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摘要
高氮奥氏体不锈钢（亦称高氮钢）是一种资源节约型不锈钢,主要利用氮、锰元素来部分或全部代替合金元素镍以获得奥氏体组织。用碳、氮强化的奥氏体钢既可以大幅度提高强度,又不降低室温韧性,同时对钢的耐腐蚀性能也将产生大的影响。高氮奥氏体不锈钢主要作为结构材料使用,该材料在热加工、焊接和低温应用过程中都应该考虑钢中的组织变化情况。由于高氮奥氏体不锈钢中碳、氮含量的特殊性,材料在加工和应用过程中可能会出现第二相的析出与长大及由微观组织变化导致的韧脆转变等问题,从而造成材料的加工性能和使用性能的下降。因此,高氮奥氏体不锈钢的组织稳定性及韧脆转变机制的研究对这类钢的合金设计、热加工、焊接及低温应用等具有十分重要的理论意义和实用价值。本文以在常压下冶炼出的碳+氮含量为0.7%（wt%）的高氮奥氏体不锈钢为基础进行试验并与不同碳、氮含量的高氮奥氏体不锈钢进行相关对比试验,对高氮奥氏体不锈钢的高温组织稳定性、中温组织稳定性及低温下的韧脆转变行为进行了研究,主要结论包括:（1）高氮奥氏体不锈钢的高温组织受碳、氮原子尤其是氮原子含量的影响较大。在本文设计的合金成分范围内,材料中氮含量在0.7%（wt%）以下时基体为奥氏体和少量铁素体混合组织;当材料中氮含量达到0.94%（wt%）以上时,在任何温度下固溶均为单相奥氏体。此外,钢中少量δ-铁素体组织的形貌、分布及含量的多少随热处理制度不同而不同:当固溶温度高于1200℃为δ-铁素体大幅增加的温度敏感区,形貌多为大块的尖角或多边形状;当温度低于1100℃时δ-铁素体的形貌、分布及含量几乎没有变化;1100℃～1200℃为δ-铁素体的转变过渡期,其含量缓慢增长,体积有所长大,形貌由圆或椭圆状向尖角或多边形状变化。（2）高氮奥氏体不锈钢的力学性能的变化与高温组织变化及碳、氮间隙原子含量的固溶有关,其中1150℃是此类高氮钢的最佳固溶温度:温度高于此温度,基体中有大量δ-铁素体生成并且导致晶粒粗大;温度低于此温度,碳、氮化物固溶不充分,使强度指标降低。高温拉伸试验表明:当拉伸温度超过1200℃时,由于大量铁素体生成或部分铁素体溶化,出现高温脆性区;当温度在850℃～1050℃区间时,由于高氮奥氏体不锈钢中碳、氮化物及σ-相析出使该钢种有一个塑性下降区,其中尤以σ-相影响最为严重;温度区间1050℃～1200℃为该材料的高温塑性区间,有利于热加工的进行。（3）高氮奥氏体不锈钢中温敏化过程中,随钢中碳、氮含量及敏化时间、温度的不同第二相的类型、形貌、分布及析出量有所不同。析出物的总量随时效时间的延长而增加。碳、氮含量分别对氮化物和碳化物的析出具有抑制作用,即能相互提高彼此的固溶度。当氮含量提高到一定程度后,碳含量对析出物的类型没有影响。其中氮化物有两种形式:（a）Cr2N型;（b）（CrFe）2N1-x型。随敏化时间的延长,高氮奥氏体不锈钢中的碳、氮化物(主要为M23C6和Cr2N)的析出过程可描述为:沿三晶界交汇处胞状析出→沿晶界链条状析出并伴随少量的晶内析出→逐渐向晶内生长并与晶内析出相连成层片状布满整个晶面。当钢中含有少量铁素体时,第二相首先沿铁素体和奥氏体的共有晶界析出,然后析出过程与上述过程相似。（4）高氮奥氏体不锈钢中的σ-相的形成有两种特点:（a）碳、氮原子均强烈抑制σ-相形成,钢中贫碳区和贫氮区的形成是σ-相形成的方式之一;（b）基体固有铁素体相的不稳定性也能够促使铁素体向σ-相转化。（5）得到了高氮奥氏体不锈钢第二相析出的动力学（PTT）曲线图。其中,1#钢中碳化物的等温析出的鼻尖温度约为850℃,相应的孕育期为90s,950℃以上析出物较少,临界析出冷却速度约为3.3℃/s;3#钢中氮化物的等温析出的鼻尖温度约为900℃,相应的孕育期为12s,1000℃以上析出物较少,其中临界析出冷却速度约为20.8℃/s。（6）建立了本文实验用高氮奥氏体不锈钢中的碳、氮化物低温区析出时间和温度关系的数理模型（1#钢:lnt1≈-23.224+31093·1/T;3#钢:lnt3≈-23.391+30479·1/T）,并得到了碳化物M23C6和氮化物Cr2N的形核激活能。（7）固溶状态下,高氮奥氏体不锈钢中碳、氮原子相比,氮原子对韧脆转变温度（DBTT）影响较大,韧脆转变温度随氮含量的增加逐渐升高,基本符合DBTT=300CN-303（℃）方程式。试验数据表明,高氮奥氏体不锈钢的韧脆转变温度分别为:1#钢-113℃;6#钢,-65℃;3#钢,-18℃;4#钢,-18℃;2#钢,17℃。断口形貌随温度的降低由韧窝→韧窝+疑似解理→以疑似解理为主的穿晶断裂变化,断裂形式为以穿晶断裂为主伴随沿退火孪晶界及晶界断裂。另外,高氮奥氏体不锈钢的韧脆转变行为除受碳、氮原子的影响外还受材料固溶处理的冷却速率及热处理后的时效行为的影响,随碳、氮化物的析出韧脆转变曲线趋于平缓,韧性越来越差。（8）经分析,低温下固溶态高氮奥氏体不锈钢中的脆性断裂有两种原因:（a）低温下形变孪晶的形成及位错、层错和形变孪晶的相互作用是产生在两个滑移面之间的脆性断裂的根源,这种相互作用造成了裂纹尖端的应力集中,较高的应力集中使裂纹易于扩展,导致了材料的低韧性。（b）随钢中氮含量的升高层错能逐渐减小,层错能的减小使位错滑移的阻力增大,在外力的作用下容易引起应力集中,从而使材料的韧性逐渐降低。
