奧氏體鋼

奧氏體鋼和奧氏體不鏽鋼是最近幾十年不斷研究和開發的重要的一類鋼。其中奧氏體不鏽鋼產量和用量約佔不鏽鋼總產量及用量的70%，鋼號也最多。奧氏體不鏽鋼是一種十分優良的材料，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、生物醫學、石油化工和其他行業中得到廣泛的應用。但由於其硬度偏低(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者。在1926年，由於戰爭導致鎳的短缺，激發人們研究用氮取代部分鎳來穩定奧氏體。由於高技術的發展迫切需要相應的高性能材料。在奧氏體鋼中加入氮，可以穩定奧氏體組織、提高強度，並且提高耐腐蝕性能，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鏽鋼的研究受到廣泛的關注，並取得了一些成果。

奧氏體鋼主要用於過熱器、再熱器。所有奧氏體鋼可以看作是由18Cr8Ni(AISl302)基礎上發展起來的，分為15%Cr、18%Cr、20%～25%Cr和高Cr高Ni類。15%Cr系列奧氏體鋼儘管強度很高但抗腐蝕性能差應用較少。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，對於提高過熱器管的穩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用。在TP304H基礎上通過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，但相對於強度來說價格過於昂貴，因而限制了其使用。新近開發的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)，通過奧氏體穩定元素N、Cu取代Ni，具有優異的高溫強度和相對低廉的成本。

由於缺乏在低溫下鋼的性能數據和適宜在低溫下工作的材料，早期的這 些高技術的發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準局執行了一項超導電機用低溫材料的研究。自1977年開始在美國能源研究和發展署的支持下，國家標準局又執行了一項有關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鏽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堆的研究和開發促進了Fe-Mn-Cr鋼的廣泛研究。這是因為採用Fe-Mn-Cr鋼代替Fe-Ni-Cr鋼作為核聚變反應堆的結構材料，不僅能大幅度降低成本，同時也具有優良的抗腫脹性能，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，認識到這些傳統的鎳鉻奧氏體不鏽鋼不適合製造大型超導設備及裝置所需的高性能低溫結構材料。歸納起來，其主要原因有以下幾點。

(1)傳統或改良的鎳鉻奧氏體不鏽鋼的屈服強度太低。

(2)鋼的奧氏體組織穩定性比較差，因為這些鋼的馬氏體轉變溫度(艦)都在室溫上下或低於室溫不多，所以在比較低的溫度下部分奧氏體轉變成馬氏體，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定性，但會使鋼在低溫下出現磁性，並且不會對強度有較大的貢獻。

(4)在核聚變裝置中有可能由於鎳而產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，並且鎳降低Neel(T)溫度。

為製造以上這些現代高技術儀器、設備和裝置，需要開發在各種條件下所使用的新型結構鋼材料。主要的性能技術要求如下。

(1)高的屈服強度。由於強磁場、高應力等環境因素的作用，結構材料受到很大的載荷，材料必須具有高的屈服強度。

(2)優良的塑韌性。許多設備是在低溫、超低溫下工作，安全可靠性非常重要，材料應具有良好的塑韌性(特別是低溫下的塑韌性)，以防止發生低應力脆性破壞。

(3)無磁性。一般要求導磁率低於1.02。通常只限於具有奧氏體組織的鋼。在諸如受控熱核聚變、磁浮高速列車、超導電磁推進船等大型超導設備中，所使用的結構材料要求無磁性。因為若帶來磁性，則在結構材料自身中會產生電磁力並影響整個磁場的分佈，產生渦流而發熱。

(4)材料組織要穩定。如果在使用的溫度和工作環境中材料的組織不穩定，會發生相變，就會降低韌度、產生磁性從而改變磁場的分佈、造成體積變化和變形從而導致產生局部的高應力。

超低溫(低達4K)結構用途的鋼必須滿足對強度和韌度的要求。儘管努力改善高強度鐵素體鋼的韌度，並使它適用於低溫用途，但最終所選的顯微組織仍然是奧氏體，因為它韌度優良。通常奧氏體Ni-Cr不鏽鋼是優先選用的材料，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。但通過研究發現這些鎳鉻不鏽鋼因屈服強度太低、組織不夠穩定而不適用於製造許多低溫設備及裝置所需的超低溫鋼。

奧氏體鋼是最適於製造這些在低溫、無磁性等特殊環境下服役的結構件。其中奧氏體不鏽鋼是最重要的一類奧氏體鋼。因為奧氏體不鏽鋼具有優異的不銹耐酸性、抗氧化性、抗幅照性、高溫和低溫力學性能、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、能源開發以及輕工、紡織、醫學、食品等工業領域都有廣泛的用途。由於各種現代技術(特別是低溫技術)的溫度、應力等服役環境不同，因此對所需結構材料的性能要求也不同，必須研究開發各種系列用途的奧氏體結構鋼。所以自20世紀80年代以來，美國、日本等許多國家都致力於開發以高錳奧氏體低溫鋼為主要代表的各種新型奧氏體結構鋼。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製的18Mn-16Cr-5Ni一0.22N具有較優的低溫性能，它符合日本原子能研究所關於熱軋狀態鋼在4K的強度和韌度的規範。蘇聯開發了鑄造用Mn-Cr不鏽鋼，它是在常用的Fe-Cr-Mn鋼的基礎上添加適量的Ce、Cu、Ti、Zr等元素而開發的新鋼種，其成分為(質量分數%)：(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。美國阿·勒德隆鋼公司開發了Cr-Ni-Mn奧氏體不鏽鋼，它的最高含碳量為0.03%，是一種低碳奧氏體不鏽鋼，兼有高強度和高延性。氮強化生物用不鏽鋼有17Cr-12 Mn-3Mo-0.9N、17Cr-10Mn-3Mo-0.5N、18Cr-13Mn-0.4N等。對於這些材料，還在不斷的進行研究並逐步的完善。

我國在此方面的研究起步較晚，早期曾研製了一些Fe-Mn-Al系的適用於77K的超低溫鋼，這些鋼的強度比較低。並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，因為氮和鋁會結合夾雜物。在我國也曾仿製美國的Nitronic40(21Cr-6Ni～9Mn)鋼，但該鋼組織中容易出現擴鐵素體，而且有磁性。在國外也因此鋼易出現爭鐵素體和低溫韌性過低而不再繼續研究。戴起勛等比較系統地研究了低溫奧氏體鋼的組織和形變、斷裂特徵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]，並根據變溫相變理論的推導得出了相變驅動力和層錯能的直接關係，討論了層錯能對馬氏體類型、形貌的影響，在此基礎上，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化設計提供了一定的理論基礎。

儘管奧氏體鋼有熱膨脹係數高、導熱性差、價格昂貴等不足，但選擇 奧氏體鋼作為聯箱、管道材料仍然在人們的考慮當中。首先由於蒸汽管道、聯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鋼的聯箱允許溫升速率僅為X3CrNiMoN1713聯箱的1/2。此外，還可以採取結構設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量、設置末級前的中間聯箱等都可以減薄壁厚。通過採用上述措施，X3CrNiMoN1713可以用到35MPa/620℃或25MPa/650℃以下的場合。德國已有4家電站決定大量採用該鋼種，其中包括Lippendorf 2台800MW的機組R、S和Boxberg4號機組(440MW)。