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氮对316L不锈钢管力学性能方面的影响

作者:admin 来源: 日期:2018/9/7 23:39:29 人气:139

氮在316L不锈钢管的作用除了代替部分贵重金属镍外,主要是在不损害钢的塑性和韧性的前提下,显著提高钢的强度。氮对316L不锈钢管的强化优势如图所示。目前关于氮的强化作用主要包括间隙固溶强化,晶界强化,析出强化。

可以看出氮和碳在钢中主要以间隙原子形式存在,但在不同的晶格中占据不同的位置。在体心立方晶格中占据四面体间隙位置,在面心立方晶格中占据八面体间隙位置。由于316L不锈钢管的晶格结构为面心立方晶格,因此氮和碳在奥氏体中主要存在于八面体间隙位置。

与碳相比氮原子半径虽然较小,但氮在316L不锈钢管的晶格中可以产生更大的晶格膨胀,使位错运动的阻力增大,强度增加。有研究表明,在300系列不锈钢管中加入0.1%的氮元素,奥氏体基体畸变应力增加3.3倍,室温强度提高约60MP~100MP。另一方面,氮原子对位错也有强烈的钉扎作用。这是由于氮原子与位错的结合焓较高;再者氮原子与位错之间也存在静电的相互作用,因为位错的核心由于缺少自由电子,而带正电荷,氮原子附近由于自由电子较多,带负电荷。这使得氮原子与位错之间发生静电吸引作用,强化效应增加。氮还可以使原子间电子交换的方向性降低,使电子在晶体结构内的分布更均匀,更利于氮的弥散强化。此外,由于电子交换方向性降低,原子键合在位错滑移过程中并未减弱或受到破坏,所以氮合金化后的316L不锈钢管仍具有较高的断裂韧性。

氮以合金元素形式加入到316L不锈钢管中时能够产生晶界强化。是因为氮会降低钢中原子的堆垛层错能,使钢中位错滑移平面化,能有效地阻止位错攀移出滑移面,增大了晶界对位错的阻碍作用。

氮对316L不锈钢管晶界强化效应随着氮含量的增加而增加,且温度越低强化效应越明显。钢的力学性能与其热力学稳定性有较大关系。氮加入到316L不锈钢管中时可以提高钢的热力学稳定性,进而改善钢的力学性能。这与氮改变316L不锈钢管的沉淀析出行为有关,316L不锈钢管在高温时效时会有碳化物、金属间相及其他化合物的析出。而钢中加入氮元素后,氮在碳化物中的不溶性导致了氮可以推迟钢中碳化物的形核,进而使其沉淀析出时间增长。另外,氮还可以使碳化物中的析出相与基体失配,界面能减小,继而达到细化析出相的目的。氮可以抑制金属间相形成是与氮可以提高钢中铬和钼的溶解度有关。

氮可以使316L不锈钢管的耐磨性能提高。这是因为氮在钢中含量过高时会有氮化物析出,但这种析出会使钢的塑性和耐腐蚀性能降低。现在人们利用离子表面注入改性技术得到的表面高氮层,可以在不损害塑性和抗腐蚀性能的前提下,提高其耐磨性能。这可能是由于注入的氮原子缀饰位错或进入固熔体产生固熔强化,提高了钢的耐磨性能。