高氮奥氏体钢的特性分析

高氮奥氏体钢与镍铬奥氏体钢相比，具有以下优点。

1.以氮代镍形成稳定的奥氏体

氮是强烈形成和稳定奥氏体的元素，其形成奥氏体的能力与碳相同，是镍的30倍。以氮代镍形成的奥氏体具有以下特点：

1）具有高的强度和韧度。以氮代镍形成的奥氏体，比以镍为主形成的奥氏体，具有更高的强度和冲击韧度。

2）高的耐蚀性。氮合金化的奥氏体钢，比高镍奥氏体钢具有更高的耐点蚀、缝隙腐蚀及应力腐蚀性能。因为氮能改善钢的耐蚀机制，增强Cr₂O₃保护层的致密性和稳定性。

3）以氮代镍形成奥氏体，可以节约大量镍资源。在高镍奥氏体钢中，镍已部分或全部被氮、锰所取代而成为Cr-Mn-Ni-N或Cr-Mn-N钢系，节约了镍，降低了成本。

2.高氮奥氏体钢的力学性能特点

高氮奥氏体钢与镍铬奥氏体钢的力学性能相比，具有高的屈服强度和抗拉强度，而钢的塑性并不降低。表12-5列出高氮钢与几种镍铬奥氏体钢的化学成分与室温力学性能的比较。从表中数据可知：不含镍的高氮钢的室温力学性能优于高镍铬奥氏体钢836L和DSN-9。

表12-5 各类钢的化学成分与室温力学性能的比较

因为，氮是间隙原子，其原子半径比碳小，能更多地溶入γ固溶体，使面心立方晶格产生更大的变形，产生远大于碳的强化效果。另外，氮还具备细化奥氏体晶粒的作用。因此，随着钢中含氮量的增加，钢的屈服强度和抗拉强度明显升高，而钢的塑性仍能保持较好的水平。这就是氮强化奥氏体钢的特点，也是不同于碳强化作用之处。

氮对奥氏体不锈钢的屈服强度和伸长率的影响见图12-1和图12-2。从伸长率与含氮量的关系可知：随着含氮量的增加，伸长率的波动范围扩大，但是伸长率的最小值维持在一个稳定的水平，即50%。这种情况在用碳强化的奥氏体不锈钢中是不存在的。

3.高氮奥氏体钢的耐磨损性能

氮以固溶状态存在于γ相中，可以提高钢的耐磨性能，降低钢的磨损量。

图12-1 氮对奥氏体不锈钢屈服强度的影响

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图12-2 氮对奥氏体不锈钢伸长率的影响

图12-3示出含氮量对奥氏体不锈钢耐磨性能的影响。从图中可知：随着钢中含氮量的增加，钢的硬度升高，耐磨性能相应提高，磨耗量下降。这是因为氮的固溶强化和细化奥氏体晶粒综合作用的效果。

由于氮能提高不锈钢的耐磨性能，使高氮奥氏体钢开辟了新的应用领域。例如：发动机用气阀钢，钢中含氮量（质量分数）达到0.50%～0.60%。其目的是提高气阀的强度和耐磨性能。另一应用领域是医用不锈钢，如人工关节等。

图12-3 含氮量对奥氏体不锈钢耐磨性能的影响

4.高氮奥氏体钢的耐蚀性

表12-6列出高氮奥氏体钢与多种不锈钢的耐蚀性比较。表中各项试验结果表明：无镍高氮奥氏体钢的耐蚀性接近于836L双相高镍不锈钢，优于其他不锈钢。这主要是氮对改善不锈钢耐蚀性作出的贡献。

表12-6 各类钢的耐蚀性比较

① NaCl3.0%溶液，30℃。

② FeCl₃6%溶液，pH=1，24h。

5.高氮奥氏体钢的磁导率

高氮奥氏体钢具有稳定的组织，即使在较大冷变形量下，也不会发生马氏体转变而产生磁性。因此，高氮奥氏体钢作为优良的无磁高强度材料，在大功率发电机中作护环材料。图12-4示出几种钢的冷变形量与磁导率的关系。

综上所述，可以认为高氮奥氏体钢是一种具有优良综合性能的结构材料；还是一种节省镍资源、成本低廉的新钢系；是具有发展前景的新材料。

图12-4 几种钢的冷变形量与磁导率的关系