窒素は 316LN ステンレス鋼にどのような影響を与えますか?

316LNは窒素添加バージョンで、 316Lスチール （0.06%〜0.08%）は、316Lと同じ特性を持つように調整されており、高速増殖炉（FBRS）の高温構造部品の製造に使用されています。炭素含有量を減らすと、その後の腐食環境での溶接による応力腐食割れの感受性が大幅に低下します。クリープ、低サイクル疲労、クリープ疲労相互作用は、FBRS部品にとって最も重要な考慮事項です。 316Lステンレス 0.06%～0.08% Nを合金化することで、316ステンレス鋼の強度を向上させることができます。本稿では、0.08%を超える窒素含有量が316Lステンレス鋼の高温での機械的特性に及ぼす影響について説明します。

 

316LNステンレス鋼の化学組成

炉	いいえ	Ｃ	ミネソタ	Cr	モ	ニ	シ	ス	ポ	鉄
標準	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	–

窒素含有量が 0.07%、0.11%、0.14%、0.22%、炭素含有量が 0.03% の 316LN ステンレス鋼の 4 つのバッチをテストし、316LN ステンレス鋼の引張、クリープ、低サイクル疲労、クリープ疲労特性に対する窒素の影響を調べました。この実験の目的は、引張、クリープ、低サイクル疲労特性の最良の組み合わせを得るための最適な窒素含有量を見つけることです。実験結果から、窒素はオーステナイト系ステンレス鋼の引張強度、クリープ、疲労強度を改善できることがわかりました。強度が増加する理由には、溶解強化、積層欠陥エネルギー (SFE) の低減、析出硬化、複合材料 (格子間溶質) の形成、原子偏析、秩序硬化などがあります。電子交換特性が異なるため、オーステナイト系ステンレス鋼中の溶解窒素は炭素よりも膨張体積が大きくなります。

窒素と転位の弾性相互作用に加えて、転位間の静電相互作用も強度に影響します。転位核は自由電子が不足しているという特徴があり、つまり正電荷を持っています。オーステナイト系ステンレス鋼の窒素原子は、窒素原子の近くの自由電子の位置と、転位と窒素原子間の静電相互作用により、負に帯電しています。

窒素原子と転位間の有効結合エネルギーは、オーステナイト鋼中の窒素含有量の増加とともに増大しますが、炭素については相関関係は明らかではありません。オーステナイト鋼では、格子間窒素が置換元素と相互作用し、格子間置換原子組成を形成する傾向があります。この化合物は、Mn、Cr、Ti、Vなど、周期表でFeの左側にある元素に容易に結合する。多成分合金システムでは、原子間結合の特性（つまり、配向と無配向）と隣接原子の近接性の間には強い相関関係があります。金属原子間の結合は、異なる元素の原子の結合である短距離秩序化を促進します。原子間分極は、共有電子の交換、つまり同じ元素の原子間の結合を促進します。炭素は鉄ベースの固溶体における置換原子の凝集を促進し、窒素は短距離秩序化を促進します。

一般的に、降伏強度（YS）と極限引張強度（UTS）は、 316L ステンレス鋼の強度は、0.07% ～ 0.22% の窒素を合金化することで大幅に向上します。300 ～ 1123K の温度範囲でのすべてのテストで強度の増加が観察されました。動的ひずみ時効は、限られた温度範囲内で観察されました。動的ひずみ時効 (DSA) の温度範囲は、窒素含有量の増加とともに減少します。