1. 常壓下基熔體的(de)氮溶解度模型(xing)
常溫下氮(dan)以(yi)雙原(yuan)子(zi)(zi)分子(zi)(zi)形式(shi)存在(zai)，高溫下則分解(jie)(jie)成氮(dan)原(yuan)子(zi)(zi)溶解(jie)(jie)于金屬熔(rong)體(ti)(ti)中。如圖2-1所示，氮(dan)在(zai)金屬熔(rong)體(ti)(ti)中的溶解(jie)(jie)過程可以(yi)描(miao)述如下：氮(dan)氣接觸到(dao)熔(rong)體(ti)(ti)表(biao)面(mian)后發生物(wu)理吸附，當氣體(ti)(ti)分子(zi)(zi)和熔(rong)體(ti)(ti)表(biao)面(mian)的結(jie)(jie)合(he)力(li)大(da)于氣體(ti)(ti)內部分子(zi)(zi)的結(jie)(jie)合(he)力(li)時發生化學吸附，吸附的氮(dan)分子(zi)(zi)分解(jie)(jie)成原(yuan)子(zi)(zi)，隨后從熔(rong)體(ti)(ti)表(biao)面(mian)向內部擴散(san)。
表(biao)2-1總結了研究(jiu)人員在(zai)1873K、0.1MPa氮氣壓(ya)力下測得的(de)(de)熔(rong)(rong)融鐵(tie)液(ye)中(zhong)的(de)(de)氮溶(rong)(rong)解度(du)(du)。根據文獻中(zhong)的(de)(de)實驗數據可(ke)知，熔(rong)(rong)融鐵(tie)液(ye)的(de)(de)氮溶(rong)(rong)解度(du)(du)集(ji)中(zhong)在(zai)0.043%~0.046%范圍(wei)內。圖(tu)2-2歸納(na)了冶煉(lian)溫度(du)(du)對熔(rong)(rong)融鐵(tie)液(ye)中(zhong)氮溶(rong)(rong)解度(du)(du)的(de)(de)影響。可(ke)以(yi)看出(chu)，在(zai)熔(rong)(rong)融鐵(tie)液(ye)中(zhong)，氮溶(rong)(rong)解度(du)(du)隨溫度(du)(du)的(de)(de)升高而(er)增(zeng)大。
若氮活(huo)度的(de)參考態為(wei)(wei)合金熔體(ti)中假(jia)想(xiang)的(de)1%N溶液(ye)，則0.5mol氮氣溶解于(yu)合金熔體(ti)的(de)吉(ji)布斯自(zi)由(you)能變(bian)可以表(biao)示為(wei)(wei)
在早期(qi)對合金熔(rong)體中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)(du)(du)的(de)研究(jiu)中(zhong)(zhong)，各種合金元素對氮(dan)(dan)的(de)二(er)階(jie)(jie)(jie)活(huo)(huo)度(du)(du)(du)(du)相互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)系(xi)數(shu)及二(er)階(jie)(jie)(jie)交叉活(huo)(huo)度(du)(du)(du)(du)相互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)系(xi)數(shu)的(de)相關測(ce)定尚不(bu)完善。1965年，Chipman等［18]開(kai)發了僅(jin)使(shi)用(yong)(yong)一階(jie)(jie)(jie)活(huo)(huo)度(du)(du)(du)(du)相互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)系(xi)數(shu)而不(bu)涉及高階(jie)(jie)(jie)項(xiang)的(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)(du)(du)模型。基于(yu)Chipman等的(de)研究(jiu)結果(guo)和1873K下(xia)不(bu)同元素對氮(dan)(dan)的(de)一階(jie)(jie)(jie)活(huo)(huo)度(du)(du)(du)(du)相互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)系(xi)數(shu)（表2-2)[19],可以得到1873K下(xia)氮(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)(du)(du)模型中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)的(de)活(huo)(huo)度(du)(du)(du)(du)系(xi)數(shu)1gf[式(shi)(shi)（2-9)],其他冶煉溫度(du)(du)(du)(du)下(xia)氮(dan)(dan)的(de)活(huo)(huo)度(du)(du)(du)(du)系(xi)數(shu)可由式(shi)(shi)（2-10)轉換獲得。據此(ci)，Chipman 等建立了預測(ce)不(bu)同溫度(du)(du)(du)(du)下(xia)合金熔(rong)體中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)溶(rong)解度(du)(du)(du)(du)的(de)式(shi)(shi)（2-11)。
隨著對(dui)多(duo)元合(he)金(jin)熔體氮溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)研究的(de)深入，各種合(he)金(jin)元素(su)對(dui)氮的(de)一階、二階以(yi)(yi)及二階交叉活度(du)(du)(du)(du)(du)相(xiang)互(hu)作(zuo)用系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)實驗研究與測定(ding)逐(zhu)步完善。1990年，Grigorenko等。探究了合(he)金(jin)元素(su)對(dui)氮活度(du)(du)(du)(du)(du)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)影響，認為(wei)在較高(gao)的(de)合(he)金(jin)濃度(du)(du)(du)(du)(du)下(xia)，僅(jin)采用一階活度(du)(du)(du)(du)(du)相(xiang)互(hu)作(zuo)用系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)來計算氮的(de)活度(du)(du)(du)(du)(du)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)和預(yu)測氮溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)是不夠準(zhun)確的(de)。為(wei)了進(jin)一步提高(gao)氮溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)(du)(du)預(yu)測模型的(de)準(zhun)確性(xing)，必(bi)須以(yi)(yi)二階乃(nai)至更高(gao)階泰勒(le)(le)級數(shu)(shu)(shu)的(de)形式(shi)表(biao)示(shi)氮的(de)活度(du)(du)(du)(du)(du)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)，即(ji)引入合(he)金(jin)元素(su)對(dui)氮的(de)高(gao)階活度(du)(du)(du)(du)(du)相(xiang)互(hu)作(zuo)用系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)。據此，氮活度(du)(du)(du)(du)(du)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)按(an)高(gao)階泰勒(le)(le)級數(shu)(shu)(shu)的(de)形式(shi)展開(kai)，可表(biao)示(shi)為(wei)
2. 常壓下(xia)Fe-20%Cr基熔體的氮(dan)溶解度模(mo)型(xing)
鑒于以(yi)Fe-Cr 合金(jin)(jin)為基礎的各種合金(jin)(jin)材料的生產(chan)與應用非常廣泛，1996年Anson等(deng)開發了(le)種常壓(ya)下以(yi)熔(rong)融Fe-20%Cr 合金(jin)(jin)為基體的氮溶解度模型。在熔(rong)融Fe-20%Cr基合金(jin)(jin)中，氮溶解熱(re)力學平衡關系如(ru)下所示：
3. 高氮氣壓(ya)力下的氮溶(rong)解度模型
隨著含氮鋼(gang)種相關研(yan)究的不斷深入，高氮鋼(gang)由于(yu)其優(you)異的力(li)學性(xing)能和耐腐蝕性(xing)能，在諸多領域得到了廣泛應用。大(da)量研(yan)究發現，在高氮氣(qi)壓力(li)下(xia)，高合金體系中氮溶解(jie)度出(chu)現了偏離 Sieverts 定律的現象，導致高氮氣(qi)壓力(li)下(xia)氮溶解(jie)度預測(ce)模(mo)型的準確度大(da)幅降(jiang)低。
如圖2-3和圖2-4所示(shi)，當(dang)鉻、錳等(deng)含量(liang)較(jiao)高(gao)時，高(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓力(li)(li)(li)(li)下(xia)合(he)金熔體(ti)的(de)(de)氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)(du)(du)達到了較(jiao)高(gao)的(de)(de)數值(zhi)，此時僅能在小范圍內呈(cheng)線(xian)性關(guan)系，合(he)金中(zhong)的(de)(de)氮(dan)(dan)含量(liang)依然(ran)能隨(sui)著(zhu)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)增加而(er)持續提(ti)高(gao)，但與低氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓力(li)(li)(li)(li)時相比，高(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓力(li)(li)(li)(li)下(xia)氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)增加趨勢(shi)明(ming)顯變(bian)緩(huan)。高(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓力(li)(li)(li)(li)下(xia)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓力(li)(li)(li)(li)對氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)提(ti)升(sheng)作用(yong)被削弱，具體(ti)表現(xian)為實測(ce)的(de)(de)氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)(du)(du)［％N]低于(yu)(yu)根據Sieverts定律計算(suan)的(de)(de)值(zhi)，即圖中(zhong)各個實線(xian)（實驗(yan)值(zhi)）均處于(yu)(yu)相應虛線(xian)（計算(suan)值(zhi)）下(xia)方。同時，兩曲線(xian)的(de)(de)偏離程度(du)(du)(du)隨(sui)著(zhu)鉻、錳等(deng)元素(su)含量(liang)的(de)(de)增加而(er)變(bian)得嚴重。這(zhe)表明(ming)在氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓力(li)(li)(li)(li)大于(yu)(yu)0.1MPa的(de)(de)冶煉(lian)氣(qi)(qi)(qi)氛(fen)中(zhong)，尤其是(shi)當(dang)金屬熔體(ti)含有較(jiao)高(gao)量(liang)具有提(ti)升(sheng)氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)(du)(du)能力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)合(he)金元素(su)時，氮(dan)(dan)溶解(jie)度(du)(du)(du)很高(gao)，其與氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)壓力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)關(guan)系將(jiang)不再符(fu)合(he) Sieverts定律。
1993年Rawers等(deng)［24]通過實驗研究(jiu)了Fe-Cr和Fe-Cr-Ni等(deng)合金(jin)體系(xi)在(zai)高氮氣(qi)(qi)壓力(li)(li)下氮的溶解度(du)(du)(du)模型。圖2-5給出了不同氮氣(qi)(qi)壓力(li)(li)下氮活度(du)(du)(du)系(xi)數InfN隨鉻濃(nong)度(du)(du)(du)變化(hua)曲線。對于鐵基合金(jin)，在(zai)低鉻濃(nong)度(du)(du)(du)范(fan)圍內，lnfN與鉻濃(nong)度(du)(du)(du)之間存在(zai)線性關系(xi)，其斜(xie)率(lv)隨著氮氣(qi)(qi)壓力(li)(li)的增加而變化(hua)；在(zai)較高鉻濃(nong)度(du)(du)(du)時，則明顯偏(pian)離線性關系(xi)。
基于對(dui)實(shi)驗(yan)數據(ju)的回歸(gui)分析，獲得了(le)Fe-Cr與(yu)Fe-Cr-Ni體系氮溶(rong)解度(du)模型中各(ge)相(xiang)互(hu)作用(yong)系數，見表2-3.通過(guo)成分相(xiang)互(hu)作用(yong)和氮氣(qi)壓(ya)力(li)－成分效應對(dui)氮溶(rong)解度(du)模型的修正，可以(yi)更精確地預測(ce)高合(he)金(jin)體系在(zai)高氮氣(qi)壓(ya)力(li)條件下的氮溶(rong)解度(du)。
為了(le)(le)(le)(le)進一步(bu)修(xiu)正高(gao)氮(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力下的(de)(de)氮(dan)(dan)溶解(jie)度模(mo)型，2005年Jiang(姜周(zhou)華）等［25]根據實驗研究(jiu)(jiu)和文獻報(bao)道(dao)的(de)(de)數據，回歸分(fen)析得到(dao)了(le)(le)(le)(le)氮(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力對(dui)氮(dan)(dan)的(de)(de)相互(hu)作(zuo)用系(xi)數8,反映了(le)(le)(le)(le)常(chang)壓(ya)(ya)以上(shang)的(de)(de)高(gao)氮(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力對(dui)氮(dan)(dan)活(huo)度系(xi)數的(de)(de)影響。該研究(jiu)(jiu)通(tong)過考慮氮(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力的(de)(de)影響，對(dui)高(gao)壓(ya)(ya)下氮(dan)(dan)活(huo)度系(xi)數進行(xing)修(xiu)正［式（2-19)],從而建立了(le)(le)(le)(le)高(gao)氮(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力下的(de)(de)氮(dan)(dan)溶解(jie)熱力學模(mo)型來(lai)預測高(gao)氮(dan)(dan)不銹鋼熔(rong)體中的(de)(de)氮(dan)(dan)溶解(jie)度：
經過修(xiu)正后，重新(xin)利用氮(dan)溶(rong)解(jie)熱(re)力(li)(li)(li)學模(mo)(mo)(mo)型(xing)計(ji)算(suan)(suan)了文獻(xian)(xian)中(zhong)1873K下(xia)純鐵、Fe-Cr和(he)Fe-Mn 等合(he)金(jin)體系(xi)在高氮(dan)氣壓(ya)力(li)(li)(li)下(xia)的(de)(de)(de)氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)隨(sui)氮(dan)氣壓(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)變化，并(bing)(bing)與(yu)實(shi)驗數據(ju)進行了比較(jiao)，如圖2-6所示。同時(shi)，圖2-7比較(jiao)了氮(dan)活度(du)(du)系(xi)數計(ji)算(suan)(suan)式中(zhong)壓(ya)力(li)(li)(li)項(xiang)修(xiu)正后的(de)(de)(de)氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)模(mo)(mo)(mo)型(xing)計(ji)算(suan)(suan)值(zhi)(zhi)與(yu)文獻(xian)(xian)實(shi)測(ce)(ce)值(zhi)(zhi)。結(jie)果(guo)表明，修(xiu)正后的(de)(de)(de)模(mo)(mo)(mo)型(xing)預測(ce)(ce)值(zhi)(zhi)與(yu)Jiang等及(ji)Satir-Kolorz和(he)Feichtinger的(de)(de)(de)測(ce)(ce)量值(zhi)(zhi)非(fei)常吻(wen)合(he)，略小于Rawers和(he)Gokcen[26]的(de)(de)(de)測(ce)(ce)量值(zhi)(zhi)。該差異(yi)可能(neng)是由計(ji)算(suan)(suan)中(zhong)選擇的(de)(de)(de)溫度(du)(du)為(wei)(wei)1923K而引起的(de)(de)(de)，因為(wei)(wei)當(dang)熔體以緩慢(man)的(de)(de)(de)冷卻速率降低(di)到液相線時(shi)，氮(dan)濃度(du)(du)會(hui)增加。驗證(zheng)結(jie)果(guo)表明，經壓(ya)力(li)(li)(li)項(xiang)修(xiu)正后的(de)(de)(de)氮(dan)溶(rong)解(jie)熱(re)力(li)(li)(li)學模(mo)(mo)(mo)型(xing)，適用于計(ji)算(suan)(suan)高氮(dan)氣壓(ya)力(li)(li)(li)下(xia)不銹鋼的(de)(de)(de)氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)。在著作 Mastering P-ESR Technology for High Nitrogen Steel Grades for HighValue Applications中(zhong)，Carosi等認為(wei)(wei)Jiang等建(jian)立的(de)(de)(de)氮(dan)溶(rong)解(jie)度(du)(du)模(mo)(mo)(mo)型(xing)的(de)(de)(de)預測(ce)(ce)值(zhi)(zhi)與(yu)工(gong)業結(jie)果(guo)非(fei)常符合(he)，并(bing)(bing)將此(ci)模(mo)(mo)(mo)型(xing)應用到動(dong)態模(mo)(mo)(mo)型(xing)的(de)(de)(de)仿(fang)真(zhen)計(ji)算(suan)(suan)中(zhong)。
基(ji)于高氮(dan)(dan)氣壓(ya)力下氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度模型(xing)的(de)修正，本書作者(zhe)針對(dui)含Nb和(he)含V鋼(gang)種，進(jin)一步研究了(le)其氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)熱力學行為，通過補(bu)充(chong)完善鋼(gang)液中Nb和(he)V對(dui)氮(dan)(dan)活度的(de)相互作用系數(shu)，構建了(le)包含 Nb、V體系鋼(gang)種或合金(jin)在氮(dan)(dan)氣加壓(ya)下的(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度模型(xing)：
2. 合金元(yuan)素成(cheng)分對氮(dan)溶解度的影響
a. 合金元素對氮(dan)的活(huo)度(du)相互作用系(xi)數
氮(dan)(dan)在鐵(tie)基合(he)金(jin)(jin)(jin)熔體中(zhong)的(de)(de)(de)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)受其合(he)金(jin)(jin)(jin)成分(fen)(fen)的(de)(de)(de)影響顯(xian)著(zhu)，許多(duo)常用(yong)(yong)合(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)可有效地(di)提高氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)，同時也(ye)有部分(fen)(fen)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)會降低氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)。一(yi)般可以用(yong)(yong)各合(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)對氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)一(yi)階活度(du)(du)相(xiang)(xiang)互作(zuo)用(yong)(yong)系(xi)數（表(biao)2-4)來表(biao)征合(he)金(jin)(jin)(jin)成分(fen)(fen)對氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)的(de)(de)(de)影響，當其值(zhi)(zhi)為負時，相(xiang)(xiang)應(ying)的(de)(de)(de)合(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)可降低熔體中(zhong)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)活度(du)(du)系(xi)數，增(zeng)加氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)；當其值(zhi)(zhi)為正時，相(xiang)(xiang)應(ying)的(de)(de)(de)合(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)則增(zeng)大(da)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)活度(du)(du)系(xi)數，降低氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)(jie)(jie)度(du)(du)。
合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)對(dui)氮的(de)活度相(xiang)(xiang)互作用系數，實質上表征了該合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)與氮元(yuan)(yuan)素(su)的(de)原子(zi)(zi)(zi)(zi)間親(qin)和(he)力(li)，這與其在(zai)元(yuan)(yuan)素(su)周期表中(zhong)的(de)位(wei)(wei)置(zhi)密切相(xiang)(xiang)關，因為元(yuan)(yuan)素(su)的(de)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)結構與它(ta)們在(zai)周期表中(zhong)的(de)位(wei)(wei)置(zhi)相(xiang)(xiang)對(dui)應。從合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)的(de)微觀結構來(lai)看(kan)，同一周期中(zhong)，從左到右，元(yuan)(yuan)素(su)核(he)外電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)層數相(xiang)(xiang)同，而最外層電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)數增(zeng)加，原子(zi)(zi)(zi)(zi)半徑(jing)遞減（0族(zu)元(yuan)(yuan)素(su)除外）；同一族(zu)中(zhong)，從上到下，所有元(yuan)(yuan)素(su)具有相(xiang)(xiang)同數量的(de)價(jia)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)，而核(he)外電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)層數逐(zhu)漸增(zeng)多，原子(zi)(zi)(zi)(zi)半徑(jing)增(zeng)大(da)(da)。原子(zi)(zi)(zi)(zi)半徑(jing)大(da)(da)的(de)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)對(dui)氮的(de)親(qin)和(he)力(li)普遍較強。
圖(tu)2-8給(gei)出了在(zai)1873K、0.1MPa氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力下(xia)Fe-X二(er)元(yuan)(yuan)(yuan)合金體(ti)系中(zhong)(zhong)各種常(chang)見金元(yuan)(yuan)(yuan)素X對氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)的(de)(de)(de)影(ying)響。在(zai)合金熔(rong)(rong)體(ti)中(zhong)(zhong)，提(ti)高(gao)Mo、Mn、Ta、Cr、Nb和V等元(yuan)(yuan)(yuan)素的(de)(de)(de)含量(liang)能(neng)夠(gou)顯著(zhu)增大熔(rong)(rong)體(ti)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)。例如，在(zai)1873K和氮(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)力為(wei)0.1MPa條件下(xia)，Cr、Mn等典型(xing)合金元(yuan)(yuan)(yuan)素能(neng)夠(gou)提(ti)高(gao)高(gao)氮(dan)(dan)無鎳奧氏體(ti)不銹(xiu)鋼熔(rong)(rong)體(ti)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)，其中(zhong)(zhong)20%Cr-20%Mn合金體(ti)系中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)可達0.8%以上(shang)，如圖(tu)2-9所示。然而，提(ti)高(gao)C、Si等元(yuan)(yuan)(yuan)素的(de)(de)(de)含量(liang)則會明顯降(jiang)低熔(rong)(rong)體(ti)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)，其他元(yuan)(yuan)(yuan)素（如Ni、Co、Cu、Sn和W等）含量(liang)的(de)(de)(de)變化則對熔(rong)(rong)體(ti)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)影(ying)響相對較小。
如(ru)圖2-10所示，根(gen)據(ju)對氮(dan)在熔體(ti)中(zhong)(zhong)溶(rong)(rong)解度的(de)影響(xiang)規律(lv)不(bu)同，合(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素大體(ti)可以分為(wei)三大類(lei)(lei)：①. 第一(yi)類(lei)(lei)為(wei)對熔融鐵(tie)基合(he)(he)金(jin)(jin)中(zhong)(zhong)氮(dan)溶(rong)(rong)解度具(ju)有(you)顯著(zhu)提升作(zuo)用的(de)合(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素，如(ru)Cr、Mo、Mn、Ti、Zr、V和Nb等(deng)，其中(zhong)(zhong)Ti、Zr、V和Nb具(ju)有(you)強(qiang)烈(lie)的(de)形(xing)成氮(dan)化物的(de)趨勢。Cr作(zuo)為(wei)不(bu)銹鋼(gang)(gang)的(de)重要合(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素之一(yi)，能(neng)夠顯著(zhu)提高熔融鐵(tie)基合(he)(he)金(jin)(jin)的(de)氮(dan)溶(rong)(rong)解度，其與(yu)Ti、Zr、V和Nb相比(bi)，形(xing)成氮(dan)化物的(de)趨勢較小(xiao)(xiao)。②. Ni、Co和Cu等(deng)元(yuan)素為(wei)第二類(lei)(lei)，對氮(dan)溶(rong)(rong)解度的(de)影響(xiang)較小(xiao)(xiao)。其中(zhong)(zhong)Ni是不(bu)銹鋼(gang)(gang)中(zhong)(zhong)重要的(de)合(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素，但(dan)它對氮(dan)溶(rong)(rong)解度的(de)負面(mian)影響(xiang)會降低高氮(dan)合(he)(he)金(jin)(jin)中(zhong)(zhong)的(de)氮(dan)含量。③. 第三類(lei)(lei)為(wei)C、Si等(deng)非金(jin)(jin)屬元(yuan)素和A1等(deng)元(yuan)素，具(ju)有(you)明顯降低熔體(ti)氮(dan)溶(rong)(rong)解度的(de)作(zuo)用。
b. 合金元素的鉻等效(xiao)因子(zi)與鉻當量濃度
除合金(jin)元素(su)(su)對氮的(de)活(huo)度(du)(du)(du)相(xiang)互作用(yong)系(xi)數(shu)外，也可以(yi)通(tong)過(guo)參考(kao)元素(su)(su)的(de)等(deng)(deng)(deng)效(xiao)作用(yong)來描述不同(tong)元素(su)(su)對熔體氮溶解度(du)(du)(du)的(de)影響(xiang)。較為(wei)(wei)典(dian)型的(de)是以(yi)鉻(ge)(ge)(ge)為(wei)(wei)參考(kao)，因為(wei)(wei)鉻(ge)(ge)(ge)具有相(xiang)當強的(de)增加氮溶解度(du)(du)(du)的(de)作用(yong)，并且(qie)被認為(wei)(wei)是合金(jin)材料中最重要的(de)合金(jin)元素(su)(su)之一。在活(huo)度(du)(du)(du)相(xiang)互作用(yong)系(xi)數(shu)的(de)基礎(chu)上(shang)，Satir-Kolorz與Feichtinger 換(huan)算了(le)各種合金(jin)元素(su)(su)的(de)鉻(ge)(ge)(ge)等(deng)(deng)(deng)效(xiao)因子(zi)c.表2-4列出了(le)Ti、Zr、V、Nb、Ta、W、C、B、Al、Si、P、As、Sb和Sn等(deng)(deng)(deng)元素(su)(su)的(de)鉻(ge)(ge)(ge)等(deng)(deng)(deng)效(xiao)因子(zi)。對于不同(tong)合金(jin)體系(xi)，可以(yi)將體系(xi)中各種合金(jin)元素(su)(su)X;的(de)濃(nong)度(du)(du)(du)乘(cheng)以(yi)相(xiang)應(ying)的(de)鉻(ge)(ge)(ge)等(deng)(deng)(deng)效(xiao)因子(zi)獲(huo)得對應(ying)的(de)鉻(ge)(ge)(ge)當量(liang)濃(nong)度(du)(du)(du)。據此，可將熔體中所有合金(jin)元素(su)(su)X;的(de)濃(nong)度(du)(du)(du)轉換(huan)為(wei)(wei)鉻(ge)(ge)(ge)當量(liang)濃(nong)度(du)(du)(du)。
通過實驗測量鋼中的(de)平衡氮(dan)含量，得(de)到(dao)了(le)(le)合(he)(he)金體系(xi)(xi)對應的(de)數值，如圖2-11中空心點所(suo)示；通過式（2-23)計算可(ke)以(yi)(yi)得(de)到(dao)不同鉻當(dang)量濃(nong)(nong)度(du)(du)(du)與0.51gPN2-lg[%N]-e≈[%N](氮(dan)活度(du)(du)(du)系(xi)(xi)數）之間(jian)的(de)關系(xi)(xi)曲(qu)線(xian)(xian)，兩符(fu)合(he)(he)良好，驗證了(le)(le)此(ci)等效(xiao)方法的(de)合(he)(he)理性。此(ci)研究的(de)特(te)別之處在于(yu)，通過鉻當(dang)量濃(nong)(nong)度(du)(du)(du)來間(jian)接表示多種合(he)(he)金元(yuan)素在大(da)濃(nong)(nong)度(du)(du)(du)范圍內的(de)所(suo)有數據，可(ke)以(yi)(yi)將(jiang)復雜的(de)多組(zu)元(yuan)熔(rong)體等效(xiao)為鐵(tie)－氮(dan)－鉻三(san)元(yuan)體系(xi)(xi)后計算氮(dan)的(de)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)。基于(yu)鉻等效(xiao)因子，通過鉻當(dang)量濃(nong)(nong)度(du)(du)(du)的(de)換算并參考關系(xi)(xi)曲(qu)線(xian)(xian)（圖2-11),復雜的(de)多組(zu)元(yuan)熔(rong)體氮(dan)溶解(jie)(jie)度(du)(du)(du)可(ke)統一(yi)表示為
3. 溫度對(dui)氮(dan)溶解度的影響
溫(wen)度對(dui)合(he)金(jin)(jin)熔(rong)(rong)體(ti)中(zhong)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度的(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang)，取決(jue)(jue)于氮(dan)(dan)在合(he)金(jin)(jin)熔(rong)(rong)體(ti)中(zhong)的(de)(de)溶(rong)解(jie)反應為吸熱還是放熱過(guo)程，即氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)反應焓變ΔH的(de)(de)正負(fu)。在一定氮(dan)(dan)氣壓力下，對(dui)于不(bu)(bu)(bu)同(tong)合(he)金(jin)(jin)成(cheng)分的(de)(de)熔(rong)(rong)體(ti)而(er)言，氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度對(dui)溫(wen)度的(de)(de)依賴性（溫(wen)度對(dui)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度的(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang)趨(qu)勢）是不(bu)(bu)(bu)同(tong)的(de)(de)，且隨溫(wen)度的(de)(de)變化程度也不(bu)(bu)(bu)同(tong)，這是由(you)該熔(rong)(rong)體(ti)中(zhong)合(he)金(jin)(jin)元素的(de)(de)種類與(yu)含(han)量共同(tong)決(jue)(jue)定的(de)(de)，即ΔH的(de)(de)正負(fu)是由(you)合(he)金(jin)(jin)成(cheng)分決(jue)(jue)定的(de)(de)。
0.1MPa氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓力下常見的(de)(de)(de)Fe-Cr-Mn-Ni合(he)(he)金(jin)體系在1750~2000K溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)范圍內(nei)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)與溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)關系如圖2-12所(suo)示。可(ke)以看出(chu)，純鐵(tie)和(he)Fe20Ni合(he)(he)金(jin)體系的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)較低，并且隨(sui)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)升高逐(zhu)漸(jian)增(zeng)(zeng)大。隨(sui)著熔(rong)體中(zhong)鉻、錳(meng)等元素(su)含量的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)，如Fe18Mn和(he)Fe18Cr等合(he)(he)金(jin)體系，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)顯(xian)著增(zeng)(zeng)大，溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)對氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)影響(xiang)更加(jia)明顯(xian)，且隨(sui)著溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)下降(jiang)，熔(rong)體中(zhong)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)逐(zhu)漸(jian)增(zeng)(zeng)大。Fe18Cr8Ni合(he)(he)金(jin)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)對溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)依賴性(xing)也為負；此(ci)外，由于(yu)鎳具有降(jiang)低氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)作用，相對于(yu)Fe18Cr合(he)(he)金(jin)，Fe18Cr8Ni合(he)(he)金(jin)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)度(du)(du)(du)(du)隨(sui)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)變(bian)化的(de)(de)(de)趨(qu)勢比較平(ping)緩(huan)。
從溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)熱(re)力(li)學理(li)論來(lai)看，在(zai)合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)成分(fen)與(yu)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)一(yi)定的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)條件下，溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)對氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響規(gui)律為：若式（2-36)中(zhong)參(can)數(shu)a<0,即(ji)焓(han)變(bian)ΔH>0時，氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)反應為吸(xi)熱(re)過程，氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)隨溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)升(sheng)(sheng)(sheng)高而(er)增(zeng)大；若a>0,即(ji)焓(han)變(bian)ΔH<0時，反為放熱(re)過程，氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)隨溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)升(sheng)(sheng)(sheng)高而(er)減小。因此，溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)對氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響取決(jue)于(yu)焓(han)變(bian)ΔH數(shu)值的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)正負(fu)和大小，最終(zhong)歸結為合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)成分(fen)決(jue)定氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)依賴性。利用氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)模型，Satir-Kolorz 等(deng)探究了不(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)體系(xi)(xi)在(zai)0.1MPa和5MPa氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)下，1750~2000K 范圍內氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)與(yu)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)關(guan)系(xi)(xi)，如圖2-13所示(shi)。結果與(yu)上面(mian)分(fen)析的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)致，在(zai)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)一(yi)定的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)條件下，溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)對氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響取決(jue)于(yu)合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)成分(fen)：含有增(zeng)加氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)元(yuan)素（如Mn、Cr、Mo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)鐵(tie)基合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)（Fe-Cr和Fe-Mn合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)體系(xi)(xi)），氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)隨著溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)升(sheng)(sheng)(sheng)高而(er)降低；而(er)對于(yu)含有降低氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)元(yuan)素的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)鐵(tie)基合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)（如Fe-Ni合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)），隨著溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)升(sheng)(sheng)(sheng)高，熔體中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)解(jie)(jie)(jie)度(du)(du)(du)增(zeng)大。
4. 氮(dan)氣壓力(li)對氮(dan)溶解度的影響
鑒于(yu)高氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)鋼產品對高氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)含量的(de)(de)需求，在常壓(ya)(ya)(ya)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣環境中(zhong)無(wu)法實現(xian)鋼液的(de)(de)高效增氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)和(he)保氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)，提高冶(ye)煉(lian)過程的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)(ya)力成(cheng)為有效手(shou)段。氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣加(jia)壓(ya)(ya)(ya)冶(ye)煉(lian)技術，不(bu)僅能夠通過促(cu)進氣相－合金熔(rong)體間的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)反應實現(xian)更佳的(de)(de)增氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)效果(guo)，在抑(yi)制(zhi)高氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃度鋼液凝固過程中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣孔的(de)(de)形成(cheng)方(fang)面(mian)也(ye)發揮著重要(yao)作(zuo)用。研究不(bu)同氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)(ya)力下(xia)合金熔(rong)體中(zhong)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度，成(cheng)為精確控(kong)制(zhi)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣加(jia)壓(ya)(ya)(ya)冶(ye)煉(lian)工藝鋼中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)含量的(de)(de)重要(yao)理論(lun)基礎。在常壓(ya)(ya)(ya)［如(ru)(ru)圖2-14(a)和(he)加(jia)壓(ya)(ya)(ya)［如(ru)(ru)圖2-14(b)]條(tiao)件(jian)下(xia)，液態鐵基合金中(zhong)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶解(jie)度隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)(ya)力的(de)(de)提高而顯著增大(da)。
a. 低氮(dan)氣(qi)壓力
如前所述，氮(dan)(dan)氣在(zai)金屬熔體中的(de)溶(rong)解屬于雙(shuang)原子(zi)分子(zi)的(de)溶(rong)解過程，在(zai)低氮(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力范圍內(nei)，氮(dan)(dan)溶(rong)解度隨(sui)氮(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力的(de)變化符合Sieverts定(ding)律。眾(zhong)多研究(jiu)已經證實(shi)，在(zai)小于0.1MPa的(de)低氮(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力范圍內(nei)，不銹鋼體系(xi)（表2-5中1~3號(hao)）的(de)氮(dan)(dan)溶(rong)解度與氮(dan)(dan)氣壓(ya)(ya)力的(de)關系(xi)符合 Sieverts定(ding)律，即(ji)呈(cheng)線(xian)性相關，如圖2-15所示。
為了進一步驗證不(bu)同氮氣(qi)壓力下 Sieverts定(ding)律的適用情(qing)況，Jiang(姜周華）等研究了氮氣(qi)壓力不(bu)高于0.1MPa,即(ji)低氮氣(qi)壓力下典(dian)型不(bu)銹鋼品種AISI304和AISI 316L 熔體中氮溶(rong)解度與氮氣(qi)壓力的關(guan)系，結果如圖2-16所(suo)示。隨(sui)著(zhu)氮氣(qi)壓力的增加，氮在(zai)兩類典(dian)型不(bu)銹鋼熔體中的溶(rong)解度顯著(zhu)提升(sheng)，并且與氮氣(qi)壓力的關(guan)系符合Sieverts定(ding)律。
b. 高(gao)氮(dan)氣壓力(li)
隨著冶煉過程中氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓力的(de)(de)進一步提(ti)高(gao)，各種合金體系(xi)(xi)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)(du)均會增(zeng)大。純鐵液的(de)(de)飽和(he)氮(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)(du)不(bu)僅在(zai)常壓以下(xia)，而且在(zai)0.1~200MPa的(de)(de)高(gao)壓范圍內也始終與氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓力的(de)(de)平方根呈(cheng)線性(xing)關(guan)系(xi)(xi)。這(zhe)是因為即(ji)使在(zai)高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓力下(xia)純鐵液中的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)(du)也處(chu)于較(jiao)低(di)的(de)(de)水平，如(ru)圖2-17所(suo)示(shi)(shi)。在(zai)Fe-Ni合金體系(xi)(xi)中，由于鎳(nie)元素具有降低(di)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)(du)的(de)(de)作用，鎳(nie)含量越高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)(du)反(fan)而越低(di)，即(ji)使在(zai)高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓力下(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解度(du)(du)也處(chu)于較(jiao)低(di)水平。研究結果表明(ming)，高(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣壓力下(xia)Fe-Ni體系(xi)(xi)也符合 Sieverts定律(lv)，如(ru)圖2-18所(suo)示(shi)(shi)。
然而，隨(sui)著高氮(dan)鋼品種(zhong)的(de)開(kai)發和冶煉工藝(yi)的(de)發展，大(da)量研究顯示(shi)，對于(yu)較(jiao)(jiao)高氮(dan)氣(qi)壓(ya)力下的(de)Fe-Cr-Mn-Ni-Mo等高合金(jin)體系(xi)（表2-5中(zhong)4~6號），氮(dan)溶解(jie)度隨(sui)氮(dan)氣(qi)壓(ya)力的(de)變(bian)化(hua)與Sieverts定(ding)律(lv)描述的(de)線(xian)性關(guan)系(xi)產(chan)生了(le)較(jiao)(jiao)大(da)的(de)偏差，如(ru)圖(tu)2-19所示(shi)。
圖2-19 1873K 高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)平(ping)方根的(de)變化氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)與Sieverts 定(ding)律(lv)的(de)偏離(li)，并非(fei)存(cun)在(zai)于所有(you)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)的(de)情(qing)況，與合金熔體(ti)(ti)成分密(mi)切相(xiang)(xiang)關(guan)。上(shang)述純鐵(tie)液和Fe-Ni合金這兩類(lei)低氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)體(ti)(ti)系就是(shi)偏差不顯著的(de)實例；相(xiang)(xiang)反，具有(you)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)的(de)合金熔體(ti)(ti)（如Fe-Cr-Mn體(ti)(ti)系）在(zai)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)通常不符合 Sieverts 定(ding)律(lv)。由(you)此(ci)可以推(tui)測，高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)提高(gao)(gao)較慢的(de)原(yuan)(yuan)因是(shi)，高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)熔體(ti)(ti)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)處于較高(gao)(gao)水平(ping)，不再(zai)滿足無(wu)限稀(xi)釋溶(rong)液的(de)理想情(qing)況。此(ci)時，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)子之(zhi)間存(cun)在(zai)自(zi)身相(xiang)(xiang)互(hu)作用(yong)，彼此(ci)之(zhi)間的(de)相(xiang)(xiang)斥效(xiao)應將會導致氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)的(de)降(jiang)低；氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)濃度(du)越高(gao)(gao)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)自(zi)身的(de)相(xiang)(xiang)斥作用(yong)越明顯。由(you)此(ci)可知(zhi)，高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)下(xia)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度(du)與Sieverts 定(ding)律(lv)的(de)偏離(li)主要由(you)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)自(zi)身相(xiang)(xiang)互(hu)作用(yong)導致，而高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)通常是(shi)熔體(ti)(ti)中(zhong)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)含量的(de)一個關(guan)鍵誘因。
對(dui)于圖2-17和(he)圖2-18中純(chun)鐵液、低(di)合金(jin)鋼或(huo)類似Fe-Ni合金(jin)等(deng)低(di)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)體(ti)(ti)系(xi)(xi)而言，氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)自身(shen)相互作用幾乎(hu)可以忽略，在高(gao)(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)下(xia)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度與氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)平方根也接近線性關系(xi)(xi)。常見的(de)(de)(de)(de)(de)(de)具(ju)有(you)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)Fe-Cr-Mn等(deng)體(ti)(ti)系(xi)(xi)則不(bu)同，在高(gao)(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)下(xia)高(gao)(gao)合金(jin)含量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)熔體(ti)(ti)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度可達(da)1%以上，超出(chu) Sieverts定(ding)律的(de)(de)(de)(de)(de)(de)適用范(fan)圍。定(ding)義Sieverts定(ding)律對(dui)氮(dan)(dan)溶(rong)解(jie)度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)壓力(li)適用極限，為開始(shi)出(chu)現明顯偏(pian)差的(de)(de)(de)(de)(de)(de)臨界(jie)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)，如圖2-20所示，不(bu)同鉻含量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)Fe-Cr合金(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)壓力(li)適用極限不(bu)同（實(shi)驗數據來源于Torkhov等(deng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)研究）。隨著(zhu)鉻和(he)氮(dan)(dan)含量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)加，Sieverts定(ding)律的(de)(de)(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)適用極限快速降低(di)，高(gao)(gao)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)壓力(li)下(xia)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)偏(pian)差程度也變得更為顯著(zhu)。
針對高(gao)(gao)合(he)金、高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)體系(xi)(xi)(xi)在(zai)(zai)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)(li)下氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)熱力(li)(li)學偏(pian)離 Sieverts定律的(de)(de)(de)現象(xiang)，可通過(guo)熔體中各類原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)之(zhi)(zhi)間存在(zai)(zai)的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)來解(jie)(jie)釋氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)機制。圖2-21(a)顯示了單個氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)在(zai)(zai)鐵(tie)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)晶格中的(de)(de)(de)賦存狀(zhuang)況(kuang)：由(you)于(yu)(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)處于(yu)(yu)無限(xian)稀釋的(de)(de)(de)狀(zhuang)態，它只與鐵(tie)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)存在(zai)(zai)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)，不發生氮(dan)(dan)(dan)(dan)自(zi)身的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)。圖2-21(b)顯示了高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)濃(nong)度(du)下（如在(zai)(zai)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)(li)下）的(de)(de)(de)鐵(tie)－氮(dan)(dan)(dan)(dan)二(er)元(yuan)合(he)金晶格：氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)周圍除(chu)相(xiang)(xiang)(xiang)鄰(lin)的(de)(de)(de)鐵(tie)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)外(wai)，也存在(zai)(zai)臨近的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)間彼(bi)此(ci)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)抑制，從(cong)而(er)導致(zhi)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)降低并偏(pian)離 Sieverts 定律的(de)(de)(de)預測(ce)曲線。這種自(zi)身作(zuo)(zuo)用(yong)可由(you)自(zi)身活(huo)度(du)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)系(xi)(xi)(xi)數來表示，由(you)于(yu)(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)之(zhi)(zhi)間處于(yu)(yu)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)抑制的(de)(de)(de)狀(zhuang)態，自(zi)身活(huo)度(du)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)系(xi)(xi)(xi)數e值(zhi)為(wei)正數。圖2-21(c)顯示了鐵(tie)－鉻(ge)－氮(dan)(dan)(dan)(dan)三元(yuan)合(he)金的(de)(de)(de)晶格：由(you)于(yu)(yu)鉻(ge)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)之(zhi)(zhi)間具有(you)很強(qiang)的(de)(de)(de)吸引力(li)(li)，其相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)系(xi)(xi)(xi)數為(wei)負值(zhi)。在(zai)(zai)此(ci)結構中，由(you)于(yu)(yu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)向鉻(ge)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)偏(pian)移(yi)，就有(you)更(geng)多空(kong)間留給額外(wai)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，從(cong)而(er)產生較高(gao)(gao)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)。不過(guo)隨著氮(dan)(dan)(dan)(dan)濃(nong)度(du)的(de)(de)(de)增加，氮(dan)(dan)(dan)(dan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)對自(zi)身的(de)(de)(de)強(qiang)烈排斥作(zuo)(zuo)用(yong)開始(shi)凸顯，因此(ci)在(zai)(zai)高(gao)(gao)鉻(ge)和(he)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)濃(nong)度(du)下，實際的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)度(du)隨氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)壓力(li)(li)的(de)(de)(de)變化規律與 Sieverts定律之(zhi)(zhi)間存在(zai)(zai)明顯的(de)(de)(de)偏(pian)差。
研究發現，在超(chao)過(guo)(guo)10MPa氮(dan)(dan)(dan)氣壓力的(de)條(tiao)(tiao)件下(xia)(xia)(xia)，將(jiang)合(he)金元(yuan)(yuan)素含(han)量提高(gao)至(zhi)45%,熔(rong)體的(de)氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)可以(yi)高(gao)達(da)3%以(yi)上。在氮(dan)(dan)(dan)濃(nong)度(du)如此高(gao)的(de)情況下(xia)(xia)(xia)，熔(rong)體不(bu)滿足使用(yong)Sieverts 定律的(de)前提條(tiao)(tiao)件，即無限稀釋溶(rong)液(ye)的(de)假設(she)，因(yin)此在此條(tiao)(tiao)件下(xia)(xia)(xia)，Sieverts定律無法準確(que)(que)預測氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)，必(bi)須引入一(yi)個(ge)附加(jia)的(de)活度(du)系(xi)(xi)數(shu)f,以(yi)體現氮(dan)(dan)(dan)對(dui)自(zi)(zi)身作(zuo)用(yong)的(de)影(ying)響。圖2-22顯示了實驗(yan)測得的(de)不(bu)同氮(dan)(dan)(dan)氣壓力下(xia)(xia)(xia)，不(bu)同合(he)金體系(xi)(xi)中氮(dan)(dan)(dan)溶(rong)解度(du)的(de)變化。首先在不(bu)考慮氮(dan)(dan)(dan)自(zi)(zi)身相(xiang)(xiang)互作(zuo)用(yong)的(de)情況下(xia)(xia)(xia)，通(tong)過(guo)(guo)對(dui)實驗(yan)結果進行回歸(gui)分析，確(que)(que)定鉻、錳、鉬和鎳(nie)等主要合(he)金元(yuan)(yuan)素對(dui)氮(dan)(dan)(dan)的(de)一(yi)階和二階活度(du)相(xiang)(xiang)互作(zuo)用(yong)系(xi)(xi)數(shu)。同時，從文獻數(shu)據中獲得其他合(he)金元(yuan)(yuan)素的(de)相(xiang)(xiang)互作(zuo)用(yong)系(xi)(xi)數(shu)。基(ji)于所有合(he)金對(dui)體系(xi)(xi)中氮(dan)(dan)(dan)活度(du)系(xi)(xi)數(shu)的(de)相(xiang)(xiang)互作(zuo)用(yong)系(xi)(xi)數(shu)，通(tong)過(guo)(guo)回歸(gui)分析確(que)(que)定氮(dan)(dan)(dan)對(dui)自(zi)(zi)身的(de)活度(du)相(xiang)(xiang)互作(zuo)用(yong)系(xi)(xi)數(shu)e為0.13。e的(de)數(shu)值為正，表明氮(dan)(dan)(dan)含(han)量的(de)提高(gao)會(hui)增加(jia)活度(du)系(xi)(xi)數(shu)，降低(di)自(zi)(zi)身溶(rong)解度(du)。
