摘 要:通過應(yīng)力控制模式和應(yīng)變控制模式研究了３０４奧氏體不銹鋼應(yīng)變強化前后的力學(xué)性 能.結(jié)果表明:應(yīng)力控制可以準(zhǔn)確地控制材料應(yīng)變強化后的屈服強度;應(yīng)變控制模式下應(yīng)變強化后 材料力學(xué)性能差別較大,在使用應(yīng)變控制模式強化 ３０４ 奧氏體不銹鋼時,其應(yīng)變數(shù)值不能超過 １０％.在實際應(yīng)用中,可以將應(yīng)力作為應(yīng)變強化的控制值,將應(yīng)變作為應(yīng)變強化的限制值.

關(guān)鍵詞:奧氏體不銹鋼;應(yīng)變強化;應(yīng)力控制;應(yīng)變控制;力學(xué)性能

中圖分類號:TG１４２．２５ 文獻標(biāo)志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０７Ｇ０４９６Ｇ０３

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,奧氏體不銹鋼屈服強度低,而抗拉強度高,具 有較大的塑性裕量,可犧牲奧氏體不銹鋼的部分塑 性來提高其屈服強度,進而降低奧氏體不銹鋼壓力 容器的設(shè)計壁厚,已成為節(jié)約制造成本及運輸成本、 提高經(jīng)濟效益的重要手段[１Ｇ３].這一過程通常被稱 為奧氏體不銹鋼的應(yīng)變強化.目前,美國機械工程 師學(xué)會壓力容器標(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) AS １２１０:２０１０均提及了該技術(shù).中國鍋爐壓力容器技 術(shù)委員會于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)變強化技術(shù)規(guī) 定»征求意見函,２０１６年９月３０日發(fā)布其報批稿. 采用應(yīng)變強化技術(shù)來降低產(chǎn)品的成本成為產(chǎn)品競爭 的一大優(yōu)勢,各個標(biāo)準(zhǔn)都對運用該技術(shù)在材料的選 擇上進行了規(guī)定,對國外材料進行了限制.同時,采 用應(yīng)力控制還是采用應(yīng)變控制進行應(yīng)變強化對材料 的安全裕度及控制指標(biāo)都會有不同的影響[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)變強化前 后的力學(xué)性能,為應(yīng)變強化技術(shù)的應(yīng)用提供參考.

１ 試樣制備與試驗方法

試驗材料選用國產(chǎn)３０４不銹鋼,試驗方法依據(jù)GB/T２２８．１－２０１０«金屬材料 拉伸試驗 第１部分: 室溫試驗方法»進行.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 驗設(shè)定值時加載停止;應(yīng)力控制模式為,當(dāng)試樣拉伸 產(chǎn)生的應(yīng)力達(dá)到試驗設(shè)定值時加載停止.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 不銹鋼的屈服強度下限值為 ２０５MPa,抗拉強度下限值為５２０ MPa,斷后伸長率 為不低于４０％.試驗結(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)變強化試驗

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)利用材料的塑性儲備,同時保證材料的塑性滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求.傳統(tǒng)的 設(shè)計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) 計方法.中國的壓力容器分析設(shè)計標(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)計方法時均提出保證材料的屈服強度與抗 拉強度的比值(屈強比)小于 ０．８ 是安全的.依據(jù) GB２４５１１－２００９的規(guī)定,３０４不銹鋼的抗拉強度下 限值為５２０MPa,以材料的屈強比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,在試驗時選?。矗保癕Pa作為應(yīng)力控制的數(shù)值.

３．２ 應(yīng)力控制拉伸試驗結(jié)果

將試樣緩慢拉伸至截面拉應(yīng)力為４１０ MPa,此 時將試驗機保壓直至應(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個試樣在應(yīng)力控制模式下強化至４１０MPa的應(yīng)力 時對應(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個試樣應(yīng)力控制的應(yīng)變強化前屈服強度分別為 ３４２．５ MPa及３４０．３ MPa,強化后均達(dá)到預(yù)期強化 屈服 強 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 化后的屈服強度,同時應(yīng)變強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)變強化試驗

采用應(yīng)力控制模式來應(yīng)變強化３０４奧氏體不銹 鋼時應(yīng)力達(dá)到４１０ MPa時,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,采用應(yīng)變測量的方法更易實現(xiàn),同時為了更深 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)變控制的模式進行更寬范圍內(nèi)的應(yīng)變強 化試驗,本次應(yīng)變控制的范圍為３％~１２％.

４．１ 不同預(yù)應(yīng)變量對材料屈服強度的影響

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

由表３可知,只要進行一定應(yīng)變量的應(yīng)變強化, 無論大小,強化后材料的屈服強度均比強化前有較 大的提高,且隨著預(yù)應(yīng)變量從３％增大到１２％,試樣 屈服強 度 增 加 的 數(shù) 值 也 增 大. 當(dāng) 預(yù) 應(yīng) 變 量 達(dá) 到 １１％時,材 料 的 屈 服 強 度 由 ２７３．６９ MPa 增 加 到 ５６８．５４MPa,增加了１０８％.同時,不同的試樣強化 后的屈服強度差別也較大,１號及２號試樣在預(yù)應(yīng) 變 量 為 ３％ 時,強 化 后 的 屈 服 強 度 數(shù) 值 達(dá) 到 ３８３．５２MPa及３８４．５５MPa,與８號及９號試樣在預(yù) 應(yīng) 變 量 為 １０％ 時,強 化 后 的 屈 服 強 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)變強化材料不能準(zhǔn)確控制材料在強 化后的屈服強度.

４．２ 不同預(yù)應(yīng)變量對材料塑性性能的影響

應(yīng)變強化在提高材料屈服強度的同時消耗了材 料的部分塑性,要全面評估應(yīng)變強化對材料力學(xué)性能 的影響就必須考慮應(yīng)變強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 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 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,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,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)變強化的壓力容器鋼板在進行應(yīng)變強 化處理時應(yīng)控制其應(yīng)變值不可超過１０％,否則其塑 性儲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)變強化的控制 指標(biāo),可以準(zhǔn)確地控制材料應(yīng)變強化后的屈服強度, 同時應(yīng)變強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)變強化的控制 指標(biāo),不能準(zhǔn)確地控制材料應(yīng)變強化后的屈服強度; 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)變控制模式強化 ３０４奧氏體不銹鋼時,其應(yīng)變數(shù)值不能超過１０％.

參考文獻:

[１] 周連東,江楠．國產(chǎn)S３０４０８奧氏體不銹鋼應(yīng)變強化低 溫容器許用應(yīng)力及應(yīng)變確定[J]．壓力容器,２０１１,２８ (２):５Ｇ１０．

[２] 韓豫,陳學(xué)東,劉全坤,等．奧氏體不銹鋼應(yīng)變強化工 藝及性能研究[J]．機械工程學(xué)報,２０１２,４８(２):８７Ｇ９２．

[３] 章云飛,惠虎,壽比南,等．奧氏體不銹鋼應(yīng)變強化容 器變形速率的測量方法研究[J]．壓力容器,２０１３(５): １Ｇ６．

[４] 汪志福,孔韋海．應(yīng)變速率對３０４奧氏體不銹鋼應(yīng)變 硬化行為的影響[J]．壓力容器,２０１３(７):６Ｇ１１．

[５] 朱昌宏,莫偉,魏東．奧氏體不銹鋼應(yīng)變強化原理的 應(yīng)用[J]．中國特種設(shè)備安全,２００９(１０):３４Ｇ３６．

文章來源——材料與測試網(wǎng)