0.3m低温高雷诺数连续式跨声速风洞是一座特种风洞，该风洞通过降低试验气体温度来增加雷诺数，用于精确研究边界层的转捩、分离、激波与边界层相互干扰等一些对雷诺数非常敏感的流动问题。该风洞同世界上运转的其他低温风洞一样，采用液氮气化吸热的方式来降低和保持试验气体的温度，因此风洞洞体和运动机构材料必须能够承受77K的低温。作为低温钢，除强度外最重要的指标就是其低温冲击韧性，要求其韧脆转变温度低于材料的最低使用温度，在使用温度条件下具有足够的韧性，有足够的防脆性开裂能力和抗裂纹扩展的止裂能力。
奥氏体不锈钢不存在韧脆转变温度，在低温下仍具有良好的冲击韧性，是低温工况下的理想材料，特别是在当前我国－℃以下没有标准钢种的情况下，奥氏体不锈钢在低温工程中获得了广泛的应用。Nitronic50是一种氮强化的Cr-Ni-Mn系奥氏体不锈钢，具有优良的耐腐蚀性能及高温和低温性能，其强度和耐腐蚀性能优于，L，L，L等不锈钢，又因其在高压氢环境中具有很好的塑形、韧性和焊接性而被广泛应用于核能、航空航天和石油化工等领域。但是，Nitronic50钢导热系数小，高温变形抗力较大，这给其热加工带来很大难度，特别是锻造时容易发生开裂。
由于Nitronic50不锈钢作为低温风洞运动机构
材料，因此需要对使用的每批Nitronic50不锈钢进行材料复检和－℃下的夏比(V型缺口)低温冲击试验。某批Nitronic50不锈钢在复检时发现其低温冲击吸收能量最低仅为8J，远小于钢铁研究总院冶炼的Nitronic50不锈钢参考样品(以下简称参考样品)的50J。笔者通过对该批次Nitronic50不锈钢进行检验和分析，并与参考样品进行对比，以查明其低温韧性差的原因，为Nitronic50不锈钢今后的采购与使用提供技术指导。
1理化检验
1．1化学成分分析
使用Labspark精密直读火花光谱仪分别对低温冲击韧性不合格的Nitronic50不锈钢(以下简称试验钢)和参考样品进行化学成分分析，结果见表1。结果表明，试验钢和参考样品的化学成分均符合美国专利对Nitronic50不锈钢成分的技术要求，其中试验钢铝含量达到0.2%(质量分数)，可能是由于在冶炼过程中使用了铝作为脱氧剂。
1．2金相分析
从试验钢和参考样品上取样，磨制、抛光和侵蚀后使用GX51金相显微镜进行观察。由图1和图2可见，试验钢中存在大量短棒状的非金属夹杂物，其尺寸大多在5～10μm，而参考样品中非金属夹杂物的数量与分布较为正常。众所周知，大尺寸夹杂物对钢的塑性，特别是钢的冲击韧性极为不利，这是导致试验钢经多次冷循环处理后冲击韧性显著降低的主要原因。
由图3和图4可见，试验钢和参考样品的显微组织均为典型的单相奥氏体，存在部分孪晶。但试验钢的晶粒尺寸明显偏大且存在混晶现象，粗大的奥氏体晶粒界面将成为微裂纹萌生和扩展的起源。相比较而言，参考样品的晶粒明显细小并且组织分布均匀，这也是其低温冲击韧性较好的一个重要原因。
1.3扫描电镜及能谱分析
为了进一步分析短棒状非金属夹杂物的具体形貌与成分分布，采用日立S-冷场发射扫描电子显微镜(SEM)及其附带的能谱仪(EDS)对试验钢中的非金属夹杂物进行分析。
图5给出了短棒状非金属夹杂物的SEM形貌和EDS分析结果，可见相比于表1中试验钢的化学成分分析结果，短棒状非金属夹杂物位置处的铝含量与氮含量显著提高，质量分数分别达到了53.96%与3.23%。因此，基本可以判定该短棒状非金属夹杂物主要为AlN夹杂物。
图6给出了短棒状非金属夹杂物以及周围基体组织的能谱面扫描结果，可见几乎所有短棒状非金属夹杂物位置处的铝元素都存在富集现象，而铁和铬元素相对基体组织而言有所缺失。此外，还发现了少量钼元素的偏析现象，这主要是由冶金不当导致的。金属中的非金属夹杂物可看作其中的锐角，并且AlN夹杂属于硬质脆性夹杂物，其在受力时不易变形，容易造成应力集中，继而在夹杂物附近产生微裂纹，导致其抵抗冲击能力变差，易发生断裂，即冲击吸收能量较低。
2分析与讨论
化学成分分析发现，该批次Nitronic50不锈钢中铝含量和磷含量相对标准成分而言偏高，特别是铝含量达到了0．2%(质量分数)，可能是由于在冶炼过程中使用了铝作为脱氧剂。
金相检验发现，该批次Nitronic50不锈钢的晶粒尺寸明显偏大且存在混晶现象，而参考Nitronic50不锈钢的晶粒明显细小并且组织分布均匀，这是前者冲击韧性较差而后者冲击韧性较好的一个重要原因。
非金属夹杂物检验发现，该批次Nitronic50不锈钢中存在大量短棒状的非金属夹杂物，其尺寸大多在5～10μm。这种大量且尺寸较大的短棒状非金属夹杂物是导致该钢经多次冷循环处理后冲击韧性显著降低的主要原因。
扫描电镜能谱及元素面扫描分析结果显示，该批次Nitronic50不锈钢中的短棒状非金属夹杂物主要为AlN夹杂物。
3结论及建议
该批低温风洞运动机构用Nitronic50不锈钢低温冲击吸收能量显著偏低主要是因为材料中存在大量短棒状的AlN脆性夹杂物，另外材料晶粒尺寸偏大且存在混晶现象也降低了其冲击韧性。
在Nitronic50不锈钢采购技术要求中需明确提出不得使用铝作为脱氧剂，锻造使用的钢锭头尾应有足够的切除量，以确保锻件无缩孔及过度偏析等缺陷。锻件主截面部分的锻造比不得小于3。应抽检锻件的平均晶粒度，其晶粒度不应低于7级。
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