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    應變強化奧氏體不銹鋼力學行為研究及應用

    發布時間:2021-04-23 09:30:14      發布人:  瀏覽量:

    針對奧氏體不銹鋼塑性和韌性優良但屈服強度低的問題,提出采用應變強化工藝來提高奧氏體不銹鋼的屈服強度。研究了應變強化工藝中的兩個關鍵工藝參數———應變量和應變速率對材料力學行為的影響。對應變量的研究結果表明,將奧氏體不銹鋼的應變強化量控制在10%左右,材料的屈服強度可以得到顯著提高。由此可大幅減薄壓力容器的設計壁厚,實現壓力容器的輕型化設計。與此同時,10%左右的形變量下,因形變誘發的馬氏體量很少,材料仍保持了較好的塑性和韌性,為壓力容器的安全設計提供了保證。對應變速率的研究結果表明,在準靜態條件下,奧氏體不銹鋼材料力學性能指標對應變速率不敏感,但過小的應變速率會導致材料出現鋸齒形屈服,產生Portevin-LeChatelier(PLC)效應。

    奧氏體不銹鋼因其具有良好的塑性、出色的高低溫韌性、優異的抗腐蝕性而在壓力容器和管道等承壓設備領域應用廣泛[1]。但奧氏體不銹鋼屈服強度較低,相應地,以材料的屈服強度為基準所確定的材料許用應力值也較低,因此不能充分發揮奧氏體不銹鋼的承載能力,使得設計的容器壁較厚,設備笨重,制造和運輸成本高。盡管奧氏體不銹鋼屈服強度較低,但其屈強比小,塑性裕度較大,因此,設法提高材料的屈服強度是減薄容器壁厚,提高材料利用率,實現壓力容器輕型化設計與制造的關鍵。通過應變強化技術,使材料一部分發生塑性變形,可以提高奧氏體不銹鋼的承載能力,節省材料,降低運輸能耗[2-3]。本文基于應變強化技術,通過試驗研究了不同應變量和應變速率對奧氏體不銹鋼力學行為的影響規律,為該技術在壓力容器中的工程應用提供了依據。

    1 應變強化技術

    1.1 基本原理

    奧氏體不銹鋼材料的應力-應變曲線沒有明顯的屈服平臺,因此規定非比例延伸率為0.2%時的應力作為其屈服強度Rp0.2。應變強化的基本原理如圖1所示,當材料在外力作用下變形量超過0.2%后繼續加載至Rk后卸載,材料一部分發生了永久塑性變形。當對其二次加載時,只有當應力值超過Rk時材料才會再次發生塑性變形,此時Rk相當于材料新的屈服強度,Rk>Rp0.2,對抗拉強度Rm不產生影響。

    1.2 技術標準

    奧氏體不銹鋼應變強化技術最早由瑞典Avesta公司提出并應用于壓力容器制造中,1991年該技術被納入到瑞典應變強化壓力容器標準(cold-stretchingdirections,CSD)中。隨后,澳大利亞于1999年也將該項技術納入到其國家標準(AS1210Supp2-1999)[4-5]。2002年和2008,著名標準機構———英國標準學會(BSI)和美國機械工程師協會(ASME)也相繼以附錄和案例的形式將該技術納入到各自的標準體系—BSEN13458-2:2002ASMECodeCase2596[6-9]。出于安全性的考慮,我國的國家標準GB150-1998《鋼制壓力容器》尚未正式接受該項技術,但已經開展了相關的技術研究。

    2 試驗方法

    試驗材料取自某企業壓力容器制造用奧氏體不銹鋼板,材料牌號為0Cr18Ni9。材料的化學成分見表1。平行于鋼板軋制方向,用線切割方法將鋼板加工成圖2所示的厚5mm的拉伸試樣,試樣標距為50mm,平行段長度為70mm。拉伸試驗在常溫下進行,選取應變速率毰·為5×10-5s-13×10-4s-1,應變量分別取4%、8%12%。拉伸過程中借助引伸計來控制應變量,研究不同應變速率和應變量對材料力學性能的影響。拉伸結束后,將不同工藝參數組合下的拉伸試樣在標距中心部位截取長約15mm的試塊,用鐵素體儀測量各試塊形變誘發馬氏體的體積分數。

    3 試驗結果及討論

    3.1 應變量對奧氏體不銹鋼力學性能的影響

    3.1.1 對強度的影響

    通過拉伸使奧氏體不銹鋼發生一定量的塑性變形,可以在一定程度上提高其屈服強度。圖3所示為0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼整個拉伸過程的應力-應變曲線,4~6所示為在應變速率為3×10-4s-1,分別使材料應變強化至4%、8%12%的應力-應變曲線,圖中各力學性能參數如表2所示。材料初始屈服強度Rp0.2=268MPa,經強化4%、8%12%后的強化應力R(4%)k、R(8%)kR(12%)k分別為375MPa、421MPa464MPa,各自相對于Rp0.2提高了40%、57%73%,增幅較明顯。同時,在應變量為4%~12%的范圍內,材料每發生4%的應變量,其屈服強度可提高約10%。對強化后的材料進行二次加載,當拉伸應力值小于強化應力時,流變應力隨應變的增大而線性增大,且與強化曲線的線性段基本平行,說明此時材料僅發生彈性變形,只有當拉伸應力大于強化應力時,材料才進入塑性變形階段。因此,二次加載時,材料的屈服強度即為其強化應力Rk(Rk>Rp0.2)。故應變強化能明顯提高奧氏體不銹鋼的屈服強度,且屈服強度隨著應變量的增大而增大。

    3.1.2 對塑性的影響

    考慮到壓力容器的安全性,通常材料受內壓作用僅處于彈性變形狀態。鑒于奧氏體不銹鋼良好的塑性,可以考慮利用應變強化技術,通過犧牲材料一部分的塑性來使其強度得到提高。強化后材料的塑性損失(斷后延伸率毮5和斷面收縮率A)如表3所示。奧氏體不銹鋼的整體均勻延伸率約為75%,斷面收縮率約為65%。因此,即使對材料施加12%的應變強化量,材料的斷后延伸率依然高達57.5%,斷面收縮率也達到55.5%。在4%~12%的應變范圍內,屈強比保持在0.5~0.6左右。上述各力學性能參數完全滿足各技術標準中對應變強化后奧氏體不銹鋼力學性能的要求??梢?/span>,應變強化在大幅提高奧氏體不銹鋼強度的同時,對其塑性損失影響甚微。

    3.1.3 對容器壁厚的影響

    0.2%非比例延伸強度Rp0.2作為奧氏體不銹鋼的屈服強度,其值較低,導致基于Rp0.2設計的容器壁厚度大,耗材多,經濟性較差??紤]到奧氏體不銹鋼的屈強比小,塑性裕度好,因此部分國家將1.0%非比例延伸強度氁p1.0作為材料屈服強度來設計容器壁厚,其值通??梢员?/span>Rp0.215%~20%,且在工程應用中被廣泛接受[10]。與之相比,經應變強化后的奧氏體不銹鋼的屈服強度提高更為顯著。容器壁厚可由下式計算得到[11]:s=pDsF20Rkz式中,p為設計壓力,MPa;s為容器壁厚,mm;D為容器中徑,mm;Rk為屈服強度,MPa;sF為安全系數,sF=1.5;z為焊接接頭系數(此處不考慮焊接的影響,z=1.0)。經計算,當材料屈服強度分別取Rp1.0、R(4%)k、R(8%)kR(12%)k,容器壁厚可分別減薄16%、26%、30%35%??梢?/span>,應變強化顯著提高了奧氏體不銹鋼的屈服強度,使得容器設計壁厚大幅減薄。同時,經應變強化后的奧氏體不銹鋼屈強比仍維持在0.5~0.6,仍保留了很好的塑性裕度,從而保證了應變強化容器的安全性。3.1.4 形變誘發馬氏體

    大多數奧氏體不銹鋼組織是亞穩定的,在馬氏體相變開始溫度(Ms)以上對奧氏體組織進行塑性變形也會引起面心立方(fcc)結構的奧氏體()組織向體心立方(bcc)結構的馬氏體(毩曚)組織轉變,這種現象叫形變誘發馬氏體相變。當溫度升高到某一溫度時,塑性變形不能使奧氏體轉變為馬氏體,這一形變促使馬氏體相變在Ms以上開始的最高溫度稱為形變馬氏體溫度(Md),通常Md高于常溫[12-13]。由于毩曚-馬氏體具有鐵磁性,因此可采用鐵素體儀來測定形變誘發馬氏體體積分數。圖7所示為在4%~12%的應變范圍內,馬氏體體積分數隨應變量的變化規律。從圖7中可以看出,馬氏體體積分數隨應變量增大而增大,且增幅逐漸增大,當應變量為12%,馬氏體的體積分數為2.14%。由于馬氏體組織的強度比奧氏體組織高,且文獻[14]指出,毩曚-馬氏體對奧氏體不銹鋼的加工硬化有顯著影響,因此馬氏體體積分數隨應變量增大而增大的同時,材料的流動應力也相應增大,即形變誘發馬氏體含量會對奧氏體不銹鋼的應變強化效應產生影響。

    3.2 應變速率對奧氏體不銹鋼力學行為的影響

    3.2.1 對材料強度的影響

    應變速率為5×10-5s-13×10-4s-1,強化量分別為4%、8%、12%的奧氏體不銹鋼應力-應變曲線對比如圖8~10所示。從圖中可以看出,在彈性階段,兩種應變速率下材料的流變應力曲線幾乎重合。當流變應力超過材料的屈服強度后,其值在應變速率較快時稍大,但兩者差異不明顯。同時,如圖11所示,兩種應變速率下形變誘發馬氏體體積分數的差異也很小,即對材料強度的影響有限。

    產生上述現象的原因主要是選取的兩種應變速率都在準靜態速率范圍內,材料在形變過程中幾乎不產生熱量,所以不會造成因變形使材料絕熱升溫而使材料軟化,即兩者的加工硬化率近似,同時形變誘發馬氏體量也基本不會因形變升溫而受到抑制。3.2.2 鋸齒形屈服現象(PLC效應)觀察圖8~10可以發現,低應變速率為5×10-5s-1下的應力-應變曲線交替出現上屈服點和下屈服點,曲線呈鋸齒形變化。其原因如下:在塑性變形過程中,位錯運動是不連續的,滑移時需越過不規則地分布在滑移面上的障礙,進而產生應力場。溶質原子(C原子、N原子或Cr原子等)在位錯所產生的應力場作用下,將通過擴散的方式向其偏聚,與位錯發生交互作用形成Cottrell氣團將位錯“釘扎暠,阻礙位錯運動,從而導致宏觀應力的上升。隨后,在外加應力的作用下,位錯將克服障礙繼續運動。這種位錯被障礙阻攔及其隨后克服障礙繼續運動的反復循環,導致了微觀上“釘扎暠-“脫釘暠的過程重復發生,在宏觀上即表現為材料出現鋸齒形屈服行為,通常將這種在宏觀應力-應變曲線上出現反復的鋸齒形屈服現象稱為Portevin-LeChatelier(PLC)效應[15-18]。相比而言,在較快的應變速率下,Cottrell氣團無法趕上位錯運動并對其實施有效“釘扎暠,因此材料的塑性變形將以均勻穩定的方式進行,宏觀表現為應力-應變曲線較平順。由于奧氏體不銹鋼屬于面心立方(fcc)合金,其塑性變形主要通過位錯的滑移進行,因而易產生鋸齒形屈服行為(PLC效應)。盡管通過一定的預應變使奧氏體不銹鋼得到強化,但出現鋸齒形屈服行為卻會使材料的塑性性能下降。因此在選擇應變強化速率時,應避開材料發生PLC效應的速率范圍,即應變強化速率不宜過慢。

    4 結論

    (1)利用奧氏體不銹鋼應變強化技術能有效提高材料利用率,節約原材料,實現壓力容器輕型化設計與制造,經濟和社會效益顯著。通常將奧氏體不銹鋼的應變量控制在10%以內,可以確保壓力容器安全且不降低其壽命與可靠性。此技術目前已經被部分發達國家的權威標準機構采納。(2)奧氏體不銹鋼強度低但塑韌性好。通過應變強化,可以顯著提高材料的屈服強度,由此使壓力容器設計壁厚大幅減薄。當最大形變量控制在10%左右,由形變產生的馬氏體量很少,沒有明顯降低材料的塑性和韌性。(3)在準靜態應變速率范圍內,材料的力學參數對應變速率不敏感。但是當應變速率過低,在形變過程中會產生鋸齒形屈服(PLC效應)現象,從而會對材料的塑性性能造成不利影響。

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