新型工程材料：高氮不锈钢

高氮不锈钢是随着冶金科技进步出现的一种新型工程材料，具有优异的综合力学性能和耐腐蚀性能等，在航空航天、石油化工、海洋工程、能源和军事等诸多领域应用前景广泛，作为我国高端装备制造业急需的关键材料，逐渐成为研发和应用的焦点。

（a）枝晶组织；（b）晶区和疏松；（c）碳化物；（d）夹杂物分布；（e）宏观偏析；（f）气孔

图1 加压对凝固组织和偏析的影响规律

近二十年来，东北大学特殊钢冶金研究所研发团队面向国家重大需求，聚焦高氮不锈钢制备和应用过程中存在的关键科学问题和技术瓶颈，在高氮不锈钢制备冶金学基础，常压和加压冶金关键装备、理论及制备关键技术，氮的作用机制以及新品种研发等方面开展了系列创新性研究，明晰了氮在不锈钢中的作用机制，提出了高氮不锈钢合金设计新思想；自主研发了加压冶金关键装备，构建了加压冶金研发平台；丰富和发展了加压冶金理论；首次提出了加压双联冶炼新工艺和新流程，创新了加压冶金制备关键技术，为高效、低成本、规模化制备高性能高氮不锈钢提供了重要的理论和技术支撑，极大地加速了我国高氮不锈钢研发和产业化进程。

《高氮不锈钢》

李花兵，姜周华，冯浩，朱红春著

ISBN 978-7-03-068299-4

北京：科学出版社，2021.3

（现代冶金与材料过程工程丛书）

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本书目录

《现代冶金与材料过程工程丛书》序

前言

第1章 概论 1

1.1 高氮不锈钢的定义 1

1.2 高氮不锈钢组织和性能特点 1

1.3 高氮不锈钢的发展历程 2

1.3.1 国外高氮不锈钢的发展历程 2

1.3.2 国内高氮不锈钢的发展历程 4

1.4 高氮不锈钢的未来发展方向 6

参考 献 9

第2章 高氮不锈钢制备的冶金学基础 16

2.1 氮在不锈钢中的溶解行为 16

2.1.1 氮的溶解热力学行为 16

2.1.2 氮的溶解动力学行为 37

2.1.3 氮在固相不锈钢体系中的溶解度 55

2.2 氮在凝固过程中的偏析行为 67

2.2.1 氮微观偏析的形成 69

2.2.2 氮微观偏析与氮气孔的关系 74

2.2.3 氮气孔形成的主要影响因素 81

2.2.4 压力对氮宏观偏析的影响 88

2.3 压力对凝固过程传热的影响 94

2.3.1 界面换热系数 94

2.3.2 界面气隙尺寸 105

2.4 压力对凝固热力学和动力学参数的影响 112

2.4.1 凝固相变 114

2.4.2 凝固模式 117

2.4.3 固/液相线 119

2.4.4 氮溶解度 120

2.4.5 元素分配系数 121

2.4.6 元素扩散系数 124

2.4.7 晶粒形核 125

2.4.8 密度和热膨胀系数 128

2.4.9 焓、凝固潜热以及比热 129

2.5 压力对凝固组织的影响 130

2.5.1 枝晶组织 130

2.5.2 疏松缩孔 140

2.5.3 凝固析出相 142

2.5.4 夹杂物分布 158

参考 献 166

第3章 高氮不锈钢制备技术 177

3.1 常压冶炼工艺 177

3.2 加压冶金制备技术 180

3.2.1 热等静压熔炼 180

3.2.2 加压感应炉熔炼 181

3.2.3 大熔池法 183

3.2.4 加压电渣重熔 185

3.2.5 加压钢包氮气吹洗法 192

3.2.6 加压等离子电弧熔炼 194

3.2.7 电弧渣重熔及加压电弧渣重熔 195

3.2.8 加压双联工艺 201

3.3 粉末冶金制备技术 224

3.3.1 高氮不锈钢粉末制备 224

3.3.2 高氮不锈钢粉末成型技术 226

参考 献 228

第4章 高氮不锈钢焊接技术 233

4.1 高氮不锈钢常规焊接技术 233

4.1.1 熔化极气体保护焊接 233

4.1.2 钨极气体保护焊接 237

4.1.3 电子束焊接 242

4.1.4 激光焊接 244

4.1.5 激光-电弧复合焊接 249

4.2 高氮不锈钢常规焊接技术存在的问题 256

4.2.1 焊缝中氮的损失 256

4.2.2 焊接裂纹 259

4.2.3 二次相析出和热影响区晶粒长大 262

4.3 高氮不锈钢特种焊接技术 263

4.3.1 高压氮气电弧焊接 263

4.3.2 搅拌摩擦焊接技术 265

参考 献 306

第5章 氮在不锈钢中的作用 310

5.1 氮在钢中的存在形式 310

5.1.1 固溶态氮 310

5.1.2 含氮析出相 315

5.2 氮对不锈钢组织的影响 317

5.2.1 氮对奥氏体不锈钢组织的影响 318

5.2.2 氮对马氏体不锈钢组织的影响 348

5.2.3 氮对铁素体钢组织的影响 362

5.3 氮对不锈钢力学性能的影响 369

5.3.1 氮对不锈钢强塑性的影响 369

5.3.2 氮对不锈钢冲击性能的影响 384

5.3.3 氮对不锈钢硬度和耐磨性能的影响 391

5.3.4 氮对不锈钢抗氢脆性能的影响 397

5.3.5 氮对不锈钢疲劳性能的影响 403

5.4 氮对不锈钢耐腐蚀性能的影响 406

5.4.1 氮对不锈钢耐点腐蚀性能的影响 406

5.4.2 氮对不锈钢耐缝隙腐蚀性能的影响 426

5.4.3 氮对不锈钢耐晶间腐蚀性能的影响 435

5.4.4 氮对不锈钢耐应力腐蚀性能的影响 445

5.4.5 氮对不锈钢耐空蚀性能的影响 450

5.4.6 氮对不锈钢耐磨蚀性能的影响 456

5.5 氮对不锈钢生物相容性的影响 458

5.5.1 氮对不锈钢组织相容性的影响 459

5.5.2 氮对不锈钢血液相容性的影响 464

参考 献 468

第6章 高氮不锈钢典型品种及应用领域 483

6.1 护环用高氮奥氏体不锈钢 483

6.1.1 P900 484

6.1.2 P900N 490

6.1.3 P900NMo 493

6.1.4 P2000 498

6.2 无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢 502

6.2.1 Datalloy 2 503

6.2.2 DNM140 506

6.2.3 15-15HS 508

6.2.4 P550和P580 510

6.3 高氮耐蚀塑料模具钢 512

6.3.1 M303 513

6.3.2 M333 517

6.3.3 M340 520

6.4 高氮不锈轴承钢 522

6.4.1 XD16N 523

6.4.2 XD15NW 526

6.4.3 Cronidur 30 529

6.5 医用高氮奥氏体不锈钢 537

6.5.1 P558 538

6.5.2 BioDur108 542

6.5.3 BIOSSN4 546

6.6 其他高氮不锈钢 549

6.6.1 海洋工程用高氮不锈钢 549

6.6.2 汽车发动机用高氮不锈钢 550

6.6.3 防弹装甲用高氮不锈钢 551

参考 献 551

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