奧氏體鋼

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強度高，通過熱處理使其晶粒細化到8級以上即得到TP347HFC細晶鋼，提高了蠕變強度和抗蒸汽氧化能力，對于提高過熱器管的穩(wěn)定性起著重要的作用，在國外許多超超臨界機組中得到了大量應(yīng)用。在TP304H基礎(chǔ)上通過Cu、Ni、N合金化得到18Crl0NiNbTi(TempaloyA-1)和18CrgNiCuNbN(Super304H)，強度得到了提高，經(jīng)濟性很好。20%～25%Cr鋼和高Cr高Ni鋼抗腐蝕和蒸汽氧化性能很好，但相對于強度來說價格過于昂貴，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)和更高強度級別的22.5Crl8.5NiWCuNbN(SAVE25)，通過奧氏體穩(wěn)定元素N、Cu取代Ni，具有優(yōu)異的高溫強度和相對低廉的成本。

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是第一個研究鋼中加入氮的作用的學(xué)者。在1926年，由于戰(zhàn)爭導(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。

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年開始在美國國防部先進計劃署支持下由國家標(biāo)準(zhǔn)局執(zhí)行了一項超導(dǎo)電機用低溫材料的研究。自1977年開始在美國能源研究和發(fā)展署的支持下，國家標(biāo)準(zhǔn)局又執(zhí)行了一項有關(guān)核聚變裝置的超低溫材料的研究。在這兩個研究項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行實驗研究。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)促進了Fe-Mn-Cr鋼的廣泛研究。這是因為采用Fe-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，同時也具有優(yōu)良的抗腫脹性能，特別是可以顯著減少長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，認識到這些傳統(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。

(1)傳統(tǒng)或改良的鎳鉻奧氏體不銹鋼的屈服強度太低。

(2)鋼的奧氏體組織穩(wěn)定性比較差，因為這些鋼的馬氏體轉(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，但會使鋼在低溫下出現(xiàn)磁性，并且不會對強度有較大的貢獻。

(4)在核聚變裝置中有可能由于鎳而產(chǎn)生半衰期很長的放射性同位素。

(5)鎳元素比較貴，是緊缺資源，并且鎳降低Neel(T_N)溫度。

為制造以上這些現(xiàn)代高技術(shù)儀器、設(shè)備和裝置，需要開發(fā)在各種條件下所使用的新型結(jié)構(gòu)鋼材料。主要的性能技術(shù)要求如下。

(1)高的屈服強度。由于強磁場、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?、磁浮高速列車、超?dǎo)電磁推進船等大型超導(dǎo)設(shè)備中，所使用的結(jié)構(gòu)材料要求無磁性。因為若帶來磁性，則在結(jié)構(gòu)材料自身中會產(chǎn)生電磁力并影響整個磁場的分布，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，會發(fā)生相變，就會降低韌度、產(chǎn)生磁性從而改變磁場的分布、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4K)結(jié)構(gòu)用途的鋼必須滿足對強度和韌度的要求。盡管努力改善高強度鐵素體鋼的韌度，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，因為它韌度優(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。因為奧氏體不銹鋼具有優(yōu)異的不銹耐酸性、抗氧化性、抗幅照性、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、日本等許多國家都致力于開發(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?、(0.05%～0.20%)Ce、(0.005%～0.20%)Zr、(0.4%～4%)Cu、(.55%～1.5%)Ti。美國阿·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，兼有高強度和高延性。氮強化生物用不銹鋼有17Cr-12 Mn-3Mo-0.9N、17Cr-10Mn-3Mo-0.5N、18Cr-13Mn-0.4N等。對于這些材料，還在不斷的進行研究并逐步的完善。

我國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，這些鋼的強度比較低。并在超低溫鋼中均用氮來強化，而在Fe-Mn-Al鋼中無法用氮來強化，因為氮和鋁會結(jié)合夾雜物。在我國也曾仿制美國的Nitronic40(21Cr-6Ni～9Mn)鋼，但該鋼組織中容易出現(xiàn)擴鐵素體，而且有磁性。在國外也因此鋼易出現(xiàn)爭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強度、韌性的影響；討論了層錯能和合金元素對層錯能的作用m]，并根據(jù)變溫相變理論的推導(dǎo)得出了相變驅(qū)動力和層錯能的直接關(guān)系，討論了層錯能對馬氏體類型、形貌的影響，在此基礎(chǔ)上，進一步研究了合金元素和層錯能對低溫奧氏體鋼的相變的強度的綜合影響，為低溫奧氏體鋼的優(yōu)化設(shè)計提供了一定的理論基礎(chǔ)。

盡管奧氏體鋼有熱膨脹系數(shù)高、導(dǎo)熱性差、價格昂貴等不足，但選擇奧氏體鋼作為聯(lián)箱、管道材料仍然在人們的考慮當(dāng)中。首先由于蒸汽管道、聯(lián)箱的溫度對奧氏體鋼來說不太高，可以選擇合金含量低一些的鋼種，如X3CrNiMoN1713，可以降低成本。同時，奧氏體鋼的高強度可以降低壁厚，從而提高允許溫升速率，如600℃、30MPa下P91鋼的聯(lián)箱允許溫升速率僅為X3CrNiMoN1713聯(lián)箱的1/2。此外，還可以采取結(jié)構(gòu)設(shè)計潛施來避免奧氏體鋼的不足，如增加平行的小尺寸的蒸汽通道的數(shù)量、設(shè)置末級前的中間聯(lián)箱等都可以減薄壁厚。通過采用上述措施，X3CrNiMoN1713可以用到35MPa/620℃或25MPa/650℃以下的場合。德國已有4家電站決定大量采用該鋼種，其中包括Lippendorf 2臺800MW的機組R、S和Boxberg4號機組(440MW)。

沉淀硬化奧氏體耐熱鋼碳化物沉淀硬化奧氏體耐熱鋼

以碳化物形成元素釩、鈮和鉬形成的MC和M23C6型碳化物作為強化相，使用溫度650℃。為保證足夠高的高溫強度，必須有足夠高的碳化物體積分?jǐn)?shù)，故這類鋼的碳含量應(yīng)保持在0.4%左右。代表性的中國牌號為GH36，它是一種節(jié)鎳型的Fe-13Cr-8Ni-8Mn鋼，并含有強化元素鉬、釩和鈮。其中鉬主要是起固溶強化作用，鉬含量約為1.4%。釩和鈮含量分別約為1.4%和0.4%，王要起沉淀強化作用。GH36鋼中最主要的碳化物是Vc，其中溶有部分鈮和鉬，隨鋼中釩含量增加，鋼的高溫強度增加，VC析出量最多時(670~750℃)與最大硬度相符，其顆粒從幾個nm到20nm。第二種碳化物是M23C6，其成分為(Cr，F(xiàn)e，V，Mo)23C6復(fù)合碳化物，最高形成溫度為900℃。鉬的溶入促進了M23C6的強化效應(yīng)。第三種碳化物為NbC溶有部分釩和鉬，鈮雖有固溶強化作用，但過量易生成一次粗大的NbC或Nb(C，N)夾雜物，不利于鋼的強化。VC和M23C6只有在相當(dāng)高溫度下才能溶解，所以固溶溫度在1120～1140℃保溫80min。時效處理采用二次時效熱處理制度，即650~670℃時效14～16h后升溫到770～800℃時效14~20h，然后空冷。此時鋼中主要強化相為1%左右的彌散分布的VC和3%左右顆粒稍大的M23C6以及0.3%左右的難溶解的NbC或Nb(C，N)。為限制NbC或Nb(C，N)出現(xiàn)，應(yīng)控制低的氮含量和N3gN的碳含量和不太高的氮含量，氮含量增加不僅使鋼的強度低，而且持久塑性也顯著下降。為改善鋼的性能，加入少量鋁(約0.3%)以固定氮，減少Nb(C，N)夾雜物，可以更好發(fā)揮釩和鈮的強化作用。同時加入微量鎂(0.003%～0.005%)可強化晶界，提高鋼的持久塑性。

此外，還有鐵一鉻一鎳一鈷基的碳化物沉淀硬化型耐熱鋼如美國的S-590(含有0.4%碳、21%鉻、20%鎳、20%鈷、4%鎢、4%鉬、4%鈮)，其沉淀強化相為NbC。另一類型是借溫加工來促進碳化物沉淀強化的中國耐熱鋼G18B(含有0．4%碳、13%鉻、13%鎳、10%鈷、2.5%鎢、2%鉬、3%鈮)，其沉淀強化相亦為NbC。

沉淀硬化奧氏體耐熱鋼金屬間化合物沉淀硬化奧氏體耐熱鋼

以金屬間化合物γ’-Ni3(Ti，A1)作為主要沉淀強化相，用于溫度在650～750℃甚至更高的溫度運轉(zhuǎn)的燃氣輪機部件。由于加入大量鐵素體型強化元素如鎢、鉬、鈦、鋁和鈮等，為保證基體奧氏體組織的穩(wěn)定性，加入了大量的鎳，其基體根據(jù)鎳含量不同可分為Fe-15Cr-25Ni、Fe-15Cr-35Ni等，加入鈦和鋁主要是為形成γ’-Ni3(Ti，A1)金屬間化合物，以便經(jīng)過時效處理產(chǎn)生沉淀強化。圖為cr15Ni25鋼加入鈦和鋁所形成的各種金屬間化合物。其中能作為沉淀強化相的是溶有鈦和鋁的γ’-Ni3(Ti，A1)相，長時間后γ’-Ni3(Ti，A1)相會轉(zhuǎn)變成η-Ni3Ti相而出現(xiàn)胞狀沉淀組織，使沉淀強化效果消失。一般A1/Ti小于1，鋁有穩(wěn)定γ’-Ni3(Ti，A1)的作用。過量的鋁又會形成Ni2A1Ti和Ni(A1，Ti)相，易聚集長大，不能作為沉淀強化相。這類鋼中γ’相的體積分?jǐn)?shù)不超過20%，因而限制了進一步提高鋼高溫強度。進一步合金化還單獨或同時加入鎢和鉬以固溶強化來提高其高溫強度和使用溫度。鎢和鉬除有形成Laves相傾向外，還可能形成σ相和μ相，使鋼失去組織穩(wěn)定性，甚至造成脆化效應(yīng)。通過調(diào)整成分或細化晶粒減輕σ相在晶界密集程度，是保證鋼在高溫長期使用安全的重要措施。鉬能改善由鈦引起的低塑性和缺口敏感性。鋼中加入晶界強化元素硼、鋯、鈰、鎂等，其中硼含量不宜過高，否則在晶界易形成硼化物低熔點共晶而產(chǎn)生熱脆。這些微量元素可改善鋼的持久塑性和強度，消除缺口敏感性。硅作為殘留元素在鋼中存在，當(dāng)其含量在上限時易生成Ni14Ti9Si6的G相，消耗主要強化元素鈦及奧氏體形成元素鎳，且G相性脆，要嚴(yán)格控制其生成。由于這類鋼的組織穩(wěn)定性較差，γ’-Ni3(Ti，A1)易生成η-Ni3Ti的不利轉(zhuǎn)變和微量脆性相析出傾向，限制了鋼在較高溫度下的強化，只能在650～750℃的中溫范圍使用。

Crl5Ni25鋼加入鈦和鋁形成的各種金屬間化合物

904LN08904　奧氏體不銹鋼，具有良好抗氯化物應(yīng)力腐蝕的能力，在許多介質(zhì)中耐均勻腐蝕和氯化物點蝕的能力高于316、317合金，同時能抵抗還原性介質(zhì)的腐蝕，如熱磷酸和稀硫酸。合金的含碳量很低，利于壓力容器的焊接和復(fù)雜零件的加工制造?！≈饕猛尽煹罋怏w凈化裝置；化肥生產(chǎn)；制酸工業(yè)；發(fā)電設(shè)備和氣體腐蝕環(huán)境。

用于焊接鎳基合金及鉻鎳奧氏體鋼，也可用于異種鋼焊接。