氮对奥氏体不锈钢组织和性能的影响

氮早期主要用于铬锰氮(铬锰镍氮)奥氏体不锈钢中,以节约钢中的镍。近些年来,氮也日益成为铬镍奥氏体不锈钢中的重要合金元素。氮的作用除代替部分镍以节约贵重的镍元素外,主要是作为固溶强化元素提高奥氏体不锈钢的强度,但并不显著损害钢的塑性和韧性;同时,氮提高钢的耐腐蚀性能,特别是耐局部腐蚀,比如耐晶间腐蚀,点腐蚀和缝隙腐蚀等。
    近些年来,用氮合金化的奥氏体不锈钢的研究开发取得了较大的进展。目前应用的含氮奥氏体不锈钢可分为控氮型、中氮型和高氮型三种。控氮型为在超低碳(C≤0.02% – 0.030-/0)铬镍奥氏体不锈钢中加入0.05%  -0. 10%氮,用以提高钢的强度,使之达到含稳定化元素钛的或普通低碳(C≤0 .080-/0)奥氏体不锈钢的水平,同时耐晶间腐蚀和晶间应力腐蚀性能优良;中氮型含有0. 100-10  -0.50%氮,在正常大气压力条件下冶炼和浇注,所得到的氮合金化奥氏体不锈钢(包括铬镍氮、铬锰氮和铬锰镍氮型钢)目前以耐腐蚀为主要目的,同时具有较高的强度;高氮型氮含量在0. 40%以上,在加压条件下冶炼及浇注,主要在固溶态或半冷加工态下使用,既具有高强度,又耐腐蚀。现在氮含量达到0. 80-/0 -1 .00-10水平的高氮奥氏体不锈钢已开始工业化生产,并获得实际应用。
(一)氮对组织的影响
    氮是非常强烈地形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体相区的元素。它形成奥氏体的能力与碳相当,约为镍的30倍。氮在奥氏体不锈钢中可以代替部分镍,可以降低钢中的铁素体含量可以使奥氏体更稳定,甚至可避免出现马氏体转变。在铬镍奥氏体不锈钢中,随氮含量增加可形成Cr2N型氮化物。
(二)氮对性能的影响
    作为间隙元素的氮固溶强化作用很强,因而它的加入可显著提高奥氏体钢的强度。每加入0.10%氮可使铬镍奥氏体不锈钢的室温强度提高约60 – lOOMPa。近10年的研究表明,氮的大量加入可使高氮奥氏体不锈钢达到非常高的强度,而其断裂韧性并不降低,这对于工程用材料具有重要意义。
   氮对奥氏体不锈钢耐蚀性的影响随钢的化学成分、钢中氮含量及介质环境而异。在一些酸介质中,氮提高奥氏体不锈钢的耐一般腐蚀性能;适量氮还提高敏化态奥氏体不锈钢的耐晶间腐蚀性能;在氯化物环境中,氮提高奥氏体不锈钢耐点腐蚀和缝隙腐蚀的性能,这些都是非常显著的。研究表明,氮常常仅是强化铬、钼等元素在奥氏体不锈钢中的耐蚀作用。因此,钢中铬、钼的存在是氮改善奥氏体不锈钢耐蚀性作用的前提。显然氮在许多条件下对提高铬镍奥氏体不锈钢的耐蚀性都是有益的。实验表明,氮耐点腐蚀和缝隙腐蚀的能力相当于铬的约30倍。氮还可提高铬镍钼奥氏体不锈钢耐稀硫酸腐蚀的性能。
     适量氮可提高奥氏体不锈钢耐晶间腐蚀和晶间应力腐蚀的性能主要是由于氮降低铬在钢中的活性。氮作为表面活性元素优先沿晶界偏聚,抑制并延缓铬碳化物Cr23C6的析出,降低晶界处铬的贫化度,改善表面膜的性能。氮提高奥氏体不锈钢耐点腐蚀和缝隙腐蚀的性
能可能与氮在界面富集,使表面膜中富铬,提高钢的钝化能力及钝态稳定性有关。同时,氮还可形成NH4,抑制微区溶液pH值的下降;氮也会形成NO,一,有利于钢的钝化和再钝化,这也许是氮改善奥氏体不锈钢耐点腐蚀及缝隙腐蚀性能的原因之一。随着铬镍奥氏体不锈钢中氮含量的增加,当超过0. 120-/0  -0.15%时,钢的热、冷加工性及冷成形性等有所下降。热加工性的降低主要是由于钢中氮化物和碳氮化物的析出使钢的热塑性变坏,而氮的固溶强化作用又减缓了钢的回复速率。冷加工性和冷成形性的降低主要是由于氮的固溶强化作用所致。氮化物的大量析出还提高钢的晶间腐蚀敏感性。

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