亚稳态奥氏体不锈钢(S30408)深冷低周疲劳性能研究

摘要

近年来，随着能源需求的不断增长和低温技术的发展，低温用钢的需求量不断增长。在低温用钢中，亚稳态奥氏体不锈钢因具有良好的耐腐蚀性能、焊接性能、易冷热成形性能以及无韧脆转变温度等一系列优点，从而在医疗、石油、化工及航空航天领域受到了广泛的应用。 亚稳态奥氏体不锈钢的深冷疲劳特性是其重要力学特性之一，是评价设备全寿命周期安全性的重要依据。由于深冷疲劳对设备的可靠性、抗低温性能及深冷下的数据检测精度提出很高的要求，因此深冷疲劳测试成本很高且难度较大，故有关亚稳态奥氏体不锈钢深冷疲劳性能的报导并不多见。在亚稳态奥氏体不锈钢深冷容器疲劳设计方面，国内外标准并没有考虑深冷对材料性能的影响。另一方面，因亚稳态奥氏体不锈钢组织的不稳定性，在形变过程中极易受到应变量、应变温度的影响发生形变诱发马氏体相变，从而降低了材料的韧性和塑性，严重时将影响能源装备的服役安全。 因此，本文在“超期服役承压设备寿命预测及延寿关键技术研究项目”（项目编号2016YFC0801905）的支持下，针对亚稳态奥氏体不锈钢（S30408）的深冷疲劳性能及影响因素，完成了以下工作： （1）在77K下开展亚稳态奥氏体不锈钢（S30408）母材的低周疲劳试验，得到其在77K下的疲劳应力响应、循环本构关系以及应变-寿命关系的变化规律。对比材料在室温下的低周疲劳性能发现，当应变幅大约在0.7%以上时，深冷降低了材料的疲劳寿命，当应变幅约在0.7%以下时，深冷提高了材料的疲劳寿命，且随着应变幅的降低，深冷对疲劳寿命的增益作用逐渐增强。一方面，由于深冷大幅增强了材料的强度，因此材料在低应变幅下的寿命大幅提高；另一方面，由于深冷降低了材料的塑性，因此材料在高应变幅下的寿命有所降低。此外，本文从材料的疲劳断口特征、马氏体相变角度，讨论了深冷对材料低周疲劳性能的影响机制。 （2）在77K下开展室温预应变35%、363K预应变35%材料的低周疲劳及拉伸试验，得到两种预应变材料在77K下的单轴应力应变关系、疲劳应力响应及循环本构关系。对比母材及预应变材料的试验结果发现，在循环初始阶段，室温预应变材料的应力强度高于363K预应变材料且两者都高于母材的初始循环应力强度。两种预应变材料均表现出了循环硬化特性，应力循环响应均呈现出“硬化—短暂饱和—二次硬化—饱和—失效”的发展趋势。此外，针对预应变对材料疲劳寿命的影响做了初步探索。结果表明室温预应变材料的疲劳寿命高于母材及363K预应变材料，363K预应变材料在较低应变幅下的疲劳寿命有高于母材的趋势。由于预应变材料的试验数据有限且疲劳数据具有分散性，因此两种预应变方式对深冷疲劳寿命的影响还有待进一步验证。最后，本文从材料的疲劳断口特征、马氏体相变及位错运动角度，讨论了两种预应变方式对材料深冷低周疲劳性能的影响机制。 （3）基于亚稳态奥氏体不锈钢（S30408）母材的深冷低周疲劳试验数据，获得了材料在77K下的S-N曲线。对比疲劳试验结果与标准曲线发现，大多数深冷疲劳试验结果落在标准曲线上方，按目前的标准曲线进行疲劳设计，则所得结果偏于安全。另外，对比深冷疲劳设计曲线与标准疲劳设计曲线发现，在低寿命区，深冷疲劳设计曲线的许用应力水平低于标准曲线，故应充分考虑深冷对材料塑性削弱的影响，建议在低寿命区采用深冷疲劳设计曲线；反之，在寿命较高的区域，若按标准疲劳曲线设计，则结果过于保守，不利于充分发挥材料在深冷下的疲劳性能，因此应充分考虑深冷对材料强度的增益作用，建议在较高寿命区同样采用深冷疲劳设计曲线。

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