下(xia)(xia)合(he)金(jin)(jin)熔體(ti)的(de)(de)(de)(de)氮溶(rong)解(jie)度(du)達(da)到(dao)了較(jiao)高(gao)(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)數(shu)值，此時(shi)(shi)僅(jin)能(neng)在小(xiao)范圍(wei)內(nei)呈線(xian)性關(guan)系(xi)，合(he)金(jin)(jin)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)氮含(han)量依(yi)然能(neng)隨著(zhu)氮氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)而持續提高(gao)(gao)(gao)(gao)，但與(yu)低(di)氮氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)時(shi)(shi)相比(bi)，高(gao)(gao)(gao)(gao)氮氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)下(xia)(xia)氮溶(rong)解(jie)度(du)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)趨(qu)勢明顯(xian)變(bian)緩。高(gao)(gao)(gao)(gao)氮氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)下(xia)(xia)氮氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)對氮溶(rong)解(jie)度(du)的(de)(de)(de)(de)提升作用被(bei)削弱，具(ju)體(ti)表(biao)現為實(shi)測的(de)(de)(de)(de)氮溶(rong)解(jie)度(du)［％N]低(di)于(yu)根據(ju)Sieverts定律計算的(de)(de)(de)(de)值，即(ji)圖(tu)中(zhong)各個實(shi)線(xian)（實(shi)驗值）均處(chu)于(yu)相應(ying)虛線(xian)（計算值）下(xia)(xia)方。同時(shi)(shi)，兩曲線(xian)的(de)(de)(de)(de)偏離程度(du)隨著(zhu)鉻(ge)(ge)、錳(meng)(meng)等(deng)元素含(han)量的(de)(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)而變(bian)得嚴重。這表(biao)明在氮氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)大于(yu)0.1MPa的(de)(de)(de)(de)冶(ye)煉氣(qi)氛中(zhong)，尤其是當金(jin)(jin)屬熔體(ti)含(han)有(you)較(jiao)高(gao)(gao)(gao)(gao)量具(ju)有(you)提升氮溶(rong)解(jie)度(du)能(neng)力(li)的(de)(de)(de)(de)合(he)金(jin)(jin)元素時(shi)(shi)，氮溶(rong)解(jie)度(du)很(hen)高(gao)(gao)(gao)(gao)，其與(yu)氮氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)的(de)(de)(de)(de)關(guan)系(xi)將不再符合(he) Sieverts定律。

  1993年Rawers等［24]通過實驗(yan)研(yan)究了Fe-Cr和Fe-Cr-Ni等合金(jin)體(ti)系(xi)在高氮(dan)氣壓(ya)力(li)下氮(dan)的溶解度(du)模(mo)型。圖2-5給出了不同氮(dan)氣壓(ya)力(li)下氮(dan)活度(du)系(xi)數(shu)InfN隨鉻濃度(du)變(bian)化曲線。對于鐵基(ji)合金(jin)，在低鉻濃度(du)范圍內，lnfN與鉻濃度(du)之間存在線性關(guan)系(xi)，其斜(xie)率隨著氮(dan)氣壓(ya)力(li)的增加而變(bian)化；在較高鉻濃度(du)時，則明顯偏離線性關(guan)系(xi)。

  基于對實(shi)驗(yan)數(shu)(shu)據的(de)(de)回(hui)歸分析，獲得了Fe-Cr與Fe-Cr-Ni體系(xi)(xi)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度模型中(zhong)各相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)系(xi)(xi)數(shu)(shu)，見表2-3.通過成分相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)和氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)－成分效應對氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度模型的(de)(de)修正，可以更(geng)精(jing)確地預測高(gao)合金(jin)體系(xi)(xi)在高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)(li)條件下的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度。

  為(wei)了(le)(le)進一步修(xiu)正高(gao)氮氣壓(ya)(ya)力(li)(li)下的(de)(de)氮溶解度(du)模型，2005年Jiang(姜周華）等［25]根據(ju)實驗研究和(he)文獻(xian)報道的(de)(de)數(shu)(shu)據(ju)，回歸分析得到了(le)(le)氮氣壓(ya)(ya)力(li)(li)對氮的(de)(de)相互作用系數(shu)(shu)8,反映了(le)(le)常壓(ya)(ya)以上的(de)(de)高(gao)氮氣壓(ya)(ya)力(li)(li)對氮活度(du)系數(shu)(shu)的(de)(de)影響。該研究通過考慮氮氣壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)影響，對高(gao)壓(ya)(ya)下氮活度(du)系數(shu)(shu)進行修(xiu)正［式（2-19)],從而建立了(le)(le)高(gao)氮氣壓(ya)(ya)力(li)(li)下的(de)(de)氮溶解熱力(li)(li)學(xue)模型來預測(ce)高(gao)氮不銹(xiu)鋼熔體中(zhong)的(de)(de)氮溶解度(du)：

  經過修(xiu)正后(hou)，重(zhong)新利用(yong)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)熱(re)力學模(mo)(mo)(mo)(mo)型(xing)計(ji)算了(le)(le)文獻(xian)中(zhong)(zhong)1873K下純鐵、Fe-Cr和(he)Fe-Mn 等(deng)合(he)金體系在高氮(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力下的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)隨氮(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力的(de)(de)(de)變化，并(bing)與實(shi)驗(yan)(yan)數據進行了(le)(le)比(bi)較，如圖2-6所(suo)示。同時，圖2-7比(bi)較了(le)(le)氮(dan)(dan)活度(du)系數計(ji)算式中(zhong)(zhong)壓(ya)(ya)力項修(xiu)正后(hou)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)模(mo)(mo)(mo)(mo)型(xing)計(ji)算值(zhi)(zhi)與文獻(xian)實(shi)測(ce)(ce)值(zhi)(zhi)。結(jie)果表(biao)明(ming)，修(xiu)正后(hou)的(de)(de)(de)模(mo)(mo)(mo)(mo)型(xing)預測(ce)(ce)值(zhi)(zhi)與Jiang等(deng)及(ji)Satir-Kolorz和(he)Feichtinger的(de)(de)(de)測(ce)(ce)量值(zhi)(zhi)非常(chang)吻合(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(neng)是由(you)計(ji)算中(zhong)(zhong)選(xuan)擇(ze)的(de)(de)(de)溫度(du)為(wei)1923K而引起的(de)(de)(de)，因為(wei)當熔體以緩慢(man)的(de)(de)(de)冷卻速率(lv)降低(di)到液相線時，氮(dan)(dan)濃度(du)會增(zeng)加。驗(yan)(yan)證結(jie)果表(biao)明(ming)，經壓(ya)(ya)力項修(xiu)正后(hou)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)熱(re)力學模(mo)(mo)(mo)(mo)型(xing)，適用(yong)于計(ji)算高氮(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力下不(bu)銹鋼(gang)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)。在著作 Mastering P-ESR Technology for High Nitrogen Steel Grades for HighValue Applications中(zhong)(zhong)，Carosi等(deng)認(ren)為(wei)Jiang等(deng)建(jian)立的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)模(mo)(mo)(mo)(mo)型(xing)的(de)(de)(de)預測(ce)(ce)值(zhi)(zhi)與工業結(jie)果非常(chang)符合(he)，并(bing)將此模(mo)(mo)(mo)(mo)型(xing)應用(yong)到動(dong)態模(mo)(mo)(mo)(mo)型(xing)的(de)(de)(de)仿(fang)真計(ji)算中(zhong)(zhong)。

  基于高(gao)氮(dan)(dan)(dan)氣壓力(li)下氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度(du)模型(xing)的修正(zheng)，本書作者針對含Nb和含V鋼(gang)種(zhong)，進一步研究了(le)其(qi)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)熱力(li)學行為，通過補充完善(shan)鋼(gang)液中(zhong)Nb和V對氮(dan)(dan)(dan)活(huo)度(du)的相(xiang)互作用(yong)系(xi)數，構建了(le)包含 Nb、V體系(xi)鋼(gang)種(zhong)或合金(jin)在氮(dan)(dan)(dan)氣加壓下的氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度(du)模型(xing)：

2. 合金(jin)元素(su)成分對氮溶解(jie)度的影(ying)響

 a. 合金元素對氮的活度相互作用系(xi)數

  氮(dan)(dan)在鐵基合(he)金(jin)(jin)熔體(ti)中的(de)(de)溶(rong)(rong)解度(du)(du)受其合(he)金(jin)(jin)成(cheng)分的(de)(de)影響顯著，許多常用合(he)金(jin)(jin)元素可(ke)有效地提(ti)高氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)(du)，同時(shi)(shi)也有部分元素會降(jiang)低(di)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)(du)。一(yi)般可(ke)以用各合(he)金(jin)(jin)元素對氮(dan)(dan)的(de)(de)一(yi)階活度(du)(du)相互作用系數(shu)（表2-4)來(lai)表征合(he)金(jin)(jin)成(cheng)分對氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)(du)的(de)(de)影響，當其值為(wei)負時(shi)(shi)，相應的(de)(de)合(he)金(jin)(jin)元素可(ke)降(jiang)低(di)熔體(ti)中氮(dan)(dan)的(de)(de)活度(du)(du)系數(shu)，增加氮(dan)(dan)的(de)(de)溶(rong)(rong)解度(du)(du)；當其值為(wei)正(zheng)時(shi)(shi)，相應的(de)(de)合(he)金(jin)(jin)元素則增大(da)氮(dan)(dan)的(de)(de)活度(du)(du)系數(shu)，降(jiang)低(di)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)(du)。

合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)對(dui)氮(dan)(dan)的(de)(de)活度相(xiang)互作(zuo)用系數(shu)，實質(zhi)上表征了該合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)與(yu)氮(dan)(dan)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)原子(zi)(zi)間親和(he)力，這與(yu)其在(zai)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)周(zhou)(zhou)(zhou)期表中的(de)(de)位置(zhi)密切相(xiang)關，因為元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)電(dian)(dian)子(zi)(zi)結構與(yu)它們在(zai)周(zhou)(zhou)(zhou)期表中的(de)(de)位置(zhi)相(xiang)對(dui)應。從合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)微觀結構來看，同(tong)一周(zhou)(zhou)(zhou)期中，從左到右，元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)核外電(dian)(dian)子(zi)(zi)層(ceng)數(shu)相(xiang)同(tong)，而(er)最外層(ceng)電(dian)(dian)子(zi)(zi)數(shu)增加，原子(zi)(zi)半(ban)徑(jing)遞減(jian)（0族元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)除外）；同(tong)一族中，從上到下，所(suo)有元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)具有相(xiang)同(tong)數(shu)量的(de)(de)價電(dian)(dian)子(zi)(zi)，而(er)核外電(dian)(dian)子(zi)(zi)層(ceng)數(shu)逐漸增多，原子(zi)(zi)半(ban)徑(jing)增大(da)。原子(zi)(zi)半(ban)徑(jing)大(da)的(de)(de)合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)對(dui)氮(dan)(dan)的(de)(de)親和(he)力普遍較強(qiang)。

  圖2-8給出了在(zai)1873K、0.1MPa氮氣壓(ya)力(li)下(xia)Fe-X二元(yuan)合金體(ti)系中各種常見金元(yuan)素(su)X對(dui)氮溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)影響。在(zai)合金熔(rong)體(ti)中，提高Mo、Mn、Ta、Cr、Nb和(he)V等(deng)元(yuan)素(su)的(de)(de)(de)(de)含量(liang)(liang)能(neng)夠顯(xian)著(zhu)增大(da)熔(rong)體(ti)的(de)(de)(de)(de)氮溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)。例如(ru)，在(zai)1873K和(he)氮氣壓(ya)力(li)為0.1MPa條(tiao)件下(xia)，Cr、Mn等(deng)典型合金元(yuan)素(su)能(neng)夠提高高氮無(wu)鎳(nie)奧(ao)氏(shi)體(ti)不銹鋼熔(rong)體(ti)的(de)(de)(de)(de)氮溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)，其中20%Cr-20%Mn合金體(ti)系中氮溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)可(ke)達(da)0.8%以上，如(ru)圖2-9所示。然而，提高C、Si等(deng)元(yuan)素(su)的(de)(de)(de)(de)含量(liang)(liang)則會明顯(xian)降低熔(rong)體(ti)的(de)(de)(de)(de)氮溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)，其他元(yuan)素(su)（如(ru)Ni、Co、Cu、Sn和(he)W等(deng)）含量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)變(bian)化則對(dui)熔(rong)體(ti)的(de)(de)(de)(de)氮溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)影響相對(dui)較小。

  如圖2-10所(suo)示，根(gen)據(ju)對氮(dan)(dan)(dan)(dan)在熔體中(zhong)(zhong)(zhong)溶(rong)(rong)解度的(de)(de)(de)影響規律不同(tong)，合(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)大(da)體可以分為三大(da)類(lei)：①. 第一類(lei)為對熔融鐵基(ji)合(he)金(jin)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度具(ju)有(you)顯(xian)著(zhu)(zhu)提(ti)升作(zuo)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)合(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(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(ju)有(you)強(qiang)烈(lie)的(de)(de)(de)形成氮(dan)(dan)(dan)(dan)化物的(de)(de)(de)趨勢。Cr作(zuo)為不銹鋼的(de)(de)(de)重(zhong)要合(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)之一，能夠(gou)顯(xian)著(zhu)(zhu)提(ti)高熔融鐵基(ji)合(he)金(jin)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度，其與Ti、Zr、V和(he)Nb相比，形成氮(dan)(dan)(dan)(dan)化物的(de)(de)(de)趨勢較小。②. Ni、Co和(he)Cu等(deng)元(yuan)素(su)(su)(su)為第二類(lei)，對氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度的(de)(de)(de)影響較小。其中(zhong)(zhong)(zhong)Ni是(shi)不銹鋼中(zhong)(zhong)(zhong)重(zhong)要的(de)(de)(de)合(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)，但它對氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度的(de)(de)(de)負面影響會(hui)降低高氮(dan)(dan)(dan)(dan)合(he)金(jin)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)含量。③. 第三類(lei)為C、Si等(deng)非金(jin)屬元(yuan)素(su)(su)(su)和(he)A1等(deng)元(yuan)素(su)(su)(su)，具(ju)有(you)明顯(xian)降低熔體氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度的(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)(yong)。

  b. 合(he)金(jin)元素的鉻(ge)等效因子與鉻(ge)當量濃(nong)度

  除(chu)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素對(dui)(dui)氮(dan)(dan)的(de)活(huo)度(du)(du)(du)(du)(du)相(xiang)互作用系數外，也可以通(tong)過參(can)考(kao)(kao)元(yuan)(yuan)素的(de)等(deng)(deng)(deng)效作用來(lai)描述不同(tong)元(yuan)(yuan)素對(dui)(dui)熔(rong)體(ti)(ti)氮(dan)(dan)溶解度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)影(ying)響。較為(wei)典型(xing)的(de)是以鉻(ge)為(wei)參(can)考(kao)(kao)，因(yin)(yin)為(wei)鉻(ge)具(ju)有相(xiang)當(dang)強的(de)增加氮(dan)(dan)溶解度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)作用，并且被認為(wei)是合(he)金(jin)(jin)材料中(zhong)最重(zhong)要的(de)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素之一(yi)。在活(huo)度(du)(du)(du)(du)(du)相(xiang)互作用系數的(de)基礎上，Satir-Kolorz與Feichtinger 換算了各種合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素的(de)鉻(ge)等(deng)(deng)(deng)效因(yin)(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)(deng)元(yuan)(yuan)素的(de)鉻(ge)等(deng)(deng)(deng)效因(yin)(yin)子(zi)。對(dui)(dui)于不同(tong)合(he)金(jin)(jin)體(ti)(ti)系，可以將(jiang)(jiang)體(ti)(ti)系中(zhong)各種合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素X;的(de)濃(nong)(nong)度(du)(du)(du)(du)(du)乘以相(xiang)應(ying)的(de)鉻(ge)等(deng)(deng)(deng)效因(yin)(yin)子(zi)獲得(de)對(dui)(dui)應(ying)的(de)鉻(ge)當(dang)量濃(nong)(nong)度(du)(du)(du)(du)(du)。據此，可將(jiang)(jiang)熔(rong)體(ti)(ti)中(zhong)所有合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素X;的(de)濃(nong)(nong)度(du)(du)(du)(du)(du)轉換為(wei)鉻(ge)當(dang)量濃(nong)(nong)度(du)(du)(du)(du)(du)。

  通(tong)(tong)過(guo)實驗(yan)測量鋼(gang)中(zhong)的(de)平(ping)衡氮含量，得(de)到(dao)了合(he)(he)金(jin)體(ti)系(xi)(xi)(xi)(xi)對應(ying)的(de)數值(zhi)，如圖(tu)2-11中(zhong)空心點所示(shi)；通(tong)(tong)過(guo)式(shi)（2-23)計算(suan)可以(yi)得(de)到(dao)不同鉻(ge)當(dang)量濃(nong)度與0.51gPN2-lg[%N]-e≈[%N](氮活度系(xi)(xi)(xi)(xi)數）之間(jian)的(de)關系(xi)(xi)(xi)(xi)曲(qu)線(xian)，兩符合(he)(he)良好，驗(yan)證了此等(deng)(deng)效方(fang)法的(de)合(he)(he)理性。此研究的(de)特別之處在于，通(tong)(tong)過(guo)鉻(ge)當(dang)量濃(nong)度來間(jian)接表示(shi)多(duo)種合(he)(he)金(jin)元素在大(da)濃(nong)度范圍內的(de)所有數據，可以(yi)將復雜的(de)多(duo)組元熔(rong)體(ti)等(deng)(deng)效為鐵－氮－鉻(ge)三元體(ti)系(xi)(xi)(xi)(xi)后計算(suan)氮的(de)溶解度。基于鉻(ge)等(deng)(deng)效因子，通(tong)(tong)過(guo)鉻(ge)當(dang)量濃(nong)度的(de)換算(suan)并參考關系(xi)(xi)(xi)(xi)曲(qu)線(xian)（圖(tu)2-11),復雜的(de)多(duo)組元熔(rong)體(ti)氮溶解度可統(tong)一(yi)表示(shi)為

3. 溫度(du)對氮溶解度(du)的影(ying)響

  溫度(du)對(dui)合(he)金(jin)熔(rong)(rong)體中(zhong)(zhong)氮溶(rong)(rong)解度(du)的(de)(de)影響，取決(jue)于氮在合(he)金(jin)熔(rong)(rong)體中(zhong)(zhong)的(de)(de)溶(rong)(rong)解反(fan)應為(wei)吸(xi)熱還是放熱過(guo)程，即氮溶(rong)(rong)解反(fan)應焓(han)變ΔH的(de)(de)正負。在一定(ding)氮氣(qi)壓力下，對(dui)于不(bu)同(tong)(tong)合(he)金(jin)成(cheng)(cheng)分的(de)(de)熔(rong)(rong)體而言，氮溶(rong)(rong)解度(du)對(dui)溫度(du)的(de)(de)依賴性（溫度(du)對(dui)氮溶(rong)(rong)解度(du)的(de)(de)影響趨勢）是不(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)，且隨溫度(du)的(de)(de)變化(hua)程度(du)也不(bu)同(tong)(tong)，這是由(you)該熔(rong)(rong)體中(zhong)(zhong)合(he)金(jin)元素的(de)(de)種類與含量共同(tong)(tong)決(jue)定(ding)的(de)(de)，即ΔH的(de)(de)正負是由(you)合(he)金(jin)成(cheng)(cheng)分決(jue)定(ding)的(de)(de)。

  0.1MPa氮(dan)(dan)氣壓(ya)力下常見的(de)(de)(de)Fe-Cr-Mn-Ni合金體(ti)系在1750~2000K溫度(du)(du)(du)(du)范圍內的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)與(yu)溫度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)關系如圖2-12所示。可(ke)以看出，純鐵和Fe20Ni合金體(ti)系的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)較低(di)(di)，并且隨溫度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)升(sheng)高逐漸增(zeng)(zeng)大。隨著熔體(ti)中鉻、錳等(deng)元素含(han)量的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加，如Fe18Mn和Fe18Cr等(deng)合金體(ti)系，氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)顯著增(zeng)(zeng)大，溫度(du)(du)(du)(du)對氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)影響更加明(ming)顯，且隨著溫度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)下降，熔體(ti)中的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)逐漸增(zeng)(zeng)大。Fe18Cr8Ni合金的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)對溫度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)依賴性也為負；此外，由于鎳具有降低(di)(di)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)作(zuo)用，相對于Fe18Cr合金，Fe18Cr8Ni合金的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)隨溫度(du)(du)(du)(du)變(bian)化的(de)(de)(de)趨(qu)勢(shi)比較平緩。

  從溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)熱力學理論來看(kan)，在(zai)(zai)合(he)金(jin)(jin)成(cheng)分與氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力一定(ding)的(de)(de)(de)(de)條件(jian)下(xia)，溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)對(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)規律(lv)為(wei)(wei)：若式（2-36)中(zhong)參(can)數a<0,即焓(han)變ΔH>0時，氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)反應為(wei)(wei)吸熱過(guo)程，氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)隨(sui)(sui)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)升高(gao)而(er)增(zeng)大(da)(da)；若a>0,即焓(han)變ΔH<0時，反為(wei)(wei)放熱過(guo)程，氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)隨(sui)(sui)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)升高(gao)而(er)減小。因此，溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)對(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)取決于(yu)焓(han)變ΔH數值的(de)(de)(de)(de)正負(fu)和大(da)(da)小，最終歸結(jie)為(wei)(wei)合(he)金(jin)(jin)成(cheng)分決定(ding)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)依(yi)賴性。利(li)用氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)模型，Satir-Kolorz 等(deng)探究了不(bu)同的(de)(de)(de)(de)合(he)金(jin)(jin)體系在(zai)(zai)0.1MPa和5MPa氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力下(xia)，1750~2000K 范(fan)圍(wei)內(nei)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)與溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)關(guan)系，如(ru)圖2-13所示。結(jie)果與上面分析(xi)的(de)(de)(de)(de)一致，在(zai)(zai)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力一定(ding)的(de)(de)(de)(de)條件(jian)下(xia)，溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)對(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)取決于(yu)合(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)成(cheng)分：含有(you)增(zeng)加氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)元素（如(ru)Mn、Cr、Mo)的(de)(de)(de)(de)鐵基合(he)金(jin)(jin)（Fe-Cr和Fe-Mn合(he)金(jin)(jin)體系），氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)隨(sui)(sui)著(zhu)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)升高(gao)而(er)降低；而(er)對(dui)于(yu)含有(you)降低氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)元素的(de)(de)(de)(de)鐵基合(he)金(jin)(jin)（如(ru)Fe-Ni合(he)金(jin)(jin)），隨(sui)(sui)著(zhu)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)升高(gao)，熔體中(zhong)的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)(du)(du)增(zeng)大(da)(da)。

4. 氮氣壓力對氮溶解度的影響

  鑒于(yu)高氮(dan)(dan)(dan)(dan)鋼(gang)產品對高氮(dan)(dan)(dan)(dan)含(han)量的(de)需求，在常壓(ya)(ya)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)環境中(zhong)(zhong)無法實現鋼(gang)液(ye)的(de)高效(xiao)增氮(dan)(dan)(dan)(dan)和(he)保氮(dan)(dan)(dan)(dan)，提(ti)高冶(ye)煉(lian)過(guo)(guo)程的(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)成(cheng)為(wei)有(you)效(xiao)手(shou)段。氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)加(jia)(jia)壓(ya)(ya)冶(ye)煉(lian)技術，不僅能(neng)夠(gou)通過(guo)(guo)促進氣(qi)相－合金(jin)熔體間的(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)反應實現更佳的(de)增氮(dan)(dan)(dan)(dan)效(xiao)果，在抑(yi)制高氮(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)鋼(gang)液(ye)凝固(gu)過(guo)(guo)程中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)孔(kong)的(de)形(xing)成(cheng)方(fang)面也發揮著重要(yao)作(zuo)用。研(yan)究(jiu)不同氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)下合金(jin)熔體中(zhong)(zhong)的(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)，成(cheng)為(wei)精確控制氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)加(jia)(jia)壓(ya)(ya)冶(ye)煉(lian)工藝鋼(gang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)含(han)量的(de)重要(yao)理論基礎。在常壓(ya)(ya)［如(ru)(ru)圖(tu)2-14(a)和(he)加(jia)(jia)壓(ya)(ya)［如(ru)(ru)圖(tu)2-14(b)]條件下，液(ye)態鐵基合金(jin)中(zhong)(zhong)的(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)(jie)度(du)隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)力(li)的(de)提(ti)高而(er)顯著增大(da)。

a. 低氮(dan)氣壓力

  如前(qian)所述，氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)在金屬(shu)熔(rong)體中的(de)溶解(jie)屬(shu)于(yu)雙原(yuan)子分子的(de)溶解(jie)過(guo)程，在低氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)范圍內(nei)，氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度隨氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)的(de)變化符合Sieverts定律。眾多研究已經證(zheng)實，在小(xiao)于(yu)0.1MPa的(de)低氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)范圍內(nei)，不銹鋼體系(xi)（表(biao)2-5中1~3號(hao)）的(de)氮(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度與氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)的(de)關系(xi)符合 Sieverts定律，即呈線(xian)性相關，如圖(tu)2-15所示。

  為了進一步驗證不同氮氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)下 Sieverts定律的適用情況，Jiang(姜周華）等研究了氮氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)不高(gao)于(yu)0.1MPa,即低氮氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)下典(dian)型不銹鋼品種(zhong)AISI304和AISI 316L 熔(rong)(rong)體(ti)中(zhong)氮溶(rong)(rong)解(jie)度與氮氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)的關系(xi)，結果如(ru)圖(tu)2-16所示(shi)。隨著氮氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)的增加，氮在兩類典(dian)型不銹鋼熔(rong)(rong)體(ti)中(zhong)的溶(rong)(rong)解(jie)度顯(xian)著提升，并且與氮氣(qi)(qi)壓(ya)力(li)(li)(li)的關系(xi)符(fu)合Sieverts定律。

 b. 高氮氣壓力

  隨著冶(ye)煉(lian)過(guo)程(cheng)中(zhong)氮氣(qi)(qi)(qi)壓力(li)(li)的進一(yi)步提高(gao)(gao)(gao)，各種合(he)金體系的氮溶(rong)解(jie)度(du)均會增大。純鐵液(ye)的飽和(he)氮濃(nong)度(du)不(bu)僅在(zai)(zai)常(chang)壓以下，而(er)且在(zai)(zai)0.1~200MPa的高(gao)(gao)(gao)壓范圍內也(ye)始終(zhong)與氮氣(qi)(qi)(qi)壓力(li)(li)的平方根呈線(xian)性(xing)關系。這是因為(wei)即使在(zai)(zai)高(gao)(gao)(gao)氮氣(qi)(qi)(qi)壓力(li)(li)下純鐵液(ye)中(zhong)的氮溶(rong)解(jie)度(du)也(ye)處(chu)于較低的水平，如圖2-17所(suo)示。在(zai)(zai)Fe-Ni合(he)金體系中(zhong)，由于鎳(nie)元素具有(you)降低氮溶(rong)解(jie)度(du)的作(zuo)用(yong)，鎳(nie)含量越(yue)高(gao)(gao)(gao)氮溶(rong)解(jie)度(du)反而(er)越(yue)低，即使在(zai)(zai)高(gao)(gao)(gao)氮氣(qi)(qi)(qi)壓力(li)(li)下氮溶(rong)解(jie)度(du)也(ye)處(chu)于較低水平。研究(jiu)結(jie)果表明，高(gao)(gao)(gao)氮氣(qi)(qi)(qi)壓力(li)(li)下Fe-Ni體系也(ye)符合(he) Sieverts定(ding)律，如圖2-18所(suo)示。

  然而(er)，隨著高氮鋼品(pin)種的(de)(de)開發和冶煉(lian)工藝的(de)(de)發展，大量研究顯示，對于較(jiao)高氮氣(qi)壓力(li)下的(de)(de)Fe-Cr-Mn-Ni-Mo等高合金體系（表(biao)2-5中4~6號），氮溶解度隨氮氣(qi)壓力(li)的(de)(de)變化(hua)與Sieverts定律描述的(de)(de)線性關系產生了較(jiao)大的(de)(de)偏(pian)差(cha)，如圖2-19所示。

  圖2-19 1873K 高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)下(xia)(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)隨(sui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)平方根的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)與(yu)Sieverts 定律的(de)(de)(de)(de)(de)偏離(li)，并非(fei)存(cun)在于所有(you)高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)下(xia)(xia)的(de)(de)(de)(de)(de)情(qing)況，與(yu)合(he)金(jin)熔(rong)(rong)體(ti)成(cheng)分密切相(xiang)關(guan)。上述純鐵液和Fe-Ni合(he)金(jin)這兩(liang)類低(di)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)體(ti)系(xi)(xi)就是(shi)偏差不顯著的(de)(de)(de)(de)(de)實例；相(xiang)反，具有(you)高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)合(he)金(jin)熔(rong)(rong)體(ti)（如(ru)Fe-Cr-Mn體(ti)系(xi)(xi)）在高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)下(xia)(xia)通常不符合(he) Sieverts 定律。由此(ci)(ci)可以推(tui)測，高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)下(xia)(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)隨(sui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)提高(gao)(gao)(gao)(gao)較(jiao)慢的(de)(de)(de)(de)(de)原因是(shi)，高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)下(xia)(xia)熔(rong)(rong)體(ti)中氮(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)(du)(du)處于較(jiao)高(gao)(gao)(gao)(gao)水平，不再滿足無(wu)限稀釋溶(rong)液的(de)(de)(de)(de)(de)理想情(qing)況。此(ci)(ci)時(shi)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)原子(zi)之(zhi)(zhi)間存(cun)在自身(shen)相(xiang)互作用(yong)(yong)，彼此(ci)(ci)之(zhi)(zhi)間的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)斥效應將(jiang)會(hui)導(dao)致氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)降低(di)；氮(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)(du)(du)越(yue)(yue)高(gao)(gao)(gao)(gao)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)自身(shen)的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)斥作用(yong)(yong)越(yue)(yue)明(ming)顯。由此(ci)(ci)可知，高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)下(xia)(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)(du)與(yu)Sieverts 定律的(de)(de)(de)(de)(de)偏離(li)主要由氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)自身(shen)相(xiang)互作用(yong)(yong)導(dao)致，而高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)通常是(shi)熔(rong)(rong)體(ti)中高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)含量的(de)(de)(de)(de)(de)一個(ge)關(guan)鍵誘因。

  對于圖2-17和(he)(he)圖2-18中純鐵液、低(di)(di)(di)合(he)(he)金(jin)(jin)鋼或類似Fe-Ni合(he)(he)金(jin)(jin)等(deng)(deng)低(di)(di)(di)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解度(du)的(de)(de)體系(xi)而言(yan)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)自身相(xiang)互作用幾(ji)乎可以(yi)忽略，在高氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解度(du)與氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)的(de)(de)平方(fang)根也接近線(xian)性關系(xi)。常(chang)見的(de)(de)具有(you)高氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解度(du)的(de)(de)Fe-Cr-Mn等(deng)(deng)體系(xi)則不同，在高氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)下(xia)高合(he)(he)金(jin)(jin)含(han)量的(de)(de)熔體氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解度(du)可達1%以(yi)上(shang)，超出 Sieverts定律的(de)(de)適(shi)用范圍。定義Sieverts定律對氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶解度(du)的(de)(de)壓(ya)力(li)(li)適(shi)用極(ji)(ji)限(xian)，為開始出現明(ming)顯偏差(cha)的(de)(de)臨界氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)，如圖2-20所示，不同鉻(ge)含(han)量的(de)(de)Fe-Cr合(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)壓(ya)力(li)(li)適(shi)用極(ji)(ji)限(xian)不同（實驗數據來源于Torkhov等(deng)(deng)的(de)(de)研究(jiu)）。隨著(zhu)鉻(ge)和(he)(he)氮(dan)(dan)(dan)(dan)含(han)量的(de)(de)增加，Sieverts定律的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)適(shi)用極(ji)(ji)限(xian)快速降(jiang)低(di)(di)(di)，高氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力(li)(li)下(xia)的(de)(de)偏差(cha)程度(du)也變(bian)得(de)更(geng)為顯著(zhu)。

  針對(dui)(dui)高(gao)(gao)合金、高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)體(ti)系(xi)(xi)在(zai)(zai)(zai)(zai)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)下氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)熱力(li)學偏離(li) Sieverts定律(lv)的(de)(de)(de)現象，可通過(guo)熔(rong)體(ti)中各類原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)存(cun)在(zai)(zai)(zai)(zai)的(de)(de)(de)相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)用(yong)(yong)來解(jie)釋氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)溶(rong)(rong)解(jie)機制。圖(tu)2-21(a)顯(xian)示了(le)單個氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)在(zai)(zai)(zai)(zai)鐵(tie)(tie)(tie)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)晶(jing)格中的(de)(de)(de)賦存(cun)狀(zhuang)況：由(you)(you)于(yu)(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)處(chu)于(yu)(yu)無限稀釋的(de)(de)(de)狀(zhuang)態(tai)，它只與(yu)鐵(tie)(tie)(tie)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)存(cun)在(zai)(zai)(zai)(zai)相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)用(yong)(yong)，不發生氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)自(zi)(zi)身(shen)的(de)(de)(de)相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)用(yong)(yong)。圖(tu)2-21(b)顯(xian)示了(le)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)下（如在(zai)(zai)(zai)(zai)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)下）的(de)(de)(de)鐵(tie)(tie)(tie)－氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)二元(yuan)合金晶(jing)格：氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)周圍除相(xiang)鄰的(de)(de)(de)鐵(tie)(tie)(tie)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)外，也(ye)存(cun)在(zai)(zai)(zai)(zai)臨近的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)間(jian)(jian)彼(bi)此(ci)相(xiang)互(hu)(hu)抑制，從而導致(zhi)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)降(jiang)低(di)并(bing)偏離(li) Sieverts 定律(lv)的(de)(de)(de)預測曲(qu)線。這種自(zi)(zi)身(shen)作(zuo)用(yong)(yong)可由(you)(you)自(zi)(zi)身(shen)活度(du)相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)用(yong)(yong)系(xi)(xi)數(shu)來表示，由(you)(you)于(yu)(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)處(chu)于(yu)(yu)相(xiang)互(hu)(hu)抑制的(de)(de)(de)狀(zhuang)態(tai)，自(zi)(zi)身(shen)活度(du)相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)用(yong)(yong)系(xi)(xi)數(shu)e值(zhi)為正數(shu)。圖(tu)2-21(c)顯(xian)示了(le)鐵(tie)(tie)(tie)－鉻－氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)三(san)元(yuan)合金的(de)(de)(de)晶(jing)格：由(you)(you)于(yu)(yu)鉻原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)和氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)具有很(hen)強(qiang)的(de)(de)(de)吸引力(li)，其(qi)相(xiang)互(hu)(hu)作(zuo)用(yong)(yong)系(xi)(xi)數(shu)為負值(zhi)。在(zai)(zai)(zai)(zai)此(ci)結構中，由(you)(you)于(yu)(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)向鉻原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)偏移，就有更(geng)多空(kong)間(jian)(jian)留給額外的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)，從而產生較高(gao)(gao)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)。不過(guo)隨著(zhu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)的(de)(de)(de)增加，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)對(dui)(dui)自(zi)(zi)身(shen)的(de)(de)(de)強(qiang)烈(lie)排斥(chi)作(zuo)用(yong)(yong)開始凸顯(xian)，因此(ci)在(zai)(zai)(zai)(zai)高(gao)(gao)鉻和高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)下，實際的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)變化規律(lv)與(yu) Sieverts定律(lv)之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)存(cun)在(zai)(zai)(zai)(zai)明顯(xian)的(de)(de)(de)偏差。

  研究發現(xian)，在(zai)(zai)超(chao)過10MPa氮(dan)(dan)(dan)氣壓力的(de)(de)條(tiao)(tiao)件下(xia)，將合(he)(he)金(jin)元素含(han)量提(ti)高(gao)至45%,熔體的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)可以高(gao)達3%以上。在(zai)(zai)氮(dan)(dan)(dan)濃(nong)度(du)(du)(du)如此高(gao)的(de)(de)情況下(xia)，熔體不滿(man)足使用(yong)Sieverts 定(ding)律(lv)的(de)(de)前提(ti)條(tiao)(tiao)件，即無限稀釋(shi)溶(rong)液的(de)(de)假設(she)，因此在(zai)(zai)此條(tiao)(tiao)件下(xia)，Sieverts定(ding)律(lv)無法(fa)準(zhun)確預測(ce)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)，必須引(yin)入(ru)一個附加的(de)(de)活(huo)度(du)(du)(du)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)f,以體現(xian)氮(dan)(dan)(dan)對(dui)(dui)自身(shen)作(zuo)用(yong)的(de)(de)影響。圖2-22顯示了實驗測(ce)得的(de)(de)不同氮(dan)(dan)(dan)氣壓力下(xia)，不同合(he)(he)金(jin)體系(xi)(xi)(xi)(xi)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)變化。首先(xian)在(zai)(zai)不考(kao)慮(lv)氮(dan)(dan)(dan)自身(shen)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)的(de)(de)情況下(xia)，通過對(dui)(dui)實驗結果進行回歸分(fen)析，確定(ding)鉻(ge)、錳、鉬(mu)和鎳等主要合(he)(he)金(jin)元素對(dui)(dui)氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)一階和二階活(huo)度(du)(du)(du)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)。同時，從文獻(xian)數(shu)據中(zhong)獲(huo)得其他(ta)合(he)(he)金(jin)元素的(de)(de)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)。基于所有(you)合(he)(he)金(jin)對(dui)(dui)體系(xi)(xi)(xi)(xi)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)活(huo)度(du)(du)(du)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)的(de)(de)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)，通過回歸分(fen)析確定(ding)氮(dan)(dan)(dan)對(dui)(dui)自身(shen)的(de)(de)活(huo)度(du)(du)(du)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)e為0.13。e的(de)(de)數(shu)值為正，表明氮(dan)(dan)(dan)含(han)量的(de)(de)提(ti)高(gao)會增加活(huo)度(du)(du)(du)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)，降低自身(shen)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)(du)(du)。