[科普中国]-奥氏体钢

简介

奥氏体钢和奥氏体不锈钢是最近几十年不断研究和开发的重要的一类钢。其中奥氏体不锈钢产量和用量约占不锈钢总产量及用量的70%，钢号也最多。奥氏体不锈钢是一种十分优良的材料，它有很好的抗腐蚀性和极佳的生物相容性，因而在化工、海洋工程、食品、生物医学、石油化工和其他行业中得到广泛的应用。但由于其硬度偏低(HV200～HV250)、耐磨性较差，使用受到限制。Adcock是第一个研究钢中加入氮的作用的学者。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。由于高技术的发展迫切需要相应的高性能材料。在奥氏体钢中加入氮，可以稳定奥氏体组织、提高强度，并且提高耐腐蚀性能，特别是耐局部腐蚀，如耐晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀等。所以奥氏体钢和奥氏体不锈钢的研究受到广泛的关注，并取得了一些成果。

奥氏体钢的特点奥氏体钢主要用于过热器、再热器。所有奥氏体钢可以看作是由18Cr8Ni(AISl302)基础上发展起来的，分为15%Cr、18%Cr、20%～25%Cr和高Cr高Ni类。15%Cr系列奥氏体钢尽管强度很高但抗腐蚀性能差应用较少。在普通蒸汽条件下使用的18%Cr钢有TP304H、TP321H、TP316H和TP347H，其中TP347H强度高，通过热处理使其晶粒细化到8级以上即得到TP347HFC细晶钢，提高了蠕变强度和抗蒸汽氧化能力，对于提高过热器管的稳定性起着重要的作用，在国外许多超超临界机组中得到了大量应用。在TP304H基础上通过Cu、Ni、N合金化得到18Crl0NiNbTi(TempaloyA-1)和18CrgNiCuNbN(Super304H)，强度得到了提高，经济性很好。20%～25%Cr钢和高Cr高Ni钢抗腐蚀和蒸汽氧化性能很好，但相对于强度来说价格过于昂贵，因而限制了其使用。新近开发的20%～25%Cr钢，包括25Cr20NiNbN(TP310NbN)、20Cr25NiMoNbTi(NF709)、22Crl5NiNbN(TempaloyA-3)和更高强度级别的22.5Crl8.5NiWCuNbN(SAVE25)，通过奥氏体稳定元素N、Cu取代Ni，具有优异的高温强度和相对低廉的成本。2

奥氏体钢成分与性能由于缺乏在低温下钢的性能数据和适宜在低温下工作的材料，早期的这些高技术的发展受到了很大的影响。1973年开始在美国国防部先进计划署支持下由国家标准局执行了一项超导电机用低温材料的研究。自1977年开始在美国能源研究和发展署的支持下，国家标准局又执行了一项有关核聚变装置的超低温材料的研究。在这两个研究项目中主要是在已有的镍铬奥氏体不锈钢中选择一些钢种进行实验研究。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)等钢种。近十年来，清洁的新能源核聚变反应堆的研究和开发促进了Fe-Mn-Cr钢的广泛研究。这是因为采用Fe-Mn-Cr钢代替Fe-Ni-Cr钢作为核聚变反应堆的结构材料，不仅能大幅度降低成本，同时也具有优良的抗肿胀性能，特别是可以显著减少长期残留有害的放射线污染，这为核聚变反应堆的维修和废物处理提供了方便。通过研究，认识到这些传统的镍铬奥氏体不锈钢不适合制造大型超导设备及装置所需的高性能低温结构材料。归纳起来，其主要原因有以下几点。

(1)传统或改良的镍铬奥氏体不锈钢的屈服强度太低。

(2)钢的奥氏体组织稳定性比较差，因为这些钢的马氏体转变温度(舰)都在室温上下或低于室温不多，所以在比较低的温度下部分奥氏体转变成马氏体，改变了材料的强度、韧度和磁性等性能。

(3)增大镍和铬的含量可以增加奥氏体组织稳定性，但会使钢在低温下出现磁性，并且不会对强度有较大的贡献。

(4)在核聚变装置中有可能由于镍而产生半衰期很长的放射性同位素。

(5)镍元素比较贵，是紧缺资源，并且镍降低Neel(TN)温度。

为制造以上这些现代高技术仪器、设备和装置，需要开发在各种条件下所使用的新型结构钢材料。主要的性能技术要求如下。

(1)高的屈服强度。由于强磁场、高应力等环境因素的作用，结构材料受到很大的载荷，材料必须具有高的屈服强度。

(2)优良的塑韧性。许多设备是在低温、超低温下工作，安全可靠性非常重要，材料应具有良好的塑韧性(特别是低温下的塑韧性)，以防止发生低应力脆性破坏。

(3)无磁性。一般要求导磁率低于1.02。通常只限于具有奥氏体组织的钢。在诸如受控热核聚变、磁浮高速列车、超导电磁推进船等大型超导设备中，所使用的结构材料要求无磁性。因为若带来磁性，则在结构材料自身中会产生电磁力并影响整个磁场的分布，产生涡流而发热。

(4)材料组织要稳定。如果在使用的温度和工作环境中材料的组织不稳定，会发生相变，就会降低韧度、产生磁性从而改变磁场的分布、造成体积变化和变形从而导致产生局部的高应力。

超低温(低达4K)结构用途的钢必须满足对强度和韧度的要求。尽管努力改善高强度铁素体钢的韧度，并使它适用于低温用途，但最终所选的显微组织仍然是奥氏体，因为它韧度优良。通常奥氏体Ni-Cr不锈钢是优先选用的材料，如美国300系列的AISl304、AISl310、AISl316等钢种，低碳的如日本的JIS的SUS304L、SUS316L等钢种。但通过研究发现这些镍铬不锈钢因屈服强度太低、组织不够稳定而不适用于制造许多低温设备及装置所需的超低温钢。

奥氏体钢是最适于制造这些在低温、无磁性等特殊环境下服役的结构件。其中奥氏体不锈钢是最重要的一类奥氏体钢。因为奥氏体不锈钢具有优异的不锈耐酸性、抗氧化性、抗幅照性、高温和低温力学性能、生物中性以及与食品有良好的相容性等，所以在石油、化工、电力、交通、航空、航天、航海、国防、能源开发以及轻工、纺织、医学、食品等工业领域都有广泛的用途。由于各种现代技术(特别是低温技术)的温度、应力等服役环境不同，因此对所需结构材料的性能要求也不同，必须研究开发各种系列用途的奥氏体结构钢。所以自20世纪80年代以来，美国、日本等许多国家都致力于开发以高锰奥氏体低温钢为主要代表的各种新型奥氏体结构钢。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。如日本神户钢厂的22Mn-13Cr-5Ni-0.2N和18Mn-16Cr-5Ni-0.2N，新日铁的25Mn-5Cr-lNi、25Mn-15Cr-1Ni一1Cu和22Mn-13Cr-3Ni一1Mo-1Cu-0.2N。其中日本神户钢厂研制的18Mn-16Cr-5Ni一0.22N具有较优的低温性能，它符合日本原子能研究所关于热轧状态钢在4K的强度和韧度的规范。苏联开发了铸造用Mn-Cr不锈钢，它是在常用的Fe-Cr-Mn钢的基础上添加适量的Ce、Cu、Ti、Zr等元素而开发的新钢种，其成分为(质量分数%)：(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。美国阿·勒德隆钢公司开发了Cr-Ni-Mn奥氏体不锈钢，它的最高含碳量为0.03%，是一种低碳奥氏体不锈钢，兼有高强度和高延性。氮强化生物用不锈钢有17Cr-12 Mn-3Mo-0.9N、17Cr-10Mn-3Mo-0.5N、18Cr-13Mn-0.4N等。对于这些材料，还在不断的进行研究并逐步的完善。

我国在此方面的研究起步较晚，早期曾研制了一些Fe-Mn-Al系的适用于77K的超低温钢，这些钢的强度比较低。并在超低温钢中均用氮来强化，而在Fe-Mn-Al钢中无法用氮来强化，因为氮和铝会结合夹杂物。在我国也曾仿制美国的Nitronic40(21Cr-6Ni～9Mn)钢，但该钢组织中容易出现扩铁素体，而且有磁性。在国外也因此钢易出现争铁素体和低温韧性过低而不再继续研究。戴起勋等比较系统地研究了低温奥氏体钢的组织和形变、断裂特征以及合金元素和温度对强度、韧性的影响；讨论了层错能和合金元素对层错能的作用m]，并根据变温相变理论的推导得出了相变驱动力和层错能的直接关系，讨论了层错能对马氏体类型、形貌的影响，在此基础上，进一步研究了合金元素和层错能对低温奥氏体钢的相变的强度的综合影响，为低温奥氏体钢的优化设计提供了一定的理论基础。3

奥氏体钢的应用尽管奥氏体钢有热膨胀系数高、导热性差、价格昂贵等不足，但选择奥氏体钢作为联箱、管道材料仍然在人们的考虑当中。首先由于蒸汽管道、联箱的温度对奥氏体钢来说不太高，可以选择合金含量低一些的钢种，如X3CrNiMoN1713，可以降低成本。同时，奥氏体钢的高强度可以降低壁厚，从而提高允许温升速率，如600℃、30MPa下P91钢的联箱允许温升速率仅为X3CrNiMoN1713联箱的1/2。此外，还可以采取结构设计潜施来避免奥氏体钢的不足，如增加平行的小尺寸的蒸汽通道的数量、设置末级前的中间联箱等都可以减薄壁厚。通过采用上述措施，X3CrNiMoN1713可以用到35MPa/620℃或25MPa/650℃以下的场合。德国已有4家电站决定大量采用该钢种，其中包括Lippendorf 2台800MW的机组R、S和Boxberg4号机组(440MW)。2