氮铜对低镍奥氏体不锈钢组织性能的影响
发布时间：2021-08-24 01:46
为降低奥氏体不锈钢的成本,提高奥氏体不锈钢的力学性能与腐蚀性能,采用理论计算与扫描电子显微镜、透射电子显微镜、光电子能谱分析仪等实验相结合的方法,研究了氮、铜对低镍不锈钢微观组织、力学性能及耐腐蚀性能的影响,揭示了氮、铜在奥氏体不锈钢中的作用机理,开发出一种新型氮铜复合低镍奥氏体不锈钢。利用Thermo-Calc热力学软件和TCFe-8.0铁基合金数据库计算了 316L不锈钢降低至5wt%镍含量,增加氮含量（0.1～0.4wt%）及铜含量（0～6wt%）对奥氏体、铁素体相区范围的影响。第一性原理计算了γ-Fe、Fe-N、Fe-Ni、Fe-Ni-Cu系的弹性常数、体系体积模量、剪切模量、弹性模量及体现材料延展性能的力学常数。计算结果表明氮对γ-Fe的剪切模量值最高,体模量与剪切模量的比值及泊松比表明增氮对γ-Fe的强度及塑性均有利。铜掺杂使Fe-Ni体系的剪切模量、弹性模量分别降低了 4.22%和3.82%,体积模量与剪切模量之比增大了 2.45%及泊松比提高2.16%,表明铜的掺杂降低了 Fe-Ni体系强度下降,塑性提高。计算结果确定氮、铜对试验不锈钢奥氏体区与铁素体区最佳比例的设计成...
【文章来源】：内蒙古工业大学内蒙古自治区
【文章页数】：121 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
国内不锈钢生产结构分析(a)产量；(b)结构
第一章绪论1第一章绪论1.1低镍不锈钢的发展不锈钢具有抗腐蚀、耐高温、强度大、表面精美、可回收率高等良好性能，被广泛应用于建筑、交通、能源、石化、环保、城市景观、医疗、餐饮等各个领域。图1-1（a）表明中国不锈钢产量近年来的迅速发展，图1-1（b）表明由于300系镍铬不锈钢具有加工性、耐蚀性等应用性能优势，2018年产量占全部产量的46.7%，是不锈钢的主体。300系镍铬不锈钢中镍作为主要合金元素，尤其是镍价甚至占到不锈钢生产成本比例的60~80%，镍价的波动起伏给我国不锈钢产业带来了一系列的问题[1-2]。图1-1国内不锈钢生产结构分析(a)产量；(b)结构Fig1-1Analysisofdomesticstainlesssteelproductionstructure(a)Output;(b)Structure中国镍原矿消耗约占世界总产量的一半，而自采量仅占当年世界开采总量的4%左右[3]（见图1-2），有研究认为国内的镍资源每年需求量还将增长5％[4]，镍资源供应无法得到保证，镍价是影响不锈钢价格的最重要因素之一，由于奥氏体不锈钢加热时不发生相变，强度较低，而氮作为强奥氏体形成元素，钢中加氮具有显著的强化作用，以氮代镍推动低镍不锈钢产品的创新发展，成为不锈钢研究的热点。图1-2世界镍资源分布及国内消费量统计(a)分布；(b)消费量统计Fig1-2Worldnickelresourcedistributionanddomesticconsumptionstatistics(a)distribution;(b)consumptionstatistics
内蒙古工业大学博士学位论文21.2氮在低镍不锈钢中的作用发展低镍不锈钢的条件就是不锈钢售价不断降低，市场成本倒挂，镍资源短缺促进以氮代镍，降低了不锈钢原料成本，而且市场经济效益非常好。中国经济发展推动了钢铁产品的升级，以氮代镍的低镍不锈钢就非常符合这一发展趋势。1.2.1低镍不锈钢中合金元素的作用通过实验及前人经验总结[5]，奥氏体不锈钢的特性与氮、锰、铜、钼、镍等元素在钢中的影响密切相关，见下图1-3。图1-3合金元素对不锈钢的强化影响[5]Fig1-3Effectofalloyingelementsonstrengtheningofstainlesssteels[5]钢中加氮可以明显提高不锈钢的抗拉强度和屈服强度[6-7]，从图1-3可以明显看出氮强化奥氏体不锈钢强度的独特优势，氮在钢中的强化作用由氮在钢中的存在状态决定，氮在钢中的状态可分为溶解于固溶体中和以氮化物形式出现。氮与碳一样，在铁及铁合金中以间隙溶质原子形式出现，但占据着不同的晶格位置，由于氮原子占据在八面体间隙位置因此氮原子更易于在固溶体中均匀分布，但不像碳会导致晶间碳化铬析出，这是氮在奥氏体及双相不锈钢中作为奥氏体稳定剂的原因之一。铁基和氮化物之间的界面能小于铁基和碳化物之间的界面能，所以氮化物更易形成弥散的细小强化相。另一方面，氮降低了奥氏体中密排不完全位错，限制了含间隙杂质原子团的位错运动，因此其强化效应比碳强。锰是较弱的奥氏体形成元素。在镍系奥氏体不锈钢中锰通常是一种脱氧剂，含量一般为1~2%。但不锈钢中随着锰含量的增加，氮在钢中的溶解度可以显著提高。对铬含量超过15%的合金单独使用锰，即使超过25%也不能形成完全奥氏体，为此必须与碳、氮协调使用，常常还加入少量的镍[5]。铜是弱奥氏体形成元素。但铜可以提高不锈钢的不锈性和耐蚀性，特别是在?
【参考文献】：
期刊论文
[1]高强度含N节Ni奥氏体不锈钢08Cr19Mn6Ni3Cu2N（QN1803）的显微组织及性能[J]. 蒋一,程满浪,姜海洪,周庆龙,姜美雪,江来珠,蒋益明. 金属学报. 2020(04)
[2]金属元素掺杂α-Fe（N）体系的电子结构及力学性能的第一性原理计算[J]. 刘香军,杨吉春,贾桂霄,杨昌桥,蔡长焜. 材料工程. 2019(09)
[3]不锈钢中诱发局部腐蚀的贫Cr区研究进展[J]. 史伟宁,杨树峰,李京社. 中国腐蚀与防护学报. 2019(04)
[4]核电装备用奥氏体不锈钢的高温本构模型及动态再结晶[J]. 程晓农,桂香,罗锐,杨雨童,陈乐利,王威,王稳. 材料导报. 2019(11)
[5]合金化对不锈钢耐蚀性能影响的研究进展[J]. 毕凤琴,周帮,王勇. 材料导报. 2019(07)
[6]304和304L奥氏体不锈钢的热加工性能研究[J]. 杨雨童,程晓农,罗锐,陈乐利,桂香. 塑性工程学报. 2019(01)
[7]高密度纳米共格析出强化的新一代超高强钢研究[J]. 王辉,蒋虽合,吴渊,刘雄军,吕昭平. 前沿科学. 2018(01)
[8]高氮奥氏体不锈钢点蚀行为的电化学噪声特征[J]. 安朋亮,梁平,任建民,史艳华,刘峰,陈思瑶. 中国腐蚀与防护学报. 2018(01)
[9]含N量对Mn18Cr18N奥氏体不锈钢的析出行为及力学性能的影响[J]. 秦凤明,李亚杰,赵晓东,何文武,陈慧琴. 金属学报. 2018(01)
[10]高氮奥氏体不锈钢中N与Cr、Mn、Mo键合性质研究[J]. 张旭昀,郑冰洁,郭斌,吴戆,王文泉,王勇. 材料导报. 2017(18)
博士论文
[1]我国镍资源安全及国际化战略研究[D]. 林志峰.昆明理工大学 2017
[2]C-N（-La）共渗层原子间作用第一原理计算与N扩散分子动力学模拟[D]. 由园.哈尔滨工业大学 2013
[3]中国镍资源安全评价[D]. 张佳东.中国地质大学（北京） 2013
[4]经济节镍型不锈钢局部腐蚀行为研究[D]. 高娟.复旦大学 2010
本文编号：3359026
【文章来源】：内蒙古工业大学内蒙古自治区
【文章页数】：121 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
国内不锈钢生产结构分析(a)产量；(b)结构
第一章绪论1第一章绪论1.1低镍不锈钢的发展不锈钢具有抗腐蚀、耐高温、强度大、表面精美、可回收率高等良好性能，被广泛应用于建筑、交通、能源、石化、环保、城市景观、医疗、餐饮等各个领域。图1-1（a）表明中国不锈钢产量近年来的迅速发展，图1-1（b）表明由于300系镍铬不锈钢具有加工性、耐蚀性等应用性能优势，2018年产量占全部产量的46.7%，是不锈钢的主体。300系镍铬不锈钢中镍作为主要合金元素，尤其是镍价甚至占到不锈钢生产成本比例的60~80%，镍价的波动起伏给我国不锈钢产业带来了一系列的问题[1-2]。图1-1国内不锈钢生产结构分析(a)产量；(b)结构Fig1-1Analysisofdomesticstainlesssteelproductionstructure(a)Output;(b)Structure中国镍原矿消耗约占世界总产量的一半，而自采量仅占当年世界开采总量的4%左右[3]（见图1-2），有研究认为国内的镍资源每年需求量还将增长5％[4]，镍资源供应无法得到保证，镍价是影响不锈钢价格的最重要因素之一，由于奥氏体不锈钢加热时不发生相变，强度较低，而氮作为强奥氏体形成元素，钢中加氮具有显著的强化作用，以氮代镍推动低镍不锈钢产品的创新发展，成为不锈钢研究的热点。图1-2世界镍资源分布及国内消费量统计(a)分布；(b)消费量统计Fig1-2Worldnickelresourcedistributionanddomesticconsumptionstatistics(a)distribution;(b)consumptionstatistics
内蒙古工业大学博士学位论文21.2氮在低镍不锈钢中的作用发展低镍不锈钢的条件就是不锈钢售价不断降低，市场成本倒挂，镍资源短缺促进以氮代镍，降低了不锈钢原料成本，而且市场经济效益非常好。中国经济发展推动了钢铁产品的升级，以氮代镍的低镍不锈钢就非常符合这一发展趋势。1.2.1低镍不锈钢中合金元素的作用通过实验及前人经验总结[5]，奥氏体不锈钢的特性与氮、锰、铜、钼、镍等元素在钢中的影响密切相关，见下图1-3。图1-3合金元素对不锈钢的强化影响[5]Fig1-3Effectofalloyingelementsonstrengtheningofstainlesssteels[5]钢中加氮可以明显提高不锈钢的抗拉强度和屈服强度[6-7]，从图1-3可以明显看出氮强化奥氏体不锈钢强度的独特优势，氮在钢中的强化作用由氮在钢中的存在状态决定，氮在钢中的状态可分为溶解于固溶体中和以氮化物形式出现。氮与碳一样，在铁及铁合金中以间隙溶质原子形式出现，但占据着不同的晶格位置，由于氮原子占据在八面体间隙位置因此氮原子更易于在固溶体中均匀分布，但不像碳会导致晶间碳化铬析出，这是氮在奥氏体及双相不锈钢中作为奥氏体稳定剂的原因之一。铁基和氮化物之间的界面能小于铁基和碳化物之间的界面能，所以氮化物更易形成弥散的细小强化相。另一方面，氮降低了奥氏体中密排不完全位错，限制了含间隙杂质原子团的位错运动，因此其强化效应比碳强。锰是较弱的奥氏体形成元素。在镍系奥氏体不锈钢中锰通常是一种脱氧剂，含量一般为1~2%。但不锈钢中随着锰含量的增加，氮在钢中的溶解度可以显著提高。对铬含量超过15%的合金单独使用锰，即使超过25%也不能形成完全奥氏体，为此必须与碳、氮协调使用，常常还加入少量的镍[5]。铜是弱奥氏体形成元素。但铜可以提高不锈钢的不锈性和耐蚀性，特别是在?
【参考文献】：
期刊论文
[1]高强度含N节Ni奥氏体不锈钢08Cr19Mn6Ni3Cu2N（QN1803）的显微组织及性能[J]. 蒋一,程满浪,姜海洪,周庆龙,姜美雪,江来珠,蒋益明. 金属学报. 2020(04)
[2]金属元素掺杂α-Fe（N）体系的电子结构及力学性能的第一性原理计算[J]. 刘香军,杨吉春,贾桂霄,杨昌桥,蔡长焜. 材料工程. 2019(09)
[3]不锈钢中诱发局部腐蚀的贫Cr区研究进展[J]. 史伟宁,杨树峰,李京社. 中国腐蚀与防护学报. 2019(04)
[4]核电装备用奥氏体不锈钢的高温本构模型及动态再结晶[J]. 程晓农,桂香,罗锐,杨雨童,陈乐利,王威,王稳. 材料导报. 2019(11)
[5]合金化对不锈钢耐蚀性能影响的研究进展[J]. 毕凤琴,周帮,王勇. 材料导报. 2019(07)
[6]304和304L奥氏体不锈钢的热加工性能研究[J]. 杨雨童,程晓农,罗锐,陈乐利,桂香. 塑性工程学报. 2019(01)
[7]高密度纳米共格析出强化的新一代超高强钢研究[J]. 王辉,蒋虽合,吴渊,刘雄军,吕昭平. 前沿科学. 2018(01)
[8]高氮奥氏体不锈钢点蚀行为的电化学噪声特征[J]. 安朋亮,梁平,任建民,史艳华,刘峰,陈思瑶. 中国腐蚀与防护学报. 2018(01)
[9]含N量对Mn18Cr18N奥氏体不锈钢的析出行为及力学性能的影响[J]. 秦凤明,李亚杰,赵晓东,何文武,陈慧琴. 金属学报. 2018(01)
[10]高氮奥氏体不锈钢中N与Cr、Mn、Mo键合性质研究[J]. 张旭昀,郑冰洁,郭斌,吴戆,王文泉,王勇. 材料导报. 2017(18)
博士论文
[1]我国镍资源安全及国际化战略研究[D]. 林志峰.昆明理工大学 2017
[2]C-N（-La）共渗层原子间作用第一原理计算与N扩散分子动力学模拟[D]. 由园.哈尔滨工业大学 2013
[3]中国镍资源安全评价[D]. 张佳东.中国地质大学（北京） 2013
[4]经济节镍型不锈钢局部腐蚀行为研究[D]. 高娟.复旦大学 2010
本文编号：3359026
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