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奧氏體鋼
正火后具有奧氏體組織的鋼
基本信息
| 中文名 | 奧氏體鋼 |
| 外文名 | austenitic steel |
| 運(yùn)用領(lǐng)域 | 聯(lián)箱、管道材料等 |
| 種類 | 1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等 |
| 特點(diǎn) | 抗氧化、耐酸、強(qiáng)度高 |
| 主要成分 | Ni、Mn、N、Cr等 |
| 所屬國(guó)家 | 中國(guó) |
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內(nèi)容簡(jiǎn)介
奧氏體鋼和奧氏體不銹鋼是最近幾十年不斷研究和開發(fā)的重要的一類鋼。其中奧氏體不銹鋼產(chǎn)量和用量約占不銹鋼總產(chǎn)量及用量的70%，鋼號(hào)也最多。奧氏體不銹鋼是一種十分優(yōu)良的材料，它有很好的抗腐蝕性和極佳的生物相容性，因而在化工、海洋工程、食品、生物醫(yī)學(xué)、石油化工和其他行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。但由于其硬度偏低(HV200～HV250)、耐磨性較差，使用受到限制。Adcock是第一個(gè)研究鋼中加入氮的作用的學(xué)者。在1926年，由于戰(zhàn)爭(zhēng)導(dǎo)致鎳的短缺，激發(fā)人們研究用氮取代部分鎳來穩(wěn)定奧氏體。由于高技術(shù)的發(fā)展迫切需要相應(yīng)的高性能材料。在奧氏體鋼中加入氮，可以穩(wěn)定奧氏體組織、提高強(qiáng)度，并且提高耐腐蝕性能，特別是耐局部腐蝕，如耐晶間腐蝕、點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕等。所以奧氏體鋼和奧氏體不銹鋼的研究受到廣泛的關(guān)注，并取得了一些成果。
特點(diǎn)
奧氏體鋼主要用于過熱器、再熱器。所有奧氏體鋼可以看作是由18Cr8Ni(AISl302)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，分為15%Cr、18%Cr、20%～25%Cr和高Cr高Ni類。15%Cr系列奧氏體鋼盡管強(qiáng)度很高但抗腐蝕性能差應(yīng)用較少。在普通蒸汽條件下使用的18%Cr鋼有TP304H、TP321H、TP316H和TP347H，其中TP347H強(qiáng)度高，通過熱處理使其晶粒細(xì)化到8級(jí)以上即得到TP347HFC細(xì)晶鋼，提高了蠕變強(qiáng)度和抗蒸汽氧化能力，對(duì)于提高過熱器管的穩(wěn)定性起著重要的作用，在國(guó)外許多超超臨界機(jī)組中得到了大量應(yīng)用。在TP304H基礎(chǔ)上通過Cu、Ni、N合金化得到18Crl0NiNbTi(TempaloyA-1)和18CrgNiCuNbN(Super304H)，強(qiáng)度得到了提高，經(jīng)濟(jì)性很好。20%～25%Cr鋼和高Cr高Ni鋼抗腐蝕和蒸汽氧化性能很好，但相對(duì)于強(qiáng)度來說價(jià)格過于昂貴，因而限制了其使用。新近開發(fā)的20%～25%Cr鋼，包括25Cr20NiNbN(TP310NbN)、20Cr25NiMoNbTi(NF709)、22Crl5NiNbN(TempaloyA-3)和更高強(qiáng)度級(jí)別的22.5Crl8.5NiWCuNbN(SAVE25)，通過奧氏體穩(wěn)定元素N、Cu取代Ni，具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度和相對(duì)低廉的成本。
成分與性能
由于缺乏在低溫下鋼的性能數(shù)據(jù)和適宜在低溫下工作的材料，早期的這 些高技術(shù)的發(fā)展受到了很大的影響。1973年開始在美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)計(jì)劃署支持下由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局執(zhí)行了一項(xiàng)超導(dǎo)電機(jī)用低溫材料的研究。自1977年開始在美國(guó)能源研究和發(fā)展署的支持下，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局又執(zhí)行了一項(xiàng)有關(guān)核聚變裝置的超低溫材料的研究。在這兩個(gè)研究項(xiàng)目中主要是在已有的鎳鉻奧氏體不銹鋼中選擇一些鋼種進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。如AISl304(18Cr-8Ni)、304L(超低碳18Cr-8Ni)、310(25Cr-20Ni)、Nitronic40(21Cr-6Ni-9Mn)、Nitronic33(18Cr-3Ni-12Mn)、Nitronic50(22Cr-13Ni-5Mn)等鋼種。近十年來，清潔的新能源核聚變反應(yīng)堆的研究和開發(fā)促進(jìn)了Fe-Mn-Cr鋼的廣泛研究。這是因?yàn)椴捎肍e-Mn-Cr鋼代替Fe-Ni-Cr鋼作為核聚變反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料，不僅能大幅度降低成本，同時(shí)也具有優(yōu)良的抗腫脹性能，特別是可以顯著減少長(zhǎng)期殘留有害的放射線污染，這為核聚變反應(yīng)堆的維修和廢物處理提供了方便。通過研究，認(rèn)識(shí)到這些傳統(tǒng)的鎳鉻奧氏體不銹鋼不適合制造大型超導(dǎo)設(shè)備及裝置所需的高性能低溫結(jié)構(gòu)材料。歸納起來，其主要原因有以下幾點(diǎn)。
(1)傳統(tǒng)或改良的鎳鉻奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度太低。
(2)鋼的奧氏體組織穩(wěn)定性比較差，因?yàn)檫@些鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度(艦)都在室溫上下或低于室溫不多，所以在比較低的溫度下部分奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，改變了材料的強(qiáng)度、韌度和磁性等性能。
(3)增大鎳和鉻的含量可以增加奧氏體組織穩(wěn)定性，但會(huì)使鋼在低溫下出現(xiàn)磁性，并且不會(huì)對(duì)強(qiáng)度有較大的貢獻(xiàn)。
(5)鎳元素比較貴，是緊缺資源，并且鎳降低Neel(T)溫度。
(1)高的屈服強(qiáng)度。由于強(qiáng)磁場(chǎng)、高應(yīng)力等環(huán)境因素的作用，結(jié)構(gòu)材料受到很大的載荷，材料必須具有高的屈服強(qiáng)度。
(2)優(yōu)良的塑韌性。許多設(shè)備是在低溫、超低溫下工作，安全可靠性非常重要，材料應(yīng)具有良好的塑韌性(特別是低溫下的塑韌性)，以防止發(fā)生低應(yīng)力脆性破壞。
(3)無磁性。一般要求導(dǎo)磁率低于1.02。通常只限于具有奧氏體組織的鋼。在諸如受控?zé)岷司圩?/a>、磁浮高速列車、超導(dǎo)電磁推進(jìn)船等大型超導(dǎo)設(shè)備中，所使用的結(jié)構(gòu)材料要求無磁性。因?yàn)槿魩泶判裕瑒t在結(jié)構(gòu)材料自身中會(huì)產(chǎn)生電磁力并影響整個(gè)磁場(chǎng)的分布，產(chǎn)生渦流而發(fā)熱。
(4)材料組織要穩(wěn)定。如果在使用的溫度和工作環(huán)境中材料的組織不穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生相變，就會(huì)降低韌度、產(chǎn)生磁性從而改變磁場(chǎng)的分布、造成體積變化和變形從而導(dǎo)致產(chǎn)生局部的高應(yīng)力。
超低溫(低達(dá)4K)結(jié)構(gòu)用途的鋼必須滿足對(duì)強(qiáng)度和韌度的要求。盡管努力改善高強(qiáng)度鐵素體鋼的韌度，并使它適用于低溫用途，但最終所選的顯微組織仍然是奧氏體，因?yàn)樗g度優(yōu)良。通常奧氏體Ni-Cr不銹鋼是優(yōu)先選用的材料，如美國(guó)300系列的AISl304、AISl310、AISl316等鋼種，低碳的如日本的JIS的SUS304L、SUS316L等鋼種。但通過研究發(fā)現(xiàn)這些鎳鉻不銹鋼因屈服強(qiáng)度太低、組織不夠穩(wěn)定而不適用于制造許多低溫設(shè)備及裝置所需的超低溫鋼。
奧氏體鋼是最適于制造這些在低溫、無磁性等特殊環(huán)境下服役的結(jié)構(gòu)件。其中奧氏體不銹鋼是最重要的一類奧氏體鋼。因?yàn)閵W氏體不銹鋼具有優(yōu)異的不銹耐酸性、抗氧化性、抗輻照性、高溫和低溫力學(xué)性能、生物中性以及與食品有良好的相容性等，所以在石油、化工、電力、交通、航空、航天、航海、國(guó)防、能源開發(fā)以及輕工、紡織、醫(yī)學(xué)、食品等工業(yè)領(lǐng)域都有廣泛的用途。由于各種現(xiàn)代技術(shù)(特別是低溫技術(shù))的溫度、應(yīng)力等服役環(huán)境不同，因此對(duì)所需結(jié)構(gòu)材料的性能要求也不同，必須研究開發(fā)各種系列用途的奧氏體結(jié)構(gòu)鋼。所以自20世紀(jì)80年代以來，美國(guó)、日本等許多國(guó)家都致力于開發(fā)以高錳奧氏體低溫鋼為主要代表的各種新型奧氏體結(jié)構(gòu)鋼。主要有Fe-Mn、Fe-Mn-Cr、Fe-Mn-Cr-N、Fe-Mn-Cr-Ni-N、Fe-Cr-Ni-N、Fe-Mn-Al、Fe-Mn-Cr-Si、Fe-Mn-Si等系列。如日本神戶鋼廠的22Mn-13Cr-5Ni-0.2N和18Mn-16Cr-5Ni-0.2N，新日鐵的25Mn-5Cr-lNi、25Mn-15Cr-1Ni一1Cu和22Mn-13Cr-3Ni一1Mo-1Cu-0.2N。其中日本神戶鋼廠研制的18Mn-16Cr-5Ni一0.22N具有較優(yōu)的低溫性能，它符合日本原子能研究所關(guān)于熱軋狀態(tài)鋼在4K的強(qiáng)度和韌度的規(guī)范。蘇聯(lián)開發(fā)了鑄造用Mn-Cr不銹鋼，它是在常用的Fe-Cr-Mn鋼的基礎(chǔ)上添加適量的Ce、Cu、Ti、Zr等元素而開發(fā)的新鋼種，其成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)：(0.02%～0.15%)C、(19%～25%)Mn、(12%～15%)Cr、(0.05%～0.10%)N、(0.2%～0.8%)Si、(0.005%～0.01%)Ba、0.05%Ca、(0.05%～0.20%)Ce、(0.005%～0.20%)Zr、(0.4%～4%)Cu、(.55%～1.5%)Ti。美國(guó)阿·勒德隆鋼公司開發(fā)了Cr-Ni-Mn奧氏體不銹鋼，它的最高含碳量為0.03%，是一種低碳奧氏體不銹鋼，兼有高強(qiáng)度和高延性。氮強(qiáng)化生物用不銹鋼有17Cr-12 Mn-3Mo-0.9N、17Cr-10Mn-3Mo-0.5N、18Cr-13Mn-0.4N等。對(duì)于這些材料，還在不斷地進(jìn)行研究并逐步地完善。
我國(guó)在此方面的研究起步較晚，早期曾研制了一些Fe-Mn-Al系的適用于77K的超低溫鋼，這些鋼的強(qiáng)度比較低。并在超低溫鋼中均用氮來強(qiáng)化，而在Fe-Mn-Al鋼中無法用氮來強(qiáng)化，因?yàn)榈弯X會(huì)結(jié)合夾雜物。在我國(guó)也曾仿制美國(guó)的Nitronic40(21Cr-6Ni～9Mn)鋼，但該鋼組織中容易出現(xiàn)抗鐵素體，而且有磁性。在國(guó)外也因此鋼易出現(xiàn)爭(zhēng)鐵素體和低溫韌性過低而不再繼續(xù)研究。戴起勛等比較系統(tǒng)地研究了低溫奧氏體鋼的組織和形變、斷裂特征以及合金元素和溫度對(duì)強(qiáng)度、韌性的影響；討論了層錯(cuò)能和合金元素對(duì)層錯(cuò)能的作用m]，并根據(jù)變溫相變理論的推導(dǎo)得出了相變驅(qū)動(dòng)力和層錯(cuò)能的直接關(guān)系，討論了層錯(cuò)能對(duì)馬氏體類型、形貌的影響，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了合金元素和層錯(cuò)能對(duì)低溫奧氏體鋼的相變的強(qiáng)度的綜合影響，為低溫奧氏體鋼的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的理論基礎(chǔ)。
應(yīng)用
聯(lián)箱、蒸汽管道
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