氮元素對(duì)奧氏體不銹鋼性能影響有哪些

 20世紀(jì)以前，由于氮受到冶煉條件的影響很難加入到不銹鋼中，且認(rèn)為加入不銹鋼中的氮會(huì)降低鋼的塑性，直到20世紀(jì)以后氮在不銹鋼中的優(yōu)異性才逐步得到認(rèn)可。通過(guò)大量含氮不銹鋼的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)氮是奧氏體不銹鋼中既降低成本，又不損害性能的重要合金元素，對(duì)氮化合金奧氏體不銹鋼的研究開發(fā)起到了較大的推動(dòng)作用。由于氮元素在不銹鋼組織中起到強(qiáng)烈的擴(kuò)大奧氏體相區(qū)和穩(wěn)定奧氏體結(jié)構(gòu)的作用，所以早先為了節(jié)約奧氏體不銹鋼的成本，降低奧氏體不銹鋼中的鎳元素，同時(shí)加入一定量的氮元素，從而獲得具有單一穩(wěn)定的奧氏體組織的奧氏體不銹鋼。在此觀點(diǎn)的基礎(chǔ)上研究者們研究發(fā)展出來(lái)了AISI200系列不銹鋼。隨著人們對(duì)氮元素的不斷滲入了解，氮元素在不銹鋼中的作用也顯得越來(lái)越明顯，加氮元素的目的已經(jīng)不是單單為了節(jié)約成本，而是為了提高不銹鋼的組織性能。

一、氮元素對(duì)不銹鋼的組織的作用

 氮在不銹鋼中不僅具有擴(kuò)大奧氏體相區(qū)的作用，同時(shí)還具有能夠穩(wěn)定奧氏體組織的能力。另外，在鎳當(dāng)量計(jì)算中，氮當(dāng)量是鎳當(dāng)量的30倍，因此向鋼中加入氮可以達(dá)到節(jié)省成本和降低鐵素體含量的效果，同時(shí)往鋼中加入氮還可以抑制馬氏體和形變馬氏體的激活能，使得不銹鋼獲得單一的奧氏體組織且能夠保證組織的穩(wěn)定性。氮在鋼中與合金元素相互作用的重要性主要體現(xiàn)在形成彌散分布的氮化物這一現(xiàn)象，其中存在的彌散氮化物主要為Cr2N、CrN、MnN、M23(C,N)6。因?yàn)椴讳P鋼中的碳容易在晶間析出，導(dǎo)致材料腐蝕和晶間斷裂等問(wèn)題，通過(guò)往鋼中加入氮元素可以延緩碳化物及金屬間化合物在晶間的析出，同時(shí)在一定范圍內(nèi)擴(kuò)大熱處理區(qū)域，從而減緩該問(wèn)題的出現(xiàn)。

 由于氮元素在不銹鋼組織中起到強(qiáng)烈的擴(kuò)大奧氏體相區(qū)和穩(wěn)定奧氏體結(jié)構(gòu)的作用。因此，在不銹鋼中，氮元素的含量越高，其鋼中的奧氏體組織就越單一穩(wěn)定，而且隨著不銹鋼中氮含量的提高，鐵素體的形成就越困難，所以不銹鋼中奧氏體組織結(jié)構(gòu)就更加穩(wěn)定。早先的學(xué)者們認(rèn)為氮元素穩(wěn)定擴(kuò)大奧氏體相區(qū)的作用與碳元素相當(dāng)，大概相當(dāng)于鎳元素的30倍。從這個(gè)公式可以看出，氮元素穩(wěn)定擴(kuò)大奧氏體相區(qū)的作用相當(dāng)于鎳18倍，稍低于碳元素。由于碳元素在合金不銹鋼中形成大量的碳化物在晶界析出，這會(huì)導(dǎo)致晶界腐蝕、材料脆性等缺點(diǎn)的出現(xiàn)和增多，也因此碳元素不是較好的穩(wěn)定鋼中奧氏體相區(qū)的元素。但是氮元素在鋼種含量也不是越多越好，其一鋼中容氮能力有限，再者鋼中氮含量超過(guò)一定的值后，就會(huì)對(duì)鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度造成負(fù)面的影響，且隨著氮元素的增加該溫度會(huì)變大，從而降低材料韌性。

二、氮元素對(duì)不銹鋼的力學(xué)性能的作用

 圖為各合金元素對(duì)奧氏體不銹鋼屈服強(qiáng)度的影響，由圖可見(jiàn)，氮元素表現(xiàn)出最好的強(qiáng)化作用。氮作為不銹鋼中最主要的合金元素之一，對(duì)鋼的強(qiáng)化作用取決于氮在鋼中的存在形式，其一是以溶解態(tài)存在的氮，其二則以氮化物的形式出現(xiàn)。以上兩種狀態(tài)分別決定了氮在鋼中起固溶或氮化物沉淀析出兩種強(qiáng)化作用。高氮奧氏體不銹鋼比普通的奧氏體不銹鋼具有更高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，強(qiáng)度可以達(dá)到超過(guò)普通奧氏體不銹鋼的200-350%。易邦旺等人探討了氮含量對(duì)Mn18Cr18N鋼強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖1.2所示[12]。從圖中可以明顯的看出Mn18Cr18N鋼的強(qiáng)度與氮含量呈現(xiàn)出正比的關(guān)系，即強(qiáng)度隨著氮含量的增加而增加。

 氮元素在不銹鋼中的含量處于過(guò)飽和狀態(tài)時(shí)，氮元素以兩種方式存在于鋼中，一是以氮化物的形式存在，二是以間隙固溶的方式固溶于基體中的氮。二者均對(duì)鋼的力學(xué)性能產(chǎn)生一定的作用和影響。另外還有研究表明氮元素作為合金元素在不銹鋼中能有效提高其強(qiáng)度，根據(jù)浙江至德鋼業(yè)有限公司的研究結(jié)果表明，如果奧氏體不銹鋼中能平均滲入1.2%的氮，那么其的屈服強(qiáng)度就會(huì)由原來(lái)的240MPa升高到900MPa。研究結(jié)果表明，往奧氏體不銹鋼中平均滲入2.1%的氮元素時(shí)，其屈服強(qiáng)度相對(duì)于不含氮元素的奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度增大了400%，且含氮奧氏體不銹鋼的塑韌性相對(duì)普通奧氏體不銹鋼并沒(méi)有下降。

 由沉淀硬化理論得，不銹鋼中氮含量與其屈服強(qiáng)度有著平方根關(guān)系，通過(guò)總結(jié)大量的不銹鋼中的氮含量與其強(qiáng)度的關(guān)系，并進(jìn)行繪圖得如圖所示的關(guān)系。由圖可以明顯看出來(lái)平方理論的測(cè)試值和預(yù)測(cè)值是大致相同的趨勢(shì)，但是實(shí)際測(cè)量值的分散度比較大。至德鋼業(yè)研究表明實(shí)際測(cè)量值的分散度比較大的原因是實(shí)驗(yàn)樣品組織的晶粒度大小不同造成的。也就是說(shuō)含氮不銹鋼中組織晶粒的大小對(duì)其屈服強(qiáng)度也有很大的影響。另外氮元素除了能提高其強(qiáng)度外，還對(duì)不銹鋼其它性能比如加工硬化能力、抗疲勞性、抗腐蝕性、耐磨性及蠕變性能都有很大的改進(jìn)。但是，不銹鋼中的氮元素并不是越高越好，已經(jīng)有研究表明，當(dāng)不銹鋼中的氮元素超過(guò)一定的值時(shí)，鋼的低溫韌性將會(huì)受到不利影響，即鋼在較低的溫度下將會(huì)產(chǎn)生脆性，出現(xiàn)脆斷。

三、氮對(duì)鋼的耐腐蝕性能的影響研究

 不銹鋼中常見(jiàn)的腐蝕主要有點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、均勻腐蝕幾種。不銹鋼中加入氮可以提高其耐蝕性能，關(guān)于氮對(duì)提高不銹鋼耐腐蝕性能的作用機(jī)理主要有兩種看法：一種認(rèn)為是氮降低了鉻在鋼中的擴(kuò)散系數(shù)即貧鉻理論；另一種認(rèn)為是氮阻礙碳化物在晶間的形核和長(zhǎng)大即雜質(zhì)元素偏聚理論。點(diǎn)腐蝕是不銹鋼局部腐蝕中最主要的一種，氮的存在可以中和錳在不銹鋼中對(duì)點(diǎn)腐蝕產(chǎn)生的不利影響，提高不銹鋼的耐腐蝕性能。高氮不銹鋼中的氮通過(guò)吸附主要集中在合金之間的界面，與H+結(jié)合生成NH 4+加速金屬氫氧化物的形成和促進(jìn)鈍化膜的形成來(lái)提高耐縫隙腐蝕的性能。晶間腐蝕是材料在特定的腐蝕介質(zhì)中沿著材料的晶界而產(chǎn)生的腐蝕，腐蝕特征是在金屬表面未見(jiàn)腐蝕現(xiàn)象時(shí)，晶粒內(nèi)部之間已經(jīng)喪失了結(jié)合力，在不銹鋼中是一種危害性極大的腐蝕，氮的加入可以減少析出物在晶界處的析出量，提高不銹鋼的耐晶界腐蝕性能。均勻腐蝕在不銹鋼中是一種最為普通的腐蝕形態(tài)，主要特征是腐蝕均勻覆蓋在金屬的整個(gè)表面，逐漸使金屬變薄，加入的氮在界面形成氮化物能夠改善鈍化膜的穩(wěn)定性，提高不銹鋼耐均勻腐蝕性能。

 氮元素對(duì)提高鋼的耐腐蝕性能有很大的影響，尤其是在提高鋼的耐局部腐蝕方面有很大的作用?？赏ㄟ^(guò)點(diǎn)蝕當(dāng)量值來(lái)計(jì)算鋼的耐點(diǎn)蝕性能的大小。目前國(guó)際上通用的點(diǎn)蝕當(dāng)量值的計(jì)算公式為。因?yàn)槭呛讳P鋼，所以要加上氮元素的因素。研究結(jié)果為計(jì)算值很接近實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)值，如圖所示，還有一些學(xué)者們將X設(shè)為13、20、25等這些數(shù)值。這可能是因?yàn)樯厦婀讲](méi)有把所以的化學(xué)成分和其它的一些合金元素或是微量元素都考慮在內(nèi)的緣故。氮元素對(duì)提高鋼的耐腐蝕性這方面的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于像鉻和鉬等一些傳統(tǒng)的提高耐腐蝕性能的元素。另外不銹鋼中的氮元素不但能提高不銹鋼的抗點(diǎn)蝕性能，還對(duì)材料的應(yīng)力腐蝕性、氣體腐蝕性、縫隙腐蝕性能等方面都有很大的提高。