奧氏體不銹鋼憑借其優異的力學性能,尤其是良好的低溫特性,使其得到了越來越廣泛的應用.同時,奧氏體不銹鋼屈服強度低,而抗拉強度高,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度,進而降低奧氏體不銹鋼壓力容器的設計壁厚,已成為節約制造成本及運輸成本、提高經濟效益的重要手段[１Ｇ３].這一過程通常被稱為奧氏體不銹鋼的應變強化.目前,美國機械工程師學會壓力容器標準 ASMEVIIIＧ１－２０１３、歐洲標準ISO ２１００９Ｇ１:２００８ 及 澳 大 利 亞 國 家 標 準 AS１２１０:２０１０均提及了該技術.中國鍋爐壓力容器技術委員會于２０１５年４月３０日發布«固定式真空絕熱深冷壓力容器 第７部分:內容器應變強化技術規定»征求意見函,２０１６年９月３０日發布其報批稿.采用應變強化技術來降低產品的成本成為產品競爭的一大優勢,各個標準都對運用該技術在材料的選擇上進行了規定,對國外材料進行了限制.同時,采用應力控制還是采用應變控制進行應變強化對材料的安全裕度及控制指標都會有不同的影響[４Ｇ５].筆者采用國產３０４奧氏體不銹鋼,分別研究了應力控制及應變控制模式下３０４奧氏體不銹鋼應變強化前后的力學性能,為應變強化技術的應用提供參考.

１ 試樣制備與試驗方法

試驗材料選用國產３０４不銹鋼,試驗方法依據GB/T２２８．１－２０１０«金屬材料 拉伸試驗 第１部分:室溫試驗方法»進行.考慮到待測試樣幾何尺寸的影響,制作了不同尺寸規格的試樣,其中６mm 厚度試樣尺寸如圖１所示.

拉伸過程分別采用應變控制和應力控制兩種模 式:應變控制模式為,當試樣拉伸產生的應變達到試 驗設定值時加載停止;應力控制模式為,當試樣拉伸 產生的應力達到試驗設定值時加載停止.有學者研 究認為試樣的原始標距對試樣的塑性指標有一定的 影響[６],為了試驗的準確性,將標距與橫截面積尺寸 不符合標準規定的試樣依據 GB/T１７６００．２－１９９８ «鋼的伸長率換算 第２部分:奧氏體鋼»進行換算.

２ 試樣初始力學性能測試

對該批試樣原始板材的力學性能進行測試,結果見表１.依據 GB２４５１１－２００９«承壓設備用不銹鋼鋼板及鋼帶»,３０４ 不銹鋼的屈服強度下限值為２０５MPa,抗拉強度下限值為５２０ MPa,斷后伸長率

為不低于４０％.試驗結果表明,該批次３０４不銹鋼板滿足 GB/T１１９．１－２０００的要求,但是不同規格鋼板的強度指標及塑性指標差異較大.

３ 應力控制模式下材料應變強化試驗 

３．１ 應力控制數值的選擇 

應力控制數值主要考慮適當利用材料的塑性儲備,同時保證材料的塑性滿足標準的要求.傳統的設計方法主要考慮在彈性范圍內利用材料的特性,考慮消耗材料的部分塑性指標,應參考彈塑性的設計方法.中國的壓力容器分析設計標準JB４７３２－１９９５及澳大利亞的壓力容器標準 AS１２１０:２０１０在彈塑性設計方法時均提出保證材料的屈服強度與抗

拉強度的比值(屈強比)小于 ０．８ 是安全的.依據GB２４５１１－２００９的規定,３０４不銹鋼的抗拉強度下限值為５２０MPa,以材料的屈強比０．８作為限制條件來確定應力控制的數值,結果為４１６MPa;保守起見,在試驗時選取４１０MPa作為應力控制的數值.

３．２ 應力控制拉伸試驗結果

將試樣緩慢拉伸至截面拉應力為４１０ MPa,此時將試驗機保壓直至應變趨于穩定后卸載,之后重新從零加載至試件斷裂;試件力學性能結果見表２.２個試樣在應力控制模式下強化至４１０MPa的應力時對應的變形分別為１．４３６mm 及１．６０２mm,對應的應變 分 別 為 ２．８７％ 及 ３．２０％,應 變 數 值 較 低.２個試樣應力控制的應變強化前屈服強度分別為３４２．５ MPa及３４０．３ MPa,強化后均達到預期強化屈服 強 度 數 值 ４１０ MPa,分 別 為 ４１４．４ MPa 及４１３．４MPa,說明該方法可以準確控制材料應變強化后的屈服強度,同時應變強化后試樣的塑性指標也滿足標準要求.

４ 應變控制模式下材料應變強化試驗

采用應力控制模式來應變強化３０４奧氏體不銹鋼時應力達到４１０ MPa時,試樣的應變僅為３％左右,且塑性指標滿足標準要求.考慮在壓力容器制造時,采用應變測量的方法更易實現,同時為了更深入研究材料在不同應變狀態下力學性能的變化,對試樣采用應變控制的模式進行更寬范圍內的應變強化試驗,本次應變控制的范圍為３％~１２％.

４．１ 不同預應變量對材料屈服強度的影響

將試樣緩慢拉伸至預設的應變值,此時將試驗機保壓直至應變趨于穩定后卸載,再重新將試樣拉伸直至斷裂,試驗結果見表３.

由表３可知,只要進行一定應變量的應變強化,無論大小,強化后材料的屈服強度均比強化前有較大的提高,且隨著預應變量從３％增大到１２％,試樣屈服強 度 增 加 的 數 值 也 增 大. 當 預 應 變 量 達 到１１％時,材 料 的 屈 服 強 度 由 ２７３．６９ MPa 增 加 到５６８．５４MPa,增加了１０８％.同時,不同的試樣強化后的屈服強度差別也較大,１號及２號試樣在預應變 量 為 ３％ 時,強 化 后 的 屈 服 強 度 數 值 達 到３８３．５２MPa及３８４．５５MPa,與８號及９號試樣在預

應 變 量 為 １０％ 時,強 化 后 的 屈 服 強 度 數 值３８０．２８MPa及３８５．６４ MPa較為接近,說明采用應變控制模式來應變強化材料不能準確控制材料在強化后的屈服強度.

４．２ 不同預應變量對材料塑性性能的影響

應變強化在提高材料屈服強度的同時消耗了材料的部分塑性,要全面評估應變強化對材料力學性能的影響就必須考慮應變強化對材料塑性的影響.通常用斷面收縮率和斷后伸長率來作為衡量材料塑性能力的指標,斷后伸長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,應變控制模式下應變強化后材料的塑性指標結果見表４.

由 表 ４ 可 知,隨 著 應 變 強 化 量 從 ４％ 增 大 到１２％,材料的斷面收縮率和斷后伸長率隨之下降;且斷后伸長率下降的速率大于斷面收縮率下降的速率,說明應變對材料整體均勻變形的能力的影響大８％ 時,試 樣 的 斷 后 伸 長 率 由 ５３．１０％ 下 降 到４０．６８％,該數值接近于 GB２４５１１－２００９中對斷后伸長率不低于４０％的要求,當預應變量超過 １０％時,試樣的斷后伸長率已經不能滿足標準的要求,因此用于制造應變強化的壓力容器鋼板在進行應變強化處理時應控制其應變值不可超過１０％,否則其塑性儲備將不能滿足安全的需求.依據表４得出材料塑性損失隨預應變量的變化趨勢,如圖２所示.于對材料局 部 變 形 能 力 的 影 響 .當 預 應 變 量 達 到８％ 時,試 樣 的 斷 后 伸 長 率 由 ５３．１０％ 下 降 到４０．６８％,該數值接近于 GB２４５１１－２００９中對斷后伸長率不低于４０％的要求,當預應變量超過 １０％時,試樣的斷后伸長率已經不能滿足標準的要求,因此用于制造應變強化的壓力容器鋼板在進行應變強化處理時應控制其應變值不可超過１０％,否則其塑性儲備將不能滿足安全的需求.依據表４得出材料塑性損失隨預應變量的變化趨勢,如圖２所示.

５ 結論

(１)將應力控制數值作為材料應變強化的控制指標,可以準確地控制材料應變強化后的屈服強度,同時應變強化后試樣的塑性指標也滿足標準要求.

(２)將應變控制數值作為材料應變強化的控制指標,不能準確地控制材料應變強化后的屈服強度;應變控制模式對材料整體變形能力的影響大于對材料局部變形能力的影響,在使用應變控制模式強化３０４奧氏體不銹鋼時,其應變數值不能超過１０％.

在煉鋼工序產生的;軋鋼工序產生的裂紋一般比較長,由于裂紋產生于軋鋼工序,所以裂紋內部可能會卷入或壓入氧化鐵皮,大多數情況下軋鋼工序產生的裂紋會伴隨不同程度的折疊、結疤、劃線等表面缺陷,結合金相檢驗結果可知,圖３d)所示的裂紋缺陷是在軋鋼工序產生的.該批 HPB３００鋼筋在煉鋼工序產生的裂紋,可能是鋼坯存在較多非金屬夾雜物缺陷,在后續的軋制過程中伴隨著大幅度的延伸,這些缺陷隨之產生裂紋;HPB３００鋼筋在軋鋼工序產生的裂紋,可能是軋輥槽形狀不規則,氧化鐵皮被壓入紅坯內部造成的.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.軋制不當是表面折疊產生的主要原因,在軋制前面道次出現耳子或者過充滿時,在后面的軋制道次就會產生折疊,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落在軋件表面,在后續軋制時壓入軋件表面,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疤缺陷;大量非金屬夾雜物和軋輥槽形狀不規則導致裂紋缺陷;軋制過程中前面道次出現耳子或者過充滿導致產生折疊缺陷;軋制過程中外界金屬或其他物質落在軋件表面,在后期加工過程中又脫落,形成掉肉缺陷.建議強化對鋼坯中夾雜物的處理能力,盡量生產高純凈度、無表面缺陷的連鑄坯;規范軋鋼工序各個環節的操作,定期檢查更換輥環、軋槽和導衛等,落實頭尾剪切標準化作業[８Ｇ１０].