分享：应力控制和应变控制模式下304奥氏体不锈钢的应变强化

奥氏体不锈钢凭借其优异的力学性能,尤其是良好的低温特性,使其得到了越来越广泛的应用.同时,奥氏体不锈钢屈服强度低,而抗拉强度高,具有较大的塑性裕量,可牺牲奥氏体不锈钢的部分塑性来提高其屈服强度,进而降低奥氏体不锈钢压力容器的设计壁厚,已成为节约制造成本及运输成本、提高经济效益的重要手段[１Ｇ３].这一过程通常被称为奥氏体不锈钢的应变强化.目前,美国机械工程师学会压力容器标准 ASMEVIIIＧ１－２０１３、欧洲标准ISO ２１００９Ｇ１:２００８ 及 澳 大 利 亚 国 家 标 准 AS１２１０:２０１０均提及了该技术.中国锅炉压力容器技术委员会于２０１５年４月３０日发布«固定式真空绝热深冷压力容器 第７部分:内容器应变强化技术规定»征求意见函,２０１６年９月３０日发布其报批稿.采用应变强化技术来降低产品的成本成为产品竞争的一大优势,各个标准都对运用该技术在材料的选择上进行了规定,对国外材料进行了限制.同时,采用应力控制还是采用应变控制进行应变强化对材料的安全裕度及控制指标都会有不同的影响[４Ｇ５].笔者采用国产３０４奥氏体不锈钢,分别研究了应力控制及应变控制模式下３０４奥氏体不锈钢应变强化前后的力学性能,为应变强化技术的应用提供参考.

１ 试样制备与试验方法

试验材料选用国产３０４不锈钢,试验方法依据GB/T２２８．１－２０１０«金属材料 拉伸试验 第１部分:室温试验方法»进行.考虑到待测试样几何尺寸的影响,制作了不同尺寸规格的试样,其中６mm 厚度试样尺寸如图１所示.

拉伸过程分别采用应变控制和应力控制两种模 式:应变控制模式为,当试样拉伸产生的应变达到试 验设定值时加载停止;应力控制模式为,当试样拉伸 产生的应力达到试验设定值时加载停止.有学者研 究认为试样的原始标距对试样的塑性指标有一定的 影响[６],为了试验的准确性,将标距与横截面积尺寸 不符合标准规定的试样依据 GB/T１７６００．２－１９９８ «钢的伸长率换算 第２部分:奥氏体钢»进行换算.

２ 试样初始力学性能测试

对该批试样原始板材的力学性能进行测试,结果见表１.依据 GB２４５１１－２００９«承压设备用不锈钢钢板及钢带»,３０４ 不锈钢的屈服强度下限值为２０５MPa,抗拉强度下限值为５２０ MPa,断后伸长率

为不低于４０％.试验结果表明,该批次３０４不锈钢板满足 GB/T１１９．１－２０００的要求,但是不同规格钢板的强度指标及塑性指标差异较大.

３ 应力控制模式下材料应变强化试验 

３．１ 应力控制数值的选择 

应力控制数值主要考虑适当利用材料的塑性储备,同时保证材料的塑性满足标准的要求.传统的设计方法主要考虑在弹性范围内利用材料的特性,考虑消耗材料的部分塑性指标,应参考弹塑性的设计方法.中国的压力容器分析设计标准JB４７３２－１９９５及澳大利亚的压力容器标准 AS１２１０:２０１０在弹塑性设计方法时均提出保证材料的屈服强度与抗

拉强度的比值(屈强比)小于 ０．８ 是安全的.依据GB２４５１１－２００９的规定,３０４不锈钢的抗拉强度下限值为５２０MPa,以材料的屈强比０．８作为限制条件来确定应力控制的数值,结果为４１６MPa;保守起见,在试验时选取４１０MPa作为应力控制的数值.

３．２ 应力控制拉伸试验结果

将试样缓慢拉伸至截面拉应力为４１０ MPa,此时将试验机保压直至应变趋于稳定后卸载,之后重新从零加载至试件断裂;试件力学性能结果见表２.２个试样在应力控制模式下强化至４１０MPa的应力时对应的变形分别为１．４３６mm 及１．６０２mm,对应的应变 分 别 为 ２．８７％ 及 ３．２０％,应 变 数 值 较 低.２个试样应力控制的应变强化前屈服强度分别为３４２．５ MPa及３４０．３ MPa,强化后均达到预期强化屈服 强 度 数 值 ４１０ MPa,分 别 为 ４１４．４ MPa 及４１３．４MPa,说明该方法可以准确控制材料应变强化后的屈服强度,同时应变强化后试样的塑性指标也满足标准要求.

４ 应变控制模式下材料应变强化试验

采用应力控制模式来应变强化３０４奥氏体不锈钢时应力达到４１０ MPa时,试样的应变仅为３％左右,且塑性指标满足标准要求.考虑在压力容器制造时,采用应变测量的方法更易实现,同时为了更深入研究材料在不同应变状态下力学性能的变化,对试样采用应变控制的模式进行更宽范围内的应变强化试验,本次应变控制的范围为３％~１２％.

４．１ 不同预应变量对材料屈服强度的影响

将试样缓慢拉伸至预设的应变值,此时将试验机保压直至应变趋于稳定后卸载,再重新将试样拉伸直至断裂,试验结果见表３.

由表３可知,只要进行一定应变量的应变强化,无论大小,强化后材料的屈服强度均比强化前有较大的提高,且随着预应变量从３％增大到１２％,试样屈服强 度 增 加 的 数 值 也 增 大. 当 预 应 变 量 达 到１１％时,材 料 的 屈 服 强 度 由 ２７３．６９ MPa 增 加 到５６８．５４MPa,增加了１０８％.同时,不同的试样强化后的屈服强度差别也较大,１号及２号试样在预应变 量 为 ３％ 时,强 化 后 的 屈 服 强 度 数 值 达 到３８３．５２MPa及３８４．５５MPa,与８号及９号试样在预

应 变 量 为 １０％ 时,强 化 后 的 屈 服 强 度 数 值３８０．２８MPa及３８５．６４ MPa较为接近,说明采用应变控制模式来应变强化材料不能准确控制材料在强化后的屈服强度.

４．２ 不同预应变量对材料塑性性能的影响

应变强化在提高材料屈服强度的同时消耗了材料的部分塑性,要全面评估应变强化对材料力学性能的影响就必须考虑应变强化对材料塑性的影响.通常用断面收缩率和断后伸长率来作为衡量材料塑性能力的指标,断后伸长率反映材料整体变形的能力,断面收缩率用来表征材料的局部变形能力,应变控制模式下应变强化后材料的塑性指标结果见表４.

由 表 ４ 可 知,随 着 应 变 强 化 量 从 ４％ 增 大 到１２％,材料的断面收缩率和断后伸长率随之下降;且断后伸长率下降的速率大于断面收缩率下降的速率,说明应变对材料整体均匀变形的能力的影响大８％ 时,试 样 的 断 后 伸 长 率 由 ５３．１０％ 下 降 到４０．６８％,该数值接近于 GB２４５１１－２００９中对断后伸长率不低于４０％的要求,当预应变量超过 １０％时,试样的断后伸长率已经不能满足标准的要求,因此用于制造应变强化的压力容器钢板在进行应变强化处理时应控制其应变值不可超过１０％,否则其塑性储备将不能满足安全的需求.依据表４得出材料塑性损失随预应变量的变化趋势,如图２所示.于对材料局 部 变 形 能 力 的 影 响 .当 预 应 变 量 达 到８％ 时,试 样 的 断 后 伸 长 率 由 ５３．１０％ 下 降 到４０．６８％,该数值接近于 GB２４５１１－２００９中对断后伸长率不低于４０％的要求,当预应变量超过 １０％时,试样的断后伸长率已经不能满足标准的要求,因此用于制造应变强化的压力容器钢板在进行应变强化处理时应控制其应变值不可超过１０％,否则其塑性储备将不能满足安全的需求.依据表４得出材料塑性损失随预应变量的变化趋势,如图２所示.

５ 结论

(１)将应力控制数值作为材料应变强化的控制指标,可以准确地控制材料应变强化后的屈服强度,同时应变强化后试样的塑性指标也满足标准要求.

(２)将应变控制数值作为材料应变强化的控制指标,不能准确地控制材料应变强化后的屈服强度;应变控制模式对材料整体变形能力的影响大于对材料局部变形能力的影响,在使用应变控制模式强化３０４奥氏体不锈钢时,其应变数值不能超过１０％.

在炼钢工序产生的;轧钢工序产生的裂纹一般比较长,由于裂纹产生于轧钢工序,所以裂纹内部可能会卷入或压入氧化铁皮,大多数情况下轧钢工序产生的裂纹会伴随不同程度的折叠、结疤、划线等表面缺陷,结合金相检验结果可知,图３d)所示的裂纹缺陷是在轧钢工序产生的.该批 HPB３００钢筋在炼钢工序产生的裂纹,可能是钢坯存在较多非金属夹杂物缺陷,在后续的轧制过程中伴随着大幅度的延伸,这些缺陷随之产生裂纹;HPB３００钢筋在轧钢工序产生的裂纹,可能是轧辊槽形状不规则,氧化铁皮被压入红坯内部造成的.折叠是指钢材表面存在的沿轧制方向呈直线状或者锯齿状的裂纹,折叠可能是单条或者多条相似的缺陷均匀分布在轧件表面,也可能是两条平行折叠缺陷相邻.轧制不当是表面折叠产生的主要原因,在轧制前面道次出现耳子或者过充满时,在后面的轧制道次就会产生折叠,折叠部分与钢材基体间有明显的氧化铁皮,且折叠部分脱碳明显,基体脱碳不明显[６Ｇ７].掉肉缺陷可能是轧制的过程中外界金属或其他物质落在轧件表面,在后续轧制时压入轧件表面,但在后期加工过程中又脱落,形成掉肉缺陷.

３ 结论及建议

HPB３００钢筋表面翘皮、裂纹、折叠、掉肉缺陷形成的主要原因是:大量非金属夹杂物造成翘皮状有根结疤缺陷;大量非金属夹杂物和轧辊槽形状不规则导致裂纹缺陷;轧制过程中前面道次出现耳子或者过充满导致产生折叠缺陷;轧制过程中外界金属或其他物质落在轧件表面,在后期加工过程中又脱落,形成掉肉缺陷.建议强化对钢坯中夹杂物的处理能力,尽量生产高纯净度、无表面缺陷的连铸坯;规范轧钢工序各个环节的操作,定期检查更换辊环、轧槽和导卫等,落实头尾剪切标准化作业[８Ｇ１０].