工程科学学报，第37卷，第9期：1157-1164,2015年9月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.9:1157-1164,September 2015 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2015.09.008:http://journals.ustb.edu.cn 合金元素对316LN不锈钢的力学性能和点蚀性能的 影响 吴从风”，王心禾”，张海龙”，王西涛2)四 1)北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京1000832)北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心，北京100083 ☒通信作者，E-mail:xtwang.ustb@gmail.com 摘要研究了N、C、Mo和Ni四种合金元素含量的变化对核电主管道用固溶态316LN不锈钢的晶粒尺寸以及常规力学性 能和点蚀性能的影响.随着N含量的升高，316LN的晶粒明显细化，其在固溶处理过程中晶粒长大趋势也减小.N含量的升 高可改善316LN的力学性能和耐点蚀性能，但是当N质量分数达到0.20%时，其耐点蚀性能又开始变差.晶粒细化对316LN 强度的影响远小于N含量对316LN强度的影响.Cr及Ni含量对316LN的晶粒尺寸及抗拉强度、屈服强度等力学性能影响不 大：C含量增加可轻微改善316LN的抗点蚀能力，Ni元素对316LN的耐点蚀性能影响不大，但可增大钝态的腐蚀速度从而不 利于钝化膜的稳定.随Mo含量增加，316LN的晶粒尺寸略有减小，强度增大，延伸率显著降低，耐点蚀能力改善. 关键词奥氏体不锈钢；合金元素：晶粒尺寸：力学性能；点蚀性能 分类号TG142.71 Effect of alloy elements on the mechanical properties and pitting corrosion resistance of 316LN austenitic stainless steel WU Cong feng",WANG Xin-he,ZHANG Hai-long,WANG Xi-tao 1)State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Collaborative Innovation Center of Steel Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:xtwang.ustb@gmail.com ABSTRACT The effect of four alloying elements,N,Cr,Mo and Ni,on the grain size,mechanical properties and pitting corrosion resistance of 316LN austenitic stainless steel for primary coolant pipes in nuclear power plants were investigated.When the nitrogen concentration increases in the stainless steel,the grain size and growth trend dramatically decrease.Increasing the nitrogen concentra- tion can improve the mechanical properties and particularly,the pitting corrosion resistance goes up before the nitrogen concentration reaches 0.20%.Grain refinement achieved by the addition of nitrogen is propitious to the mechanical properties of the stainless steel, but this is not the main mechanism for the increase in mechanical properties.Cr and Ni elements have no obvious impact on the grain size and mechanical properties,but Cr can improve the pitting corrosion resistance slightly while the passive film loses its stability as the Ni concentration increases.When the Mo concentration increases,the strength and pitting corrosion resistance increase,but the grain size and elongation decrease. KEY WORDS austenitic stainless steel;alloying elements:grain size:mechanical properties;pitting corrosion AIS316LN奥氏体不锈钢是API000第三代压水主要合金元素.相较于316系不锈钢，由于降低C含 堆核电站的主管道材料，N、Cr、Mo和Ni是316LN的 量并加入N元素，其敏化倾向降低，因而其耐晶间腐 收稿日期：2014-0407 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(2012AA03A507)
工程科学学报，第 37 卷，第 9 期: 1157--1164，2015 年 9 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 9: 1157--1164，September 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 09． 008; http: / /journals． ustb． edu． cn 合金元素对 316LN 不锈钢的力学性能和点蚀性能的 影响 吴从风1) ，王心禾1) ，张海龙1) ，王西涛1，2) 1) 北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京 100083 2) 北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心，北京 100083 通信作者，E-mail: xtwang． ustb@ gmail． com 摘 要 研究了 N、Cr、Mo 和 Ni 四种合金元素含量的变化对核电主管道用固溶态 316LN 不锈钢的晶粒尺寸以及常规力学性 能和点蚀性能的影响． 随着 N 含量的升高，316LN 的晶粒明显细化，其在固溶处理过程中晶粒长大趋势也减小． N 含量的升 高可改善 316LN 的力学性能和耐点蚀性能，但是当 N 质量分数达到 0. 20% 时，其耐点蚀性能又开始变差． 晶粒细化对 316LN 强度的影响远小于 N 含量对 316LN 强度的影响． Cr 及 Ni 含量对 316LN 的晶粒尺寸及抗拉强度、屈服强度等力学性能影响不 大; Cr 含量增加可轻微改善 316LN 的抗点蚀能力，Ni 元素对 316LN 的耐点蚀性能影响不大，但可增大钝态的腐蚀速度从而不 利于钝化膜的稳定． 随 Mo 含量增加，316LN 的晶粒尺寸略有减小，强度增大，延伸率显著降低，耐点蚀能力改善． 关键词 奥氏体不锈钢; 合金元素; 晶粒尺寸; 力学性能; 点蚀性能 分类号 TG142. 71 Effect of alloy elements on the mechanical properties and pitting corrosion resistance of 316LN austenitic stainless steel WU Cong-feng1) ，WANG Xin-he 1) ，ZHANG Hai-long1) ，WANG Xi-tao 1，2) 1) State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Collaborative Innovation Center of Steel Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: xtwang． ustb@ gmail． com ABSTＲACT The effect of four alloying elements，N，Cr，Mo and Ni，on the grain size，mechanical properties and pitting corrosion resistance of 316LN austenitic stainless steel for primary coolant pipes in nuclear power plants were investigated． When the nitrogen concentration increases in the stainless steel，the grain size and growth trend dramatically decrease． Increasing the nitrogen concentration can improve the mechanical properties and particularly，the pitting corrosion resistance goes up before the nitrogen concentration reaches 0. 20% ． Grain refinement achieved by the addition of nitrogen is propitious to the mechanical properties of the stainless steel， but this is not the main mechanism for the increase in mechanical properties． Cr and Ni elements have no obvious impact on the grain size and mechanical properties，but Cr can improve the pitting corrosion resistance slightly while the passive film loses its stability as the Ni concentration increases． When the Mo concentration increases，the strength and pitting corrosion resistance increase，but the grain size and elongation decrease． KEY WOＲDS austenitic stainless steel; alloying elements; grain size; mechanical properties; pitting corrosion 收稿日期: 2014--04--07 基金项目: 国家高技术研究发展计划资助项目( 2012AA03A507) AISI316LN 奥氏体不锈钢是 AP1000 第三代压水 堆核电站的主管道材料，N、Cr、Mo 和 Ni 是 316LN 的 主要合金元素． 相较于 316 系不锈钢，由于降低 C 含 量并加入 N 元素，其敏化倾向降低，因而其耐晶间腐
·1158 工程科学学报，第37卷，第9期 蚀性能提高.N元素的加入可促进奥氏体不锈钢 所造成的晶粒尺寸变化对力学性能的影响分开，将M 中短程有序畴的出现并增大共面滑移趋势5，因而 号合金的固溶处理时间分别延长至60min和l20min 蠕变性能和疲劳性能也大幅改善.然而，N含量过高 以获得不同晶粒尺寸.金相组织观察采用Zeiss Axio 会使得材料的冷、热加工性能变差，并且会降低抗晶间 Imager金相显微镜，铸态组织采用Beraha侵蚀剂 腐蚀性能和局部腐蚀性能7.Cr、Mo和Ni元素是保 (0.5gK,S20,+20.0 g NH,FHF+100mLH20),得到 证316LN组织稳定性的基本元素，Cr和Mo可提高奥 的金相组织中Cr含量高的部位衬度呈绿色，Cr含量 氏体不锈钢钝化膜的稳定性并增大N的固溶度网，但 低的部位衬度呈白色四.热加工组织和固溶态组织 是Cr和Mo含量过高会增大8、σ等有害相的析出倾 采用60%HNO,电解侵蚀（室温，2.5V电压）.常温拉 向：Ni含量的增加会增大敏化倾向@，不利于改善晶 伸试验在CMT4105微机电子万能试验机上进行，拉伸 间腐蚀性能：因此，确定合理的合金元素含量对 试样（拉伸方向平行于轧制方向）如图1所示，力学性 316LN的生产和应用至关重要. 能结果取两个试样的平均值 本文对不同合金元素含量的316LN不锈钢进行 R20 实验研究，通过分析晶粒尺寸、力学性能和点蚀性能， 研究合金元素含量变化对316LN组织性能的影响，为 确定合理的成分范围从而改善316LN的性能提供实 验依据. 图1常温拉伸试样尺寸（单位：mm) Fig.I Dimension of tensile specimens (unit:mm) 1 实验方法 用于电化学测试的试样尺寸为10mm×10mm× 实验所用的不同成分的316LN奥氏体不锈钢均 3mm,将切割好的试样表面打磨处理后，用铜导线焊 为真空感应熔炼而得，铸锭重20kg.从铸锭上分别切 接，然后用环氧树脂镶样密封，镶嵌好的试样经金相砂 取10mm厚的圆片，并进行均匀化处理，经两道次热轧 纸水磨至2000°，最后用去离子水清洗，无水乙醇脱水， (每道次变形量约为50%)，制成2.7mm厚的板材.主 冷风吹干后置于干燥器中备用. 要化学成分如表1所示，C、S和P质量分数分别为 采用动电位极化曲线法测试样品的点蚀电位.电 <0.01%、<0.005%和<0.005%，其中M号合金为对 化学测试在三电极体系的电化学工作站上进行，参比 比成分 电极为232型甘汞电极(SCE),辅助电极为纯铂片电 表1实验用316LN奥氏体不锈钢的化学成分（质量分数） 极，测试溶液为未除氧的3.5%NaCl溶液，温度为 Table 1 Chemical composition of the 316LN austenitic stainless steel (30±1)℃.从自腐蚀电位以下150mV开始，以 % 20mV·min的扫描速度进行阳极极化，扫描至电流密 编号 N Cr Mo i 度为100μA·cm2后维持1min.以极化曲线上腐蚀电 NI 0.09 16.99 2.27 13.36 流密度100μA·cm2对应的电位为点蚀电位E。,并考 N2 0.16 17.02 2.26 13.40 察0.18V对应的钝化区电流密度，四 N3 0.20 17.52 2.20 13.17 2 结果与讨论 Crl 0.09 14.97 2.28 13.34 Cr2 0.10 15.53 2.18 13.32 2.1合金元素对晶粒尺寸和力学性能的影响 Cr3 0.12 17.80 2.19 13.34 2.1.1N的影响 Mol 0.11 17.02 1.67 13.36 图2为不同N含量的316LN经1100℃固溶处理 Mo2 0.12 16.96 2.82 13.40 40min后水淬得到的组织，图3为采用截点法测量得 Mo3 0.11 17.11 3.55 13.44 到的晶粒尺寸平均值.从图中可以看出，随着N含量 Nil 0.11 17.00 2.32 11.24 的升高，晶粒明显细化，N质量分数从0.09%增加至 Ni2 0.20%时，其平均晶粒尺寸从33.7减小为21.7μm. 0.12 16.97 2.24 12.32 N含量的升高造成316LN晶粒细化主要是由于间 Ni3 0.11 17.04 2.26 14.22 隙N原子（负电荷）与位错和晶界（正电荷）的静电吸 0.12 17.06 2.25 13.29 引力回使得N原子对位错有较大的钉扎作用，而且间 在不同合金元素含量的316LN热轧板材上分别 隙N原子造成的晶格畸变比其他溶质原子都大，这两 取样，经1100℃固溶处理40min后水淬.此外，为了将 个因素均会降低晶界中原子扩散速率和阻碍晶界迁 合金元素对316LN力学性能的影响与合金元素加入 移，从而阻碍在热加工后的固溶处理过程中再结晶晶
工程科学学报，第 37 卷，第 9 期 蚀性能提高［1--4］． N 元素的加入可促进奥氏体不锈钢 中短程有序畴的出现并增大共面滑移趋势［5--6］，因而 蠕变性能和疲劳性能也大幅改善． 然而，N 含量过高 会使得材料的冷、热加工性能变差，并且会降低抗晶间 腐蚀性能和局部腐蚀性能［7--8］． Cr、Mo 和 Ni 元素是保 证 316LN 组织稳定性的基本元素，Cr 和 Mo 可提高奥 氏体不锈钢钝化膜的稳定性并增大 N 的固溶度［9］，但 是 Cr 和 Mo 含量过高会增大 δ、σ 等有害相的析出倾 向; Ni 含量的增加会增大敏化倾向［10］，不利于改善晶 间腐 蚀 性 能． 因 此，确 定 合 理 的 合 金 元 素 含 量 对 316LN 的生产和应用至关重要． 本文对不同合金元素含量的 316LN 不锈钢进行 实验研究，通过分析晶粒尺寸、力学性能和点蚀性能， 研究合金元素含量变化对 316LN 组织性能的影响，为 确定合理的成分范围从而改善 316LN 的性能提供实 验依据． 1 实验方法 实验所用的不同成分的 316LN 奥氏体不锈钢均 为真空感应熔炼而得，铸锭重 20 kg． 从铸锭上分别切 取 10 mm 厚的圆片，并进行均匀化处理，经两道次热轧 ( 每道次变形量约为50% ) ，制成2. 7 mm 厚的板材． 主 要化学成分如表 1 所示，C、S 和 P 质量分数分别为 ＜ 0. 01% 、＜ 0. 005% 和 ＜ 0. 005% ，其中 M 号合金为对 比成分． 表 1 实验用 316LN 奥氏体不锈钢的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of the 316LN austenitic stainless steel % 编号 N Cr Mo Ni N1 0. 09 16. 99 2. 27 13. 36 N2 0. 16 17. 02 2. 26 13. 40 N3 0. 20 17. 52 2. 20 13. 17 Cr1 0. 09 14. 97 2. 28 13. 34 Cr2 0. 10 15. 53 2. 18 13. 32 Cr3 0. 12 17. 80 2. 19 13. 34 Mo1 0. 11 17. 02 1. 67 13. 36 Mo2 0. 12 16. 96 2. 82 13. 40 Mo3 0. 11 17. 11 3. 55 13. 44 Ni1 0. 11 17. 00 2. 32 11. 24 Ni2 0. 12 16. 97 2. 24 12. 32 Ni3 0. 11 17. 04 2. 26 14. 22 M 0. 12 17. 06 2. 25 13. 29 在不同合金元素含量的 316LN 热轧板材上分别 取样，经1100 ℃固溶处理40 min 后水淬． 此外，为了将 合金元素对 316LN 力学性能的影响与合金元素加入 所造成的晶粒尺寸变化对力学性能的影响分开，将 M 号合金的固溶处理时间分别延长至 60 min 和 120 min 以获得不同晶粒尺寸． 金相组织观察采用 Zeiss Axio Imager 金 相 显 微 镜，铸 态 组 织 采 用 Beraha 侵 蚀 剂 ( 0. 5 g K2 S2O5 + 20. 0 g NH4 FHF + 100 mL H2O) ，得到 的金相组织中 Cr 含量高的部位衬度呈绿色，Cr 含量 低的部位衬度呈白色［11］． 热加工组织和固溶态组织 采用 60% HNO3电解侵蚀( 室温，2. 5 V 电压) ． 常温拉 伸试验在 CMT4105 微机电子万能试验机上进行，拉伸 试样( 拉伸方向平行于轧制方向) 如图 1 所示，力学性 能结果取两个试样的平均值． 图 1 常温拉伸试样尺寸( 单位: mm) Fig． 1 Dimension of tensile specimens ( unit: mm) 用于电化学测试的试样尺寸为 10 mm × 10 mm × 3 mm，将切割好的试样表面打磨处理后，用铜导线焊 接，然后用环氧树脂镶样密封，镶嵌好的试样经金相砂 纸水磨至 2000# ，最后用去离子水清洗，无水乙醇脱水， 冷风吹干后置于干燥器中备用． 采用动电位极化曲线法测试样品的点蚀电位． 电 化学测试在三电极体系的电化学工作站上进行，参比 电极为 232 型甘汞电极( SCE) ，辅助电极为纯铂片电 极，测试溶液为未除氧的 3. 5% NaCl 溶 液，温 度 为 ( 30 ± 1) ℃ ． 从 自 腐 蚀 电 位 以 下 150 mV 开 始，以 20 mV·min － 1 的扫描速度进行阳极极化，扫描至电流密 度为 100 μA·cm － 2 后维持 1 min． 以极化曲线上腐蚀电 流密度 100 μA·cm － 2 对应的电位为点蚀电位 Ep，并考 察 0. 18 V 对应的钝化区电流密度 Ip ［12］． 2 结果与讨论 2. 1 合金元素对晶粒尺寸和力学性能的影响 2. 1. 1 N 的影响 图 2 为不同 N 含量的 316LN 经 1100 ℃ 固溶处理 40 min 后水淬得到的组织，图 3 为采用截点法测量得 到的晶粒尺寸平均值． 从图中可以看出，随着 N 含量 的升高，晶粒明显细化，N 质量分数从 0. 09% 增加至 0. 20% 时，其平均晶粒尺寸从 33. 7 减小为 21. 7 μm． N 含量的升高造成316LN 晶粒细化主要是由于间 隙 N 原子( 负电荷) 与位错和晶界( 正电荷) 的静电吸 引力［9］使得 N 原子对位错有较大的钉扎作用，而且间 隙 N 原子造成的晶格畸变比其他溶质原子都大，这两 个因素均会降低晶界中原子扩散速率和阻碍晶界迁 移，从而阻碍在热加工后的固溶处理过程中再结晶晶 ·1158·
吴从风等：合金元素对316LN不锈钢的力学性能和点蚀性能的影响 ·1159· a (b) 100m 100m (c) d 100um 100m 图2不同N质量分数的316LN不锈钢中晶粒.(a)0.09%:(b)0.12%:()0.16%：(d)0.20% Fig.2 Grains in the 316LN stainless steel with different N mass fractions:(a)0.09%;(b)0.12%;(c)0.16%(d)0.20% 粒形核和长大过程，最终造成晶粒细化。 45 40 35 量-N质量分数0.09% 一·一N质量分数0.12% ▲一N质量分数0.16% 30 -N质量分数0.20% 25 25 20 20 40 60 80 100 120 0.08 0.12 0.16 0.20 保温时间/min 氨质量分数/% 图4不同N含量的316LN不锈钢固溶处理不同时间后的平均 图3N含量对316LN不锈钢平均晶粒尺寸的影响 品粒尺寸 Fig.3 Effect of nitrogen content on the grain size of the 316LN Fig.4 Grain size of 316LN with different N contents after solution stainless steel treatment for different holding time 不同N含量的316LN经不同时间的固溶处理后 寸D=33.7μm)增加到0.20%(D=21.7um)时，抗 得到的平均晶粒尺寸如图4所示.从图中可以得知： 拉强度和屈服强度分别增加15.2%和16.6%，而延 随着保温时间的延长，当N质量分数低于0.12%时， 伸率降低19.5%，即N质量分数每增加0.01%，316LN 晶粒明显粗化：但是当N质量分数高于0.16%时，晶 的抗拉强度增大8.33MPa,屈服强度增大4.56MPa. 粒粗化程度很小.这表明高的N含量可以明显减小 N元素对316LN强度的影响也是由于上述的间隙 316LN在固溶处理过程中晶粒长大趋势. 固溶造成的晶格畸变和细晶强化.在奥氏体不锈钢 图5为不同N含量的316LN在1100℃固溶处理 中，N原子固溶在FCC晶胞的八面体间隙中，并与周 40min后的常规力学性能变化趋势.由图可以看出， 围的金属原子发生间隙-固溶交互作用四，从而使八 随着N含量的升高，抗拉强度和屈服强度均近线性增 面体间隙发生非立方对称畸变，晶格畸变提高了位错 加，加工硬化速率也逐渐增加，而延伸率逐渐下降，但 运动的阻力：同时，N原子与位错交互作用形成Cottrell 仍保持在较高水平.当N质量分数从0.09%（晶粒尺 气团，这些因素使得不锈钢在受力变形时必须在更大
吴从风等: 合金元素对 316LN 不锈钢的力学性能和点蚀性能的影响 图 2 不同 N 质量分数的 316LN 不锈钢中晶粒． ( a) 0. 09% ; ( b) 0. 12% ; ( c) 0. 16% ; ( d) 0. 20% Fig． 2 Grains in the 316LN stainless steel with different N mass fractions: ( a) 0. 09% ; ( b) 0. 12% ; ( c) 0. 16% ; ( d) 0. 20% 粒形核和长大过程，最终造成晶粒细化． 图 3 N 含量对 316LN 不锈钢平均晶粒尺寸的影响 Fig． 3 Effect of nitrogen content on the grain size of the 316LN stainless steel 不同 N 含量的 316LN 经不同时间的固溶处理后 得到的平均晶粒尺寸如图 4 所示． 从图中可以得知: 随着保温时间的延长，当 N 质量分数低于 0. 12% 时， 晶粒明显粗化; 但是当 N 质量分数高于 0. 16% 时，晶 粒粗化程度很小． 这表明高的 N 含量可以明显减小 316LN 在固溶处理过程中晶粒长大趋势． 图 5 为不同 N 含量的 316LN 在 1100 ℃ 固溶处理 40 min 后的常规力学性能变化趋势． 由图可以看出， 随着 N 含量的升高，抗拉强度和屈服强度均近线性增 加，加工硬化速率也逐渐增加，而延伸率逐渐下降，但 仍保持在较高水平． 当 N 质量分数从 0. 09% ( 晶粒尺 图 4 不同 N 含量的 316LN 不锈钢固溶处理不同时间后的平均 晶粒尺寸 Fig． 4 Grain size of 316LN with different N contents after solution treatment for different holding time 寸 D = 33. 7 μm) 增加到 0. 20% ( D = 21. 7 μm) 时，抗 拉强度和屈服强度分别增加 15. 2 % 和 16. 6 % ，而延 伸率降低19. 5% ，即 N 质量分数每增加0. 01% ，316LN 的抗拉强度增大 8. 33 MPa，屈服强度增大 4. 56 MPa． N 元素对316LN 强度的影响也是由于上述的间隙 固溶造成的晶格畸变和细晶强化． 在奥氏体不锈钢 中，N 原子固溶在 FCC 晶胞的八面体间隙中，并与周 围的金属原子发生间隙–固溶交互作用［13］，从而使八 面体间隙发生非立方对称畸变，晶格畸变提高了位错 运动的阻力; 同时，N 原子与位错交互作用形成 Cottrell 气团，这些因素使得不锈钢在受力变形时必须在更大 ·1159·
·1160 工程科学学报，第37卷，第9期 700(a间) 抗拉强度 65 700b) 650 600 600 60 550 500 55 500 延伸率 400 N质量分数0.09% 450 300 N质量分数0.12% 400 45 N质量分数0.16% 200 N质量分数020% 350 屈服强度◆ 300 100 35 0.08 0.12 0.16 0.20 0.1 0.2 0.3 0.4 05 氨质量分数% 工程应变 图5N含量对316LN固溶处理后的常规力学性能(a)及工程应力一应变曲线(b)的影响 Fig.5 Effect of N content on the strengths (a)and engineering stress-strain curves (b)of 3161N 的应力作用下才能使位错发生运动四.另一方面，N 650 60 元素造成的晶粒细化也提高了316LN的强度. 抗拉强度 600 图6为N质量分数为0.12%的316LN的力学性 58 550 能随晶粒尺寸的平方根倒数(DP)的变化趋势.从 500 延伸率 56 抗拉强度和屈服强度与D”的关系曲线的斜率计算 450 54 得出，当晶粒尺寸从33.7m下降到21.7um时，抗拉 400 强度和屈服强度分别增大2.0%和8.3%，而延伸率变 52 化不大.对比图5和图6结果表明，晶粒尺寸的细化 屈服强度 50 300 对316LN强度的影响远小于N含量对316LN强度的 影响，N含量对316LN的强化作用主要是由固溶强化 25巩.5 0.16 0.17 0.18 造成的 D-1R/(um-) 2.1.2Cr、Mo和Ni的影响 图6N质量分数为0.12%的316LN力学性能与晶粒尺寸的关 Cr含量对316LN晶粒尺寸的影响如图7(a)所 示.不同Cr含量的316LN的平均晶粒尺寸分布在 Fig.6 Mechanical properties of 316LN with 0.12%N as a function 24~29m的较窄范围内.由图7(b)可知，随着Cr含 of grain size 量的升高，316LN的抗拉强度和屈服强度的变化范围 原子的加入仅使得Fe基固溶体的点阵常数增加 分别是613~643MPa和300~341MPa,延伸率46%~ 0.0005nm 54%.考虑到图7(b)的四个合金中N含量的波动和 每一个Mo原子的加入使得Fe基固溶体的点阵 晶粒尺寸的波动，而且四种合金仍为单一的奥氏体组 常数增加0.0031nm,因此Mo元素在316LN中可起 织，Cr含量的变化对316LN的力学性能影响不大.这 到微弱的固溶强化作用.图8(b)证明了这一点：当 是由于Cr原子与Fe原子的点阵常数相当，每一个Cr Mo质量分数从1.67%增加到3.55%时，抗拉强度和 38 70 (a) 650b) 抗拉强度 65 600 i50 500 55 延伸率 28 450 斗 26 400 45 24 350 屈服强度 300 40 20 250 15.0 15.5 16.016.517.017.5 18.0 15.015.516.016.517.017.5 铬质量分数% 铬质量分数/% 图7Cr含量对316LN的品粒尺寸(a)和力学性能(b)的影响 Fig.7 Effect of Cr content on the grain size (a)and mechanical properties (b)of 316IN
工程科学学报，第 37 卷，第 9 期 图 5 N 含量对 316LN 固溶处理后的常规力学性能( a) 及工程应力--应变曲线( b) 的影响 Fig． 5 Effect of N content on the strengths ( a) and engineering stress--strain curves ( b) of 316LN 的应力作用下才能使位错发生运动［9］． 另一方面，N 元素造成的晶粒细化也提高了 316LN 的强度． 图 6 为 N 质量分数为 0. 12% 的 316LN 的力学性 能随晶粒尺寸的平方根倒数( D － 1 /2 ) 的变化趋势． 从 抗拉强度和屈服强度与 D － 1 /2 的关系曲线的斜率计算 得出，当晶粒尺寸从 33. 7 μm 下降到 21. 7 μm 时，抗拉 强度和屈服强度分别增大 2. 0% 和 8. 3% ，而延伸率变 化不大． 对比图 5 和图 6 结果表明，晶粒尺寸的细化 对 316LN 强度的影响远小于 N 含量对 316LN 强度的 影响，N 含量对 316LN 的强化作用主要是由固溶强化 造成的． 图 7 Cr 含量对 316LN 的晶粒尺寸( a) 和力学性能( b) 的影响 Fig． 7 Effect of Cr content on the grain size ( a) and mechanical properties ( b) of 316LN 2. 1. 2 Cr、Mo 和 Ni 的影响 Cr 含量对 316LN 晶粒尺寸的影响如图 7 ( a) 所 示． 不同 Cr 含 量 的 316LN 的平均晶粒尺寸分布在 24 ～ 29 μm 的较窄范围内． 由图 7( b) 可知，随着 Cr 含 量的升高，316LN 的抗拉强度和屈服强度的变化范围 分别是 613 ～ 643 MPa 和 300 ～ 341 MPa，延伸率 46% ～ 54% ． 考虑到图 7( b) 的四个合金中 N 含量的波动和 晶粒尺寸的波动，而且四种合金仍为单一的奥氏体组 织，Cr 含量的变化对 316LN 的力学性能影响不大． 这 是由于 Cr 原子与 Fe 原子的点阵常数相当，每一个 Cr 图 6 N 质量分数为 0. 12% 的 316LN 力学性能与晶粒尺寸的关 系 Fig． 6 Mechanical properties of 316LN with 0. 12% N as a function of grain size 原子的 加 入 仅 使 得 Fe 基 固 溶 体 的 点 阵 常 数 增 加 0. 0005 nm［14］． 每一个 Mo 原子的加入使得 Fe 基固溶体的点阵 常数增加 0. 0031 nm［14］，因此 Mo 元素在 316LN 中可起 到微弱的固溶强化作用． 图 8 ( b) 证明了这一点: 当 Mo 质量分数从 1. 67% 增加到 3. 55% 时，抗拉强度和 ·1160·
吴从风等：合金元素对316LN不锈钢的力学性能和点蚀性能的影响 1161 屈服强度分别增加34MPa和9MPa:但Mo含量的升 合金中N含量的小范围波动造成的.虽然Mo对 高会显著降低316LN的延伸率.从晶粒大小的变化 316LN的室温力学性能影响程度微弱，但相关研究 趋势（图8(a))来看，Mo含量增加，316LN的晶粒尺 表明的，Mo元素的增加可显著提高奥氏体不锈钢的 寸有微弱的减小，但总体变化不大，这也可能是四个 高温强度 60 38 650(b) 抗拉强度 36 600 56 34 550 52 30 500 延伸率 450 48 26 44 24 350 屈服强度◆ 300 2.0 2.5 3.0 3.5 1. 2.0 2.5 3.0 3.5 组质量分数/% 钼质量分数/% 图8Mo含量对316LN的品粒尺寸(a)和力学性能(b)的影响 Fig.8 Effect of Mo content on the grain size (a)and mechanical properties (b)of 316LN Ni原子的加入使得Fe基固溶体的点阵常数减 和在1050℃时0.5s应变速率下的变形组织 小，因此其固溶强化作用很弱.由图9(a)可知，随 (图10(b)).由图可知：由于Ni1合金的Cr/Ni当 着Ni含量的变化，316LN的抗拉强度和屈服强度分别 量比值较高(1.55)a,使得合金先在枝干部位析出 在608~627MPa和300~327MPa内变化，延伸率在 δ铁素体相，这些δ铁素体有利于动态再结晶的进 50%~56%变化，三者变化程度都很小.考虑到其他 行团：而不含δ铁素体的其他合金（如M号合金， 元素的微量波动，Ni元素的变化对316LN室温力学性 Cr/Ni为1.34，图10(c,d))在同等热变形条件下 能的影响可以忽略 原始晶界只发生了晶界弯曲。因此，与其他成分合金 图9(b)表明当Ni质量分数为11.24%时316LN 相比，N1合金在同等的热加工和固溶处理后晶粒更 的晶粒尺寸较大，当Ni含量升高后，晶粒大小基本无 为粗大，但这是由组织造成的，并不是单纯的N含 变化.图10显示N1合金的原始铸态组织（图10(a) 量造成的 60 650(a) 抗拉强度 60 (b) 55 600 56 50 550 延伸率 45 500 52 40 450 48 35 400 44 30 。屈服强度 25 300 40 20 11.011.512.012.513.013.514.014.5 11.011.512.012.513.013.514.014.5 镍质量分数/% 镍质量分数/% 图9Ni含量对316LN的力学性能(a)和品粒尺寸(b)的影响 Fig.9 Effect of Ni content on the mechanical properties (a)and grain size (b)of 316LN 2.2合金元素对抗点蚀性能的影响 的点蚀电位E,和维钝电流密度1，变化最为明显，表明 图11为316LN的极化曲线（电极电位Es-电极 Cr和Mo是影响3l6LN点蚀性能的主要元素.多数研 电流密度1g曲线)及点蚀电位和维钝电流密度随化 究认为8-9，奥氏体不锈钢表面形成的钝化膜为双层 学成分的变化.由图可知，所有成分的试样均存在明 结构，内层为氧化物隔离层，厚度较大，外层为包含合 显的钝化区，表明它们均具有一定的钝化能力.由 金中金属组分的氢氧化物层，厚度较内层小.隔离层 图11(e,D可以看出，随着Cr及Mo含量的变化，试样 中的阳离子主要是Cr3·和Fe3·,而点缺陷总是伴随存
吴从风等: 合金元素对 316LN 不锈钢的力学性能和点蚀性能的影响 屈服强度分别增加 34 MPa 和 9 MPa; 但 Mo 含量的升 高会显著降低 316LN 的延伸率． 从晶粒大小的变化 趋势( 图 8( a) ) 来看，Mo 含量增加，316LN 的晶粒尺 寸有微弱的减小，但总体变化不大，这也可能是四个 合 金 中 N 含量的小范围波动造成的． 虽 然 Mo 对 316LN 的室温力学性能影响程度微 弱，但 相 关 研 究 表明［15］，Mo 元素的增加可显著提高奥氏体不锈钢的 高温强度． 图 8 Mo 含量对 316LN 的晶粒尺寸( a) 和力学性能( b) 的影响 Fig． 8 Effect of Mo content on the grain size ( a) and mechanical properties ( b) of 316LN Ni 原子的加入使得 Fe 基固溶体的点阵常数减 小［14］，因此其固溶强化作用很弱． 由图 9( a) 可知，随 着 Ni 含量的变化，316LN 的抗拉强度和屈服强度分别 在 608 ～ 627 MPa 和 300 ～ 327 MPa 内变化，延伸率在 50% ～ 56% 变化，三者变化程度都很小． 考虑到其他 元素的微量波动，Ni 元素的变化对 316LN 室温力学性 能的影响可以忽略． 图 9( b) 表明当 Ni 质量分数为 11. 24% 时 316LN 的晶粒尺寸较大，当 Ni 含量升高后，晶粒大小基本无 变化． 图10 显示 Ni1 合金的原始铸态组织( 图10( a) ) 和在 1050 ℃ 时 0. 5 s － 1 应 变 速 率 下 的 变 形 组 织 ( 图 10( b) ) ． 由图可知: 由于 Ni1 合金的 Creq /Nieq当 量比值较高( 1. 55) ［16］，使得合金先在枝干部位析出 δ 铁素体 相，这 些 δ 铁 素 体 有 利 于 动 态 再 结 晶 的 进 行［17］; 而不 含 δ 铁 素 体 的 其 他 合 金( 如 M 号 合 金， Creq /Nieq为 1. 34，图 10 ( c，d) ) 在同等热变形条件下 原始晶界只发生了晶界弯曲． 因此，与其他成分合金 相比，Ni1 合金在同等的热加工和固溶处理后晶粒更 为粗大，但这是由组织造成的，并不是单纯 的 Ni 含 量造成的． 图 9 Ni 含量对 316LN 的力学性能( a) 和晶粒尺寸( b) 的影响 Fig． 9 Effect of Ni content on the mechanical properties ( a) and grain size ( b) of 316LN 2. 2 合金元素对抗点蚀性能的影响 图 11 为 316LN 的极化曲线( 电极电位 ESCE --电极 电流密度 lgi 曲线) 及点蚀电位和维钝电流密度随化 学成分的变化． 由图可知，所有成分的试样均存在明 显的钝 化 区，表 明 它 们 均 具 有 一 定 的 钝 化 能 力． 由 图 11( e，f) 可以看出，随着 Cr 及 Mo 含量的变化，试样 的点蚀电位 Ep和维钝电流密度 Ip变化最为明显，表明 Cr 和 Mo 是影响 316LN 点蚀性能的主要元素． 多数研 究认为［18--19］，奥氏体不锈钢表面形成的钝化膜为双层 结构，内层为氧化物隔离层，厚度较大，外层为包含合 金中金属组分的氢氧化物层，厚度较内层小． 隔离层 中的阳离子主要是 Cr 3 + 和 Fe 3 + ，而点缺陷总是伴随存 ·1161·
·1162 工程科学学报，第37卷，第9期 a 支干部位的铁素体 0四 20 d 无铁素体析出 品界出 100m 图10316LN的金相组织.(a)Ni1铸态组织：(b)N1铸态合金经1050℃，0.5s变形后的组织：(d)M铸态组织：(d)M铸态合金经 1050℃，0.5s1变形后的组织 Fig.10 Metallographic microstructures of 316LN:(a)as-cast Nil alloy:(b)microstructure of Nil alloy after deformation under the conditions of 0.5sand 1050C:(e)as-cast M alloy:(d)microstructure of M alloy after deformation under the conditions of 0.5s and 1050C 在于钝化膜中。相关研究表明，这些缺陷会随着4价 进了再钝化四 或6价Mo离子的出现而消失0，而低浓度的缺陷能 需要指出的是，N的有益作用并不是独立的.许 降低阴离子的渗透，从而改善奥氏体不锈钢的耐点蚀 多研究者23认为，当Mo和N同时存在时，在钝化过 能力. 程中Mo和N的协同作用优于各自单独的效果之和. 含N不锈钢的耐点蚀当量含量(PRE)通常定义 在这一协同作用中，N元素使钼酸根稳定化，反过来钼 为PRE=1[Cr]+3.3Mo]+xN],其中x在13~-30 酸根也有助于形成铵.在N的固溶度极限内，随着N 之间：但是此式并未考虑所有合金元素的影响以及其 含量逐渐升高，钝化膜下富集的N也逐渐增多，更加 他治金因素的影响.因此，本研究中M合金可能由于 有利于钼酸根的稳定，而当N形成M,N相时，界面上 其他因素的影响造成其点蚀电位E,较Cl和Cr2降 富集的N带有负电荷，不利于钝化 低：但从整体上来看，C元素含量增加可微弱改善 随着Ni含量的升高，316LN的点蚀电位E,变化不 316LN的抗点蚀能力. 明显，但维钝电流密度逐渐升高.这表明N元素对 随着N含量的升高，316LN的点蚀电位E,逐渐增 316LN的耐点蚀性能影响不大，但可增大其钝态的腐 大，当N质量分数达到0.20%时又开始下降，而维钝 蚀速度，不利于钝化膜的稳定 电流密度I先逐渐下降而后升高.这表明随着N含量 在化学成分相同时，晶粒尺寸的不同也会影响 的升高，316LN的耐点蚀性能改善：但是当N质量分数 316LN的点蚀性能.图12为N质量分数为0.12%的 达到0.20%时，可能由于N含量超过了316LN的固溶 316LN试样经不同时间固溶处理后的极化曲线及点蚀 度极限，析出了M,N相@，造成其耐点蚀性能又开始 电位.由图可知，随着晶粒尺寸的增加，316LN的点蚀 变差.N的有益作用在于，在钝化过程中N元素会富 电位变化并不明显，但总体呈升高趋势，表明晶粒越 集在氧化物-金属界面处，降低钝化膜中的电位梯 大，点蚀倾向越小.这是因为晶界具有吸附和结构的 度，抑制其中的C渗透，并且一旦钝化膜局部破裂 不均匀性，使得晶粒越小，晶界面积越大，这种不均匀 后，N的偏析可以诱导进入的离子产生脱吸附四.N 性就越明显，点蚀倾向变大.本研究中晶粒尺寸的最 的作用还可能在于当不锈钢与腐蚀介质反应时生成了 大变化量在10m左右，晶粒度在6.5~7.5级之间， NH,从而消耗了H,造成点蚀坑内的pH值升高，促 变化量不超过一个级别，因此这一晶粒尺寸的差异反
工程科学学报，第 37 卷，第 9 期 图 10 316LN 的金相组织． ( a) Ni1 铸态组织; ( b) Ni1 铸态合金经 1050 ℃，0. 5 s － 1 变形后的组织; ( c) M 铸态组织; ( d) M 铸态合金经 1050 ℃，0. 5 s － 1变形后的组织 Fig． 10 Metallographic microstructures of 316LN: ( a) as-cast Ni1 alloy; ( b) microstructure of Ni1 alloy after deformation under the conditions of 0. 5 s － 1 and 1050 ℃ ; ( c) as-cast M alloy; ( d) microstructure of M alloy after deformation under the conditions of 0. 5 s － 1 and 1050 ℃ 在于钝化膜中． 相关研究表明，这些缺陷会随着 4 价 或 6 价 Mo 离子的出现而消失［20］，而低浓度的缺陷能 降低阴离子的渗透，从而改善奥氏体不锈钢的耐点蚀 能力． 含 N 不锈钢的耐点蚀当量含量( PＲE) 通常定义 为 PＲE = 1［Cr］+ 3. 3［Mo］+ x［N］，其中 x 在 13 ～ 30 之间; 但是此式并未考虑所有合金元素的影响以及其 他冶金因素的影响． 因此，本研究中 M 合金可能由于 其他因素的影响造成其点蚀电位 Ep较 Cr1 和 Cr2 降 低; 但从整 体 上 来 看，Cr 元素含量增加可微弱改善 316LN 的抗点蚀能力． 随着 N 含量的升高，316LN 的点蚀电位 Ep逐渐增 大，当 N 质量分数达到 0. 20% 时又开始下降，而维钝 电流密度 Ip先逐渐下降而后升高． 这表明随着 N 含量 的升高，316LN 的耐点蚀性能改善; 但是当 N 质量分数 达到 0. 20% 时，可能由于 N 含量超过了 316LN 的固溶 度极限，析出了 M2N 相［10］，造成其耐点蚀性能又开始 变差． N 的有益作用在于，在钝化过程中 N 元素会富 集在氧化物–金属界面处［21］，降低钝化膜中的电位梯 度，抑制其中的 Cl － 渗透，并且一旦钝化膜局部破裂 后，N 的偏析可以诱导进入的离子产生脱吸附［22］． N 的作用还可能在于当不锈钢与腐蚀介质反应时生成了 NH + 4 ，从而消耗了 H + ，造成点蚀坑内的 pH 值升高，促 进了再钝化［23］． 需要指出的是，N 的有益作用并不是独立的． 许 多研究者［23--24］认为，当 Mo 和 N 同时存在时，在钝化过 程中 Mo 和 N 的协同作用优于各自单独的效果之和． 在这一协同作用中，N 元素使钼酸根稳定化，反过来钼 酸根也有助于形成铵． 在 N 的固溶度极限内，随着 N 含量逐渐升高，钝化膜下富集的 N 也逐渐增多，更加 有利于钼酸根的稳定，而当 N 形成 M2N 相时，界面上 富集的 N 带有负电荷，不利于钝化． 随着 Ni 含量的升高，316LN 的点蚀电位 Ep变化不 明显，但维钝电流密度逐渐升高． 这表明 Ni 元素对 316LN 的耐点蚀性能影响不大，但可增大其钝态的腐 蚀速度，不利于钝化膜的稳定． 在化学成分相同时，晶粒尺寸的不同也会影响 316LN 的点蚀性能． 图 12 为 N 质量分数为 0. 12% 的 316LN 试样经不同时间固溶处理后的极化曲线及点蚀 电位． 由图可知，随着晶粒尺寸的增加，316LN 的点蚀 电位变化并不明显，但总体呈升高趋势，表明晶粒越 大，点蚀倾向越小． 这是因为晶界具有吸附和结构的 不均匀性，使得晶粒越小，晶界面积越大，这种不均匀 性就越明显，点蚀倾向变大． 本研究中晶粒尺寸的最 大变化量在 10 μm 左右，晶粒度在 6. 5 ～ 7. 5 级之间， 变化量不超过一个级别，因此这一晶粒尺寸的差异反 ·1162·
吴从风等：合金元素对316LN不锈钢的力学性能和点蚀性能的影响 *1163 0.5 0.6 0.4 (b) 0.3 0.4 Crl 0.2 N3 0.1 02 +-Cr3 0 -0.1 -0.2 0.2 -0.3 -0.4 -04 -0.5 -0.6 -5 -0.6 3 -8 7 6543 -2 lgi认A·cm-] lgi/(A.cm 0.6 0.4 (c) d 0.4 Mol 0.2 Mo2 ·一Ni2 02 Mo3 Ni3 0 -0.2 0.2 -0.4 -0.4 0.6 -0.6 -6 -5 3 lg认cm] 1 i/(A.em】 0.5 4.0 (e) N 4.2 0.4 Ni 4.4 0.3 4 02 48 5. 0 5.2 -5.4 N1 M N2 N3 Crl Cr2 M Cr3Mol M Mo2 Mo3 Nil Ni2 M Ni3 NI M N2 N3 Crl Cr2 M Cr3Mol M Mo2 Mo3 NilNi2 M Ni3 合金编号 合金编号 图11不同化学成分的316LN的极化曲线(a~d)、点蚀电位(e)及维钝电流密度() Fig.11 Polarization curves (a-d),pitting potential (e)and passive current density (f)of 316IN with different chemical compositions 0.4 0.35 (a) 0.3 (b) 0.30 0.2 保温40min 保温60min 0 保温120mim 0.25 0 0.20 -0.1 -0.2 0.15 -0.3 0.10 -0.4 0.05 -0.5 0.6 0 -5 -3 -2 % 60 120 lgA·cm] 保温时间/min 图12不同固溶处理时间后316LN的极化曲线(a)和点蚀电位(b)变化 Fig.12 Polarization curves (a)and pitting potential (b)of 316LN solution-treated for different time
吴从风等: 合金元素对 316LN 不锈钢的力学性能和点蚀性能的影响 图 11 不同化学成分的 316LN 的极化曲线( a ～ d) 、点蚀电位( e) 及维钝电流密度( f) Fig． 11 Polarization curves ( a － d) ，pitting potential ( e) and passive current density ( f) of 316LN with different chemical compositions 图 12 不同固溶处理时间后 316LN 的极化曲线( a) 和点蚀电位( b) 变化 Fig． 12 Polarization curves ( a) and pitting potential ( b) of 316LN solution-treated for different time ·1163·
·1164 工程科学学报，第37卷，第9期 映到点蚀电位的变化上并不明显 [8]Mozhi T,Clark W.Nishimoto K.The effect of nitrogen on the sensitization of AlSI 304 stainless steel.Corrosion,1985,41 3结论 (10):555 9]Mudali U K,Baldev R.High Nitrogen Steel and Stainless Steels (1)N质量分数从0.09%增加到0.20%时， Manufacturing:Properties and Applications.Beijing:Chemical In- 316LN的平均晶粒尺寸从33.7减小至21.7um,高的 dustry Press,2006 N含量可以明显减小316LN在固溶处理过程中的晶粒 (曼德里UK,贝德威R.高氮钢和不锈钢：生产、性能与应 长大趋势：N质量分数每增加0.01%，316LN的抗拉强 用.北京：化学工业出版社，2006) 度增大8.33MPa,屈服强度增大4.56MPa.晶粒尺寸 [10]Dayal R K,Parvathavarthini N,Raj B.Influence of metallurgi- 的细化对316LN强度的影响远小于N含量对316LN cal variables on sensitisation kinetics in austenitic stainless steels.Int Mater Rev,2005,50(3):129 强度的影响，N含量对316LN的强化作用主要是由固 [11]Rajasekhar K,Harendranath C S,Raman R,et al.Microstruc- 溶强化造成的. tural evolution during solidification of austenitic stainless steel (2)Cr和Mo含量对316LN的抗拉强度和屈服强 weld metals:a color metallographic and electron microprobe anal- 度等力学性能影响微弱，而N元素的影响可以忽略. ysis study.Mater Charact,1997,38(2):53 Mo含量增加可起到微弱细化316LN晶粒尺寸的作 [12]American Society for Testing and Materials.G150-3 Code for 用，当Ni含量较低时，使得铸态组织中先析出8铁素 Standard Test Method for Electrochemical Critical Pitting Temper- 体相，则316LN在热加工后的晶粒会相对较大. ature Testing of Stainless Steels.Pennsyvania:ASTM Internation- al,1999 (3)所有成分的316LN试样均存在明显的钝化 [13]Gavriljuk V G,Bem H.High Nitrogen Steels.Berlin:Springer, 区，Mo含量的增加可明显改善316LN的耐点蚀能力， 1999 Cr元素的增加可轻微改善316LN的抗点蚀能力，Ni元 [14]Dyson D J,Holmes B.Effect of alloying additions on the lattice 素对316LN的耐点蚀性能影响不大，但可增大其钝态 parameter of austenite.J Iron Steel Inst,1970,208:469 的腐蚀速度，不利于钝化膜的稳定.随着N含量的升 [15]Wan R C,Sun F,Zhang L T,et al.Effect of Mo on the high- 高，316LN的耐点蚀性能改善，但是当N质量分数达到 temperature yield strength of fire-resistant steels.J Unir Sci Tech- nol Beijing,2013,35(3):325 0.20%时，其耐点蚀性能又开始变差.316LN的晶粒 (万荣春，孙峰，张澜庭，等.Mo对耐火钢高温屈服强度的影 越大，其发生点蚀的倾向越小. 响，北京科技大学学报，2013,35(3)：325) 06 Hammar O,Svensson U.Solidification and Casting of Metals 参考文献 London:The Metals Society,1979 [17]Mataya M C,Nilsson E R,Brown E L,et al.Hot working and [Simmons J W.Overview:high-nitrogen alloying of stainless recrystallization of as-cast 316L.Metall Mater Trans A,2003,34 steels.Mater Sci Eng A,1996,207(2)159 (8):1683 Babu M N,Dutt B S,Venugopal S,Venugopal S,et al.Fatigue 8]Olefjord I.The passive state of stainless steels.Mater Sci Eng, crack growth behavior of 316LN stainless steel with different nitro- 1980,42:161 gen contents.Procedia Eng,2013,55:716 19] Olefjord I,Wegrelius L.Surface analysis of passive state.Corros B3]Zhang X Z,Zhang YS,Li Y J,et al.Cracking initiation mecha- Sc,1990,31:89 nism of 316LN stainless steel in the process of the hot deformation. 220]Olefjord I,Brox B,Jelvestam U.Surface composition of stainless Mater Sci Eng A.2013,559:301 steels during anodic dissolution and passivation studied by ES- 4]Zhang W H,Sun S H,Zhao D L.et al.Hot deformation behavior CA.J Electrochem Soc,1985,132:2854 of an Nb-containing 316LN stainless steel.Mater Des,2011,32 21] Olefjord I,Wegrelius L.The influence of nitrogen on the passi- (8):4173 vation of stainless steels.Corros Sci,1996,38(7):1203 5]Vogt J B.Foct J,Regnard C.Low-temperature fatigue of 316L. 22]Vanini A S,Audouard J P,Marcus P.The role of nitrogen in the and 316LN austenitic stainless steels.Metall Trans A,1991,22: passivity of austenitic stainless steels.Corros Sci,1994,36 2385 (11):1825 6 Werner E.Solid solution and grain size hardening of nitrogenal- D3]Luo Q,Chen Y,Liu S W.The studies on the corrosion behav- loyed austenitic steels.Mater Sci Eng A,1998,101:93 iors of 316NG and 304NG nitrogen-ontaining stainless steels Roncery LM,Weber S,Theisen W.Nucleation and precipitation made in China.Procedia Eng,2012,27:1560 kinetics of M2s C6 and M2 N in an Fe-Mn-Cr-C-N austenitic ma- 24]Olsson C O A.The influence of nitrogen and molybdenum on trix and their relationship with the sensitization phenomenon.Acta passive films formed on the austenoferritic stainless steel 2205 Mater,2011,59(16):6275 studied by AES and XPS.Corros Sci,1995,37(3):467
工程科学学报，第 37 卷，第 9 期 映到点蚀电位的变化上并不明显． 3 结论 ( 1 ) N 质 量 分 数 从 0. 09% 增 加 到 0. 20% 时， 316LN 的平均晶粒尺寸从 33. 7 减小至 21. 7 μm，高的 N 含量可以明显减小316LN 在固溶处理过程中的晶粒 长大趋势; N 质量分数每增加 0. 01% ，316LN 的抗拉强 度增大 8. 33 MPa，屈服强度增大 4. 56 MPa． 晶粒尺寸 的细化对 316LN 强度的影响远小于 N 含量对 316LN 强度的影响，N 含量对 316LN 的强化作用主要是由固 溶强化造成的． ( 2) Cr 和 Mo 含量对 316LN 的抗拉强度和屈服强 度等力学性能影响微弱，而 Ni 元素的影响可以忽略． Mo 含量增加可起到微弱细化 316LN 晶粒尺寸的作 用，当 Ni 含量较低时，使得铸态组织中先析出 δ 铁素 体相，则 316LN 在热加工后的晶粒会相对较大． ( 3) 所有成分的 316LN 试样均存在明显的钝化 区，Mo 含量的增加可明显改善 316LN 的耐点蚀能力， Cr 元素的增加可轻微改善 316LN 的抗点蚀能力，Ni 元 素对 316LN 的耐点蚀性能影响不大，但可增大其钝态 的腐蚀速度，不利于钝化膜的稳定． 随着 N 含量的升 高，316LN 的耐点蚀性能改善，但是当 N 质量分数达到 0. 20% 时，其耐点蚀性能又开始变差． 316LN 的晶粒 越大，其发生点蚀的倾向越小． 参 考 文 献 ［1］ Simmons J W． Overview: high-nitrogen alloying of stainless steels． Mater Sci Eng A，1996，207( 2) : 159 ［2］ Babu M N，Dutt B S，Venugopal S，Venugopal S，et al． Fatigue crack growth behavior of 316LN stainless steel with different nitrogen contents． Procedia Eng，2013，55: 716 ［3］ Zhang X Z，Zhang Y S，Li Y J，et al． Cracking initiation mechanism of 316LN stainless steel in the process of the hot deformation． Mater Sci Eng A，2013，559: 301 ［4］ Zhang W H，Sun S H，Zhao D L，et al． Hot deformation behavior of an Nb-containing 316LN stainless steel． Mater Des，2011，32 ( 8) : 4173 ［5］ Vogt J B，Foct J，Ｒegnard C． Low-temperature fatigue of 316L and 316LN austenitic stainless steels． Metall Trans A，1991，22: 2385 ［6］ Werner E． Solid solution and grain size hardening of nitrogen-alloyed austenitic steels． Mater Sci Eng A，1998，101: 93 ［7］ Ｒoncery L M，Weber S，Theisen W． Nucleation and precipitation kinetics of M23C6 and M2N in an Fe--Mn--Cr--C--N austenitic matrix and their relationship with the sensitization phenomenon． Acta Mater，2011，59( 16) : 6275 ［8］ Mozhi T，Clark W，Nishimoto K． The effect of nitrogen on the sensitization of AISI 304 stainless steel． Corrosion，1985，41 ( 10) : 555 ［9］ Mudali U K，Baldev Ｒ． High Nitrogen Steel and Stainless Steels Manufacturing: Properties and Applications． Beijing: Chemical Industry Press，2006 ( 曼德里 U K，贝德威 Ｒ． 高氮钢和不锈钢: 生产、性能与应 用． 北京: 化学工业出版社，2006) ［10］ Dayal Ｒ K，Parvathavarthini N，Ｒaj B． Influence of metallurgical variables on sensitisation kinetics in austenitic stainless steels． Int Mater Ｒev，2005，50( 3) : 129 ［11］ Ｒajasekhar K，Harendranath C S，Ｒaman Ｒ，et al． Microstructural evolution during solidification of austenitic stainless steel weld metals: a color metallographic and electron microprobe analysis study． Mater Charact，1997，38( 2) : 53 ［12］ American Society for Testing and Materials． G150-13 Code for Standard Test Method for Electrochemical Critical Pitting Temperature Testing of Stainless Steels． Pennsyvania: ASTM International，1999 ［13］ Gavriljuk V G，Bern H． High Nitrogen Steels． Berlin: Springer， 1999 ［14］ Dyson D J，Holmes B． Effect of alloying additions on the lattice parameter of austenite． J Iron Steel Inst，1970，208: 469 ［15］ Wan Ｒ C，Sun F，Zhang L T，et al． Effect of Mo on the hightemperature yield strength of fire-resistant steels． J Univ Sci Technol Beijing，2013，35( 3) : 325 ( 万荣春，孙峰，张澜庭，等． Mo 对耐火钢高温屈服强度的影 响，北京科技大学学报，2013，35( 3) : 325) ［16］ Hammar O，Svensson U． Solidification and Casting of Metals． London: The Metals Society，1979 ［17］ Mataya M C，Nilsson E Ｒ，Brown E L，et al． Hot working and recrystallization of as-cast 316L． Metall Mater Trans A，2003，34 ( 8) : 1683 ［18］ Olefjord I． The passive state of stainless steels． Mater Sci Eng， 1980，42: 161 ［19］ Olefjord I，Wegrelius L． Surface analysis of passive state． Corros Sci，1990，31: 89 ［20］ Olefjord I，Brox B，Jelvestam U． Surface composition of stainless steels during anodic dissolution and passivation studied by ESCA． J Electrochem Soc，1985，132: 2854 ［21］ Olefjord I，Wegrelius L． The influence of nitrogen on the passivation of stainless steels． Corros Sci，1996，38( 7) : 1203 ［22］ Vanini A S，Audouard J P，Marcus P． The role of nitrogen in the passivity of austenitic stainless steels． Corros Sci，1994，36 ( 11) : 1825 ［23］ Luo Q，Chen Y，Liu S W． The studies on the corrosion behaviors of 316NG and 304NG nitrogen-containing stainless steels made in China． Procedia Eng，2012，27: 1560 ［24］ Olsson C O A． The influence of nitrogen and molybdenum on passive films formed on the austenoferritic stainless steel 2205 studied by AES and XPS． Corros Sci，1995，37( 3) : 467 ·1164·
