表9.70和表9.71分別列出了一些典型高氮奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分及其力學(xué)性能。
在固溶處理或退火狀態(tài)下，高氮奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度超出傳統(tǒng)鋼200％～300％。氮增加強(qiáng)度的原因有固溶強(qiáng)化、對(duì)層錯(cuò)能的影響、沉淀析出強(qiáng)化、有序強(qiáng)化等。
高氮鋼晶體結(jié)構(gòu)一個(gè)主要特點(diǎn)是自由電子濃度的增加，提高了原子間金屬鍵鍵合，使電子在晶體結(jié)構(gòu)中的分布更均勻。因此，位錯(cuò)滑移時(shí)并不減弱或者破壞原子間結(jié)合，使材料具有高的強(qiáng)度和高的斷裂韌性，但氮含量高于0.5％時(shí)，因原子間金屬鍵鍵合下降而不利于韌性。
在奧氏體鋼中，氮原子與位錯(cuò)的結(jié)合能高于碳原子與位錯(cuò)的結(jié)合能，而且這種結(jié)合能隨氮含量的增加而增加，因此氮原子比碳原子更能有效地阻塞位錯(cuò)。
實(shí)驗(yàn)證明，氮與碳不同，其在晶界的偏析傾向不明顯，氮和晶界的親和力很弱。這可以解釋高氮鋼為何具有良好的耐晶間腐蝕性能和高溫力學(xué)性能。
在鐵基固溶體中，氮原子與鄰近置換型合金元素傾向于金屬鍵結(jié)合，有助于短程有序，這有利于合金元素更均勻地分布，增加了奧氏體的穩(wěn)定性，抑制了沉淀析出和發(fā)生腐蝕。
大多數(shù)試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，奧氏體鋼中添加氮會(huì)降低層錯(cuò)能。在含氮奧氏體不銹鋼的形變過(guò)程中，氮促進(jìn)平面滑移，這是由于層錯(cuò)能低，能阻止位錯(cuò)攀移出滑移面。
添加氮之后，會(huì)對(duì)奧氏體不銹鋼的沉淀析出行為產(chǎn)生很大的影響。通常，氮使M23C6型碳化物析出的時(shí)間變得更長(zhǎng)，因?yàn)榈谶@類碳化物中通常是不可溶的，從而推遲碳化物的形核，降低其形成速率。氮也降低碳原子和鉻原子的擴(kuò)散能力，推遲碳化物的過(guò)時(shí)效，但鋼中的氮含量太高會(huì)導(dǎo)致氮化物Cr2N的沉淀析出。
含碳的奧氏體不銹鋼在溫度降至-269℃時(shí)，其屈服強(qiáng)度升高不多，而高氮鋼的屈服強(qiáng)度則隨溫度的降低而顯著提高。如果在23℃時(shí)含氮鋼的屈服強(qiáng)度較含碳鋼高出23％，則在-269℃時(shí)含氮鋼的屈服強(qiáng)度則較含碳鋼高出300％。因此，高氮奧氏體不銹鋼可用于制作超導(dǎo)磁體的外殼，但應(yīng)注意，高氮奧氏體不銹鋼在低溫時(shí)會(huì)出現(xiàn)韌脆轉(zhuǎn)變溫度，如果高氮奧氏體不銹鋼中加入適量的Mo和Ni則可以改善低溫時(shí)鋼的韌性，同時(shí)降低鋼的屈服強(qiáng)度。
冷變形是提高奧氏體不銹鋼強(qiáng)度的有效手段，其效果遠(yuǎn)高于固溶強(qiáng)化。冷變形對(duì)于高氮奧氏體不銹鋼的強(qiáng)化效果尤為顯著。例如，在Fe-18Cr-（7～18）Mn-N合金中，在含氮1.07％和冷變形量為50％時(shí)， 可使鋼的屈服強(qiáng)度超過(guò)2000MPa。氮還增加鋼的形變強(qiáng)化率，但對(duì)鋼的形變強(qiáng)化指數(shù)n的影響較小。
在奧氏體不銹鋼中加入氮可以顯著地提高奧氏體的穩(wěn)定性，有效地抑制在變形過(guò)程中a'和ε（hcp）馬氏體的形成，甚至在低溫時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)a'馬氏體。
在高氮奧氏體不銹鋼中的固溶氮含量可以高達(dá)約1％，當(dāng)加熱溫度達(dá)到600～1050℃時(shí)，鋼變得不穩(wěn)定而析出氮化物。如果鋼中不含強(qiáng)氮化物形成元素Ti、Nb、V時(shí)，主要析出的是Cr2N，有時(shí)還析出其他金屬間化合物。圖9.97為一種高氮奧氏體不銹鋼的TTP曲線。
當(dāng)全部氮原子間隙固溶于奧氏體中時(shí)，鋼顯示出良好的強(qiáng)度和韌性，但當(dāng)有氮化物析出時(shí)，將導(dǎo)致鋼的脆性出現(xiàn)，特別是在晶界和亞晶界析出的氮化物對(duì)鋼的沖擊韌性和動(dòng)態(tài)應(yīng)變的塑性十分有害，但對(duì)鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響較小。
關(guān)于氮元素對(duì)不銹鋼耐蝕性能的影響在9.5.2、9.6.2.3等節(jié)中已有論述，但高氮奧氏體不銹鋼中氮對(duì)耐蝕性能的影響報(bào)道較少。
