虽然氮的引入可显著改善材料的性能,但并不是越高越好,而是存在着最佳含氮量。对奥氏体类钢,最佳含氮量为0.8%~1.3%,当考虑断裂韧性时,氮取下限值,当考虑屈服强度时,氮取上限值;对于马氏体类钢,最佳含氮量则是0.3%~0.5%;铁素体类钢应大于0.08%。

近年来,高氮钢的研究受到了国际冶金界的高度重视,世界各国也推出了一些牌号的高氮钢钢号,但对氮在各类钢中的作用行为、氮与其他合金元素的交互作用、对相变过程的影响等物理冶金方面的基本规律研究却未有很大进展,致使人们未能掌握氮在钢中和其他合金元素之间的最佳配比及其对性能的作用规律。要使高氮钢像其他钢种一样应用于生产实际,尚有许多问题亟待解决。

1.基础理论研究

1)氮在液态钢中的溶解度计算均借用相互作用参数修正Sievert定律。其实,在高压、高合金元素浓度下,稀溶液的相互作用参数可能不再适用了。而氮在凝固态、固态钢中的固溶度模型尚未有统一的认识。2)Uggowitzer等人曾讨论过氮在奥氏体钢中的强化机制,认为氮对屈服强度的影响由固溶强化、晶界强化和冷变形强化三部分组成,并给出了相应的模型,但这些模型的正确性尚有待于进一步证实。对于某种特定的高氮钢,其微观结构不同,强化方式当然也不同,应深入研究。此外,氮在铁基固溶体中的存在形式,氮对原子间的结合点阵缺陷和能量的影响以及含氮铁合金液的热力学性质也尚需研究。3)氮在钢中的热稳定性对高氮钢在高温场合的应用和真空状态下的应用、焊接部位性能的变化等都有影响,目前对此也缺乏研究。

2.应用研究

扩大高氮钢应用,一方面要继续寻求某些特殊的领域,在这些领域中采用的高氮钢在总成本中所占比例很小,主要发挥高氮钢的不可替代的作用,另一方面是改进高氮钢生产技术、降低成本以取代常用的钢种。

1)目前已开发的各种氮合金化和熔炼方法在安全性、组织的均匀性和控制方面均存在着不同程度的困难。2)作为结构材料,可焊接性关系到高氮钢的应用和推广。高氮钢中氮过饱和,若采用传统的焊接方法,往往会引起氮气泡析出和焊接开裂。对几种高氮钢焊接性能的研究表明,只要采用合适的焊接工艺和方法,高氮钢还是可以焊接的。高氮钢的强化方式很多,不同的处理工艺相组合,获得的材料性能当然不同。有必要系统地研究高氮钢的处理工艺和性能间的关系,以获得最佳的材料性能。

3.新钢种的开发

目前,高氮钢的研究主要限于奥氏体钢或铁素体和马氏体钢。其实,氮的作用远不止此,Frist在论述钢中氮的有益作用时认为,氮对HSLA钢、珠光体钢和双相钢等钢种均有益。为此,可开发出许多新型的含氮钢种。

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