应变强化奥氏体不锈钢力学行为研究及应用

1 应变强化技术

1.1 基本原理

奥氏体不锈钢材料的应力-应变曲线没有明显的屈服平台,因此规定非比例延伸率为0.2%时的应力作为其屈服强度Rp0.2。应变强化的基本原理如图1所示,当材料在外力作用下变形量超过0.2%后继续加载至Rk后卸载,材料一部分发生了永久塑性变形。当对其二次加载时,只有当应力值超过Rk时材料才会再次发生塑性变形,此时Rk相当于材料新的屈服强度,且Rk>Rp0.2,对抗拉强度Rm不产生影响。

1.2 技术标准

奥氏体不锈钢应变强化技术最早由瑞典Avesta公司提出并应用于压力容器制造中,1991年该技术被纳入到瑞典应变强化压力容器标准(cold-stretchingdirections,CSD)中。随后,澳大利亚于1999年也将该项技术纳入到其国家标准(AS1210Supp2-1999)中[4-5]。2002年和2008年,著名标准机构———英国标准学会(BSI)和美国机械工程师协会(ASME)也相继以附录和案例的形式将该技术纳入到各自的标准体系—BSEN13458-2:2002和ASMECodeCase2596中[6-9]。出于安全性的考虑,我国的国家标准GB150-1998《钢制压力容器》尚未正式接受该项技术,但已经开展了相关的技术研究。

2 试验方法

试验材料取自某企业压力容器制造用奥氏体不锈钢板,材料牌号为0Cr18Ni9。材料的化学成分见表1。平行于钢板轧制方向,用线切割方法将钢板加工成图2所示的厚5mm的拉伸试样,试样标距为50mm,平行段长度为70mm。拉伸试验在常温下进行,选取应变速率毰·为5×10-5s-1和3×10-4s-1,应变量分别取4%、8%和12%。拉伸过程中借助引伸计来控制应变量,研究不同应变速率和应变量对材料力学性能的影响。拉伸结束后,将不同工艺参数组合下的拉伸试样在标距中心部位截取长约15mm的试块,用铁素体仪测量各试块形变诱发马氏体的体积分数。

3 试验结果及讨论

3.1 应变量对奥氏体不锈钢力学性能的影响

3.1.1 对强度的影响

通过拉伸使奥氏体不锈钢发生一定量的塑性变形,可以在一定程度上提高其屈服强度。图3所示为0Cr18Ni9奥氏体不锈钢整个拉伸过程的应力-应变曲线,图4~图6所示为在应变速率为3×10-4s-1下,分别使材料应变强化至4%、8%和12%的应力-应变曲线,图中各力学性能参数如表2所示。材料初始屈服强度Rp0.2=268MPa,经强化4%、8%和12%后的强化应力R(4%)k、R(8%)k和R(12%)k分别为375MPa、421MPa和464MPa,各自相对于Rp0.2提高了40%、57%和73%,增幅较明显。同时,在应变量为4%~12%的范围内,材料每发生4%的应变量,其屈服强度可提高约10%。对强化后的材料进行二次加载,当拉伸应力值小于强化应力时,流变应力随应变的增大而线性增大,且与强化曲线的线性段基本平行,说明此时材料仅发生弹性变形,只有当拉伸应力大于强化应力时,材料才进入塑性变形阶段。因此,二次加载时,材料的屈服强度即为其强化应力Rk(Rk>Rp0.2)。故应变强化能明显提高奥氏体不锈钢的屈服强度,且屈服强度随着应变量的增大而增大。

3.1.2 对塑性的影响

考虑到压力容器的安全性,通常材料受内压作用仅处于弹性变形状态。鉴于奥氏体不锈钢良好的塑性,可以考虑利用应变强化技术,通过牺牲材料一部分的塑性来使其强度得到提高。强化后材料的塑性损失(断后延伸率毮5和断面收缩率A)如表3所示。奥氏体不锈钢的整体均匀延伸率约为75%,断面收缩率约为65%。因此,即使对材料施加12%的应变强化量,材料的断后延伸率依然高达57.5%,断面收缩率也达到55.5%。在4%~12%的应变范围内,屈强比保持在0.5~0.6左右。上述各力学性能参数完全满足各技术标准中对应变强化后奥氏体不锈钢力学性能的要求。可见,应变强化在大幅提高奥氏体不锈钢强度的同时,对其塑性损失影响甚微。

3.1.3 对容器壁厚的影响

以0.2%非比例延伸强度Rp0.2作为奥氏体不锈钢的屈服强度,其值较低,导致基于Rp0.2设计的容器壁厚度大,耗材多,经济性较差。考虑到奥氏体不锈钢的屈强比小,塑性裕度好,因此部分国家将1.0%非比例延伸强度氁p1.0作为材料屈服强度来设计容器壁厚,其值通常可以比Rp0.2大15%~20%,且在工程应用中被广泛接受[10]。与之相比,经应变强化后的奥氏体不锈钢的屈服强度提高更为显著。容器壁厚可由下式计算得到[11]:s=pDsF20Rkz式中,p为设计压力,MPa;s为容器壁厚,mm;D为容器中径,mm;Rk为屈服强度,MPa;sF为安全系数,sF=1.5;z为焊接接头系数(此处不考虑焊接的影响,取z=1.0)。经计算,当材料屈服强度分别取Rp1.0、R(4%)k、R(8%)k和R(12%)k时,容器壁厚可分别减薄16%、26%、30%和35%。可见,应变强化显著提高了奥氏体不锈钢的屈服强度,使得容器设计壁厚大幅减薄。同时,经应变强化后的奥氏体不锈钢屈强比仍维持在0.5~0.6,仍保留了很好的塑性裕度,从而保证了应变强化容器的安全性。3.1.4 形变诱发马氏体

大多数奥氏体不锈钢组织是亚稳定的,在马氏体相变开始温度(Ms)以上对奥氏体组织进行塑性变形也会引起面心立方(fcc)结构的奥氏体(毭)组织向体心立方(bcc)结构的马氏体(毩曚)组织转变,这种现象叫形变诱发马氏体相变。当温度升高到某一温度时,塑性变形不能使奥氏体转变为马氏体,这一形变促使马氏体相变在Ms以上开始的最高温度称为形变马氏体温度(Md),通常Md高于常温[12-13]。由于毩曚-马氏体具有铁磁性,因此可采用铁素体仪来测定形变诱发马氏体体积分数。图7所示为在4%~12%的应变范围内,马氏体体积分数随应变量的变化规律。从图7中可以看出,马氏体体积分数随应变量增大而增大,且增幅逐渐增大,当应变量为12%时,马氏体的体积分数为2.14%。由于马氏体组织的强度比奥氏体组织高,且文献[14]指出,毩曚-马氏体对奥氏体不锈钢的加工硬化有显著影响,因此马氏体体积分数随应变量增大而增大的同时,材料的流动应力也相应增大,即形变诱发马氏体含量会对奥氏体不锈钢的应变强化效应产生影响。

3.2 应变速率对奥氏体不锈钢力学行为的影响

3.2.1 对材料强度的影响

应变速率为5×10-5s-1和3×10-4s-1,强化量分别为4%、8%、12%的奥氏体不锈钢应力-应变曲线对比如图8~图10所示。从图中可以看出,在弹性阶段,两种应变速率下材料的流变应力曲线几乎重合。当流变应力超过材料的屈服强度后,其值在应变速率较快时稍大,但两者差异不明显。同时,如图11所示,两种应变速率下形变诱发马氏体体积分数的差异也很小,即对材料强度的影响有限。

产生上述现象的原因主要是选取的两种应变速率都在准静态速率范围内,材料在形变过程中几乎不产生热量,所以不会造成因变形使材料绝热升温而使材料软化,即两者的加工硬化率近似,同时形变诱发马氏体量也基本不会因形变升温而受到抑制。3.2.2 锯齿形屈服现象(PLC效应)观察图8~图10可以发现,低应变速率为5×10-5s-1下的应力-应变曲线交替出现上屈服点和下屈服点,曲线呈锯齿形变化。其原因如下:在塑性变形过程中,位错运动是不连续的,滑移时需越过不规则地分布在滑移面上的障碍,进而产生应力场。溶质原子(C原子、N原子或Cr原子等)在位错所产生的应力场作用下,将通过扩散的方式向其偏聚,与位错发生交互作用形成Cottrell气团将位错“钉扎暠,阻碍位错运动,从而导致宏观应力的上升。随后,在外加应力的作用下,位错将克服障碍继续运动。这种位错被障碍阻拦及其随后克服障碍继续运动的反复循环,导致了微观上“钉扎暠-“脱钉暠的过程重复发生,在宏观上即表现为材料出现锯齿形屈服行为,通常将这种在宏观应力-应变曲线上出现反复的锯齿形屈服现象称为Portevin-LeChatelier(PLC)效应[15-18]。相比而言,在较快的应变速率下,Cottrell气团无法赶上位错运动并对其实施有效“钉扎暠,因此材料的塑性变形将以均匀稳定的方式进行,宏观表现为应力-应变曲线较平顺。由于奥氏体不锈钢属于面心立方(fcc)合金,其塑性变形主要通过位错的滑移进行,因而易产生锯齿形屈服行为(PLC效应)。尽管通过一定的预应变使奥氏体不锈钢得到强化,但出现锯齿形屈服行为却会使材料的塑性性能下降。因此在选择应变强化速率时,应避开材料发生PLC效应的速率范围,即应变强化速率不宜过慢。