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1、鈮在奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼中的作用DavidDulieuSheffield,S358RD,UnitedKingdom摘要：鈮在鑄造和變形奧氏體不銹鋼中的兩個主要作用是用作穩(wěn)定劑以減輕晶間腐蝕的危險，并用作強化劑。到目前為止，似乎鈮在奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼中還沒有同時起到這兩種作用。本文概述了設(shè)計奧氏體鋼成分的原則并歸納了鈮作為合金化元素的作用。為了說明成分是如何演變的，結(jié)合使用要求述評了主要析出相的特征及其分布。所涉及的冶金進展中包括均衡降低347鋼成分中鈮和碳的含量所獲得的益處。控制熱處理與冷加工的組合
2、應(yīng)用使該使用廣泛的鋼種的耐蒸汽氧化性和蠕變強度均得到了優(yōu)化。低鈮含量與高氮加入量的結(jié)合導(dǎo)致了更迭穩(wěn)定化機理。在高溫用途中析出強化的效果得到了改善，這是因為加入了多種微合金化元素，主要是鈮，鈦和釩，以及對鉻-鈮氮化物作用的認可。根據(jù)加入鉬，鈮，鈦，氮，銅和鎢多種合金元素的協(xié)合作用，開發(fā)了礦物燃料和核動力發(fā)電廠用高強度抗蠕變系列鋼種。這些鋼種的開發(fā)利用了合金設(shè)計的知識將有效的固溶強化和析出強化與最優(yōu)晶界析出結(jié)合在一起進行。1引言1.1歷史背景大多數(shù)含鈮奧氏體鋼可分成兩大類型：加鈮起穩(wěn)定化作用以防止晶間腐蝕的鋼種和
3、適于高溫應(yīng)用的鋼種。后者可細分成鈮作為主要加入元素提高蠕變強度的鋼種，以及利用鈮與其它加入元素交互作用的更復(fù)雜的合金。雖然本文主要涉及變形合金，但是也談到鑄件用鋼種。含鈮鋼的發(fā)展與其在發(fā)電，化學(xué)制品，核和燃氣輪機工業(yè)上的應(yīng)用密切相聯(lián)。1957年Binder（1）對這些領(lǐng)域進行過綜述，當(dāng)時在蒸汽發(fā)電廠的過熱器和其它高溫區(qū)域內(nèi)采用了347鋼，主要集中在幾個問題上。這些問題包括該鋼種的熱加工性，焊接和鑄造過程中的液析開裂和應(yīng)力開裂問題，以及對高溫性能有要求的產(chǎn)品型式的多樣性。在1981年Keown和Pickerin
4、g（2）發(fā)表其述評以前，已經(jīng)大體上理解了含鈮鋼特性的變化。證實了Nb(C,N)溶解度與溫度和成分關(guān)系的重要性，并且也已經(jīng)將過飽和度，冷加工和時效或穩(wěn)定化熱處理對二次析出的影響與焊縫和母材的特性聯(lián)系起來。本文不打算涵蓋所有更新的成分參數(shù)或用途。首先要考慮如何選擇鈮在其中發(fā)揮作用的鐵-鉻-鎳（錳-氮）基體，然后舉例介紹成分不同的含鈮鋼。歸納了鈮作為合金化元素的作用，概述了在變形和鑄造合金中析出相和析出順序與使用條件的關(guān)系。然后考慮氧化性和鈮在受輻照鋼中的作用。除非特別說明，本文中所使用的鋼種描述方法，例如“347
5、”為一般性術(shù)語，而非專門的標(biāo)準(zhǔn)的鋼種描述方法；欲知細節(jié)，應(yīng)進一步查閱所引用的參考文獻。給出的所有成分均為重量百分數(shù)。1.2冶金進展在本文中介紹的含鈮鋼的重要冶金進展可分列在下列標(biāo)題下：（1）降低一次碳化物粒子的體積分數(shù)到最小而改善鋼的熱加工性，塑性和可焊接性。（2）其它碳化物形成元素如鈦在提高鈮基MC在高溫鋼中析出效果上的重要性。（3）尤其是鋼中氮含量高時少量鈮對強度和耐晶間腐蝕性的重要影響的認識。（4）利用復(fù)合晶內(nèi)析出物數(shù)量對蠕變強度的作用。（5）Nb(C,N)穩(wěn)定性與Z相(Cr,Nb)氮化物的關(guān)系，以及‘
6、二次’碳化鉻與較高氮含量鋼強化作用的關(guān)系。（6）對析出物分布的控制以及晶間與晶內(nèi)析出間的平衡。這可在使用溫度范圍內(nèi)優(yōu)化低碳和高碳含鈮合金的蠕變斷裂壽命。（7）合金元素在輻照顯微組織中作用的優(yōu)化。2鐵-鉻-鎳基體與合金元素在奧氏體和雙相不銹鋼中的作用2.1奧氏體不銹鋼Harries（3）歸納了奧氏體不銹鋼的基本物理冶金原理。鉻是不銹鋼中的主要加入元素。奧氏體不銹鋼中鉻的有效下限值約為13%。鉻的上限值很少超過25%，而且可以通過在熱輻射過程中形成σFe-Cr中間相的傾向，或通過高鉻鋼在特殊侵蝕環(huán)境中的特性來調(diào)整
7、該上限值。硅和鋁可改善耐氧化性且都是穩(wěn)定鐵素體的元素?？杉尤胂⊥撂岣哐趸锏姆€(wěn)定性。為了提高高溫強度，可加入氮，鉬和鎢，也可同時加入能夠形成穩(wěn)定的晶間析出物的元素，以達到阻止位錯運動。對于較低溫度下的耐蝕性來說，保護性鈍化氧化膜不一定會被局部基體的貧鉻所削弱。應(yīng)當(dāng)根據(jù)鋼種的加工工藝和在使用時的暴露情況，決定是需要加入鈦還是需要加入鈮以達到穩(wěn)定化，并與所采用的低碳鋼種相對應(yīng)。通過加入鉬，鎢和氮可提高耐點蝕性。在確定耐氧化或耐腐蝕鋼的成分后，就能夠選擇加入鎳或不常使用的鎳-錳-氮復(fù)合加入的方法以提高奧氏體組織的成
8、形性。決定奧氏體穩(wěn)定劑加入量的因素包括：（1）加工性考慮，控制凝固路徑的需要。（2）相對于加工硬化過程和低溫轉(zhuǎn)變的因素有組織的穩(wěn)定性，降低磁導(dǎo)率的需要。（3）鎳降低碳化和氮化速率的有益作用。（4）形成σ相的敏感性與由高溫析出所能引起的基體和晶界區(qū)域成分的變化。大多數(shù)含鈮鋼基體的成分在15-25%Cr，9-35%Ni范圍內(nèi)?？捎面嚠?dāng)量和鉻當(dāng)量來預(yù)測凝固組織，例如，Kotecki和Siewert（4）歸
