表9.70和表9.71分別列出了一些典型高氮奧氏體(ti)不銹(xiu)鋼(gang)的化學成分及其力學性能。
在固溶處理或退火狀態下,高氮奧氏體不(bu)銹鋼的屈服強度和抗拉強度超出傳統鋼200%~300%。氮增加強度的原因有固溶強化、對層錯能的影響、沉淀析出強化、有序強化等。
高(gao)氮鋼晶(jing)體(ti)(ti)結構一個主要特點是(shi)自由電(dian)子(zi)濃度的(de)增加,提(ti)高(gao)了(le)原子(zi)間金屬鍵鍵合,使電(dian)子(zi)在(zai)晶(jing)體(ti)(ti)結構中的(de)分布(bu)更均勻。因(yin)此,位錯滑移時并不減弱(ruo)或者破壞原子(zi)間結合,使材(cai)料(liao)具有高(gao)的(de)強度和高(gao)的(de)斷裂韌性,但(dan)氮含量高(gao)于0.5%時,因(yin)原子(zi)間金屬鍵鍵合下降(jiang)而不利于韌性。
在奧氏體鋼中,氮原子(zi)(zi)與位(wei)錯(cuo)的結(jie)合(he)能(neng)高于(yu)碳原子(zi)(zi)與位(wei)錯(cuo)的結(jie)合(he)能(neng),而且(qie)這種結(jie)合(he)能(neng)隨氮含量的增加而增加,因此氮原子(zi)(zi)比碳原子(zi)(zi)更能(neng)有效(xiao)地阻塞位(wei)錯(cuo)。
實驗證明,氮(dan)(dan)與碳不同,其(qi)在(zai)晶(jing)界的(de)偏析傾向不明顯,氮(dan)(dan)和晶(jing)界的(de)親和力很弱。這(zhe)可以解釋(shi)高氮(dan)(dan)鋼為(wei)何具有良好(hao)的(de)耐晶(jing)間腐蝕性能和高溫力學性能。
在鐵基固溶體(ti)中,氮原子與鄰近置換型合(he)金(jin)元(yuan)素傾向于(yu)金(jin)屬鍵結合(he),有(you)(you)助于(yu)短程有(you)(you)序(xu),這有(you)(you)利于(yu)合(he)金(jin)元(yuan)素更(geng)均勻(yun)地分(fen)布,增加了奧氏體(ti)的穩(wen)定(ding)性,抑制了沉淀析(xi)出和發生腐蝕。
大多(duo)數(shu)試(shi)驗結果認為,奧氏體(ti)鋼中添加(jia)氮會(hui)降低層(ceng)錯能(neng)。在含氮奧氏體(ti)不(bu)銹鋼的形(xing)變過(guo)程中,氮促(cu)進平面滑(hua)移(yi),這(zhe)是(shi)由于層(ceng)錯能(neng)低,能(neng)阻止位(wei)錯攀移(yi)出滑(hua)移(yi)面。
添加氮之后,會對奧氏體不銹鋼的沉淀析出行為產生很大的影響。通常,氮使M23C6型碳化物析出的時間變得更長,因為氮在這類碳化物中通常是不可溶的,從而推遲碳化物的形核,降低其形成速率。氮也降低碳原子和鉻原子的擴散能力,推遲碳化物的過時效,但鋼中的氮含量太高會導致氮化物Cr2N的沉淀析出。
含(han)碳(tan)(tan)的(de)奧氏(shi)(shi)體(ti)不銹鋼(gang)(gang)(gang)(gang)(gang)在(zai)(zai)溫(wen)度降至-269℃時,其屈(qu)服強(qiang)(qiang)度升高(gao)(gao)(gao)不多,而高(gao)(gao)(gao)氮(dan)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)(gang)的(de)屈(qu)服強(qiang)(qiang)度則(ze)(ze)隨溫(wen)度的(de)降低(di)而顯著提高(gao)(gao)(gao)。如(ru)果(guo)在(zai)(zai)23℃時含(han)氮(dan)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)(gang)的(de)屈(qu)服強(qiang)(qiang)度較(jiao)含(han)碳(tan)(tan)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)(gang)高(gao)(gao)(gao)出(chu)23%,則(ze)(ze)在(zai)(zai)-269℃時含(han)氮(dan)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)(gang)的(de)屈(qu)服強(qiang)(qiang)度則(ze)(ze)較(jiao)含(han)碳(tan)(tan)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)(gang)高(gao)(gao)(gao)出(chu)300%。因此,高(gao)(gao)(gao)氮(dan)奧氏(shi)(shi)體(ti)不銹鋼(gang)(gang)(gang)(gang)(gang)可用于制作超導磁體(ti)的(de)外殼,但應注意,高(gao)(gao)(gao)氮(dan)奧氏(shi)(shi)體(ti)不銹鋼(gang)(gang)(gang)(gang)(gang)在(zai)(zai)低(di)溫(wen)時會(hui)出(chu)現韌(ren)脆轉變溫(wen)度,如(ru)果(guo)高(gao)(gao)(gao)氮(dan)奧氏(shi)(shi)體(ti)不銹鋼(gang)(gang)(gang)(gang)(gang)中加入適(shi)量的(de)Mo和Ni則(ze)(ze)可以改善低(di)溫(wen)時鋼(gang)(gang)(gang)(gang)(gang)的(de)韌(ren)性(xing),同時降低(di)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)(gang)的(de)屈(qu)服強(qiang)(qiang)度。
冷變(bian)(bian)形(xing)(xing)是提高(gao)奧氏(shi)體不銹鋼強(qiang)(qiang)度(du)的(de)(de)有效手段,其效果遠高(gao)于固溶強(qiang)(qiang)化。冷變(bian)(bian)形(xing)(xing)對于高(gao)氮(dan)奧氏(shi)體不銹鋼的(de)(de)強(qiang)(qiang)化效果尤為顯著(zhu)。例如,在Fe-18Cr-(7~18)Mn-N合金中,在含氮(dan)1.07%和冷變(bian)(bian)形(xing)(xing)量為50%時, 可使鋼的(de)(de)屈服強(qiang)(qiang)度(du)超(chao)過2000MPa。氮(dan)還(huan)增加鋼的(de)(de)形(xing)(xing)變(bian)(bian)強(qiang)(qiang)化率,但對鋼的(de)(de)形(xing)(xing)變(bian)(bian)強(qiang)(qiang)化指(zhi)數n的(de)(de)影響(xiang)較小。
在奧(ao)氏體(ti)(ti)不銹鋼中(zhong)加入氮可以(yi)顯著(zhu)地提高(gao)奧(ao)氏體(ti)(ti)的穩定性,有(you)效地抑制(zhi)在變形過程(cheng)中(zhong)a'和ε(hcp)馬(ma)氏體(ti)(ti)的形成,甚至在低溫時(shi)也不會出現a'馬(ma)氏體(ti)(ti)。
在高氮奧氏體不銹鋼中的固溶氮含量可以高達約1%,當加熱溫度達到600~1050℃時,鋼變得不穩定而析出氮化物。如果鋼中不含強氮化物形成元素Ti、Nb、V時,主要析出的是Cr2N,有時還析出其他金屬間化合物。圖9.97為一種高氮奧氏體不銹鋼的TTP曲線。
當全部氮原子間隙固溶于奧氏(shi)體中時,鋼顯示出良好的(de)強(qiang)度(du)(du)和韌性(xing),但(dan)當有氮化(hua)物析出時,將導致鋼的(de)脆性(xing)出現,特別是在晶界和亞晶界析出的(de)氮化(hua)物對(dui)鋼的(de)沖擊(ji)韌性(xing)和動態應變(bian)的(de)塑性(xing)十分(fen)有害,但(dan)對(dui)鋼的(de)屈服強(qiang)度(du)(du)和抗拉強(qiang)度(du)(du)的(de)影響較小。
關(guan)于氮(dan)元素(su)對(dui)不(bu)(bu)銹鋼耐(nai)蝕(shi)性能的(de)(de)影(ying)響在9.5.2、9.6.2.3等節中已有論述,但(dan)高(gao)氮(dan)奧氏(shi)體不(bu)(bu)銹鋼中氮(dan)對(dui)耐(nai)蝕(shi)性能的(de)(de)影(ying)響報道(dao)較少。