高氮奧氏體不銹鋼的冶煉理論基礎及其材料性能研究.pdf

1、高氮奧氏體不銹鋼具有優(yōu)異的力學性能和耐腐蝕性能，其研究和開發(fā)受到國內外的高度重視。因此對高氮奧氏體不銹鋼冶煉的理論基礎及其性能進行深入的研究，對于推動我國高氮鋼的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)和品種開發(fā)意義重大。本論文是國家自然基金委和上海寶鋼集團聯(lián)合資助的重點項目“高氮不銹鋼中氮的作用機理及對性能的影響”的一部分。通過高氮奧氏體不銹鋼的冶煉理論基礎進行了分析，建立了氮在不銹鋼不同相中的溶解度模型，以及氮在高氮奧氏體不銹鋼凝固過程中的析出和偏析的數(shù)學

2、模型。并利用氮氣保護的真空感應爐和氮氣保護的電渣重熔爐進行了高氮奧氏體不銹鋼的制備，并對制備的高氮奧氏體不銹鋼的力學性能和耐腐蝕性能進行了研究。
　　 建立了氮在不銹鋼熔體中的溶解度模型，在該模型中引入了氮分壓對氮活度影響的作用系數(shù)δ(?)（當PN2/Pθ≥1.0時，δ(?)=0.06；當PN2/Pθ＜1.0時，δ(?)=0）。該模型的計算值與實驗測量值吻合得很好。加壓熔煉可顯著提高不銹鋼熔體中氮的溶解度。在一定的氮分壓條件下，

3、溫度對熔體中氮溶解度的影響取決于氮的活度系數(shù)，而活度系數(shù)與合金成分密切相關，因此溫度對熔體氮溶解度的影響，取決于體系的合金成分。當fN,1873＜-0.057時，A＞0，熔體中氮溶解度隨溫度的增加而減??；當fN,1873＞-0.057時，A＜0,熔體中氮溶解度隨溫度的增加而增大。
　　 建立了氮在γ相以及δ相中溶解度模型，該模型能比較準確預測出氮在固相不銹鋼合金體系中的溶解度。提高體系氮分壓，不僅可以提高氮在γ相以及δ相中的溶解

4、度，而且可以減小氮溶解度較低的δ相區(qū)，從而抑制高氮奧氏體不銹鋼在凝固過程中的析出。在冶煉高氮奧氏體不銹鋼過程中，適當提高奧氏體形成元素（如Ni、Mn、C等）的含量，在高氮奧體體不銹鋼凝固過程中經(jīng)過的δ相區(qū)減小甚至可能消失。利用氮在高氮奧氏體不銹鋼凝固過程中析出和偏析的數(shù)學模型，分析得出提高氮分壓和采用快速冷卻手段可顯著地抑制氮在凝固過程中的偏析和析出。
　　 在氮氣保護的真空感應爐內，合理地控制冶煉溫度和澆注溫度，通過添加氮化合

5、金的方式可獲得接近理論氮含量的高氮奧氏體不銹鋼。鑄錠經(jīng)電渣重熔后可獲得組織致密、成分均勻的高氮奧氏體不銹鋼，其最高氮含量為0.96％。由于在電渣重熔過程中采用鋁脫氧和氮氣保護措施，錳燒損顯著降低；通過降低熔化速率，可提高氮的收得率。
　　 冷變形態(tài)的高氮奧氏體不銹鋼A1在1100℃，40s到60min的退火時間內已發(fā)生完全再結晶，退火再結晶晶粒尺寸隨時間的延長從8.3μm增加到49.5μm。隨著退火再結晶晶粒尺寸的減小，高氮奧氏

6、體不銹鋼的抗拉強度和屈服強度增加，HV硬度增加，但斷后伸長率下降。高氮奧氏體不銹鋼的抗拉強度、屈服強度、HV硬度與晶粒尺寸之間的關系滿足Hall-Petch方程，分別為Rm=895.7+17.2.d1/2,Rp0.2=507.6+11.7.d-1/2,H=253.5+6.7.d1/2，斷后伸長率與晶粒尺寸之間滿足類似的Hall-Petch關系A=73.4-2.6.d-1/2。在-196～500℃實驗溫度范圍內，高氮奧氏體不銹鋼A1的抗拉

7、強度和屈服強度隨溫度的升高而降低。在-196～300℃實驗溫度范圍內，隨著溫度的升高，斷后伸長率增大；當溫度超過300℃后，隨溫度的升高，斷后伸長率減小。高氮奧氏體不銹鋼A1在室溫具有優(yōu)異的力學性能。隨著橫梁移動速度的增加，高氮奧氏體不銹鋼A1和A3鋼的抗拉強度和斷后伸長率降低，而屈服強度增加。Ludwigson方程能很好地描述高氮奧氏體不銹鋼A1和A3的塑性流變行為。隨著橫梁移動速度的增加，A1和A3鋼的加工硬化指數(shù)n1降低。隨鋼中氮

8、含量的增加，強化系數(shù)K1、加工硬化指數(shù)n1、過渡應變εL和exp(K2)增大，而-n2逐漸減小。
　　 高氮奧氏體不銹鋼A1、A2和A3均存在明顯的韌脆性轉變現(xiàn)象，A1、A2和A3鋼的韌脆性轉變溫度為-95℃、-90℃、-85℃。隨著鋼中氮含量的增加，其韌脆性轉變溫度提高。高氮奧氏體不銹鋼斷裂模式的變化規(guī)律為：拉長或等軸形韌窩→淺坑形韌窩→類解理利韌窩混合型→脆性解理刻面。A2鋼在-196℃斷裂為穿晶解理斷裂。
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9、16L不銹鋼在60℃，40％H2SO4中較高氮奧氏體不銹鋼具有優(yōu)異的耐均勻腐蝕性能，對于高氮奧氏體不銹鋼A1,A2和A3而言，A2鋼耐均勻腐蝕的性能最好，A1鋼最差，高氮奧氏體不銹鋼A1,A2和A3不適合于在H2SO4體系中使用。
　　 高氮奧氏體不銹鋼在3.5％NaCl溶液中點蝕電位均在1V以上，較316L不銹鋼具有優(yōu)異的耐點腐蝕性能。隨著高氮奧氏體不銹鋼中氮含量的增加，點蝕電位、極化電阻Rp和臨界點蝕溫度均增大，因此其耐點腐

10、蝕性能隨鋼中氮含量的增加而增強。隨著溶液NaCl濃度的增加和PH值的下降，A2鋼的點蝕電位Eb10下降，但其下降幅度不是很大，高氮不銹鋼A2在強酸性Cl-環(huán)境中具有優(yōu)異的耐點蝕性能。高氮奧氏體不銹鋼A1、A2和A3具有優(yōu)異的耐縫隙腐蝕性能，且隨著鋼中氮含量的增加，其耐縫隙腐蝕性能增強。
　　 EPR溶液2mol/LH2SO4+1mol/LNaCl+0.01mol/LKSCN溶液體系可用來檢測Fe-Cr-Mn-Mo-N系不銹鋼晶間

11、腐蝕的敏感性，不適合于檢測316L不銹鋼晶間腐蝕敏感性。且隨著掃描速度的降低，Ir/Ia和Qr/Qa增大，在本研究中掃描速度選取1.6667mV/s比較合適。A2鋼在650℃～950℃的溫度范圍內進行保溫2h后空冷，在850℃時析出量最大，在650℃～850℃溫度范圍內，隨著溫度的增加，析出量增多，超過850℃后，隨溫度的增加，析出量減少。EPR的實驗結果表明，在650℃～950℃溫度范圍內，A2鋼的Ir/Ia和Qr/Qa先增大，后減小