奧氏體不銹鋼憑借其優(yōu)異的力學(xué)性能,尤其是良好的低溫特性,使其得到了越來越廣泛的應(yīng)用.同時(shí),奧氏體不銹鋼屈服強(qiáng)度低,而抗拉強(qiáng)度高,具有較大的塑性裕量,可犧牲奧氏體不銹鋼的部分塑性來提高其屈服強(qiáng)度,進(jìn)而降低奧氏體不銹鋼壓力容器的設(shè)計(jì)壁厚,已成為節(jié)約制造成本及運(yùn)輸成本、提高經(jīng)濟(jì)效益的重要手段[１Ｇ３].這一過程通常被稱為奧氏體不銹鋼的應(yīng)變強(qiáng)化.目前,美國機(jī)械工程師學(xué)會(huì)壓力容器標(biāo)準(zhǔn) ASMEVIIIＧ１－２０１３、歐洲標(biāo)準(zhǔn)ISO ２１００９Ｇ１:２００８ 及 澳 大 利 亞 國 家 標(biāo) 準(zhǔn) AS１２１０:２０１０均提及了該技術(shù).中國鍋爐壓力容器技術(shù)委員會(huì)于２０１５年４月３０日發(fā)布«固定式真空絕熱深冷壓力容器 第７部分:內(nèi)容器應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)規(guī)定»征求意見函,２０１６年９月３０日發(fā)布其報(bào)批稿.采用應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)來降低產(chǎn)品的成本成為產(chǎn)品競爭的一大優(yōu)勢,各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都對運(yùn)用該技術(shù)在材料的選擇上進(jìn)行了規(guī)定,對國外材料進(jìn)行了限制.同時(shí),采用應(yīng)力控制還是采用應(yīng)變控制進(jìn)行應(yīng)變強(qiáng)化對材料的安全裕度及控制指標(biāo)都會(huì)有不同的影響[４Ｇ５].筆者采用國產(chǎn)３０４奧氏體不銹鋼,分別研究了應(yīng)力控制及應(yīng)變控制模式下３０４奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化前后的力學(xué)性能,為應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用提供參考.

１ 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料選用國產(chǎn)３０４不銹鋼,試驗(yàn)方法依據(jù)GB/T２２８．１－２０１０«金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第１部分:室溫試驗(yàn)方法»進(jìn)行.考慮到待測試樣幾何尺寸的影響,制作了不同尺寸規(guī)格的試樣,其中６mm 厚度試樣尺寸如圖１所示.

拉伸過程分別采用應(yīng)變控制和應(yīng)力控制兩種模 式:應(yīng)變控制模式為,當(dāng)試樣拉伸產(chǎn)生的應(yīng)變達(dá)到試 驗(yàn)設(shè)定值時(shí)加載停止;應(yīng)力控制模式為,當(dāng)試樣拉伸 產(chǎn)生的應(yīng)力達(dá)到試驗(yàn)設(shè)定值時(shí)加載停止.有學(xué)者研 究認(rèn)為試樣的原始標(biāo)距對試樣的塑性指標(biāo)有一定的 影響[６],為了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性,將標(biāo)距與橫截面積尺寸 不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試樣依據(jù) GB/T１７６００．２－１９９８ «鋼的伸長率換算 第２部分:奧氏體鋼»進(jìn)行換算.

２ 試樣初始力學(xué)性能測試

對該批試樣原始板材的力學(xué)性能進(jìn)行測試,結(jié)果見表１.依據(jù) GB２４５１１－２００９«承壓設(shè)備用不銹鋼鋼板及鋼帶»,３０４ 不銹鋼的屈服強(qiáng)度下限值為２０５MPa,抗拉強(qiáng)度下限值為５２０ MPa,斷后伸長率

為不低于４０％.試驗(yàn)結(jié)果表明,該批次３０４不銹鋼板滿足 GB/T１１９．１－２０００的要求,但是不同規(guī)格鋼板的強(qiáng)度指標(biāo)及塑性指標(biāo)差異較大.

３ 應(yīng)力控制模式下材料應(yīng)變強(qiáng)化試驗(yàn)

３．１ 應(yīng)力控制數(shù)值的選擇

應(yīng)力控制數(shù)值主要考慮適當(dāng)利用材料的塑性儲(chǔ)備,同時(shí)保證材料的塑性滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求.傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法主要考慮在彈性范圍內(nèi)利用材料的特性,考慮消耗材料的部分塑性指標(biāo),應(yīng)參考彈塑性的設(shè)計(jì)方法.中國的壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)JB４７３２－１９９５及澳大利亞的壓力容器標(biāo)準(zhǔn) AS１２１０:２０１０在彈塑性設(shè)計(jì)方法時(shí)均提出保證材料的屈服強(qiáng)度與抗

拉強(qiáng)度的比值(屈強(qiáng)比)小于 ０．８ 是安全的.依據(jù)GB２４５１１－２００９的規(guī)定,３０４不銹鋼的抗拉強(qiáng)度下限值為５２０MPa,以材料的屈強(qiáng)比０．８作為限制條件來確定應(yīng)力控制的數(shù)值,結(jié)果為４１６MPa;保守起見,在試驗(yàn)時(shí)選取４１０MPa作為應(yīng)力控制的數(shù)值.

３．２ 應(yīng)力控制拉伸試驗(yàn)結(jié)果

將試樣緩慢拉伸至截面拉應(yīng)力為４１０ MPa,此時(shí)將試驗(yàn)機(jī)保壓直至應(yīng)變趨于穩(wěn)定后卸載,之后重新從零加載至試件斷裂;試件力學(xué)性能結(jié)果見表２.２個(gè)試樣在應(yīng)力控制模式下強(qiáng)化至４１０MPa的應(yīng)力時(shí)對應(yīng)的變形分別為１．４３６mm 及１．６０２mm,對應(yīng)的應(yīng)變 分 別 為 ２．８７％ 及 ３．２０％,應(yīng) 變 數(shù) 值 較 低.２個(gè)試樣應(yīng)力控制的應(yīng)變強(qiáng)化前屈服強(qiáng)度分別為３４２．５ MPa及３４０．３ MPa,強(qiáng)化后均達(dá)到預(yù)期強(qiáng)化屈服 強(qiáng) 度 數(shù) 值 ４１０ MPa,分 別 為 ４１４．４ MPa 及４１３．４MPa,說明該方法可以準(zhǔn)確控制材料應(yīng)變強(qiáng)化后的屈服強(qiáng)度,同時(shí)應(yīng)變強(qiáng)化后試樣的塑性指標(biāo)也滿足標(biāo)準(zhǔn)要求.

４ 應(yīng)變控制模式下材料應(yīng)變強(qiáng)化試驗(yàn)

采用應(yīng)力控制模式來應(yīng)變強(qiáng)化３０４奧氏體不銹鋼時(shí)應(yīng)力達(dá)到４１０ MPa時(shí),試樣的應(yīng)變僅為３％左右,且塑性指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求.考慮在壓力容器制造時(shí),采用應(yīng)變測量的方法更易實(shí)現(xiàn),同時(shí)為了更深入研究材料在不同應(yīng)變狀態(tài)下力學(xué)性能的變化,對試樣采用應(yīng)變控制的模式進(jìn)行更寬范圍內(nèi)的應(yīng)變強(qiáng)化試驗(yàn),本次應(yīng)變控制的范圍為３％~１２％.

４．１ 不同預(yù)應(yīng)變量對材料屈服強(qiáng)度的影響

將試樣緩慢拉伸至預(yù)設(shè)的應(yīng)變值,此時(shí)將試驗(yàn)機(jī)保壓直至應(yīng)變趨于穩(wěn)定后卸載,再重新將試樣拉伸直至斷裂,試驗(yàn)結(jié)果見表３.

由表３可知,只要進(jìn)行一定應(yīng)變量的應(yīng)變強(qiáng)化,無論大小,強(qiáng)化后材料的屈服強(qiáng)度均比強(qiáng)化前有較大的提高,且隨著預(yù)應(yīng)變量從３％增大到１２％,試樣屈服強(qiáng) 度 增 加 的 數(shù) 值 也 增 大. 當(dāng) 預(yù) 應(yīng) 變 量 達(dá) 到１１％時(shí),材 料 的 屈 服 強(qiáng) 度 由 ２７３．６９ MPa 增 加 到５６８．５４MPa,增加了１０８％.同時(shí),不同的試樣強(qiáng)化后的屈服強(qiáng)度差別也較大,１號(hào)及２號(hào)試樣在預(yù)應(yīng)變 量 為 ３％ 時(shí),強(qiáng) 化 后 的 屈 服 強(qiáng) 度 數(shù) 值 達(dá) 到３８３．５２MPa及３８４．５５MPa,與８號(hào)及９號(hào)試樣在預(yù)

應(yīng) 變 量 為 １０％ 時(shí),強(qiáng) 化 后 的 屈 服 強(qiáng) 度 數(shù) 值３８０．２８MPa及３８５．６４ MPa較為接近,說明采用應(yīng)變控制模式來應(yīng)變強(qiáng)化材料不能準(zhǔn)確控制材料在強(qiáng)化后的屈服強(qiáng)度.

４．２ 不同預(yù)應(yīng)變量對材料塑性性能的影響

應(yīng)變強(qiáng)化在提高材料屈服強(qiáng)度的同時(shí)消耗了材料的部分塑性,要全面評(píng)估應(yīng)變強(qiáng)化對材料力學(xué)性能的影響就必須考慮應(yīng)變強(qiáng)化對材料塑性的影響.通常用斷面收縮率和斷后伸長率來作為衡量材料塑性能力的指標(biāo),斷后伸長率反映材料整體變形的能力,斷面收縮率用來表征材料的局部變形能力,應(yīng)變控制模式下應(yīng)變強(qiáng)化后材料的塑性指標(biāo)結(jié)果見表４.

由 表 ４ 可 知,隨 著 應(yīng) 變 強(qiáng) 化 量 從 ４％ 增 大 到１２％,材料的斷面收縮率和斷后伸長率隨之下降;且斷后伸長率下降的速率大于斷面收縮率下降的速率,說明應(yīng)變對材料整體均勻變形的能力的影響大８％ 時(shí),試 樣 的 斷 后 伸 長 率 由 ５３．１０％ 下 降 到４０．６８％,該數(shù)值接近于 GB２４５１１－２００９中對斷后伸長率不低于４０％的要求,當(dāng)預(yù)應(yīng)變量超過 １０％時(shí),試樣的斷后伸長率已經(jīng)不能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求,因此用于制造應(yīng)變強(qiáng)化的壓力容器鋼板在進(jìn)行應(yīng)變強(qiáng)化處理時(shí)應(yīng)控制其應(yīng)變值不可超過１０％,否則其塑性儲(chǔ)備將不能滿足安全的需求.依據(jù)表４得出材料塑性損失隨預(yù)應(yīng)變量的變化趨勢,如圖２所示.于對材料局 部 變 形 能 力 的 影 響 .當(dāng) 預(yù) 應(yīng) 變 量 達(dá) 到８％ 時(shí),試 樣 的 斷 后 伸 長 率 由 ５３．１０％ 下 降 到４０．６８％,該數(shù)值接近于 GB２４５１１－２００９中對斷后伸長率不低于４０％的要求,當(dāng)預(yù)應(yīng)變量超過 １０％時(shí),試樣的斷后伸長率已經(jīng)不能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求,因此用于制造應(yīng)變強(qiáng)化的壓力容器鋼板在進(jìn)行應(yīng)變強(qiáng)化處理時(shí)應(yīng)控制其應(yīng)變值不可超過１０％,否則其塑性儲(chǔ)備將不能滿足安全的需求.依據(jù)表４得出材料塑性損失隨預(yù)應(yīng)變量的變化趨勢,如圖２所示.

５ 結(jié)論

(１)將應(yīng)力控制數(shù)值作為材料應(yīng)變強(qiáng)化的控制指標(biāo),可以準(zhǔn)確地控制材料應(yīng)變強(qiáng)化后的屈服強(qiáng)度,同時(shí)應(yīng)變強(qiáng)化后試樣的塑性指標(biāo)也滿足標(biāo)準(zhǔn)要求.

(２)將應(yīng)變控制數(shù)值作為材料應(yīng)變強(qiáng)化的控制指標(biāo),不能準(zhǔn)確地控制材料應(yīng)變強(qiáng)化后的屈服強(qiáng)度;應(yīng)變控制模式對材料整體變形能力的影響大于對材料局部變形能力的影響,在使用應(yīng)變控制模式強(qiáng)化３０４奧氏體不銹鋼時(shí),其應(yīng)變數(shù)值不能超過１０％.

在煉鋼工序產(chǎn)生的;軋鋼工序產(chǎn)生的裂紋一般比較長,由于裂紋產(chǎn)生于軋鋼工序,所以裂紋內(nèi)部可能會(huì)卷入或壓入氧化鐵皮,大多數(shù)情況下軋鋼工序產(chǎn)生的裂紋會(huì)伴隨不同程度的折疊、結(jié)疤、劃線等表面缺陷,結(jié)合金相檢驗(yàn)結(jié)果可知,圖３d)所示的裂紋缺陷是在軋鋼工序產(chǎn)生的.該批 HPB３００鋼筋在煉鋼工序產(chǎn)生的裂紋,可能是鋼坯存在較多非金屬夾雜物缺陷,在后續(xù)的軋制過程中伴隨著大幅度的延伸,這些缺陷隨之產(chǎn)生裂紋;HPB３００鋼筋在軋鋼工序產(chǎn)生的裂紋,可能是軋輥槽形狀不規(guī)則,氧化鐵皮被壓入紅坯內(nèi)部造成的.折疊是指鋼材表面存在的沿軋制方向呈直線狀或者鋸齒狀的裂紋,折疊可能是單條或者多條相似的缺陷均勻分布在軋件表面,也可能是兩條平行折疊缺陷相鄰.軋制不當(dāng)是表面折疊產(chǎn)生的主要原因,在軋制前面道次出現(xiàn)耳子或者過充滿時(shí),在后面的軋制道次就會(huì)產(chǎn)生折疊,折疊部分與鋼材基體間有明顯的氧化鐵皮,且折疊部分脫碳明顯,基體脫碳不明顯[６Ｇ７].掉肉缺陷可能是軋制的過程中外界金屬或其他物質(zhì)落在軋件表面,在后續(xù)軋制時(shí)壓入軋件表面,但在后期加工過程中又脫落,形成掉肉缺陷.

３ 結(jié)論及建議

HPB３００鋼筋表面翹皮、裂紋、折疊、掉肉缺陷形成的主要原因是:大量非金屬夾雜物造成翹皮狀有根結(jié)疤缺陷;大量非金屬夾雜物和軋輥槽形狀不規(guī)則導(dǎo)致裂紋缺陷;軋制過程中前面道次出現(xiàn)耳子或者過充滿導(dǎo)致產(chǎn)生折疊缺陷;軋制過程中外界金屬或其他物質(zhì)落在軋件表面,在后期加工過程中又脫落,形成掉肉缺陷.建議強(qiáng)化對鋼坯中夾雜物的處理能力,盡量生產(chǎn)高純凈度、無表面缺陷的連鑄坯;規(guī)范軋鋼工序各個(gè)環(huán)節(jié)的操作,定期檢查更換輥環(huán)、軋槽和導(dǎo)衛(wèi)等,落實(shí)頭尾剪切標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)[８Ｇ１０].