高氮奧氏體不銹鋼強(qiáng)韌化及抗彈性能研究進(jìn)展
王宇1，彭翔飛1，李俊2，楊陽3，李國平2，劉燕林3
(1. 中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 山西 太原 030051；2. 太原鋼鐵(集團(tuán))有限公司先進(jìn)不銹鋼材料國家重點(diǎn)實(shí)驗室， 山西 太原 030003；3. 兵器科學(xué)研究院寧波分院， 浙江 寧波 315103)
摘要：高氮奧氏體不銹鋼(high nitrogen austenitic stainless steel，HNASS)是一種目前正在蓬勃發(fā)展的新型不銹鋼，被廣泛運(yùn)用到交通運(yùn)輸、海洋工程、建筑材料、醫(yī)療器材和軍事工業(yè)等領(lǐng)域。節(jié)鎳高氮的奧氏體不銹鋼相比于傳統(tǒng)奧氏體不銹鋼，其具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，如高強(qiáng)度、高韌性、大的蠕變抗力、良好的耐腐蝕性能。氮在HNASS中具有很好的固溶、細(xì)晶、形變和沉淀強(qiáng)化效應(yīng)，體現(xiàn)了氮在鋼中多方位作用，對于奧氏體不銹鋼強(qiáng)度的提升具有顯著的效果。在多種強(qiáng)化效應(yīng)中，氮的固溶強(qiáng)化產(chǎn)生了和細(xì)晶強(qiáng)化類似的效果，即在使用氮元素提高材料強(qiáng)度時，不降低其材料塑性。同時，在動態(tài)力學(xué)性能方面，HNASS的壓縮應(yīng)變速率在不斷增加的情況下，抗壓強(qiáng)度則先增大后減小，而應(yīng)變硬化指數(shù)則會相應(yīng)增加，使HNASS也具有優(yōu)異的吸能效果和沖擊硬化性能，尤其是動態(tài)沖擊硬化性能，其通過塑性區(qū)域增加來消耗更多的塑性變形能，使HNASS在抗彈裝甲防護(hù)領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。為了系統(tǒng)全面地分析HNASS的氮元素強(qiáng)化機(jī)理、動態(tài)防護(hù)性能研究現(xiàn)狀，從HNASS中氮元素的作用及其動態(tài)力學(xué)性能和侵徹板靶作用影響規(guī)律幾個方面，結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀系統(tǒng)綜述了氮強(qiáng)韌化機(jī)理和抗彈性能性能影響，并提出了HNASS在高效固氮工藝、氮含量梯度影響、多組元復(fù)合材料體系等3個方面的研究展望。
關(guān)鍵詞：高氮奧氏體不銹鋼(HNASS)；強(qiáng)化機(jī)理；組織結(jié)構(gòu)；動態(tài)力學(xué)性能；抗彈性能
文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：0449-749X（2022）01-0028-11
Research progress on strengthening mechanism and ballistic performance of high nitrogen austenitic stainless steels
WANG Yu1，PENG Xiang-fei1，LI Jun2，YANG Yang3，LI Guo-ping2，LIU Yan-lin3
(1. School of Material Science and Engineering， North University of China， Taiyuan 030051， Shanxi， China；2. State Key Laboratory of Advanced Stainless Steels， Taiyuan Iron and Steel (Group) Co.， Ltd.， Taiyuan 030003， Shanxi， China；3. Ningbo Branch， China Academy of Ordnance Sciences， Ningbo 315103， Zhejiang， China)
Abstract：High-nitrogen austenitic stainless steel (HNASS) is a novel material which is developing rapidly and used in transportation, marine engineering, building materials, medical equipment, military industry and other fields. Compared with traditional austenitic stainless steels, HNASS has excellent mechanical properties，such as good strength, toughness, high creep resistance and corrosion resistance. Nitrogen in HNASS has good effect on refining grain size, deformation, solution and precipitation strengthening, which reflects the multidirectional effects of nitrogen in steel, and has a significant effect on the strength improvement of austenitic stainless steel. Among the various strengthening effects, the solution strengthening of nitrogen produces a similar effect with the grain refining, that is, the plasticity of the material is not reduced when the nitrogen element is used to enhance the strength of the material. At the same time, in the aspect of dynamic mechanical properties, with the increasing of HNASS compression strain rate, the compressive strength increases first and then decrease, while the strain hardening index will increase. HNASS also has excellent impact energy absorption effect and hardening properties, especially the dynamic impact hardening properties, which obtained more plastic deformation through the plastic area. Therefore, HNASS has a broad application prospect in the field of anti-missile Armor protection. In order to systematically and comprehensively analyse the research status of nitrogen element on strengthening mechanism and dynamic protection performance of HNASS, the effect of nitrogen element in HNASS along with its dynamic mechanical properties and penetration plate target action were systematically reviewed in combination with the research status at home and abroad. The research prospects of HNASS in high efficiency nitrogen fixation process, effects of nitrogen content gradient and multi-component composite system were also proposed.
Key words：high nitrogen austenitic stainless steel(HNASS)；strengthening mechanism；microstructure；dynamic mechanical property；ballistic performance
傳統(tǒng)奧氏體不銹鋼中，鎳是其主要奧氏體化元素，使鋼具有良好的強(qiáng)度和韌塑性。但由于地殼貧鎳，決定了含鎳不銹鋼較高的成本。學(xué)者們通過氮加壓技術(shù)將氮元素加入不銹鋼中獲得了高氮奧氏體不銹鋼(high nitrogen austenitic stainless steel，簡稱HNASS)，發(fā)現(xiàn)氮具有比鎳更強(qiáng)的擴(kuò)大奧氏體區(qū)能力，而且固溶的氮可以同時提高奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度與韌塑性，抑制奧氏體不銹鋼中碳化物的析出。以氮替代鎳的這些優(yōu)勢促使人們將目光聚焦在高氮不銹鋼的研究上來。一般認(rèn)為，當(dāng)奧氏體不銹鋼中的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.4%時才被稱為高氮奧氏體不銹鋼，而對于鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼來說，氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般超過0.08%時才會被認(rèn)為是高氮鋼，但對于高氮鋼的標(biāo)準(zhǔn)化定義國際上并未有明確規(guī)定。在人們對HNASS的研究中發(fā)現(xiàn)，HNASS相比于傳統(tǒng)奧氏體不銹鋼具有更高的奧氏體相穩(wěn)定性、強(qiáng)度和耐蝕性等。目前，HNASS在航海、國防和醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
在HNASS中，氮元素與其他合金元素(錳、鉻、鉬、釩、鈮和鈦等)的協(xié)同作用，能改善鋼的強(qiáng)度、韌性、蠕變抗力、耐磨性和耐腐蝕性等多種性能。HNASS的韌塑性在能夠與普通奧氏體不銹鋼媲美情況下，其強(qiáng)度卻提高了2~4倍，其強(qiáng)度的提升與鋼中所含氮的作用是密不可分的。大量研究表明，氮在HNASS中具有很好的固溶、細(xì)晶、形變和沉淀強(qiáng)化效應(yīng)，體現(xiàn)了氮在鋼中多方位作用。HNASS本身具有良好的強(qiáng)度與韌塑性，在高應(yīng)變速率的沖擊下，也表現(xiàn)出了很好的動態(tài)力學(xué)性能和沖擊硬化效果，這讓HNASS成為防護(hù)領(lǐng)域的一種潛在材料。針對其防護(hù)性能，國內(nèi)外學(xué)者目前主要對動態(tài)拉伸、壓縮、剪切性能以及抗彈性能進(jìn)行了相關(guān)研究。
目前對HNASS氮元素強(qiáng)化機(jī)理研究比較零散，缺少相關(guān)的系統(tǒng)性總結(jié)歸納，尤其對于其動態(tài)防護(hù)性能的研究缺少總結(jié)綜述性的報道。因此，本文從氮在HNASS中的強(qiáng)化機(jī)理和防護(hù)性能兩個方面對HNASS開展綜述。
1 高氮奧氏體不銹鋼的氮強(qiáng)化機(jī)理
1.1 氮元素的固溶強(qiáng)化作用
通過研究合金元素對HNASS強(qiáng)度的影響發(fā)現(xiàn)，奧氏體穩(wěn)定化元素中的銅、鈷、錳和鎳等對屈服強(qiáng)度的提高幾乎沒有影響，甚至在鎳元素存在的情況下，還會存在不少負(fù)面影響。但同時也發(fā)現(xiàn)，鐵素體穩(wěn)定化元素中的鎢、鉬、釩、硅和鉻等對HNASS的屈服強(qiáng)度卻會產(chǎn)生一定的有利影響。通過各種合金元素對HNASS的屈服強(qiáng)度影響綜合比較中發(fā)現(xiàn)，奧氏體穩(wěn)定化元素氮、碳和鐵素體穩(wěn)定化元素硼對其強(qiáng)度的提高作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他元素。氮元素產(chǎn)生的顯著強(qiáng)化作用，主要是因為氮在奧氏體中的固溶，其FCC晶格的八面體間隙被氮原子所占據(jù)，從而引起較大的晶格畸變能，使強(qiáng)度得到大幅提升。
Speidel M O等認(rèn)為氮對高氮鋼的固溶強(qiáng)化作用與氮含量的1/2次方是呈正比關(guān)系的，見經(jīng)驗公式式(1)與式(2)。針對氮的固溶強(qiáng)化作用，學(xué)者們針對不同成分高氮鋼進(jìn)行了研究，成分見表1。王松濤為了分析氮元素在HNASS中影響，通過研究Balachandran和Speidel兩種不同的經(jīng)驗公式，研究了氮含量與HNASS的強(qiáng)度關(guān)系曲線，如圖1所示。發(fā)現(xiàn)實(shí)測值與經(jīng)驗公式結(jié)果數(shù)值相近，當(dāng)?shù)|(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.0%以上時，HNASS的屈服強(qiáng)度將會達(dá)到700 MPa以上，且氮對屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響基本相同。Zhou R等通過把HNASS進(jìn)行1 200 ℃高溫固溶處理后發(fā)現(xiàn)，隨著氮含量的增加，其硬度呈現(xiàn)出從180HV到320HV的上升現(xiàn)象。Hu L等通過研究氮化溫度對HNASS的影響，也發(fā)現(xiàn)了氮元素的固溶對提高材料強(qiáng)度有非常好的效果，使其強(qiáng)度從796提升到了1 000 MPa以上。在工程應(yīng)用中，氮元素的固溶強(qiáng)化效果是非常具有現(xiàn)實(shí)意義的，相比于其他強(qiáng)化機(jī)理在提高抗拉強(qiáng)度的同時會發(fā)生塑性變差、屈強(qiáng)比變高等不良現(xiàn)象，固溶強(qiáng)化則達(dá)到了和細(xì)晶強(qiáng)化類似的效果，即在使用氮元素提高材料強(qiáng)度時，不降低其材料塑性。
式中：Rp0.2為屈服強(qiáng)度；w(N)為氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Rm為抗拉強(qiáng)度。
1.2 氮元素的細(xì)晶強(qiáng)化作用
相比于普通碳合金奧氏體不銹鋼，氮化合金的細(xì)晶強(qiáng)化作用更容易也更明顯。這可以用熟悉的霍爾-佩奇方程來簡單描述，即細(xì)晶強(qiáng)化程度(霍爾-佩奇斜率)隨氮濃度呈比例增加。Simmons J W等發(fā)現(xiàn)，在含氮奧氏體不銹鋼中，當(dāng)晶粒度從100減小到10 μm時，其屈服強(qiáng)度則增加100 MPa以上。然而在常規(guī)奧氏體不銹鋼中，晶粒度的類似減小量會使鋼的強(qiáng)度增加值減少約50%。Kumar C S等通過研究超聲噴丸對HNASS(Fe-0.06C-18Cr-22Mn-0.10Ni-0.03Mo-0.65N)疲勞壽命的影響發(fā)現(xiàn)，噴丸可以將鋼的表面有效細(xì)晶化，從36 μm細(xì)化到納米級，使其疲勞強(qiáng)度提高約200 MPa。
目前對HNASS細(xì)晶強(qiáng)化應(yīng)用最多的工藝是軋制處理，其也是制備納米結(jié)構(gòu)材料相對廉價的一種工藝，但現(xiàn)階段軋制工藝仍然存在一定的控制問題。如熱軋工藝，雖然可提高生產(chǎn)效益，但性能提高有限和溫度難以控制問題不可避免。高氮鋼的強(qiáng)度本身就很高，大變形冷軋使材料快速變形提高抗拉強(qiáng)度的效果并不好，所以研究大變形冷軋HNASS的試驗相對較少。對于極限大變形冷軋而言，HNASS的細(xì)化機(jī)制還存在很多的問題，但使用此方法制備出來的納米結(jié)構(gòu)材料性能卻發(fā)生了巨大的改變。Lach E等通過使用初始晶粒尺寸為10 μm和屈服強(qiáng)度為1 000 MPa的P900高氮奧氏體鋼，在未變形加工情況下，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過88%冷拔后的屈服強(qiáng)度可高達(dá)3 000 MPa，之后再經(jīng)過500 ℃條件下進(jìn)行保溫10 min的時效處理，其晶粒尺寸減小到2 μm以下，發(fā)現(xiàn)其屈服強(qiáng)度又增加達(dá)到了3 380 MPa。Ikegami Y和Nemoto R通過對Fe-0.06C-20Cr-15Mn-4Ni-2Mo-0.64N鋼采用控軋控冷工藝，發(fā)現(xiàn)屈服強(qiáng)度隨著晶粒尺寸降低到10 μm以下，強(qiáng)度值可達(dá)到1 000 MPa以上，并且沖擊功也可達(dá)到62.5 J。這些特征為裝甲鋼的發(fā)展又添加了一個新的途徑。
1.3 氮元素的應(yīng)變硬化作用
就HNASS強(qiáng)化效果而言，對其進(jìn)行冷加工比熱處理強(qiáng)化作用更明顯，且其作用高于固溶強(qiáng)化。由于具有FCC結(jié)構(gòu)，HNASS中的位錯可能會有較高的相互交割作用，同時因為鋼中氮的影響，不僅大幅度降低了堆垛層錯能，而且還形成短程有序。這些因素將會導(dǎo)致加工硬化的增加，主要是因為平面位錯運(yùn)動得到了加強(qiáng)，使其在晶界處大量塞積，而塞積的位錯產(chǎn)生很大的背應(yīng)力。一般而言，高氮奧氏體鋼變形機(jī)制的轉(zhuǎn)變是與變形量相關(guān)的，變形量增加，變形機(jī)制也會相應(yīng)變化，即從低應(yīng)力下的平面滑移變?yōu)楦邞?yīng)力下的孿生。在較大應(yīng)變時，由于位錯的運(yùn)動被形變孿晶所障礙，這也就是極大地提高了HNASS應(yīng)變硬化率的主要原因。但是也有一部分報道卻說隨氮增加堆垛層錯能也會增加。目前，因為在奧氏體不銹鋼中很少有實(shí)際的堆垛層錯能作為氮成分的函數(shù)，所以幾乎沒有直接的試驗來支持這兩個結(jié)論。近年Masumura T等研究HNASS的加工機(jī)理發(fā)現(xiàn)，含氮或不含氮的奧氏體鋼的位錯密度增量是沒有差異的，提高鋼的抗變形能力的原因是高氮鋼中的橫向滑移被明顯限制，移動的位錯受到了平面位錯陣列的反應(yīng)力。
通過研究高氮鋼(Fe-(17~20)Cr-10Mn-5Ni)，徐明舟在不同應(yīng)變速率(dσ/dε)下的應(yīng)變硬化行為，發(fā)現(xiàn)在相同氮含量下，其屈服強(qiáng)度隨冷變形量的增大而增大；在相同變形量下，屈服強(qiáng)度隨氮含量的增大也會相應(yīng)增大，如圖2所示。徐國富通過研究HNASS(Fe-0.028C-19.25Cr-17.96Mn-0.033Mo-0.59N)在900 ℃下熱軋條件下的力學(xué)性能發(fā)現(xiàn)，熱軋后其屈服強(qiáng)度可達(dá)960 MPa以上，抗拉強(qiáng)度可達(dá)1 100 MPa以上。氮的加入抑制了奧氏體材料中α和形變誘發(fā)ε馬氏體(hcp)的形成。氮對奧氏體的穩(wěn)定性的影響強(qiáng)于碳和其他奧氏體穩(wěn)定化元素，在高的變形量下高氮鋼中也不會形成變形誘導(dǎo)馬氏體，即使在超低溫下也是如此。因為堆垛層錯能與fcc主結(jié)構(gòu)和hcp結(jié)構(gòu)之間的自由能差有關(guān)，恒定的或降低的堆垛層錯能與隨著氮含量的增加而抑制的γ→ε馬氏體轉(zhuǎn)變是相矛盾的。
Singh B B等對高氮鋼的塑性應(yīng)變與真應(yīng)力的對數(shù)曲線進(jìn)行了細(xì)致的分析，同時比較了高氮不銹鋼和軋制均質(zhì)裝甲鋼板的應(yīng)變硬化行為。發(fā)現(xiàn)高氮不銹鋼和軋制均質(zhì)裝甲鋼板均表現(xiàn)出雙斜率行為，但斜率在高氮不銹鋼鋼板中變化顯著。拉伸真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線中應(yīng)力與應(yīng)變之間的Hollomon關(guān)系式見式(3)。
式中：S為真實(shí)應(yīng)力；K為硬化系數(shù)，也稱強(qiáng)度系數(shù)，為真實(shí)應(yīng)變等于1.0時的真實(shí)應(yīng)力；e為真實(shí)應(yīng)變；n為應(yīng)變硬化指數(shù)。
計算結(jié)果表明,高氮不銹鋼的應(yīng)變硬化指數(shù)在較大應(yīng)變條件下高于軋制均質(zhì)鋼板；軋制均質(zhì)裝甲鋼在經(jīng)過高溫回火(650 ℃)后，其加工硬化率也會有一定的降低，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是鋼中含有較少的位錯和粗大的碳氮化物，同時由于位錯間相互產(chǎn)生的作用小，所以位錯可以很輕易就通過粗大的碳化物，如圖3所示。然而，碳氮化物的確切類型還需要進(jìn)一步的研究才能確定。
1.4 氮元素的沉淀析出作用
HNASS的析出相由于氮元素的參與變得較為復(fù)雜，且與普通奧氏體不銹鋼相比，兩種不同成分鋼的相析出機(jī)制存在很大的差異。在對鑄態(tài)HNASS試驗鋼凝固模式及不穩(wěn)定鐵素體相進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，鋼中碳和氮含量的差異，會使共析分解產(chǎn)物產(chǎn)生不同。Cr23C6相、σ相和Cr2N相，這3種析出相均與C/N質(zhì)量比有很大的關(guān)系，三者會隨著C/N質(zhì)量比的降低而依次析出，同時值得注意的是，在增加碳或氮含量后，Cr23C6相和Cr2N相會析出占比更大。其中在對Cr2N析出相研究發(fā)現(xiàn)，它的出現(xiàn)對降低蠕變速率有一定作用，且晶粒尺寸較小時，斷裂壽命會相應(yīng)提高。張澤寧等在對高氮低鎳奧氏體不銹鋼的析出相進(jìn)行了分析，從中發(fā)現(xiàn)在800 ℃時效處理時，材料析出相主要為σ相和Cr2N相，其時效后的硬度比時效前要高，且鋼的硬度會隨著時效處理溫度的升高而增大。
C/N的比值可以用來控制沉淀物的析出類型，例如C/N的比值較低(小于0.09)可控制沉淀物基本只有氮化物，而M23C6是C/N的比值為0.17時的主要析出物，其中表2中給出了析出物的特征分析。鋼板的塑性雖然會隨熱軋壓下量的增加而下降，但由于熱軋的作用，使材料的晶粒變小，同時材料的析出物也更多，最后導(dǎo)致材料的強(qiáng)度也因此有所增加。此外，在對熱軋壓下量較小時情況研究時發(fā)現(xiàn)，材料析出的蠕蟲狀物會使材料的塑性有所下降。研究還發(fā)現(xiàn)，如果再對已經(jīng)熱軋?zhí)幚淼?.65N-1.8Ni的高氮鋼進(jìn)行固溶處理，其強(qiáng)度和塑性依舊具有良好的配合。
2 高氮奧氏體不銹鋼的防護(hù)性能
現(xiàn)代武器裝備的防護(hù)性能優(yōu)異與否，直接關(guān)系到戰(zhàn)斗時人員的安全與裝備的穩(wěn)定。目前應(yīng)用較廣的防護(hù)材料主要有裝甲鋼、鋁合金、抗彈陶瓷、防彈纖維及其樹脂基復(fù)合材料等。在裝甲鋼中，軋制均質(zhì)裝甲鋼是研究最為廣泛的，高氮鋼系列裝甲鋼則相對較少。作為防護(hù)材料，其目的是抵抗彈丸、射流和破片等的侵徹?fù)p傷。但由于裝甲與侵徹體相互間作用的瞬時性，動態(tài)加載是其主要的受力狀態(tài)，所以動態(tài)力學(xué)性能是表征裝甲材料的主要力學(xué)性能參量。防護(hù)材料的動態(tài)性能和抗彈性能是表征材料防護(hù)性能的兩種不同表征方法，為了更好地綜述HNASS的防護(hù)性能，下文主要從動態(tài)性能與抗彈性能兩方面進(jìn)行了論述。
2.1 高氮奧氏體不銹鋼的動態(tài)力學(xué)性能
2.1.1 動態(tài)拉伸試驗下的力學(xué)性能
MIAO C等為了準(zhǔn)確地獲得高氮鋼的相關(guān)動態(tài)拉伸的力學(xué)性能，對高氮鋼進(jìn)行了單向動態(tài)拉伸試驗，如圖4所示。試樣在拉伸的過程中，在1 341到1 892 s-1高應(yīng)變速率范圍內(nèi)的屈服強(qiáng)度明顯高于低應(yīng)變速率的屈服強(qiáng)度，且與Fréchard S的研究結(jié)果相似。Fréchard S等研究了高氮鋼Uranus B66(Fe-0.02C-23.8Cr-3.7Mn-21.2Ni-5.5Mo-0.47N)在室溫下以各種應(yīng)變速率變形的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及室溫下應(yīng)力隨應(yīng)變速率的變化。發(fā)現(xiàn)對流變應(yīng)力水平而言，高應(yīng)變速率下比低應(yīng)變速率高出500 MPa以上。高氮鋼Uranus B66的應(yīng)變速率敏感性很強(qiáng)且在任意應(yīng)變率下的應(yīng)變硬化和延展性都表現(xiàn)很好。這主要是因為動態(tài)范圍與準(zhǔn)靜態(tài)范圍內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位是各自不同的變形機(jī)制。應(yīng)變速率的增加對于試樣各種性能的影響也有一定區(qū)別，高氮鋼的動態(tài)拉伸屈服強(qiáng)度增加趨勢相當(dāng)明顯，拉伸強(qiáng)度則呈現(xiàn)為先增大后趨于平緩，而且其應(yīng)變硬化指數(shù)表現(xiàn)為先增大后減小。屈服強(qiáng)度在動態(tài)拉伸狀態(tài)下產(chǎn)生的變化范圍比準(zhǔn)靜態(tài)拉伸大，這也表明應(yīng)變速率強(qiáng)化這一現(xiàn)象在單向拉伸應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生非常明顯。
2.1.2 動態(tài)壓縮試驗下的力學(xué)性能
彭霞鋒對高氮鋼在不同應(yīng)變率下進(jìn)行動態(tài)壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)空冷淬火條件下的高氮鋼的屈服強(qiáng)度應(yīng)變率效應(yīng)較弱，但應(yīng)變硬化的應(yīng)變率效應(yīng)卻很明顯，且其最高應(yīng)力超過了2 000 MPa。高氮鋼在不同應(yīng)變速率下動態(tài)壓縮的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5所示，在高氮鋼壓縮應(yīng)變速率不斷增加的情況下，抗壓強(qiáng)度則先增大后減小，而應(yīng)變硬化指數(shù)則會相應(yīng)增加?？梢钥闯龈叩搶π巫兯俾室彩窍喈?dāng)敏感的。
2.1.3 動態(tài)剪切試驗下的力學(xué)性能
陳小安等使用的經(jīng)過改進(jìn)后的霍普金森桿對高氮合金鋼的剪切性能進(jìn)行了測試，如圖6所示。研究發(fā)現(xiàn)，鋼的動態(tài)剛性剪切應(yīng)力與應(yīng)變速率有很大聯(lián)系，兩者會相伴變化。沖壓過程中的3個變形階段也可以在應(yīng)力-應(yīng)變曲線中看到。通過對高氮鋼的純剪切應(yīng)力變化曲線進(jìn)行分析，可以知道剪切斷裂的形成過程，從曲線可以看到，材料在最初處于彈性階段，之后在達(dá)到剪切屈服強(qiáng)度后，材料就進(jìn)入了剪切強(qiáng)化階段直到斷裂。從高氮鋼的動態(tài)剪切試驗結(jié)果上看，動剪切強(qiáng)度對應(yīng)變速率的敏感性在應(yīng)變速率為1 500~3 000 s-1的范圍內(nèi)表現(xiàn)的并不強(qiáng)，并且無論是工程應(yīng)力應(yīng)變曲線還是實(shí)際應(yīng)力應(yīng)變曲線，高氮鋼的純剪切屈服強(qiáng)度均在800 MPa以上。
2.2 高氮奧氏體不銹鋼的抗彈性能
目前高氮鋼由于其具有良好的強(qiáng)度和塑性組合、優(yōu)良的耐蝕性和韌性，是代替?zhèn)鹘y(tǒng)軋制裝甲鋼的潛在材料。HNASS比一般的馬氏體鋼具有更好的抗沖擊性能，能夠?qū)Σ煌瑥楏w進(jìn)行有效地防護(hù)。陳蓉和Singh B B等國內(nèi)外學(xué)者對高氮鋼與其他裝甲鋼的抗彈性能做了比較研究，發(fā)現(xiàn)高氮鋼對不同小型武器彈藥具有更好的彈道性能。下面根據(jù)幾個不同方面對其抗彈性能進(jìn)行分析。
2.2.1 防護(hù)系數(shù)
在高效優(yōu)質(zhì)裝甲鋼逐步替代傳統(tǒng)裝甲鋼的情況下，防護(hù)系數(shù)表征技術(shù)是目前一種有效的抗彈損傷評價手段，其參比尺寸是使用標(biāo)準(zhǔn)均質(zhì)裝甲鋼的抗侵徹?fù)p傷能力。在對于高氮鋼的穿甲與破甲防護(hù)研究中，陳巍等對高氮鋼(成分：0.14C-Mn-Cr-0.56 N)采用105底推式鎢合金模擬穿甲彈，采用100B模擬破甲彈來進(jìn)行了抗彈性能研究。利用式(4)對其抗彈參數(shù)中防護(hù)系數(shù)進(jìn)行了計算：高氮奧氏體鋼具有優(yōu)良的抗穿甲性能和抗破甲性能，防護(hù)系數(shù)依次達(dá)到1.23～1.40和1.28～1.39。在同一標(biāo)準(zhǔn)彈種測試下，高氮奧氏體鋼相較于傳統(tǒng)603裝甲鋼防護(hù)性能有明顯的提高，其具體比較數(shù)值由式(4)得出。
式中：N為防護(hù)系數(shù)；Tb為標(biāo)準(zhǔn)彈種射擊603裝甲鋼時的穿入深度；Tt為同一標(biāo)準(zhǔn)彈種射擊高氮裝甲鋼時的穿入深度。
2.2.2 沖擊硬化
高氮鋼的沖擊硬化能力直接影響著其抗彈性能的好壞。高氮鋼的穿甲彈坑和破甲彈坑的宏觀形貌分別如圖7和圖8所示，在抗穿、破甲彈沖擊過程中，鋼板的沖擊硬化現(xiàn)象均相當(dāng)明顯。如圖9和圖10所示，沖擊硬化范圍達(dá)5~20 mm，硬化效應(yīng)會隨著離彈坑越遠(yuǎn)表現(xiàn)得越弱。同時，靶材材料的組織、體積變形越大，越有利于提高靶板抗彈性能，這與靶板彈坑出現(xiàn)較大范圍的沖擊硬化是相一致的。Singh B B在對高氮鋼與軋制均質(zhì)裝甲鋼進(jìn)行抗彈性能研究對比試驗時也發(fā)現(xiàn)，如圖11所示，雖然高氮鋼的屈服強(qiáng)度低于軋制均質(zhì)裝甲鋼，但其動態(tài)流動應(yīng)力卻更高，應(yīng)變速率敏感性也更高，提高了絕熱剪切局部化阻力，較低的層錯能量限制了螺旋位錯的交叉滑移，增加了沖擊硬化性。張福成等也發(fā)現(xiàn)變形溫度和應(yīng)變速率的改變會對材料拉伸強(qiáng)度有很大影響，當(dāng)變形溫度的下降或應(yīng)變速率的增加時，材料的拉伸強(qiáng)度也會相應(yīng)增加。同時，在分析不同試驗條件下的伸長率和斷面收縮率有何變化后，發(fā)現(xiàn)基本都表現(xiàn)的一致。這說明強(qiáng)度提升的同時，塑性并未有太大的改變，并且這也將意味著該鋼在裝甲防護(hù)工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景將非常廣闊。
2.2.3 抗彈性能
含氮奧氏體鋼之所以能夠具有高抗彈性能，這主要與含氮奧氏體鋼具有良好沖擊硬化性能有關(guān)。并且含氮奧氏體鋼的塑性變形區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于馬氏體不銹鋼，在變形抗力和變形體積方面，高氮鋼都增加塑性變形能使之能夠有效地將彈丸的動能消耗掉。同時，由于含氮奧氏體鋼未發(fā)生低能的沖塞破壞，這也是提高其抗彈性能的原因之一。在高氮鋼塑性擴(kuò)孔過程中，高氮奧氏體裝甲鋼對于彈丸能量的消耗也是相當(dāng)優(yōu)異。彈丸侵入靶板的深度會隨著彈丸沖擊速度提高和彈丸頭部的變窄而加深。在侵徹后期，彈丸的速度越高，那么彈丸沖擊靶板的形式越是以擠壓進(jìn)行，直到彈丸侵入到一定深度后停止。對于彈丸尾部而言，由于彈丸的頭部造成的坑區(qū)小，這也就使彈丸無法繼續(xù)穿過靶板。彈坑周邊組織變化，主要以研究晶粒尺寸形態(tài)的變化為主，含氮奧氏體鋼的塑性變形區(qū)明顯大于馬氏體，大量學(xué)者也均認(rèn)為，含氮奧氏體鋼所表現(xiàn)出的抗侵徹能力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于屬于同一強(qiáng)度級別的低合金鋼的。
總而言之，含氮奧氏體鋼的抗彈性能的提高主要通過沖擊硬化，使得動態(tài)強(qiáng)度明顯提高，以及通過塑性區(qū)域增加來消耗更多的塑性變形能。高氮鋼的動態(tài)流變應(yīng)力、能量吸收體積和絕熱剪切阻力局部化也都是相當(dāng)優(yōu)異的，這可能也就是高氮鋼相比于軋制均質(zhì)裝甲鋼板，其抗彈性能更好的另一部分原因。
3 結(jié)語
HNASS優(yōu)異的綜合性能，在材料領(lǐng)域的應(yīng)用前景相當(dāng)廣闊。在HNASS的強(qiáng)化機(jī)理中氮元素在其中的扮演者相當(dāng)重要的角色，用氮元素提高材料的強(qiáng)度時，依舊保證了不降低其材料的塑性。同時HNASS的動態(tài)力學(xué)性能也相當(dāng)優(yōu)異，尤其是動態(tài)沖擊硬化性能。在彈體侵徹時，著彈處會產(chǎn)生較強(qiáng)沖擊硬化，材料的抗彈性能明顯提高。并且由于塑性變形區(qū)域遠(yuǎn)大于馬氏體鋼，這樣在變形抗力和變形體積方面都增加塑性變形能，有效消耗了彈丸的動能，這是含氮奧氏體具有高抗彈性能的重要原因之一。
為了在深入研究HNASS的基礎(chǔ)上加以推廣應(yīng)用，可以在以下幾個方面開展深入的研究工作：
(1)HNASS因其十分優(yōu)異的抗彈性能在國防軍工領(lǐng)域很有應(yīng)用價值，可以深入對冶金高效固氮工藝進(jìn)行研究。
(2)氮含量梯度對HNASS強(qiáng)化的影響研究還不夠深入，后期學(xué)者可以針對此角度進(jìn)行更系統(tǒng)的研究。
(3)HNASS具有優(yōu)良的綜合性能，可以深入研究其與不同金屬、陶瓷和非金屬材料的組合而成的復(fù)合材料系統(tǒng)。
