Welchen Einfluss hat Stickstoff auf Edelstahl 316LN?

316LN ist die Version mit Stickstoffzusatz basierend auf 316L Stahl (0,06% ~ 0,08%), sodass es die gleichen Eigenschaften wie 316L aufweist, wurde bei der Herstellung von Hochtemperatur-Strukturkomponenten in schnellen Brütern (FBRS) verwendet. Durch die Reduzierung des Kohlenstoffgehalts wird die Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion durch Schweißen in nachfolgenden korrosiven Umgebungen erheblich verringert. Das Kriechen, die Ermüdung bei geringer Zyklenzahl und die Wechselwirkung zwischen Kriechen und Ermüdung sind die wichtigsten Überlegungen für FBRS-Komponenten. Die Hochtemperaturfestigkeit von 316L Edelstahl kann durch Legieren von 0,06% – 0,08% N zu Edelstahl 316 verbessert werden. Der Einfluss eines Stickstoffgehalts über 0,08% auf die mechanischen Eigenschaften von Edelstahl 316L bei hohen Temperaturen wird in diesem Dokument erörtert.

 

Chemische Zusammensetzung von 316LN Edelstahl

Ofen	N	C	Mn	Cr	Mo	Ni	Si	S	P	Fe
Normen	0.06-0.22	0.02-0.03	1.6-2.0	17-18	2.3-2.5	12.0-12.5	≤0,5	≤0,01	≤0,03	–
1	0.07	0.027	1,7	17.53	2.49	12.2	0.22	0.0055	0.013	–
2	0.11	0.033	1.78	17.63	2.51	12.27	0.21	0.0055	0.015	–
3	0.14	0.025	1.74	17.57	2.53	12.15	0.20	0.0041	0.017	–
4	0.22	0.028	1.70	17.57	2.54	12.36	0.20	0.0055	0.018	–

Diese vier Chargen von 316LN-Edelstahl mit einem Stickstoffgehalt von 0,07%, 0,11%, 0,14% und 0,22% und einem Kohlenstoffgehalt von 0,03% wurden getestet, um die Wirkung von Stickstoff auf die Zugfestigkeit, Kriechfestigkeit, Kurzzeitermüdung und Kriechermüdungseigenschaften von 316LN-Edelstahl zu untersuchen. Ziel dieses Experiments ist es, den optimalen Stickstoffgehalt zu ermitteln, um die beste Kombination aus Zugfestigkeit, Kriechfestigkeit und Kurzzeitermüdungseigenschaften zu erhalten. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass Stickstoff die Zugfestigkeit, Kriechfestigkeit und Ermüdungsfestigkeit von austenitischem Edelstahl verbessern kann. Die Gründe für die Festigkeitssteigerung sind Lösungsverbesserung, verringerte Stapelfehlerenergie (SFE), Ausscheidungshärtung, Bildung von Verbundstoffen (interstitielle gelöste Stoffe), atomare Segregation und geordnete Härtung. Aufgrund der unterschiedlichen Elektronenaustauscheigenschaften hat der gelöste Stickstoff in austenitischem Edelstahl ein größeres Ausdehnungsvolumen als Kohlenstoff.

Neben der elastischen Wechselwirkung zwischen Stickstoff und Versetzung beeinflusst auch die elektrostatische interstitielle Versetzungswechselwirkung die Festigkeit. Versetzungskerne zeichnen sich durch den Mangel an freien Elektronen aus, was bedeutet, dass sie eine positive Ladung aufweisen. Die Stickstoffatome in austenitischem rostfreiem Stahl sind aufgrund der Position der freien Elektronen in der Nähe der Stickstoffatome und der elektrostatischen Wechselwirkung zwischen den Versetzungen und den Stickstoffatomen negativ geladen.

Die effektive Bindungsenergie zwischen dem Stickstoffatom und der Versetzung steigt mit steigendem Stickstoffgehalt in austenitischem Stahl, aber bei Kohlenstoff ist dieser Zusammenhang nicht offensichtlich. In austenitischem Stahl interstitieller Stickstoff interagiert mit Substituentenelementen und neigt dazu, interstitielle Substituentenatomzusammensetzungen zu bilden. Die Verbindung bindet sich leicht an Elemente links von Fe im Periodensystem, wie etwa Mn, Cr, Ti und V. Es besteht ein starker Zusammenhang zwischen den Eigenschaften der interatomaren Bindung (das heißt, Orientierung versus Unorientierung) und der Nähe benachbarter Atome in einem Mehrkomponentenlegierungssystem. Bindungen zwischen Metallatomen erleichtern die Nahordnung, also die Bindung von Atomen verschiedener Elemente. Interatomare Polarisation erleichtert den Austausch kovalenter Elektronen, also die Bindung zwischen Atomen desselben Elements. Kohlenstoff fördert die Aggregation von Substitutionsatomen in der eisenbasierten festen Lösung, während Stickstoff die Nahordnung erleichtert.

Im Allgemeinen sind die Streckgrenze(YS) und die Zugfestigkeit(UTS) von 316L Edelstahl wird durch die Legierung mit 0,07% ~ 0,22% Stickstoff deutlich verbessert. Die Festigkeitssteigerung wurde in allen Tests im Temperaturbereich von 300 ~ 1123 K beobachtet. Dynamische Reckalterung wurde innerhalb eines begrenzten Temperaturbereichs beobachtet. Der Temperaturbereich der dynamischen Reckalterung (DSA) verringert sich mit zunehmendem Stickstoffgehalt.