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深入研究固溶氮对组织结构的影响

氮的性质与碳类似,是生成间隙相的主要元素,这是由它较小的原子尺寸和电子层结构所决定的。在奥氏体不锈钢中,氮绝大部分固溶于奥氏体中,固溶于铁素体中的氮量很少(奥氏体钢中都存在少量铁素体),在铁素体-奥氏体双相不锈钢中推测氮的分配系数为0.23~0.25。氮在扩大奥氏体区和稳定奥氏体的作用约为镍的25倍。在常规的18-8型奥氏体不锈钢中会有少量铁素体存在,随钢中含碳量的降低,铁素体量将增加,而加入氮则弥补了碳含量降低对组织带来的不利影响。随氮含量的增加,该钢种中的铁素体量减少,同时氮含量的增加使铁素体逐渐由网状、长条状向短棒状、孤岛状转变,从而降低了网状铁素体对奥氏体钢强度和塑性的不良影响。
金属学中,有关冶炼和凝固过程中的动力学和热力学问题已经得到了系统研究,但是当Cr、Mn、N和C等元素共同存在于固溶体中时,碳、氮化物会对第二相的析出造成很大影响。当氮含量超过奥氏体的固溶极限时就会以氮化物形式析出,但是对优先析出相还没有定论,一般认为是Cr2N相。目前有关碳、氮元素在高氮奥氏体中的溶解和析出规律研究工作较少,有必要进行探索,从而根据实际需要控制其固溶与沉淀析出行为。
氮与钢中合金元素的相互作用主要表现在氮化物的弥散现象。在奥氏体钢中存在许多弥散氮化物,主要是Cr2N。在含有Ti和Nb的钢中,会有TiN和NbN形成。在含有Nb的AISI347钢中,碳与铌结合成NbC或氮与铌结合成NbN均可提高它们在奥氏体中的溶解度,尽管NbN溶解度要比NbC小得多。在双相钢中,氮延缓金属间化合物弥散析出和氮强烈的奥氏体稳定作用,对不锈钢的相比例平衡和改善焊接性能很重要。氮在马氏体钢中与其他元素形成氮化物分布于晶界上,提高硬化能力,防止高温回火时奥氏体和铁素体晶粒的长大。综上所述,氮在不锈钢中主要通过氮的固溶强化、氮化物的弥散强化和晶粒细化三种途径来改善钢的性能。
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