奥氏体不锈钢应变强化工艺及性能研究

第48卷第2期2012年1月机械工程学报JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGVol.48No.2Jan.2012DOI：10.3901/JME.2012.02.087奥氏体不锈钢应变强化工艺及性能研究*韩豫1,2陈学东1,2刘全坤1张起侨3陈从升1(1.合肥工业大学材料科学与工程学院合肥230009；2.国家压力容器与管道安全工程技术研究中心合肥230031；3.浙江工业大学化工机械研究所杭州310032)摘要：针对奥氏体不锈钢延性好但屈服强度低的问题，提出采用应变强化工艺来提高材料屈服强度。分析应变强化工艺中两个关键工艺参数——应变速度和应变量对材料力学行为的影响，指出应变速度不宜过慢，否则会出现锯齿形屈服行为，对材料性能造成不利影响。经应变强化后的奥氏体不锈钢在显著提高强度的同时，仍能保持较好的韧性。通过金相组织分析、马氏体体积分数测定等结果表明，将应变量控制在10%以下，强化后奥氏体组织仅发生少量的α′马氏体相变，对材料的力学性能影响不大，且材料的微观组织也没有明显变化。研究结果表明，采用应变强化技术在大幅提高奥氏体不锈钢屈服强度的同时，对材料的其他力学性能均不造成大的影响，从而为压力容器的安全运行提供有力保证，可实现压力容器的轻型化设计，经济和社会效益显著，应用前景广阔。关键词：应变强化奥氏体不锈钢强度韧性锯齿形屈服形变马氏体中图分类号：TH49TG142StudyonTechniqueandPropertiesofColdStretchingforAusteniticStainlessSteelsHANYu1,2CHENXuedong1,2LIUQuankun1ZHANGQiqiao3CHENCongsheng1(1.SchoolofMaterialScienceandEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009;2.NationalTechnologyResearchCenteronPressureVesselandPipelineSafetyEngineering,Hefei230031;3.InstituteofProcessEquipmentandControlEngineering,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310032)Abstract：Coldstretchingtechniqueisproposedinordertoovercometheshortcomingsoflowyieldstrengthofausteniticstainlesssteels.Thekeyparametersforcoldstretchingarestrainrateandstrainlevel,theirinfluenceonmaterialpropertiesisanalyzed.Itispointedoutthatexcessivelysmallstrainratewillleadtooccurrenceofserratedyieldingandplasticinstabilitywillbecaused,thustheappropriatestrainrateisveryimportantforcoldstretching.Thestrengthofstretchedsteelscanbeimprovedsignificantlywhileitstoughnessstillmaintainsahighlevel.Metallographicstructureanalysisandcontentofα′martensitetestshowthatwhenselectreasonablestrainlevel,onlyalittleα′martensitecanbetransformedbuthasnodetrimentaleffectonmaterialproperties,andmicrostructureofpreandpostcoldstretchedsteelsdonotchangeobviouslyaswell.Theresultsshowthattheyieldstressofausteniticstainlesssteelscanbegreatlyincreasedwhenusingcoldstretchingtechniqueandothermechanicalpropertiesarenotobviouslyinfluencedtoguaranteesaferunningforpressureequipment.Withthistechniquetheweightofvesselcanbelighten,whichcanbringremarkableeconomicbenefitandwithwideprospectofapplication.Keywords：ColdstretchingAusteniticstainlesssteelsStrengthToughnessSerratedyieldingDeformationmartensite*∗国家高技术研究发展计划(863计划，2009AA044802)、浙江省自然科学基金(Y1111068)和安徽省教育厅自然科学(KJ2011B045)资助项目。20110702收到初稿，20111027收到修改稿机械工程学报第48卷第2期期880前言奥氏体不锈钢具有良好的综合力学性能和优异的抗腐蚀性能，是一种应用广泛的压力容器用钢。通常奥氏体不锈钢屈服强度较低，屈强比小，按照现行的安全系数，其许用应力由材料的屈服强度决定，因而导致设计的压力容器壁厚较厚、设备笨重，材料浪费严重，制造和运输成本较高。利用应变强化工艺，在确保奥氏体不锈钢原有力学性能不受大的影响的前提下，使材料发生一部分塑性变形，可以有效提高奥氏体不锈钢的屈服强度。采用应变强化后材料新的屈服强度设计的容器，其壁厚通常可以减薄30%～50%，有利于节省材料，降低制造成本及运输中的能耗，经济效益显著。因此，应变强化技术是一种节材降耗的绿色制造技术[1-2]。应变强化技术最早于20世纪50年代由瑞典Avesta公司提出，随后被澳大利亚借鉴[3-4]。由于当时尚缺乏足够的设计和使用经验，在此后的20多年间，世界其他各国对此技术都持谨慎态度，主要原因是大多数国家现行的压力容器设计标准都较应变强化技术保守。因此，出于安全性的考虑，大部分国家对应变强化技术都采取限制性地使用，且制定的适用条件较为苛刻[5-8]。近十年来，随着成功使用的案例和在使用中积累的工程经验越来越多，英国标准学会[7]、美国机械工程师协会[8]等一些权威标准机构相继采纳应变强化技术设计制造奥氏体不锈钢压力容器，但适用的范围仅限于壁厚小于30mm薄壁容器，且只限定在低温环境下使用。鉴于我国尚无奥氏体不锈钢应变强化技术的国家标准及行业标准，为了规范该项技术在我国的应用，国家质量监督检验检疫总局委托全国锅炉压力容器标准化技术委员会开展了奥氏体不锈钢应变强化技术制造深冷压力容器的技术评审工作。目前，相关的研究已经逐步开展起来[9-13]。本文讨论应变速度和应变量对奥氏体不锈钢力学行为的影响，对强化前后材料的强度、塑性、韧性、形变马氏体及微观组织进行深入研究。为应变强化技术在奥氏体不锈钢压力容器设计中的应用提供一定的参考。1试验方法试验采用的奥氏体不锈钢牌号为S30408，其化学成分和力学性能与AISI304近似，因此通常也称国产304不锈钢。由于实际材料的力学性能存在较大差异，为体现研究的一般性，本文选用同牌号3个不同批次的材料(1号、2号和3号)，分别测定其原始及经应变强化后的力学性能以进行对比。试验采用的单向拉伸试样形状及尺寸如图1所示，其中拉伸方向平行于钢板轧制方向，试样厚度采用实际板厚。试验在室温下进行，以0.3mm/min和3.0mm/min两种加载速度(对应名义应变速度为6×10–5s–1和6×10–4s–1)对试样进行拉伸至应变量达到8%后卸载，然后以10.0mm/min的拉伸速度对强化后的试样进行二次加载至断裂，以测得强化后材料的力学性能变化情况。图1单向拉伸试样(mm)强化过程中借助引伸计来精确控制应变量，对部分强化后的拉伸试样，由于其标距中心变形量最大，因此在该处截取小块试样，利用铁素体仪测定应变强化前后材料的铁磁体积分数，用X射线衍射仪(X-raydiffraction,XRD)对材料进行具体的物相分析，并观察试样的微观组织变化。2试验结果及分析2.1应变速度的影响两种应变速度下得到的材料工程应力—应变曲线(应变强化阶段)如图2所示。从图2中可以发现，当加载速度为3.0mm/min(6×10–4s–1)时的应力—应变曲线较光滑，而在0.3mm/min(6×10–5s–1)的加载速度下，得到的曲线呈锯齿状。图2应变速度对应力—应变曲线的影响通常对于面心立方(fcc)合金(如奥氏体不锈钢、铝合金等)来说，其塑性变形主要通过位错的滑移进行。在塑性变形过程中，位错运动是不连续的，其滑移须越过不规则地分布在滑移面上的障碍来进月2012年1月韩豫等：奥氏体不锈钢应变强化工艺及性能研究89行，进而产生应力场。而材料内部的溶质原子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”，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”－“脱钉”过程的重复发生，在宏观上则表现为材料的锯齿形屈服行为(0.3mm/min对应的曲线)[14-15]。相比而言，在较快的应变速度下，Cottrell气团无法赶上位错运动并对其实施有效“钉扎”，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(3.0mm/min对应的曲线)。由于锯齿形屈服行为有可能导致材料的塑性失稳，从而影响材料的使用性能。因此在选择应变强化速度时，应避开材料发生锯齿形屈服的速度范围，即应变强化速度不宜过慢，因此本文选用3.0mm/min(6×10–4s–1)作为后续试验的加载速度。2.2应变量的影响应变量是决定材料屈服强度的关键参数，应变量过小，材料强化不充分，节材效果和经济效益不突出；而应变量过大则会使材料的塑性和韧性造成过度损失，影响压力容器的安全运行。现行标准要求控制奥氏体不锈钢应变强化量最大不超过10%[3-5]，因此本文对三组材料强化至发生8%的塑性变形，讨论材料力学性能的变化规律。试验材料的原始力学性能及经应变强化后的力学性能参数如下表所列。从表中可以看出，三组材料的原始力学性能存在较大的差异，各组参数(屈服强度σ0.2、抗拉强度σb和均匀伸长率δ)的最大值和最小值差值均超过25%。表S30408奥氏体不锈钢力学性能试验值参数1号2号3号原始屈服强度σ0.2∕MPa300238267原始抗拉强度σb∕MPa766599734原始均匀伸长率δ∕%48.153.165.3强化8%屈服强度σk∕MPa424410421强化8%屈服强度增幅x1/%41.372.257.7强化8%抗拉强度σbk∕MPa806625771强化8%抗拉强度增幅y1/%5.24.35.0强化8%均匀伸长率损失δk∕%7.47.86.4强化8%后二次加载均匀伸长率δ1/%44.447.464.0总均匀伸长率δ′/%51.855.270.4(1)屈服强度。经8%的应变强化后，三组材料的屈服强度增幅分别为41.3%、72.2%和57.7%，可见经过一定量的应变强化后，材料的屈服强度增幅明显，均超过了400MPa，且材料原始屈服强度越低，增幅越大。应变强化能提高奥氏体不锈钢屈服强度的主要原因在于材料在发生塑性变形过程中，金属内部发生了晶粒碎化、晶粒拉长、位错密度增加等组织结构的变化