氮元素對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)展出來了AISI200系列不銹鋼。隨著人們對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題，通過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一定的值后，就會對鋼的韌脆轉(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變大，從而降低材料韌性。

二、氮元素對不銹鋼的力學(xué)性能的作用

 圖為各合金元素對奧氏體不銹鋼屈服強(qiáng)度的影響，由圖可見，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)到超過普通奧氏體不銹鋼的200-350%。易邦旺等人探討了氮含量對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)度就會由原來的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普通奧氏體不銹鋼并沒有下降。

 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平方理論的測試值和預(yù)測值是大致相同的趨勢，但是實(shí)際測量值的分散度比較大。至德鋼業(yè)研究表明實(shí)際測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。也就是說含氮不銹鋼中組織晶粒的大小對其屈服強(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一定的值時(shí)，鋼的低溫韌性將會受到不利影響，即鋼在較低的溫度下將會產(chǎn)生脆性，出現(xiàn)脆斷。

三、氮對鋼的耐腐蝕性能的影響研究

 不銹鋼中常見的腐蝕主要有點(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。可通過點(diǎn)蝕當(dāng)量值來計(jì)算鋼的耐點(diǎn)蝕性能的大小。目前國際上通用的點(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]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。