许舒亚――高氮钢的研究

河北理工大学冶金与能源学院课程设计题目：高氮钢组织和性能的研究专业：材料成型与控制工程班级：08成型（2）学生姓名：许舒亚200806040201指导老师：日期：2012年2月29日高氮钢组织和性能的研究摘要：介绍了国内外高氮钢研究近期的成果，介绍了高氮钢结构特点的最新研究,高氮钢平衡相图的进展及其在高氮钢成分设计方面的应用，分析了氮在奥氏体钢、铁素体钢和双相不锈钢中的作用,即氮在不牺牲强度的同时不仅提高了钢的韧性,且改善了钢的抗腐蚀性能;并列举了一些典型的高氮钢的用途。重点涉及高氮不锈钢基础研究、力学性能、耐腐蚀性能、焊接性及高氮不锈钢新材料，反映了国内外高氮不锈钢研究的发展状况。随着人们对高氮钢优良性能的认识,有关高氮钢的研制和生产得到了不断的进步和发展，最后提出了高氮钢的应用前景。关键词：高氮钢，组织结构，性能，优缺点，发展现状，前景Introducesthehighnitrogensteelresearchathomeandabroadinrecentresults,thispaperintroducesthecharacteristicsofhighnitrogensteelstructureofthelatestresearch,highnitrogensteelequilibriumphasediagramandtheprogressinhighnitrogensteelcomponentsdesignapplication,analyzesthenitrogenintheausteniticsteel,ferriticsteelandduplexstainlesssteelofthefunction,ornitrogenwithoutsacrificingstrengthwhilenotonlyincreasethetoughnessofsteel,andimprovethesteelcorrosionresistance;Andlistedsometypicalhighnitrogensteelpurposes.Keyinvolveshighnitrogenstainlesssteelbasicresearch,mechanicalproperties,corrosionresistance,weldabilityandhighnitrogenstainlesssteelnewmaterials,reflectthehighnitrogenstainlesssteelathomeandabroadandthedevelopmentofthesituation.Aspeopleofhighnitrogensteelexcellentpropertiesofunderstanding,thehighnitrogensteeldevelopmentandtheproductionhavebeenprogressanddevelopment,andfinallyputsforwardtheapplicationprospectofhighnitrogensteel.KeyWords：Highnitrogensteel,organizationstructure,performance,theadvantagesanddisadvantages,developmentpresentsituation,theprospect前言：通常情况下,氮被认为是钢中的有害杂质之一。虽然常压下氮在液态钢中的溶解度很低,但这些少量的氮却能导致钢材产生时效脆化,于是开发了各种减少液态钢中氮的二次精炼技术,并还在不断地改进。然而,在高氮钢中氮作为合金元素可以和钢中的其他合金元素(如Mn、Cr、V、Nb、Ti等)交互作用,而赋予该钢种许多优异性能。例如,提高奥氏体的稳定性,使钢的力学性能大大提高,改善钢的耐腐蚀性等等。通常把铁素体基体中含有0.08%(质量分数)以上的氮或在奥氏体基体中含0.4%(质量分数)以上的氮的钢称为高氮钢。虽然氮加入钢中能有诸多有益之处,但由于氮在钢中的极限固溶度极低,限制了其在常规冶炼工艺下的加入量,致使高氮钢的研究在相当程度上仍局限于实验室规模。目前世界各国正致力于研究新的冶炼工艺并开发新的含氮廉价钢种,以使高氮钢的大工业生产成为可能。国家自然科学基金和宝钢集团公司的钢铁研究联合基金在2001年也把高氮不锈钢列入了鼓励研究开发的新型钢铁材料。国内外研究历程：在1926年,由于战争导致镍的短缺,激发人们研究用氮取代部分镍来稳定奥氏体。氮作为合金元素的使用最早报道于1938年。由于炼钢条件的限制,在大气压强下能加入的氮浓度非常低,因此作用不明显,不足以引起冶金学家和材料科学家的重视。随着加压冶金技术的发展,氮作为强烈间隙原子元素,以廉价、易得等特点,再次引起人们的注意。在20世纪五六十年代,用氮作为钢中合金元素的研究曾经兴起过一个高潮,以Mn、N代Ni研制的奥氏体不锈钢在当时是最突出的一个代表性高氮钢钢种。20世纪80年代后,高氮钢的热潮再次涌现。从1988年开始,在法国、德国、乌克兰、日本、芬兰、瑞典、印度和比利时已经连续召开了七届高氮钢国际会议。其间,也召开过其他高氮钢国际会议,比如,2003年3月在瑞士召开了HNS2003,并出版了会议录。第八届国际高氮钢会议(HNS2006)于2006年在中国四川的九寨沟召开，为我国高氮钢研究的发展创造了一个前所未有的机会：。由于受到试验装备的限制，国内高氮钢的研究已经远远落后于世界许多国家。近年来，国内许多高校、研究机构的冶金工作者对高氮钢的研究表现出浓厚兴趣，相继开展了高氮钢的研究。他们克服了试验装备的不足，在高氮钢的理论、生产工艺技术和新材料研究方面取得了较高水平的研究成果。Volkov等对高氮钢研究和应用动向有一定的见地,显然将高氮钢研究的领域比前一次高潮大大扩展了,在开发新钢种的同时,人们也认识到高氮钢的制备过程还必须解决存在的一些特殊问题。高氮钢的研制在于两方面:一方面根据材料性能的要求设计含氮钢的成分;另一方面是通过何种制备手段来得到合乎成分要求的高氮钢。由于氮在钢中溶解度很小,因此高氮钢生产中的关键问题是提高钢中氮的浓度,防止冷凝过程中钢内氮的逸出和保证氮在钢内均匀分布。25年来,含氮钢发展较快,氮的添加改善了钢的力学性能和耐蚀性能。高氮钢属于钢和不锈钢的一种,对一般钢种而言,钢中氮超过一定限度就认为是有害成分,而高氮钢并非如此。Speidel定义了“高氮钢”,认为如果铁素体基体中w(N)0.08%或奥氏体基体中w(N)014%的钢是高氮钢[1]。Paton的定义是当钢中氮超过熔融条件下的平衡溶解度时,这些钢就称作超高氮钢。不锈钢中氮合金化的有力影响是双重的,氮像碳一样以间隙形式强化奥氏体,但不像碳会导致晶间碳化物析出,这是在奥氏体及双相不锈钢中应用氮作为奥氏体稳定剂的原因之一。此外,氮还有其他优点,使得高氮合金的使用比其他合金更为有利,这些优点是:①屈服强度、拉伸强度高和延展性好;②具备高强度与高断裂韧性;③高应变硬化潜力;④阻止形成变形诱导马氏体;⑤低磁导率;⑥良好的耐腐蚀性能。强度、断裂韧性、耐磨性、磁性及耐腐蚀性等方面综合性能良好的高氮钢具有特别的优势,从而为其在许多工业及工程领域应用开拓了良好的前景。基础研究：基础理论的研究始终受到重视，各国学者在高氮钢的热力学、动力学以及氮的溶解度、高氮钢的凝固过程等方面进行了大量研究。Chipman和Mnrpby、Pehlke和Elliot或者Kunze等的研究表明在低的压力和氮浓度下，氮的溶解度遵循Sievert定律：按照Wagner无限稀释溶液的原理．溶液活度系数的台劳级数展开式中较高的项'口『以忽略不计，即元素问相互作用很小但在高氮钢中氮含量较高时，熔体结构中氮原子密集分布引起的活度系数必须考虑：此时溶液不再服从Sievert定律：Kolorz等对压力达到20MPa的二元或多元铁合金系的研究表明：在氮含量超过0、8％时元素之间的相互作用参数变化很显著一研究还发现加入铁基合金中的元素对氮的溶解度的影响取决于这些元素和铁的电子结构相匹配的外层电子问的相互作用Cr、Mn和V等具有缺额电子的元素强烈提高氮的溶解度而Ni、Co、Si和C等和铁比较具有过剩电子的元素则降低氮的溶解度另一个热力学的基本问题是提高氮溶解度的元素通常也强烈地促进氮化物的形成，而影响材料的组织和性能及加工过程：对高氮钢(HNS)的熔炼技术来说，氮的溶解度和温度的关系是非常重要的二元铁一铬台金在常规氮压力下随着铬含量的增大氮的溶解度增大，同时溶解度一温度关系曲线的负斜率急剧增大：含Mn和Mo等提高氮溶解度的铁合金系也存在这种作用，因这些元素对溶解度的作用较弱对斜率的影响也较弱、而降低氮溶解度的元素这种温度作用完全相反：这意味着对最小压力下的HNS合金的生产，钢包冶金应当在最低温度即尽可能靠近液相线的温度下进行。有学者对氮气加压熔炼高氮钢若十理论问题进行了探讨、作者通过热力学汁算，推导出氮在铁合金溶液中的溶解度模型：In[％N]=In(Kn㏒2Pn)-In(Fn)作者通过动力学计算，得到钢液吸氮过程的反应速度常数表示式：Kn=1．19㏒2（1-θ）-0．19(2)式中θ为总表面覆盖率，θ和温度有关，式(2)表明氮进入钢液的反应速度和温度有关：作者还通过对高氮钢凝固过程的分析，从抑制高氮钢凝固过程中氮气泡形成的原理出发，得列了高氮钢需要加压凝固的结论，并导出了为避免氮析出所需施加的最小压力表示式：Pm=PN-PM、1-2σ／r(3)式中：PN——氮的最大平衡压力；PM——钢液的流体静压力；2σ／r——表面张力。含氮钢中原子相互作用与强化机理：1963年Frehser和Kubisch首先发现奥氏体钢中w(N)直到018%,其屈服强度都随氮的增加而提高,韧性却不降低。这意味着氮合金化导致结构上的某些变化,补偿了间隙氮原子的脆化效应。据此,开发了著名的奥氏体钢Cr18Mn18N0.6(P2900),解决了超大功率发电机护环的重要技术问题。随后又开发出马氏体钢,含w(Cr)15%、w(Mo)1%、w(C+N)0.4%～0.7%、w(V)0%～014%,用作工具钢和轴承钢。利用粉末冶金法还开发了含氮极高的工具钢。含氮钢具有极好的力学性能和耐腐蚀性能的理论基础在于氮元素加强了钢的金属键。Shania等用从头算方法计算了面心立方铁的3d的电子云密度。结果表明γ铁中的碳原子降低费米能级的电子云密度,而氮元则使电子云密度的极大值移向费米能级。这表明氮在γ铁中增加自由电子的浓度。上述理论预测已被实验证实。Gavriljuk报道了含氮和含碳的CrNiMn和CrMn奥氏体钢的电子自旋共振的实验结果。如图1所示,自由电子浓度在氮达到一最佳值(015%～016%)前随氮的增加而增加,意味着原子间键的金属性增强。而含碳钢的自由电子密度则随碳的变化很小。意味着碳将电子提供给低于费米能的能级,加强了原子间的共价键。另外,含氮钢和含碳钢自由电子在整个晶格内的不均匀分布对钢的力学性能特别重要。氮原子占据间隙位置时其电子云密度比碳原子占据时要高。氮或碳奥氏体中电子迁移实验结果证明氮原子带负电而碳原子带正电。对FeC(N)固溶体中形成原子簇的自由能变化的计算表明氮原子比碳原子更使铁的面心立方晶格稳定。因此,氮可从电子结构上提高奥氏体钢的热力学稳定性。更深入的研究还揭示了铁基合金中氮和碳元素对电子结构与原子分布之间作用的相关性,即金属键增强原子间的短程有序,而共价键促进原子簇的形成。氮元素对奥氏体钢中原子分布的效应使氮合金化的钢在平衡相图中有较大的单一γ相区。2高氮钢平衡相图与成分优化平衡相图对高氮钢的开发具有非常图1含氮、碳奥氏体钢的自由电子浓度Fig.1Concentrationoffreeelectronsinnitrogenandcarbonausteniticsteels义,人们可根据平衡相图确定所需的高氮钢组织对应的化学成分以及热处理温度等条件。鉴于实验测定高