高氮鋼是近年來隨著冶金科技進步出現的一種新型工程材料。著名的高氮鋼專家Speidel認為,根據氮在奧氏體不銹鋼中的含量,可將含氮奧氏體不銹鋼分為控氮型(氮含量0.05%~0.10%①)、中氮型(氮含量0.10%~0.40%)和高氮型(氮含量在0.40%以上),而鐵素體、馬氏體不銹鋼中的氮含量大于0.08%時,便可稱為高氮鋼。1995年Rashev提出了更為貼切的定義:“高氮鋼”是指材料中的實際氮含量超過了在常壓下(0.1MPa,1600℃)制備材料所能達到的極限值的鋼。同時,研究者也通常把氮含量超過0.40%的奧氏體不銹鋼稱為“高氮鋼”。由于氮元素主要應用在不銹鋼中,因此“高氮鋼”也稱為“高氮不銹鋼”。


1. 組織細小


   在高氮奧氏體不銹鋼中,氮能夠阻礙晶界遷移,細化晶粒,也能顯著擴大奧氏體相區(qū),抑制或延緩金屬間相的析出。在高氮馬氏體不銹鋼中,氮能抑制鋼中粗大碳化物的析出,促進彌散細小氮化物的形成。此外,固溶氮和含氮析出相能夠釘扎晶界,細化原始奧氏體晶粒。


2. 高強韌性


   固溶氮能引發(fā)晶格畸變,產生固溶強化作用;含氮析出相能細化晶粒并阻礙位錯滑移,起到細晶強化和析出強化的作用。氮還能提高不銹鋼中自由電子的密度,釘扎位錯,增強晶格摩擦應力,提高細晶強化的效果。此外,在奧氏體不銹鋼中,氮能促進位錯的平面滑移,增強其加工硬化能力,提高均勻變形能力及流變應力;在馬氏體不銹鋼中,氮能提高殘余奧氏體含量及其穩(wěn)定性,增強抵抗裂紋擴展的能力,提高其沖擊韌性。因此,高氮不銹鋼具有較高的強韌性。


3. 高耐蝕性


   固溶氮可以消耗點蝕坑中的H+,改善局部腐蝕環(huán)境,促進點蝕坑的再鈍化。氮能促進不銹鋼鈍化膜中鉻與鉬的富集,同時促進鈍化膜及其與金屬基體間氮化物的形成,從而改善鈍化膜的質量并降低缺陷密度,提高其穩(wěn)定性和對基體的保護能力。氮能抑制粗大富鉻碳化物的析出,減輕不銹鋼基體的貧鉻,從而降低富鉻碳化物析出對耐蝕性的不利影響。此外,氮還能與鋼中的鉬元素協同改善不銹鋼的耐腐蝕性能。


4. 抗疲勞性能優(yōu)異


   氮作為強奧氏體穩(wěn)定元素,能抑制循環(huán)應變過程中形變誘導馬氏體的生成。此外,氮在不銹鋼中能促進短程有序的形成,進而促進位錯的平面滑移,增加位錯滑移的可逆性,降低裂尖應力集中程度及塑性累積水平,同時使裂紋發(fā)生偏折,促進裂紋的閉合效應,從而延緩疲勞裂紋的擴展。針對高氮馬氏體不銹鋼,氮能抑制粗大碳化物在原始奧氏體晶界和馬氏體板條界析出,改善組織的均勻性,從而增強其接觸疲勞性能。


5. 硬度高、耐磨性好


   氮的固溶強化、細晶強化和析出強化,能顯著提高不銹鋼的硬度。在提高不銹鋼硬度的基礎上,氮也能提高其加工硬化能力,從而增強其耐磨損性能。


6. 抗氫脆性能好


   氮具有強穩(wěn)定奧氏體的作用,能抑制氫誘導馬氏體相變;能抑制氫在外加應力作用下向晶格膨脹區(qū)的遷移,使該區(qū)域難以達到微裂紋產生及生長所需的臨界氫濃度,從而抑制裂紋的形成;減緩氫在不銹鋼中的擴散,抑制裂紋擴展。此外,氮還能增加氫在不銹鋼中的固溶度,從而降低不銹鋼的氫脆敏感性。


7. 生物相容性優(yōu)異


   高氮不銹鋼是一種以氮代鎳的材料,能避免鎳離子溶出引起的人體過敏反應。氮加入生物醫(yī)用不銹鋼中,能促進細胞增殖,避免炎癥出現,具有優(yōu)異的組織相容性。同時,提高氮含量能減小不銹鋼表面與血液的接觸角,提高表面的色散力分量,提升抗血小板黏附能力,延長動態(tài)凝血初凝時間,大幅度降低血栓形成風險,使高氮不銹鋼具有優(yōu)異的血液相容性。


8. 低磁導率


   氮作為一種強奧氏體形成和穩(wěn)定化元素,能顯著擴大奧氏體相區(qū)并穩(wěn)定奧氏體組織,從而使高氮奧氏體不銹鋼保持低的磁導率。




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