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摘要：高氮钢在强度大幅提高的同时基本保持优异的塑性韧性。由此，本文对工业化生产的 Cr18Mn17N0.8 高氮钢(HNS)未时效和经 800℃，1h、2h 时效处理的试样进行了力学性能测试、显微组织分析和层错几率测定，同时，优化层错能(SFE)计算的热力学模型，并结合舍夫勒组织图和应力应变与层错能的经验公式预测高氮钢“成分-组织-层错能-力学性能”的定量关系。结果表明：(1)各实验组的 HNS 均为奥氏体组织，并有大量孪晶，且其层错几率达 4.50×10-3以上；(2)时效时间越长，HNS 中的氮化物析出量增多，其硬度增大，抗拉强度先增大后减小，屈服强度先减小后增大，延伸率及缺口敏感度(NSR)下降，但都保持较高水平：各实验组的 HNS 的抗拉强度均高于920MPa，屈服强度均不低于 660MPa，NSR 均大于 1；(3)优化热力学模型下的 SFE 计算值与实验值符合较好，同时“成分-组织-层错能-力学性能”定量关系的分析是可靠的。30103
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毕业论文关键词 高氮钢 层错能 热力学模型 力学性能
Title Analysis of the Microstructures and Properties of HighNitrogen SteelsAbstractHigh nitrogen steels obtain increased tremendously strength, meanwhile, theirplasticity and tenacity keep steadily high,in that doses of nitrogen are dissolvedin steels. Therefore,this paper tests mechanical properties and microstructuresof a collection of manufacturing high nitrogen stainless steel.Besides ,theauthor modifies a thermodynamic modeling to figure out the regulation between SFEand components ,additionally, temperature(Fe-Cr-Mn-N type). Further more,the SFEof Fe-Cr-Mn-N type with a few of nickel,and aluminum are calculated. with theexception of mentioned ,the paper also manages to predict the relationships amongcomponents,microstructures and mechanical properties,referring to theSchaeffler’s Diagram and empirical formulates about SFE and the values ofequivalent strain and stress.The results indicated as flows:(1)The tested steel contains numerous of twin crystals and the SFP is measured8.24×10-3：low SFE and twin crystals enhanced mechanical properties;(2)The modified thermodynamic modeling is convincing: the calculated SFE isconsistent with the experimental magnitude.
Keywords High nitrogen steels; Stacking fault energy(SFE); Thermodynamicmodeling; Mechanical properties.
目次
1绪论.1
1.1高氮钢的开发历程.1
1.2氮及其他合金元素对层错能的影响.2
1.3层错能的实验测定和计算.4
1.4本课题的主要研究目的与内容.5
2实验.5
2.1NHS的金相制样与腐蚀.6
2.2NHS的力学性能测试.6
2.3NHS的X射线衍射物相分析7
3结果和讨论7
3.1NHS的力学性能7
3.2NHS的显微组织10
3.3NHS的层错几率12
3.4热力学模型及改进.13
3.5改进热力学模型的验证.19
3.6改进热力学模型的应用.23
结论.28
致谢.29
参考文献.30
1 绪论氮对钢性能的影响一直受到极大的关注——氮合金化可显著提高钢的强度并且不破坏塑性韧性——这正是调解材料设计中强度和塑性这一矛盾的有效途径之一。即使钢中加入少量的 N，其力学性能也会因此发生不可忽略的变化。氮主要通过两种途径提高钢的力学性能：（1）氮原子以固溶态存在于钢中是高效的固溶强化剂，从而保证钢具有高的拉伸和蠕变强度、加工硬化率、疲劳寿命；（2）氮化物与碳化物相比化学稳定性更高，在回火期间发生二次硬化现象，析出的氮化物提供析出强化。对于易产生层错的 fcc 结构的奥氏体钢，固溶的氮原子会与层错发生交互作用，即形成铃木气团使层错能降低，从而影响着钢的力学行为。基于这一特性，相关工作者通过研究氮元素及其他合金元素对奥氏体钢层错能的影响，通过控制钢中层错能的大小来提高钢的力学性能。本章将阐述高氮钢的开发历程，并对有关层错能与以氮元素为主的合金元素间的关系、“成分-层错能-力学性能”的联系及层错能的实验测定与推算做一初步总结。1．1 高氮钢的开发历程过去人们首先发现氮元素会导致钢产生时效硬化现象,且易使钢中出现气孔和偏析,从而造成铸件报废,除此之外，氮还使铁素体钢的脆性倾向增大[1]，所以，对于钢，最初 N 并不被视为有利元素。随着冶金学家对各种合金元素利弊的质疑与研究，N 元素在钢中的积极作用被发现——保证奥氏体的稳定性；大幅提高钢的形变抗力并保持较高韧性；有效改善不锈钢的耐腐蚀性[1]等。然而，往钢中添加 N存在一定困难——N 难溶于钢（一个标准大气压、温度为 1600℃,N在纯铁液中的溶解度只有0.045%[1]） ，虽通过适当加入其他合金元素可提高氮元素的溶解度，但非常有限。这推动了高氮钢制备技术的发展，已经被提出或应用于高氮钢生产的技术有：热等静压熔炼（Hot Isostatic Pressing)、电弧熔炼（EAM） 、增压等离子电弧熔炼（PARP） 、粉末冶金（包括渗氮和逆向对压铸造）[1]等。随着这些含氮钢制备技术的进步与成熟，含氮量超过 1.0%wt.[1]的钢的成功生产已成为现实。氮的合金化通常运用于奥氏体、马氏体以及双相不锈钢中，经氮合金化后，奥氏体钢种在力学性能和耐腐蚀性能尤为突出[1]，这使得高氮奥氏体不锈钢演变为研究与开发的重点。