فولاد زنگ نزن آستنیتی (Austenitic Stainless Steel) اساسا آلیاژهای سه‌تایی Fe-Cr-Ni با 20-16% کروم و 20-7% نیکل می‌باشد. از آنجا که ساختار این فولادها در تمام دماهایعملیات حرارتی، آستنیت (آهن γ) باقی می‌ماند، به آن‌ها فولادهای زنگ نزن آستنیتی گویند. می‌توان مقداری از نیکل این آلیاژها را با منگنز جایگزین کرد در حالی که ساختار آن‌ها آستنیت باقی خواهد ماند.

در این گروه آلیاژهای CH-20 ،CK-20 ،CN-7M وجود دارد. دو آلیاژ CH-20 ، CK-20 دارای کروم و نیکل بالاتر بوده، ترکیبی تمام آستنیتی دارند و میزان کروم آنها از نیکل بیشتر است. این آلیاژها نسبت به آلیاژ CF-8 مقاومت بیشتری در برابر اسید سولفوریک داشته و دارای استحکام بهتری در دماهای بالا هستند. کاربرد اختصاصی آنها در صنایع شیمیایی و در مجاورت محلول های خمیر کاغد و اسید نیتریک است. برای انتقال اسید سولفوریک داغ با غلظت های مختلف، آلیاژ CN-7M با نیکل زیاد که حاوی مولیبدن و مس بوده وسیعا به کار می رود و نیز در برابر اسید هیدروکلریک رقیق و محلول های کلریدی داغ به خوبی مقاوم است. این آلیاژ در کارخانجات نورد فولاد در مجاورت مواد تمیز کننده از محلول های هیدروفلوریک نیتریک بکار می رود. همچنین در بسیاری موارد که آلیاژهای گروه CF با کروم بالا مناسب نیستند، این آلیاژ کاربرد خوبی دارد.

آلیاژ  CH-20 با ترکیب 25%Cr-12%Ni حداکثر 0.2% کربن دارد. ریزساختار ریختگی آن،آستنیت با مقدار کمی فریت حاوی کاربید می باشد. با عملیات حرارتی قابل سخت کاری نبوده و در مجاورت اسید سولفوریک رقیق با دمای بالا، کاربرد بیشتری دارد.

آلیاژ CK-20 با ترکیب 25%Cr-20%Ni حاوی حداکثر 0.2% کربن است. با اینکه ترکیب آن به CH-20 نزدیک می باشد ولی درصد نیکل بالاتر آن، مقاومت به خوردگی بیشتری در دماهای بالا به آن می دهد. ریزساختار قطعه ریختگی آن، آستنیت با رسوب پراکنده کاربید در زمینه است و با عملیات حرارتی قابل سخت کاری نمی باشد.

آلیاژ CN-7M با ترکیب 29%Ni-20%Cr حاوی مقادیر مس و مولیبدن و حداکثر 0.07% کربن است. تماما آستنیتی بوده و سختی آن با عملیات حرارتی افزایش نمی یابد. این آلیاژ کاربرد وسیعی در شرایط سخت خورنده در مجاورت موادی چون اسید سولفوریک، اسید نیتریک، اسید هیدروکلریک رقیق، سود سوزآور، آب دریا و محلول های گرم نمک دار دارد.

ترکیب شیمیایی و کاربرد بعضی فولادهای زنگ نزن آستنیتی در جدول زیر آمده است.

حدود 65-70% فولادهای زنگ نزن تولیدی ایالات متحده امریکا را فولادهای زنگ نزن آستنیتی تشکیل می‌دهند. این فولادها به علت مقاومت به‌ خوردگی و شکل‌ پذیری مطلوب در این موقعیت قرار دارند، و از این رو برای بیشتر کاربردهای مهندسی خواص خوب و مطلوبی دارند. فولادهای زنگ نزن نوع 304 و 302 بیشترین کاربرد را هم در دماهای بالا و هم در دماهای پایین دارند. نوع 316، که 2.5%Mo دارد، مقاومت به ‌خوردگی بهتر و استحکام بیشتری در دماهای بالا دارد. آلیاژهایی با مقدار بیشتر کروم (23-25%) مثل نوع 309 و 310 ترجیحا در دماهای بالا به‌کار می‌روند.

فولادهای زنگ نزن آستنیتی بعد از تابکاری در دماهای بالا به علت داشتن مقدار زیاد نیکل (پایدارکننده آستنیت) در دمای محیط نیز دارای ساختار آستنیت، FCC، می‌باشند. علاوه بر این، منگنز، کربن و نیتروژن نیز به پایداری ساختار آستنیت کمک می‌کنند. افزایش نیکل به آلیاژهای آهن - کروم منطقه آستنیت پایدار را وسیع‌تر می‌کند و دمای M_s را کاهش می‌دهد. در فولاد زنگ نزن 18%Cr-8%Ni پس از سرد کردن از دمای تابکاری (مثلا 1050 درجه سانتی گراد) در دمای محیط ساختار آستنیتی به‌دست می‌آید. اما، در بعضی فولاهای زنگ نزن Fe-Cr-Ni (مثلا نوع 301) به علت کم بودن مقدار کروم و نیکل (نسبت به فولاد فوق الذکر)، آستنیت از نظر ترمودینامیکی در دمای اتاق ناپایدار است. اگر آلیاژی از این نوع در دمای اتاق یا کمی کمتر از آن تغییر شکل مومسان دهد، مقداری از آستنیت به مارتنزیت تغییر می‌یابد.

بیشتر فولادهای زنگ نزن متداول، مقدار چشمگیری کربن دارند. مثلاً در نوع 302 حدود 0.1%C و در نوع 304 حدود 0.6%C وجود دارد. از آنجا که حلالیت کربن در فولادهای زنگ نزن آستنیتی، مثل آلیاژ 18%Cr-8%Ni ، با کاهش دما سریعا کاهش می‌یابد اگر این آلیاژها آهسته سرد شوند کاربیدهای کروم رسوب می‌کنند (شکل زیر). مثلا اگر آلیاژ 304 (19%Cr-9%Ni) از دمای1050 درجه سانتی گراد تا دمای محیط به آهستگی سرد شود، کاربیدهای کروم در گستره 850-400 درجه سانتی گراد در مرزدانه‌ها رسوب می‌کنند.

به هنگام سرد کردن آرام از گستره دمایی بحرانی یعنی 850-400 درجه سانتی گراد، تعداد ناکافی از اتم‌های کروم از زمینه دانه نفوذ می‌کند، تا جایگزین اتم‌هایی شود که به وسیله کاربیدهای کروم از مرزدانه‌ ها خارج شده‌اند. در نتیجه، میزان کروم در مناطق نزدیک به مرزدانه‌ ها کمتر از میزان بحرانی لازم، 12%، برای مقاومت به‌ خوردگی است، و از این رو آلیاژ مستعد خوردگی بین‌ دانه‌ ای است. بنابراین، تابکاری این نوع فولادها باید در دمای زیاد انجام شود تا کاربیدهای کروم وارد محلول جامد شوند اما دما نباید به اندازه‌ای زیاد باشد که دانه‌ها خیلی رشد کنند. بیشترفولادهای زنگ نزن در گستره 1050 تا 1120 درجه سانتی گراد تابکاری می‌شوند. بعد از تابکاری در دمای بالا، برای جلوگیری از رسوب کردن کاربیدهای کروم، فولادها باید سریعا سرد شوند.

ریزساختار فولاد زنگ نزن آستنیتی نوع 304 پس از تابکاری در دمای 1050 درجه سانتی گراد و سرد کردن در هوا در شکل الف آمده است. شکل ب تصویری از ورق نازک این آلیاژ را پس از 2 ساعت تابکاری در دمای 1060 درجه سانتی گراد و آبدهی در آب نشان می‌دهد. در این تصویر که با میکروسکوپ الکترونی عبوری گرفته شده است، در مرزدانه‌ها کاربید دیده نمی‌شود. اما، اگر این فولاد مجددا به مدت 2 ساعت در 600 درجه سانتی گراد گرم شود، که در گستره بحرانی رسوب‌دهی است، رسوب‌های کاربیدی که تقریبا پیوسته‌ اند در مرزدانه‌ها دیده می‌شوند (شکلج).

الف	ب	ج

همیشه امکان سریع سرد کردن آلیاژی مثل فولاد زنگ نزن 304 پس از تابکاری در دماهای بالا وجود ندارد، و این کار می‌تواند مشکلاتی ناشی از خوردگی ایجاد کند. مثلا؛ جوشکاری فولادهای زنگ نزن در محل کار که به آهستگی سرد می‌شود بدین معنی است که عملیات حرارتی بعدی برای حل شدن مجدد کاربید کروم امکان‌پذیر نیست. برای جلوگیری از رسوب مرزدانه‌ای که بر اثر آهسته سرد کردن به‌ وجود می‌آید، تغییراتی در ترکیب شیمیایی صورت گرفته است که در آن کربن با سایر عناصر ترکیب می‌شود.

در آلیاژ 321، تیتانیوم به میزان پنج برابر کربن به آلیاژ اضافه می‌شود. با گرما دادن این آلیاژ در 870 درجه سانتی گراد و به مدت زمان کافی، تیتانیم با کربن ترکیب می‌شود و کاربید تیتانیم (TiC) تشکیل می‌دهد. از آنجا که وقتی عملیات حرارتی با آهسته سرد کردن از گستره دماهای بحرانی همراه باشد از رسوب کردن کاربید کروم جلوگیری می‌شود به آن عملیات پایدارسازی گویند.

روش دیگری پایدار کردن فولاد زنگ نزن 8-18 اضافه کردن کلومبیوم (نیوبیوم) است که در آن به جای کاربیدهای کروم کاربیدهای کلومبیم (CbC) تشکیل می‌شود. در آلیاژ 347، به فولاد زنگ نزن 8-18 ده برابر مقدار کربن آن کلومبیم اضافه شده است. این آلیاژ برای ترکیب شدن کربن با کلومبیم باید در دمای 870 درجه سانتی گراد پایدار شود.

روش دیگر برای جلوگیری از رسوب کاربید کروم در مرزدانه‌های فولادهای زنگ نزن آستنیتی این است که مقدار کربن به اندازه کافی کاهش یابد. در آلیاژهای 304L و 316L حداکثر 0.03%Cمجاز است. برای کار در دماهای کمتر از 425 درجه سانتی گراد، این آلیاژها معمولا بر آلیاژهای دارای کاربیدهای تیتانیوم و کلومبیوم (نیوبیوم) ارجحیت دارند. کاربرد و هزینه است که مشخص می‌کند کدام آلیاژ برای جلوگیری از خوردگی بین‌دانه‌ای انتخاب شود.