氮含量对奥氏体不锈钢层错影响研究进展

层错与孪晶的概念及形成
研究者利用TEM对两个不同应变速率下拉伸变形后的微观位错结构进行 观察，结果如下 ： 平面滑移型位错结构是样品在10-4ｓ-1和10-2ｓ-1应变速率下 拉伸断裂后的最为典型微观结构特征。在10-4ｓ-1的应变速率下，在某些晶粒 内类似脉络的位错结构趋于形成，并伴随存一定数量的形变孪晶。而在较高 的应变速率下，晶粒内出现了大量的形变孪晶，大量的孪晶穿过一条小角度 晶界，并且在另一方向上平面滑移的作用下，在小角晶界处出现了弯曲。说 明拉伸过程中孪晶切变也承担了部分的塑性变形。 另外，在10-2s-1的应变速率下拉伸变形时，随着应变的增加，平面滑移 和孪生变形不足以承担所有的塑性应变，而在某些原始的的退火主孪晶中出 现了较为罕见的二次孪晶（SOT）。有人认为二次孪晶的出现减少了基体中 孪生切变发生的几率，但同时又增强了材料的加工硬化能力。此类二次孪晶 还分别在Cu-Ti 合金、β相钛合金、Co-Fe合金中被观察到。
氮含量对奥氏体不锈钢耐蚀性能的影响
氮的加入 可 以 显 著 提高钢的耐腐蚀性能，尤其 是 材料耐局部腐蚀性能。不锈钢的耐点蚀性能可以通过 计算其点蚀当量值(Pitting Resistance Equivalent Number ，PREN)来衡量。 氮元素对点蚀当量的贡献远远高于Cr和Mo等传统 提高材料耐蚀性能的元素。氮的加入除了提高奥氏体 不锈钢的点蚀性能外，还提高材料的缝隙腐蚀性能、 应力腐蚀性能、气蚀性能等。
第
3
章
超级奥氏体不锈钢成型性能与氮含量的关系
超级奥氏体不锈钢成型性能与氮含量的关系
AL6XN合金在具有较好的成型性能同时又有良好的耐蚀
性能而且即使在冷变形状态下也不发生马氏体转变，所以该合
金被称作超级奥氏体不锈钢。此钢种的纯净度较高，碳元素和
有害元素含量都很低，属于超低碳高纯不锈钢。当合金中存在
层错与孪晶的概念及形成
形变孪晶是指一个晶体内的部分区域在变形过程中作出位向的调整。 形变孪晶是一种非弹性变形机制，足够多的非弹性变形可以产生宏观非 弹性变形。 形变孪晶首先孪晶形核，然后在长度和宽度方向上生长，之后和其 他孪晶相互作用。 孪晶形核普遍被认为：孪晶是多层原子连续错排产生，最初孪晶形 核是通过分位错并列运动产生一个三层原子的排列过程。一个全位错可 以分解成两个不全位错，从而产生一个层错。当相邻的两个原子层也相 继出现两个层错且与基体母相为对称关系，这样的三层原子层组成了孪 晶核。孪晶的生长速度较快，涉及到因素有：生长能、动态生长和潜在 的位错机制的相互作用。孪晶与已有位错结构的相互作用、位错与孪晶 界的相互作用以及孪晶与孪晶之间的相互作用描绘出一个非常复杂的力 学和材料问题，具有广泛的研究前景。
C原子时，C原子可溶于晶体间隙成为间隙固溶体强化基体， 并且含量较少的C原子会在晶界析出颗粒状不连续碳化物，阻 碍晶界滑动，提高材料的塑性和韧性。
超级奥氏体不锈钢成型性能与氮含量的关系
研究表明，在奥氏体不锈钢中添加一定量的N元素，可在大幅提高 材料塑性的同时保持材料原有 的 韧性。与此同时，是一种奥氏体稳定元 素，N的加入可W进一步稳定奧氏体单相组织，提高材料的耐蚀性能，降 低局部腐蚀和应力腐蚀敏感度。另一方面，N元素在基体中可减少密排不 全位错，限制了含间隙杂质原子团的Splintered位错运动，从而大幅提升 强度同时产生固溶强化和晶界强化的效果。研究证明，一定范围内随着N
晶体变形过程中的位错机制
位错在变形过程中首先形成位错核，即位错的最小长度。 在条件具备的情况下，一个全位错可以分解为两个部分位错， 它们之间的距离称作层错能的宽度。两个分位错之间存在一个 层错，层错就是一个堆垛的错误排列。造成层错的能量变化称 作为层错能。如果两个分位错的距离就很短，其层错能就很高 。可以将分解的分位错视为扩展的位错核。 位错密度是衡量材料形变储存能量的重要参数，可以转化 为位错之间的平均距离来表示。对于形成亚结构的位错来说， 既起阻碍作用也可以提供其形成的能量。
晶体变形过程中的位错机制
Wang等人发现位错在变形过程中有效的提高了铜的综合 力学性能，在材料的制备过程中位错大量存在。孙世成研究发 现，位错容易被孪晶界吸收。吸收的位错将本来平直的孪晶界 变得弯曲，位错与孪晶界交互作用使孪晶界转变成普通晶界。 位错阵列和位错墙有效的将孪晶片层进行分割，同时位错缠结 产生大量的亚结构，起到细化晶粒的作用。
第
2章
氮含量与位错机制
氮含量与位错机制
2.1
2.2
2.3
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
氮含量对奥 氏体不锈钢 耐蚀性能的 影响
晶体变形过 程中的位错 机制
高氮钢的微 观结构
概述
沉淀硬化理论认为，氮含量与材料强度存在平方根 关系，氮含量和晶粒尺寸对材料的强度都有显著影响。 氮在奥氏体不锈钢中的作用除了提高强度外，还提高了 材料的加工硬化能力、疲劳性能、耐磨性能以及蠕变性 能。已有的大量研究结果显示，氮对奥氏体不锈钢的低 温韧性有不利影响，使材料在较低温度下出现脆断。另 外，在热加工和热处理的过程中，如果控制不当还会导 致钢中氮化物的析出，破坏其力学性能和耐腐蚀性能。

主要内容
Contents
01
层错与孪晶的 概念及形成
02
氮含量与 位错机制
03
超级奥氏体不锈钢成型 性能与氮含量的关系
04
位错研究的 发展前景
第
1
章
层错与孪晶的概念及形成
层错与孪晶的概念及形成
一个晶体的两部分(或两个晶体)沿一个公共晶面构成镜面对称的位向 关系，这两个晶体就称为孪晶,孪晶具有对称结构的原子层面 (ABCABACBA)。此公共晶面就称为孪晶面。 晶体的原子在它的密排方向上是按照周期性来排列的，比如面心立 方结构的金属(AI、Cu、Pd、Pt、Ag、Au、γ-Fe)是按…ABCABC…排列 的，体心结构（α-Fe、V、Nb、Mo、Cr、W、铁素体不锈钢）和密排六 方结构（Be、Mg、Zn、Cd、α-Ti、α-Co）是按照…ABABAB…的顺序排 列的。如果完整晶体中的原子（比如Al）)被“抽掉”一层 （…ABC↑BCABC…），或“插入”一层（…ABCA↑ABCABC…），这 样的结构就叫层错。前一种层错叫做本征层错(intrinsic stacking fault)，后 一种叫非本征层错(extrinsic Stacking fault)(↑表示层错位置)。
氮含量对奥氏体不锈钢层错影响研究进展
材料科学与工程
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研究意义

近几十年来随着石油化工产业的高速发展对不锈钢的要求越来 越高，传统不锈钢已远远无法满足工程实践对材料耐蚀性和强度的 要求，开发出了多种改良后的低碳高氮高强奥氏体不锈钢。其中， 高氮钢是指钢材中N元素含量高于0.4%的不锈钢，它多被应用在低 温超导、高压化学容器、石油化工、核能电力、航空航海、武器国 防等特殊领域，具有极为广阔的发展前景。 前人对奥氏体不锈钢开展多元化研究，包括表面改性、焊接等 具体实验探索，但微观理论机制的研究目前研究较少，还有待完善。 本文从奥氏体不锈钢氮含量对晶体位错机制的影响的叙述，进一步 完善微观机制的研究，为后人的继续研究做好铺垫。
高氮钢的微观结构
由于Cr-Mn 系高氮奥氏体不锈钢具有较低的层错能，所以 在轧制变形后会出现高密度纳米尺寸的孪晶，奥氏体组织没有 发生相变。有研究指出，氮对层错能的影响取决于奥氏体不锈 钢的化学成分。在Cr-Ni系奥氏体不锈钢中，层错能会随着少 量氮元素的添加而降低，随着更高含量的氮元素的添加层错能 会升高。在 Cr-Mn 系奥氏体不锈钢中，层错能和加入其中的氮 元素却呈现出相反的关系：随着氮元素含量的增加，层错能会 先增加后降低。
含量提高，材料力学性能将不断提高，AL6XN相比于常用不锈钢具有更
为优异的力学性能。
第
4
章
位错研究的发展前景
位错研究的发展前景
层错能是材料塑性变形的一个重要参数，通过改变材料的层错能 可以改变材料的塑性变形能力，提高材料的强度和加工性能。通过添 加合金元素改变层错能是材料改性的一个重要方法。 就奥氏体不锈钢来讲，虽然实验已有很多关于合金元素添加后降 低或提高层错能的研究实例，但其提高或降低层错能的微观机理目前 尚缺乏在原子、电子层次的认识，而通过对其原子层次的分析和研究 ，有助于更深入地了解奥氏体不锈钢层错形成的微观机理，从而为设 计出性能更为优异的奥氏体不锈钢提供理论依据。