可持续发展的高氮奥氏体不锈钢

　　氮能够替代奥氏体不锈钢中的镍，这样得到的产品通常节省资源、环境友好；由于氮的成本低，因此更加经济；强度非常高，极大值达3600MPa，可以用较少的材料做更多的产品；比相同强度的其他钢韧性高；在耐局部腐蚀方面，1%氮相当于20%铬含量，更加耐应力腐蚀，产品使用寿命更长。这些优点将使高氮奥氏体不锈钢成为未来可持续发展的首选材料。这种钢的缺点是可焊接性受限制，需要特殊的生产工艺。高氮奥氏体不锈钢已经作为专用产品在使用，可以工业规模生产不同形式的产品。

　　1 氮加入固溶体

　　氮在铁基固溶体中一个最显著和最有效的作用是稳定面心立方晶格，这种作用在高氮奥氏体钢中充分地得到利用，但是为了在室温下保持奥氏体相，进行淬火始终是有必要的。因此，在钢的冶炼过程中加入足够的氮以及在热处理过程中将氮保持在固溶体内需要生产厂有专门技术。目前在中国正在对这种专门技术进行研究开发试制。

　　2 强度和塑性

　　固溶氮至少在四个方面对强化机理起积极作用：固溶硬化、晶粒细化硬化、加工硬化和应变时效。因此，对高氮奥氏体钢强度的任何讨论必须考虑晶粒尺寸对理论值或实际值的影响。注意屈服强度可以从低于600MPa改变到超过1200MPa。固溶氮同时提高强度和塑性。

　　冷加工是提高氮奥氏体钢强度最有效的方法之一，固溶体中氮含量较高导致更高的加工硬化率。在足够的冷加工程度，这种加工硬化率可以导致非常高的强度值。到目前为止，我们已经得到3600MPa的强度，从理论上说，在不久的将来可能超过4000MPa。

　　强度不仅仅是开发结构材料的目标，强度和韧性的结合，或强度与断裂韧性的结合，这些才是目标，因为这些是设计者所需要的。例如，现代轿车用钢因为轻量化目的要求高强度，为可持续经济目的要求提高燃料效率。还有两个原因要求塑性，一是在碰撞过程中能量吸收，这样保证碰撞安全性；二是在部件的制造过程中有良好的成型性。当在相等塑性或相等强度下比较时，高氮奥氏体钢大大优于轿车制造目前使用的铁素体钢(屈服强度小于1000MPa)。

　　对强度和断裂韧性数据更仔细的观察发现，在所有钢中，高氮奥氏体钢不仅呈现出强度和断裂韧性的最好结合，而且在所有材料中没有一种材料强度和断裂韧性的结合比高氮奥氏体不锈钢更好。

　　许多用途要求材料的比强度高。这对未来可持续发展的轻型结构是关键性的。用轿车薄钢板以及它们的用铝、镁、钛生产的替代材料和高氮奥氏体不锈钢相比，显然高氮奥氏体不锈钢不仅优于目前所用的轿车钢，而且还优于铝、镁甚至钛。

　　在三向应力和冲击负载例如夏比Ⅴ型缺口试验下，含氮高的奥氏体不锈钢会以脆化方式破坏。破坏机理是沿着面心立方晶格的{111}面滑移带分离。这是在高氮奥氏体不锈钢中添加氮元素的上限。

　　3 耐腐蚀性

　　固溶氮提高奥氏体不锈钢耐一般腐蚀、耐点腐蚀和耐缝隙腐蚀的性能。耐点腐蚀和耐缝隙腐蚀可参照下列相应等式的合金成分：MARC=Cr+3.3Mo+2CC+20N+0.5Mn+0.25Ni

　　这里MARC代表耐腐蚀合金指数，元素符号代表每种元素合金含量的重量百分比。MARC关系可应用于商业和试验奥氏体不锈钢。因此它是合金设计中非常有价值的工具。当时可利用的MARC没有根本的合理性或解释。然而这里最值得注意的一个事实是，到目前为止研究只限制在奥氏体不锈钢内，1%氮重量百分比和含20%铬重量百分比的耐腐蚀性相同。

　　热浓缩的氯化物溶液中的应力腐蚀破裂是奥氏体不锈钢的弱点。304和316型奥氏体不锈钢在105℃、22%NaCl溶液中容易产生应力腐蚀破裂。与此相反，高氮奥氏体不锈钢甚至当冷加工高达1400MPa的强度水平时可以抵抗这样的断裂。

　　4 应用

　　高氮不锈钢已经工业化生产多年，但是只作为专用产品，例如高附加值的非常特殊用途。因此，生产方法昂贵，常常采用压力冶金，例如像加压电渣重熔。因为这样可获得高质量的产品，这种生产方法在将来会继续使用和扩大。然而，近期已经开发出用现有设备进行大规模生产的方法，例如NOD、连铸或模铸。目前，高氮不锈钢除了小规模高质量生产外，还准备大批量生产。

　　高氮不锈钢优异的性能将使它成为各行业有力的选择材料，包括运输业(轿车、铁路系统、船舶)、建筑业(用于桥梁、隧道这样的腐蚀基础的一般抢修用固定件、钢筋)、航空航天工业、海洋工程、体育运动业、核电工业和军事领域。

　　文/董瀚

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