惠志全

(廣州特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院,廣州 ５１０６６３)

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(qiáng)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(qiáng)化后的屈服強(qiáng)度;應(yīng)變控制模式下應(yīng)變強(qiáng)化后材料力學(xué)性能差別較大,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％.在實(shí)際應(yīng)用中,可以將應(yīng)力作為應(yīng)變強(qiáng)化的控制值,將應(yīng)變作為應(yīng)變強(qiáng)化的限制值.

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

中圖分類號(hào):TG１４２．２５ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):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(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(guó)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(guó) 家 標(biāo) 準(zhǔn) AS１２１０:２０１０均提及了該技術(shù).中國(guó)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(jìng)爭(zhēng)的一大優(yōu)勢(shì),各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)運(yùn)用該技術(shù)在材料的選擇上進(jìn)行了規(guī)定,對(duì)國(guó)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(duì)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(guó)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(guó)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(cè)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(duì)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(zhǎng)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(cè)試

對(duì)該批試樣原始板材的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)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(zhǎng)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

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?。?０MPa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(duì)應(yīng)的變形分別為１．４３６mm 及１．６０２mm,對(duì)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(cè)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)材料力學(xué)性能的影響就必須考慮應(yīng)變強(qiáng)化對(duì)材料塑性的影響.通常用斷面收縮率和斷后伸長(zhǎng)率來作為衡量材料塑性能力的指標(biāo),斷后伸長(zhǎng)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(zhǎng)率隨之下降;且斷后伸長(zhǎng)率下降的速率大于斷面收縮率下降的速率,說明應(yīng)變對(duì)材料整體均勻變形的能力的影響大于對(duì)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(zhǎng) 率 由 ５３．１０％ 下 降 到４０．６８％,該數(shù)值接近于 GB２４５１１－２００９中對(duì)斷后伸長(zhǎng)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(zhǎng)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(shì),如圖２所示.

在煉鋼工序產(chǎn)生的;軋鋼工序產(chǎn)生的裂紋一般比較長(zhǎng),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(duì)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].

（文章來源：材料與測(cè)試網(wǎng)-理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè)>2018年>7期> pp.496）