氮气对316L不锈钢管力学性能的影响

316L不锈钢管中氮的作用除了替代贵金属中的部分镍外，主要是在不破坏钢的塑性和韧性的情况下，显着提高钢的强度。 316L不锈钢管的氮强化优势见如图。目前，氮强化作用主要包括强化间隙固溶、强化晶界、强化析出等。

可见，氮和碳在钢中主要以间隙原子的形式存在，但在不同的晶格中占据不同的位置。它在体心立方晶格中占据四面体间隙位置，在面心立方晶格中占据八面体间隙位置。由于316L不锈钢管的晶格结构为面心立方晶格，氮和碳主要存在于奥氏体的八面体间隙位置。

虽然氮原子的半径小于碳的半径，但氮能在316L不锈钢管网中引起更大的网络膨胀，增加抗位错运动的能力，增加强度。研究表明，在300系列不锈钢管中加入0.1%的氮可使奥氏体基体的畸变应力增加3.3倍，室温电阻增加约60MP100MP。另一方面，氮原子对位错也有很强的固定作用。这是由于氮原子和位错的高键合焓；此外，氮原子和位错之间也存在静电相互作用，因为位错核由于缺乏自由电子而带正电。有更多的电子并带负电。这会引起氮原子和位错之间的静电吸引力，从而增加强化效果。氮还能降低原子间电子交换的方向性，使电子在晶体结构中的分布更加均匀，更有利于加强氮的分散。此外，由于电子交换的方向性降低，在位错滑移过程中原子键没有减弱或破坏，因此与氮合金化后的316L不锈钢管仍具有较高的断裂韧性。

氮作为合金元素添加到316L不锈钢管中时，可以产生晶界强化。这是因为氮会降低钢中原子的堆垛破坏能，使钢中的位错滑移变平，有效防止位错离开滑移面，增加位错中晶粒极限的阻挡作用。

316L不锈钢管晶界处氮的强化作用随着含氮量的增加而增强，且温度越低，强化作用越明显。钢的机械性能与其热力学稳定性密切相关。在316L不锈钢管中加入氮气，可以提高钢的热力学稳定性，从而提高钢的力学性能。这与氮对316L不锈钢管的析出行为的改变，以及316L不锈钢管在高温时效过程中析出碳化物、金属间相等化合物有关。当钢中加入氮时，氮在碳化物中的不溶性使氮延迟钢中碳化物的形核，从而增加了析出时间。此外，氮还能错误地匹配碳化物和基体中的析出相，降低界面能量，进而达到细化析出相的目的。氮可以抑制金属间相的形成，因为氮可以增加铬和钼在钢中的溶解度。

氮气可以提高316L不锈钢管的耐磨性。这是因为钢中氮含量过高时，会析出氮化物，但这种析出会降低钢的塑性和耐蚀性。如今，通过离子注入改性技术获得的高氮表面层可以在不破坏塑性和耐腐蚀性的情况下提高其耐磨性。这可能是因为注入的氮原子装饰了位错或进入固溶体，产生了固溶体的增强作用，从而提高了钢的耐磨性。