高氮钢和含氮奥氏体不锈钢是工程材料的一个重要分支，在铁素体不锈钢中氮含量超过w_C0.08%,奥氏体不锈钢中加入的氮含量超过w_N­0.4%,就称这类钢为高氮不锈钢。高氮奥氏体不锈钢主要是利用氮元素部分甚至完全代替合金元素镍以获得单相奥氏体组织。利用氮进行合金化具有很多优点：与碳相比，氮是更加有效的固溶强化元素，同时又可以促进晶粒细化；氮是强烈的奥氏体形成化元素，可以减少合金中的镍含量，降低铁素体和形变马氏体形成能力；尽管氮对材料在酸中抗总体腐蚀性能没有明显改善，但可以极大地提高材料抗点蚀和缝隙腐蚀能力。而冶炼技术的进步，已能够生产含氮量高达w_N1%的高氮钢，且可以进行商业化生产。氮化物和碳化物时钢中一种重要的显微组织构成，对高氮奥氏体不锈钢而言，高的氮含量必然影响氮化物的析出行为以及材料的组织和性能。
（1）氮化物的等温析出动力学 氮化物析出是一个形核与长大过程，这一过程的驱动力在于沉淀前后体积自由能差；另一方面，Cr₂N析出又受Cr和N原子的扩散所控制，N是间隙原子，扩散速度快，Cr是置换原子，扩散速度较慢，两者的差异使氮化物析出过程呈现一定的特殊性。高氮奥氏体不锈钢中寻在两种较为常见的氮化物形式：Cr₂N(六方晶体)和CrN（立方晶体）。随着等温时间的延长，会析出其他的中间相，如χ和η（图1-46）。与Cr₂N相比，两者析出量少，对材料性能影响也不大。但值得注意的是，随着Cr₂N析出的进行，紧邻氮化物的基体中会形成σ相。曾在18Cr18Mn2Mo0.9N的等温时效过程中观察到这一脆性相，并且发现与不连续沉淀的氮化物相邻的γ基体中生成了σ相，这种相对材料的韧性和抗腐蚀性构成不利影响。关于高氮奥氏体不锈钢中σ相的形成机制，认为是源于氮化物析出后附近基体中氮贫化区的形成，在基体中直接形成σ相；最近的研究结果也证实了σ相的形成机制，即贫氮区导致σ相的形成。


就氮化物而言，高氮奥氏体不锈钢也存在一个敏化温度区间（600～1075℃）。在该温度区间氮化物析出敏感性较强，并伴有第二相析出，因此，该钢在热加工及使用中应避开这一敏化温度区间，或者进行高温固溶处理以消除氮化物。
（2）氮化物的析出过程 高氮奥氏体不锈钢中氮的过饱和及分解类似于珠光体的形成过程，典型形态如图1-47所示。分解过程可用下式描述：
γ→γ^′+Cr(M)₂N
式中γ——氮过饱和奥氏体；
γ^′——析出奥氏体；
M——其他合金元素。
这个分解（转变）过程受下列因素的影响：γ相被N的过饱和度，γ与γ^′之间的N浓度梯度，Cr（M）₂N析出相与基体间的错配应变以及析出相与临近基体间的位向关系。氮化物的析出导致强度、塑性和韧性的下降。


氮化物的析出速度主要受Cr的扩散速度所控制，与N相比，Cr的扩散速度极低，在800℃时N的扩散速度比Cr的扩散速度高5个数量级。因此，氮化物的析出速度随时间的延长而放慢，如图1-48所示。


（3）氮化物析出的影响因素
1）温度的影响。对成分一定的高氮奥氏体不锈钢，氮化物析出存在一个敏感温度区间，在这个温度区间，温度过高，氮过饱和度变小，析出反应驱动能小；温度太低，合金元素的扩散速率降低。这两种影响因素竞争的结果便会产生一个沉淀动力学最快的温度，即“鼻尖”温度，在该温度时，氮化物析出所需的孕育期最短，从图1-46所知，这个鼻尖温度约为950℃。
2）合金元素的影响。合金元素对高氮奥氏体不锈钢的氮化物等温析出行为的影响，在所有元素中，氮的元素最强，氮含量不仅影响氮化物析出的“c”曲线位置，也影响析出反应速度。在等温时间相同的情况下，氮含量越高，析出相体积分数越高。氮的影响最强烈，一方面由于氮是氮化物形成元素；另一方面，氮间隙固溶在奥氏体基体中，扩散速度较快。氮化物析出方式也与基体中氮含量有关，含氮量较高时，Cr₂N由晶间析出转变到晶粒内的胞状析出；含氮量较低时，Cr₂N不会沿晶析出。Ni会促进氮化物析出。
3）材料的原始状态。一般情况下，高氮奥氏体不锈钢有固溶和轧制两种使用状态，材料原始形态不同，氮化物析出行为也不相同。冷轧后经过退火处理的氮化物形核孕育期推迟了5s，且冷轧次数越多，敏感温度区间就越窄，认为与退火孪晶形成有关。冷变形加速晶间氮化物析出，诱导晶内氮化物析出，延迟胞状氮化物析出（图1-49）。冷轧变形后，材料中产生大量缺陷，晶界缺陷组织（主要是凸缘）以及加快原子扩散的位错通道都降低了形核热力学壁垒；周期性缺陷组织（主要是变形孪晶和密集滑移带）有助于氮化物的晶内析出；晶内析出降低了氮化物生长的化学驱动力，抑制了胞状氮化物析出。退火态合金则不利于氮化物的晶内析出。对冷作态合金，随着时效温度的提高，形变孪晶会彻底消失，在很多地方形成了亚晶界。


（4）高氮奥氏体不锈钢的焊接中氮化物析出在热影响区中存在两种形态的氮化铬，它们的出现均会损害钢的抗蚀性，因为氮化铬周围的贫铬区是点蚀的重要来源。氮化铬有六方结构的Cr₂N和面心立方结构的CrN。Cr₂N在HAZ中出现，其典型形貌如图1-47a所示，Cr₂在δ基体中的某些晶面上以棒状析出。Cr₂N与δ铁素体的取向关系为//[012]_δ-Fe。
面心立方CrN在电镜下观察时衬度很低，且衍射斑与奥氏体极为相近，固CrN很容易被误认为γ而被人忽略。CrN与奥氏体中的取向关系为[011]_CrN//[011]_γ。在δ基体中有CrN析出，但其尺寸均小于2μm。因此，在HAZ中虽然存在氮化铬，但尚属早期析出，对材料的性能不会产生严重的影响。
（5）π相。π相是在600℃下经数小时退火方可在HAZ中出现的氮化物，π相有较低的衬度而易被忽略，但其衍射谱与δ和γ相差很远，较易识别。π相在HAZ的600℃以下温度区冷却速度较慢时出现，但引起475℃脆性的转变并没有发生，在钢中也未观察到任何形式的碳化物。
高氮奥氏体不锈钢钢的焊接中，可能会析出氮化物，从而削弱材料的加工性能、力学性能和抗腐蚀性能。与热轧不同，高氮奥氏体不锈钢的焊接件一般难以通过焊后热处理来消除焊接时形成的组织缺陷，如氮化物。因此，为了研究高氮奥氏体不锈钢的焊接性，必须了解19Cr5Mn0.7N和21Cr25Mo0.9N的TTP曲线表明，在鼻尖温度，氮化物开始析出的孕育期为10s。因此在传统的弧焊热循环作用下，不会发生氮化物析出。但是焊接线能量会影响焊接热影响的氮化物析出，这与母材的合金系统以及焊接工艺参数有关。一方面氮化物的析出降低了接头性能；另一方面，氮化物的析出降低了基体中固溶的氮含量，使奥氏体的稳定性变差。HAZ的氮化物析出行为，由母材的合金系统决定。在焊接Cr-Ni-Mo-N系高氮奥氏体不锈钢时，氮化物形成倾向远远高于Cr-Mo-N系合金，这与合金成分的差异导致了单相奥氏体组织不稳定的温度区间不同有关。在含氮量相同的条件下，前者明显要比后者窄得多，如图1-50所示。而且母材的氮含量越高，氮化物的析出倾向越强烈。除了熔化焊，压力焊也用于高氮奥氏体不锈钢的连接加工，但摩擦焊试验发现，接头由于经历了热作用，在连接线附近的晶粒晶界上发现了Cr₂N和CrN氮化物析出相，接头的硬度和抗拉强度都有不同程度的降低，这是因为氮化物的析出，降低了基体中的固溶氮含量，也降低了接头的性能。