縱觀國內外學者在高氮無鎳不銹鋼研究領域的相關成果，研究重點主要集中在材料制備與組織表征、力學性能與防蝕性以及生物相容性和生物力學行為等方面。高氮無鎳不銹鋼作為一種新型合金材料，因優異耐腐蝕性和力學性能，在工業應用中展現出巨大潛力，尤其是在耐腐蝕環境下使用，已經引起越來越多的關注。據不完全統計，僅國內發表的有關高氮無鎳不銹鋼研究成果的文章已超過70篇，包括期刊、會議、學位論文及授權發明專利等內容。其中，國內代表性研究團隊主要有中國科學院金屬研究所任伊賓/楊柯課題組、重慶大學王貴學課題組、華南理工大學李烈軍課題組、暨南大學袁軍平課題組等。此外，國際上也有不少團隊在這一領域取得重要進展，如日本Makoto Sasaki團隊、美國Simona Radice團隊。這些研究人員通過不同實驗方法與理論分析，深入探討高氮無鎳不銹鋼結構與性能之間的關系，推動該領域技術發展。綜上所述，這些研究為高氮無鎳不銹鋼優化設計、性能提升以及實際應用奠定了堅實的理論基礎和技術支持。具體的研究成果和數據總結如表1所示。

高氮無鎳不銹鋼通常具有較高氮含量（≥0.3%，質量分數），并可能添加錳（Mn）等元素以提高氮的固溶度。與常見含鎳不銹鋼（如304或316不銹鋼）相比，這種高氮含量使鋼材能夠穩定奧氏體組織，從而獲得優異性能。高氮鋼生產的關鍵在于提高鋼中氮的溶解度，防止氮元素在冷凝過程中逸出，確保氮元素在鋼中的均勻分布。國內外高氮鋼制備工藝主要為：高壓熔煉鑄造法、粉末冶金法、注射成型和溫壓成型等。

注射成型工藝多用于制造高氮不銹鋼小型塊體零件。倪釋凌等借助金屬注射成型工藝在燒結階段使高氮不銹鋼與氮氣充分接觸，縮短了氮擴散距離和滲氮時間，使燒結件里的氮元素分布更為均勻。以成本低廉的無鎳CrMn雙相不銹鋼粉末為原料，通過滲氮燒結和金屬注射成型，制備出Fe-Cr17-Mn11.5-Mo3.5-Si0.8-N0.4（質量分數）高氮無鎳奧氏體不銹鋼塊體，但有關孔洞產生的內在原因有待進一步研究。

羥基磷灰石是促進骨生成與骨整合最有效的生物活性材料。Sasaki等先利用加壓電渣重熔制備Fe-23Cr-1Mo-1N（質量分數）高氮無鎳不銹鋼鑄塊，后采用化學溶液沉積法在不銹鋼表面形成磷酸鈣，獲得低結晶度的羥基磷灰石，制備出羥基磷灰石涂層的高氮無鎳不銹鋼，結果表明，其非常適合用作硬組織替代材料和軟組織黏合材料。

在高氮無鎳不銹鋼中引入孔隙可降低彈性模量進而調整力學相容性。Salahinejad等借助機械合金化在1100 ℃下對18Cr-8Mn-0.9N不銹鋼粉末燒結20h后進行水淬致密化，獲得相對密度為85%的納米結構奧氏體不銹鋼。Alvarez等通過在氫氣壓力下連續區域熔煉Fe-Cr或Fe-Cr-Mo不銹鋼，獲得孔隙率約50%、孔徑約150 μm的蓮藕狀多孔不銹鋼，隨后在高溫下通過滲氮處理，制備不同孔隙率和約1.0%（質量分數）氮含量的高氮無鎳不銹鋼多孔材料，有效調節了高氮鋼彈性模量等力學性能，但有關孔隙結構與機械刺激的聯系尚未解析清楚。

采用粉末冶金工藝制備的高氮鋼具有晶粒細小、氮含量可控、工藝簡單等優點。Hu等先在700～900℃溫度下對低氮CrMn不銹鋼粉末進行氣體氮化，然后采用放電等離子燒結固化法，得到平均粒徑為1.6～8.2μm面心立方基體，隨氮化溫度從700 ℃升到750℃，氮含量（質量分數）從0.68%升至1.71%，Cr2N析出形式由胞狀析出轉變為沿晶析出，析出形態由片狀轉變為等軸狀。其中，當滲氮溫度為750℃時，制備的高氮無鎳不銹鋼TEM明場像如圖1所示，其晶界清晰可見，2種析出物均為Cr2N相。同時，還以中氮CrMnMo雙相不銹鋼粉末為材料，采用模壓成形及氣固滲氮燒結法，制備了FeCrMnMoN系多孔高氮無鎳奧氏體不銹鋼。上述研究為設計與生產高氮含量的高強奧氏體不銹鋼提供了一種新途徑。

氮元素的加入能顯著提高鋼材的拉伸強度，增強其在高壓、高溫環境下的耐受能力。然而，氮含量過高導致鋼材脆性增加，在低溫下易發生脆性斷裂。為克服這一短板，合金設計時需控制氮含量，通過減少氮含量或與其他元素合理搭配，如適當增加鉬或鈮等，改善材料韌性，降低脆性；加入鋁、鈦等元素來細化晶粒，進而提高不銹鋼低溫韌性及力學性能。

力學性能是衡量高氮無鎳不銹鋼在實際應用中可靠性及耐久性的重要指標。抗拉強度、伸長率和硬度等與不銹鋼組織、微觀結構息息相關。目前研究表明，氮含量的提高也可能導致材料脆性增加及表面硬度過高等問題。為闡明氮元素對材料性能影響及相關調控機理，國內外學者圍繞不銹鋼組織與力學性能構效關系展開了研究，以期為延長高氮無鎳不銹鋼服役壽命提供指導，研究主要包括：

1）優化合金成分，通過新N當量公式和相圖，準確地預測高氮無鎳不銹鋼顯微組織，為成分優化提供指導；

2）開發多種制備工藝，如大熔池法、加壓感應熔煉等，以提高材料氮含量，改善其力學性能等；

3）優化熱處理過程，精確控制加熱溫度和冷卻速率，避免高氮含量導致的不均勻相析出，提升氮溶解度，防止氮析出物產生，提高材料整體性能。

高氮無鎳不銹鋼需添加高含量錳，以增加氮的溶解度。Mohammadzadeh等在−170～150 ℃溫度范圍內測試了無Mn元素的高氮無鎳不銹鋼沖擊韌性，發現不銹鋼表現出明顯韌脆轉變；在25℃時，斷口表面出現伴隨塑性和變形帶的沿晶脆性斷裂，其中變形帶平行于{111}滑移面；當溫度降至0、−10、−170 ℃時，斷口表面發生沿晶脆性斷裂；當溫度升至150℃時，斷裂由脆性轉變為韌性。但有關裂紋擴展方向和凹坑形成的機理尚不明晰。

在生物醫學領域，具有良好力學性能的多孔材料是目前公認的理想骨植入材料。Salahinejad等研究了多孔Cr-Mn-N不銹鋼微觀組織和干滑動磨損特性，發現樣品為完全奧氏體結構，晶粒尺寸為90 nm，氮在鐵基合金中的間隙溶解促進了γ相的形成，多孔不銹鋼具有較高內在硬度和特殊孔隙結構，顯微硬度達350HV，耐磨性優于AISI316L不銹鋼樣品的耐磨性。但有關摩擦系數突變及波動的內在機理需進一步研究。

高氮無鎳不銹鋼與羥基磷灰石結合可顯著提高其生物相容性。Younesi等在不同磨損參數下對不同羥基磷灰石含量的不銹鋼-羥基磷灰石復合材料進行了試驗，他們建立了一種可預測復合材料磨損行為的反向傳播神經網絡模型，該模型可預測磨損試驗過程中樣品體積損失，說明人工神經網絡可作為一種有效工具預測復合材料性能，可代替耗時的實驗過程。

Zhao等探究了冷變形對高氮無鎳不銹鋼摩擦磨損性能的影響，結果表明，不銹鋼組織以穩定單相奧氏體和大量孿晶為特征，具有良好的加工硬化能力。隨冷變形的增加，耐蝕性幾乎不變，在干磨試驗中，磨損率先降后升，蒸餾水和Hank’s溶液中的磨損率單調降低，如圖2所示。干磨試驗磨損機理為磨粒磨損、脆性剝落和氧化磨損結合，蒸餾水中主要是磨粒磨損，而Hank’s溶液中包括磨粒磨損和點蝕。但有關冷變形量對屈服強度與抗拉強度間差異的作用機理解析尚不系統。

植入用不銹鋼器件的輕量化設計可充分發揮高氮無鎳不銹鋼高強度的優勢。孫玉霞等[17]對臨床用不銹鋼進行了結構尺寸優化設計，采用有限元仿真模擬研究了空心結構不銹鋼內孔數量及孔徑變化對彎曲抗力和應力分布的影響規律。發現隨孔數和孔徑的增加，接骨板輕量化率呈線性提高，同時三點彎曲時的彎曲抗力也明顯降低，均呈線性關系，應力分布隨孔的加入逐漸均勻，采用三孔結構及孔徑為接骨板厚50%的設計，可實現約15%的輕量化，且保持較高的抗彎曲性能。

對高氮無鎳不銹鋼進行抗菌改性，對該類材料推廣應用具有重要意義。Yuan等以銅作為不銹鋼抗菌元素，發現含銅的高氮無鎳不銹鋼在700～900℃時效處理1～24h后，氮化鉻呈片層狀和顆粒狀析出，析出量隨時效溫度和時間的增加而增加；經800℃時效處理1h后，細菌黏附狀況明顯改善，但抗菌性能較弱。同時，析出的氮化鉻明顯影響耐蝕性，時效時間越長，耐蝕性越差。

Wan等對高氮無鎳不銹鋼磁性行為進行了研究，發現鋼的磁性來源于鐵素體形成元素Cr和Mo的成分偏析，部分δ-鐵素體在加壓電渣重熔過程中局部形成，采用適當高溫氣體氮化可消除不銹鋼磁性氮化。但該研究無法確定奧氏體X射線衍射峰降低的根本原因。CoCrMo合金是優異的植入式關節替換生物材料。Radice等對比研究了CoCrMo合金和高氮無鎳不銹鋼組織及耐腐蝕性，2種合金組織如圖3所示，前者平均粒徑為（1.09±0.88）µm，合金相為99%（質量分數）γ相和1% ε相（圖3b），后者平均粒徑為（47.82±38.85）µm，具有完全奧氏體結構（圖3d），在兩者中均觀察到孿晶的存在，結果表明，無鎳高氮不銹鋼在模擬滑膜炎環境中的耐腐蝕性優于CoCrMo合金的。

人體內溶液環境對金屬材料具有較強腐蝕性，材料腐蝕行為不僅影響其力學性能，同時還構成材料與人體生物相容性的基礎。為防止植入件金屬離子釋放，對人體造成危害，進行高氮無鎳不銹鋼植入材料的耐蝕性研究具有重要意義。

體內炎癥部位容易對醫用金屬植入件產生腐蝕降解。Radice等采用含0g/L或3g/L的透明質酸和0、3或30mmol/L H₂O₂的牛血清溶液分別模擬無、中度或重度炎癥來測試高氮無鎳鋼的耐腐蝕性，研究發現，透明質酸的存在對穩定開路電位（OCP）值和不銹鋼耐蝕性均無顯著影響；隨H₂O₂濃度增加，OCP向更多正電值偏移；相比于0、3mmol/L濃度的H₂O₂，當H₂O₂濃度為30mmol/L時，其耐腐蝕性顯著下降。因目前體內發炎部位H₂O₂濃度無法精準確定，所以該研究未來可依賴檢測精度對耐蝕機理進行深入解析。

對于冠狀動脈支架，其最終失效通常與腐蝕疲勞有關。Li等探討了預應變對高氮無鎳不銹鋼在Hank’s溶液中腐蝕疲勞行為的影響，研究發現，不銹鋼在預應變后表現出高強度和較好的延展性，未施加預應變不銹鋼疲勞極限為550MPa，腐蝕疲勞極限為475MPa，且隨預應變的增加呈明顯增加，在適當范圍內，預應變對腐蝕疲勞強度存在有益影響，如在20%冷變形時，強度提高近300MPa。該研究為預測高氮無鎳不銹鋼支架的服役壽命及設計提供了良好的參考方案。

冷變形加工可增強材料強度、硬度及韌性，改善材料綜合性能。Ren等研究了冷變形對高氮無鎳不銹鋼在0.9%（質量分數，下同）鹽水溶液中耐點蝕性的影響，結果表明，隨冷變形增加到50%，不銹鋼點蝕性基本不變，說明高氮含量可降低冷變形對耐點蝕性的負面影響，且不銹鋼上形成的鈍化膜穩定性和厚度幾乎沒有變化，有利于血管冠狀動脈支架的長期使用。但有關冷變形對鈍化膜厚度和電阻的內在影響機制尚未闡釋清楚。

相較于常規滲氮法，高溫滲氮法可獲得更高的氮質量分數。王耘濤等采用高溫滲氮工藝制備無鎳高氮不銹鋼，以提高醫用不銹鋼的安全性和耐蝕性，研究發現，滲氮層氮質量分數可達1.0%，與原材料相比，氮質量分數增加了2倍；在0.9% NaCl生理鹽水及模擬血漿溶液中表現出優良的耐蝕性，在加熱溫度1200℃、氮氣壓力0.3MPa和保溫時間24h條件下制備的不銹鋼在0.9%NaCl溶液中的點蝕電位約1200mV，遠高于滲氮前的320mV。

表面鈍化處理可有效提高不銹鋼耐蝕性。Yang等利用硝酸鈍化提高了高氮無鎳不銹鋼的均勻耐腐蝕性，鈍化后，在37℃、0.9% NaCl溶液中，不銹鋼腐蝕速率顯著降低至未鈍化處理溶液的1/20，分析是因為鈍化膜中的Cr富集和鈍化膜/金屬界面中的N富集增強了不銹鋼均勻耐腐蝕性，如圖4所示。此外，在嘗試借助水處理提高不銹鋼耐腐蝕性時，得到類似的耐腐蝕效果，認為Cr富集和鈍化膜厚度的增加使耐腐蝕性提升。但有關N元素在鈍化膜中的存在形式有待進一步研究。

相比于均勻腐蝕，氮元素提高不銹鋼局部腐蝕能力更加顯著。Wang等研究了高氮含量不銹鋼耐點蝕能力，發現當氮質量分數達到0.92%時，嚴重冷變形導致的不銹鋼耐點蝕能力降低現象被完全消除，不銹鋼表面鈍化膜中存在明顯氮富集層，并提出與氮富集相關的自修復機制。該機制對無鎳高氮不銹鋼獨特的耐點蝕行為進行了透徹分析。

生物相容性是醫用生物材料研究的核心主題，是區分醫用生物材料與其他材料的關鍵特征，也是評估材料能否在生物醫學領域應用的重要標準。國內外研究者對此指標給予高度關注，通過體外試驗進行了系列生物相容性研究。

輕質結構是植入件設計的新趨勢，可確保良好的生物力學相容性。Ren等采用有限元方法研究骨板輕量化設計，并對比分析了兔骨愈合組織學行為。有限元結果表明，與316L不銹鋼板相比，當高氮無鎳不銹鋼板厚度減至0.9mm（重量輕18.2%）時，具有更高抗彎強度和更均勻應力分布。輕量化不銹鋼板與316L不銹鋼板在動物實驗中愈傷組織影像學、組織學分析（如圖5所示）及愈傷組織胰島素樣生長因子-1表達模式等方面均無明顯差異，表明無鎳高氮不銹鋼具有保持良好固定功能和促進骨愈合的輕量化潛力。

細胞凋亡可從形態、分子、蛋白及基因等多方面進行檢測，是檢測生物相容性的有效方法。石濤等利用凋亡相關因子Caspase-3的表達強度分析了高氮無鎳不銹鋼生物相容性，發現各組材料按Caspase-3活化度由小到大的順序依次為：空白對照組、金合金、高氮無鎳不銹鋼、鈷鉻合金、317L不銹鋼，各組間Caspase-3活化度有顯著性差異（p<0.05）。該研究表明，高氮無鎳不銹鋼具有較佳的生物相容性，優于鈷鉻合金及317L不銹鋼的。

抗生物腐蝕性是金屬植入生物材料的重要性能。Yu等發現，相較于316L不銹鋼，高氮鋼的高氮含量使其具有更好的生物耐蝕性和表面親水性。高氮鋼親水表面可通過調整合素α1、β1基因表達，促進鼠骨髓間充質干細胞（rBMSCs）的初始黏附和擴散（如圖6所示），分析發現，高錳、無鎳可促進rBMSC增殖。兔脛骨植入實驗也表明，高氮無鎳不銹鋼可明顯促進植入體周圍新骨形成和骨界面接觸。但有關不同鋼基體對rBMSCs細胞活力的作用機制未闡明清楚。

Inoue等通過內皮細胞培養定量評價無鎳高氮不銹鋼的生物反應，由于不含Ni元素，高氮無鎳不銹鋼內皮化性能高于316L不銹鋼的，且炎癥反應比316L不銹鋼的降低79.55%。Li等體外研究了高氮無鎳不銹鋼細胞相容性、血液相容性和細胞反應。相比于鎳鈦諾合金，高氮無鎳不銹鋼上MC3T3-E1細胞無明顯毒副作用，細胞數量明顯多于鎳鈦諾合金的，且細胞生長良好。細胞內總蛋白含量、堿性磷酸酶活性及礦化定量均表現出良好的細胞反應。但該研究只對實驗結果展開對比，缺乏對相關內在機理的系統解析。

圖5 不銹鋼板固定骨折兔股骨術后HE染色愈傷組織的組織學分析

醫用級高氮無鎳不銹鋼可作為支架的替代材料。劉美霞等針對高氮無鎳不銹鋼與冠脈支架材料L605合金和316L不銹鋼展開了研究，研究表明，高氮無鎳不銹鋼抗溶血性能明顯優于L605合金和316L不銹鋼的，氮元素的加入屏蔽了過多鎳離子，減少了溶血現象，且高氮無鎳不銹鋼可有效抑制血管平滑肌細胞增殖。但有關高氮鋼對鎳離子溶血、細胞增殖的抑制機理有待進一步研究。

生物材料對接觸的細胞周期影響是評估其生物相容性的重要方面。Li等對比研究了人臍動脈平滑肌細胞（HUASMCs）對高氮無鎳不銹鋼和316L不銹鋼的細胞和分子反應，研究表明，高氮無鎳不銹鋼上培養的HUASMCs增殖速度慢于316L不銹鋼的，高氮無鎳不銹鋼可激活更多的細胞凋亡，分析是因為調控細胞凋亡和自噬的基因在高氮無鎳不銹鋼中表達上調。進一步地，在對比考察人臍靜脈內皮細胞的分子反應時，發現與316L不銹鋼相比，高氮無鎳不銹鋼可抑制細胞增殖繁衍，其生長黏附情況如圖7所示，按不同基體上細胞數量由多到少的順序依次為：316L不銹鋼、高氮無鎳不銹鋼、培養基。

高氮無鎳不銹鋼以氮代替鎳穩定奧氏體組織，厘清氮元素對生物相容性的作用機制尤為重要。Wan等探究了氮含量對血液相容性的影響，發現317L鋼表面黏附血小板多于高氮鋼表面的，且隨氮含量增加，高氮鋼表面血小板量進一步減少，初始凝血時間延長，分析是因為物質和血液間存在不同表面自由能和界面能。王宏剛等考察了氮含量對血管內皮細胞及血小板黏附的影響，發現不同氮含量不銹鋼溶血率均低于國家標準的5%，對血小板黏附影響不顯著；黏附在不銹鋼表面的血管內皮細胞數量均多于鈦合金材料的，且生長狀態良好。王文革等研究了成骨細胞及血小板在不同氮含量不銹鋼（0.42%、0.54%、0.6%，質量分數）表面的黏附及細胞毒性。發現氮含量對成骨細胞生長、形態和增殖不構成傷害，對細胞黏附影響不顯著。高氮奧氏體不銹鋼和鈦合金對成骨細胞的生長、形態和增殖無顯著毒副作用。上述體外研究均通過試驗手段表明，不同氮含量（0.42%、0.54%、0.6%，質量分數）的高氮無鎳不銹鋼材料均具有優異的生物相容性。

圖7 人臍靜脈內皮細胞在培養基、高氮無鎳不銹鋼與316L不銹鋼表面的黏附情況

當前，高氮無鎳不銹鋼具有優異耐腐蝕性、強度和硬度，適用于化工、海洋、生物醫學等多個領域。雖然國內外學者對高氮無鎳不銹鋼開展了各種系列研究，但目前有關高氮無鎳不銹鋼研究與應用還存在以下不足，建議今后對以下幾方面重點關注。

1）氮元素的過量加入可能導致材料脆性增加，影響其加工性和可焊性，尤其在復雜結構制造中，控制氮含量和優化工藝仍是一個挑戰。在未來研究中，可通過優化合金成分和冶煉工藝，解決氮元素引起脆性問題，提高材料可加工性。

2）高氮無鎳不銹鋼的冶煉過程相對復雜，氮的穩定性和均勻分布難以保證，導致材料的質量和性能不穩定。在未來研究中，可通過開發高氮無鎳不銹鋼的先進加工技術，如3D打印等，確保氮元素的均勻分布。

3）現有研究對高氮無鎳不銹鋼在極端環境下的耐久性、疲勞性能等方面探討仍不充分。在未來研究中，可進一步探索其在極端環境中的表現，如高溫、低溫以及腐蝕性等，促進其實際應用。隨著技術的進步和理論的深入，高氮無鎳不銹鋼有望在更多領域替代傳統不銹鋼，成為一種更具競爭力材料。