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

摘 要:通过应力控制模式和应变控制模式研究了３０４奥氏体不锈钢应变强化前后的力学性 能.结果表明:应力控制可以准确地控制材料应变强化后的屈服强度;应变控制模式下应变强化后 材料力学性能差别较大,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％.在实际应用中,可以将应力作为应变强化的控制值,将应变作为应变强化的限制值. 

关键词:奥氏体不锈钢;应变强化;应力控制;应变控制;力学性能 

中图分类号:TG１４２．２５ 文献标志码:A 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０７Ｇ０４９６Ｇ０３

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 AS １２１０:２０１０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 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％.

参考文献: 

[１] 周连东,江楠．国产S３０４０８奥氏体不锈钢应变强化低 温容器许用应力及应变确定[J]．压力容器,２０１１,２８ (２):５Ｇ１０． 

[２] 韩豫,陈学东,刘全坤,等．奥氏体不锈钢应变强化工 艺及性能研究[J]．机械工程学报,２０１２,４８(２):８７Ｇ９２． 

[３] 章云飞,惠虎,寿比南,等．奥氏体不锈钢应变强化容 器变形速率的测量方法研究[J]．压力容器,２０１３(５): １Ｇ６． 

[４] 汪志福,孔韦海．应变速率对３０４奥氏体不锈钢应变 硬化行为的影响[J]．压力容器,２０１３(７):６Ｇ１１． 

[５] 朱昌宏,莫伟,魏东．奥氏体不锈钢应变强化原理的 应用[J]．中国特种设备安全,２００９(１０):３４Ｇ３６． 

文章来源——材料与测试网