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氮對316L不銹鋼管力學性能方面的影響

來源: 發布時間:2021-04-13 次瀏覽

氮在316L不銹鋼管的作用除了代替部分貴重金屬鎳外,主要是在不損害鋼的塑性和韌性的前提下,顯著提高鋼的強度。氮對316L不銹鋼管的強化優勢如圖所示。目前關于氮的強化作用主要包括間隙固溶強化,晶界強化,析出強化。

可以看出氮和碳在鋼中主要以間隙原子形式存在,但在不同的晶格中占據不同的位置。在體心立方晶格中占據四面體間隙位置,在面心立方晶格中占據八面體間隙位置。由于316L不銹鋼管的晶格結構為面心立方晶格,因此氮和碳在奧氏體中主要存在于八面體間隙位置。

與碳相比氮原子半徑雖然較小,但氮在316L不銹鋼管的晶格中可以產生更大的晶格膨脹,使位錯運動的阻力增大,強度增加。有研究表明,在300系列不銹鋼管中加入0.1%的氮元素,奧氏體基體畸變應力增加3.3倍,室溫強度提高約60MP~100MP。另一方面,氮原子對位錯也有強烈的釘扎作用。這是由于氮原子與位錯的結合焓較高;再者氮原子與位錯之間也存在靜電的相互作用,因為位錯的核心由于缺少自由電子,而帶正電荷,氮原子附近由于自由電子較多,帶負電荷。這使得氮原子與位錯之間發生靜電吸引作用,強化效應增加。氮還可以使原子間電子交換的方向性降低,使電子在晶體結構內的分布更均勻,更利于氮的彌散強化。此外,由于電子交換方向性降低,原子鍵合在位錯滑移過程中并未減弱或受到破壞,所以氮合金化后的316L不銹鋼管仍具有較高的斷裂韌性。

氮以合金元素形式加入到316L不銹鋼管中時能夠產生晶界強化。是因為氮會降低鋼中原子的堆垛層錯能,使鋼中位錯滑移平面化,能有效地阻止位錯攀移出滑移面,增大了晶界對位錯的阻礙作用。

氮對316L不銹鋼管晶界強化效應隨著氮含量的增加而增加,且溫度越低強化效應越明顯。鋼的力學性能與其熱力學穩定性有較大關系。氮加入到316L不銹鋼管中時可以提高鋼的熱力學穩定性,進而改善鋼的力學性能。這與氮改變316L不銹鋼管的沉淀析出行為有關,316L不銹鋼管在高溫時效時會有碳化物、金屬間相及其他化合物的析出。而鋼中加入氮元素后,氮在碳化物中的不溶性導致了氮可以推遲鋼中碳化物的形核,進而使其沉淀析出時間增長。另外,氮還可以使碳化物中的析出相與基體失配,界面能減小,繼而達到細化析出相的目的。氮可以抑制金屬間相形成是與氮可以提高鋼中鉻和鉬的溶解度有關。

氮可以使316L不銹鋼管的耐磨性能提高。這是因為氮在鋼中含量過高時會有氮化物析出,但這種析出會使鋼的塑性和耐腐蝕性能降低?,F在人們利用離子表面注入改性技術得到的表面高氮層,可以在不損害塑性和抗腐蝕性能的前提下,提高其耐磨性能。這可能是由于注入的氮原子綴飾位錯或進入固熔體產生固熔強化,提高了鋼的耐磨性能。


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