對于鈉冷快堆（SFR）的高溫結構零件來說，含0.02～0.03wt%的碳和0.06～0.08wt%氮的316L不銹鋼被稱為316L（N）不銹鋼，是最佳材料之一。碳含量保持在較低水平，使鋼在焊接構件對焊接熱影響區(qū)（HAZ）敏化的敏感性最小，從而減輕在腐蝕性環(huán)境下焊接熱影響區(qū)中的應力腐蝕開裂的可能。與316不銹鋼比較，用0.06～0.08wt％的氮合金化有助于提高316L不銹鋼的高溫強度。為了提高鈉冷快堆的經濟競爭力，強烈希望提高設計壽命，從目前的40年提高到未來設計至少為60年。作為努力發(fā)展適用于很長的設計壽命的結構材料的一部分，科研人員廣泛研究了氮濃度高于0.08wt％對316L不銹鋼的高溫力學性能的影響。
生產了四爐氮含量分別為0.07、0.11、0.14和0.22wt.%的316L不銹鋼（以下稱為316LN不銹鋼）來研究氮對316LN不銹鋼拉伸性能、蠕變性能、低周疲勞性能和蠕變-疲勞交互作用的影響。在專門的特殊鋼公司通過二次重熔工藝生產4爐316LN不銹鋼。用感應敞熔法對這些鋼進行一次熔煉。為了達到良好的和始終可控的化學成分，爐料由純的原材料組成。一次熔煉期間，使用氮化的鉻鐵獲得每爐所要求的氮量。這些鋼的碳含量保持在0.03wt.%，其他主、次要元素的成分控制在相同的水平。四爐鋼的化學成分見表1。為了使所生產的鋼含有非常低的夾雜物，用電渣重熔（ESR）工藝進行二次重熔。ESR錠熱鍛成板坯，接著熱軋成厚度為22mm的板，最后在1323K以上進行固溶退火處理。
表1 316LN不銹鋼的化學成分（wt.%）
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|
元素 |
晶粒 尺寸 μm |
維氏硬度HV |
|||||||||
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N |
C |
Mn |
Cr |
Mo |
Ni |
Si |
S |
P |
Fe |
|||
|
標準 |
0.06-0.22 |
0.02-0.03 |
1.6-2.0 |
17-18 |
2.30-2.50 |
12.0-12.5 |
≤0.50 |
≤0.01 |
≤0.03 |
余量 |
＜180 |
|
|
7N |
0.07 |
0.027 |
1.70 |
17.53 |
2.49 |
12.2 |
0.22 |
0.0055 |
0.013 |
余量 |
87±9 |
155 |
|
11N |
0.11 |
0.033 |
1.78 |
17.62 |
2.51 |
12.27 |
0.21 |
0.0055 |
0.015 |
余量 |
96±8 |
160 |
|
14N |
0.14 |
0.025 |
1.74 |
17.57 |
2.53 |
12.15 |
0.20 |
0.0041 |
0.017 |
余量 |
78±8 |
166 |
|
22N |
0.22 |
0.028 |
1.70 |
17.57 |
2.54 |
12.36 |
0.20 |
0.0055 |
0.018 |
余量 |
87±11 |
192 |
研究了140、175、200和225MPa應力下，923K時含氮316LN不銹鋼的蠕變行為。發(fā)現(xiàn)在所有應力水平時氮對蠕變性能有利。隨著氮含量的增加，蠕變斷裂強度顯著增加；氮從0.07wt.%增加到0.22wt.%，破斷壽命幾乎增加10倍。隨著氮含量的增加，所有三個階段所花費的時間增加，從而引起破斷壽命的總體增長。隨著氮含量的降低穩(wěn)態(tài)蠕變速率顯示下降。隨著氮含量的增加，晶間和表面裂紋的數(shù)量降低。固溶強化、增加楊氏模數(shù)、降低堆垛層錯能以及碳氮化物析出物的基體析出強化有助于蠕變強度隨氮含量的增加而增加。（心遠）
