Jak azot wpływa na stal nierdzewną 316LN?

316LN to wersja oparta na dodatku azotu Stal 316L (0,06% ~ 0,08%), dzięki czemu ma takie same właściwości jak 316L, został wykorzystany do produkcji wysokotemperaturowych elementów konstrukcyjnych w reaktorze szybkiego powielania (FBRS). Zmniejszenie zawartości węgla znacznie zmniejsza podatność na pękanie korozyjne naprężeniowe w wyniku spawania w późniejszych środowiskach korozyjnych. Najważniejszymi czynnikami branymi pod uwagę w przypadku komponentów FBRS są pełzanie, zmęczenie niskocyklowe i interakcja między zmęczeniem pełzającym. Wytrzymałość w wysokiej temperaturze Stal nierdzewna 316L można ulepszyć do stali nierdzewnej 316 poprzez dodanie stopu 0,06% ~ 0,08% N. W tym artykule omówiony zostanie wpływ zawartości azotu wyższej niż 0,08% na właściwości mechaniczne stali nierdzewnej 316L w wysokiej temperaturze.

 

Skład chemiczny stali nierdzewnej 316LN

Piec	N	C	Mn	Kr	Pon	Ni	Si	S	P	Fe
Standardy	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	–

Te cztery partie stali nierdzewnej 316LN o zawartości azotu 0,07%, 0,11%, 0,14% i 0,22% oraz zawartości węgla 0,03% zostały przetestowane w celu zbadania wpływu azotu na rozciąganie, pełzanie, zmęczenie niskocyklowe i pełzanie -właściwości zmęczeniowe stali nierdzewnej 316LN. Celem tego eksperymentu jest znalezienie optymalnej zawartości azotu, aby uzyskać najlepszą kombinację właściwości rozciągania, pełzania i zmęczenia niskocyklowego. Wyniki eksperymentów pokazują, że azot może poprawić wytrzymałość na rozciąganie, pełzanie i wytrzymałość zmęczeniową austenitycznych stali nierdzewnych. Przyczyny wzrostu wytrzymałości obejmują poprawę roztworu, zmniejszoną energię błędu układania (SFE), utwardzanie wydzieleniowe, tworzenie kompozytów (międzywęzłowych substancji rozpuszczonych), segregację atomową i uporządkowane utwardzanie. Ze względu na różne właściwości wymiany elektronów rozpuszczony azot w austenitycznej stali nierdzewnej ma większą objętość ekspansji niż węgiel.

Oprócz elastycznego oddziaływania pomiędzy azotem i dyslokacją, na wytrzymałość wpływa również elektrostatyczne interakcja międzymiąższowej dyslokacji. Jądra dyslokacji charakteryzują się brakiem wolnych elektronów, co oznacza, że mają ładunek dodatni. Atomy azotu w austenitycznych stalach nierdzewnych są naładowane ujemnie ze względu na położenie wolnych elektronów w pobliżu atomów azotu i oddziaływanie elektrostatyczne pomiędzy dyslokacjami a atomami azotu.

Efektywna energia wiązania pomiędzy atomem azotu a dyslokacją wzrasta wraz ze wzrostem zawartości azotu w stali austenitycznej, lecz w przypadku węgla korelacja nie jest oczywista. W stalach austenitycznych azot śródmiąższowy oddziałuje z pierwiastkami podstawnikowymi i ma tendencję do tworzenia składów atomowych międzypodstawnikowych. Związek łatwo wiąże się z pierwiastkami na lewo od Fe w układzie okresowym, takimi jak Mn, Cr, Ti i V. Istnieje silna korelacja pomiędzy właściwościami wiązań międzyatomowych (tj. orientacją i dezorientacją) a bliskością sąsiadujących ze sobą atomy w wieloskładnikowym układzie stopowym. Wiązanie między atomami metali ułatwia uporządkowanie krótkiego zasięgu, czyli wiązanie atomów różnych pierwiastków. Polaryzacja międzyatomowa ułatwia wymianę elektronów kowalencyjnych, czyli wiązanie między atomami tego samego pierwiastka. Węgiel sprzyja agregacji atomów podstawieniowych w stałym roztworze na bazie żelaza, podczas gdy azot ułatwia uporządkowanie krótkiego zasięgu.

Ogólnie rzecz biorąc, granica plastyczności (YS) i wytrzymałość na rozciąganie (UTS). 316L stal nierdzewną znacznie udoskonalono poprzez dodanie azotu o stężeniu 0,07% ~ 0,22%. Wzrost wytrzymałości zaobserwowano we wszystkich testach w zakresie temperatur 300 ~ 1123K. Zaobserwowano dynamiczne starzenie odkształceniowe w ograniczonym zakresie temperatur. Zakres temperatur dynamicznego starzenia odkształceniowego (DSA) zmniejsza się wraz ze wzrostem zawartości azotu.