本文主要研究了S30408不锈钢经过不同应变强化方式后,在室温以及低温(-163)下疲劳性能的差异。对比分析了室温下拉伸预应变(Preten)、扭转预应变(Pretor)、拉扭预应变(Prehyd)、室温预应变(PRT)、低温预应变(PLT)以及室温预应变后低温循环300(PRT-C300LT)等多种应变强化方式的强化效果,结合疲劳试验过程中S30408不锈钢的循环应力响应、应力应变滞环曲线、疲劳寿命以及马氏体相变的差异,对得到的试验结果进行综合分析,主要得到如下结论:

(1)室温下三种预应变方式均能提高S30408的屈服强度。相同预应变量下,三种预应变方式对屈服强度的提高量差别较小,拉扭预应变对屈服强度的提高略高于另两种预应变方式。预应变量对屈服强度的影响较大,预应变量越大,屈服强度越高。其中,3%的拉扭预应变对屈服强度的提高量为28.31%,而5%的拉扭预应变对屈服强度的提高量达到44.27%。屈服强度提高使得许用应力增大,减小了容器壁厚,可实现轻量化生产。

(2)虽然室温下的预应变处理可以提高S30408不锈钢的屈服强度,但其在室温下的疲劳寿命均有所减少。相比于未预应变处理的试样,经过三种室温预应变处理后,材料的疲劳寿命降低量在40%以内。因此,在承受疲劳载荷的压力容器设计过程中需要谨慎使用。

(3)室温预应变下塑性应变累积速率与马氏体相变速率呈现出相关性,塑性应变累积速率越大则马氏体相变速率越大。然而材料在疲劳失效时塑性应变累积总量和马氏体相变总量并没有呈现出太大相关性。预应变量对S30408不锈钢的塑性应变累积速率影响较小。循环应变幅值对S30408不锈钢的塑性应变累积速率影响比较明显,循环应变幅值越大则塑性应变累积速率越大。

(4)未应变强化的S30408不锈钢在室温和-163℃下的疲劳性能差异明显。S30408不锈钢-163℃下循环应力响应较高,且循环试验过程中应力响应在循环初期就快速增加到一定水平,随后一直保持该应力水平直至疲劳失效。由于-163℃下塑性应变幅明显低于室温下塑性应变幅,每圈循环产生的塑性应变较小,因此S30408不锈钢在-163℃下疲劳寿命较高。

(5)PLT处理会使得材料起始马氏体含量高于相同预应变量下PRT处理,PLT更容易诱导马氏体相变的发生。但是其马氏体起始含量要低于PRT-C300LT方式的马氏体起始含量,低温循环处理比低温预拉伸处理更容易诱导马氏体产生,进而获得更高的循环应力响应。

(6)综合对比了PRTPLT以及PRT-C300LT三种应变强化方式对S30408不锈钢力学性能的影响。其中PRT-C300LT方式的强化效果最好。该应变强化方式可以产生更多的马氏体相变,进而使材料具有更高的循环应力响应。同时,马氏体含量在预应变过程中就已经达到饱和,循环试验过程中马氏体含量增长不再明显,使得材料在循环过程中不再发生硬化或软化过程进而强化效果更稳定。由于低温下马氏体相变方式有两种,分别为奥氏体相γ→α'马氏体,奥氏体相γ→ε马氏体→α'马氏体,而室温下马氏体相变为奥氏体相γ→α'马氏体。ε马氏体相对于α'马氏体来说较软,有利于材料塑性提高。因此,PRT-C300LT后循环过程中塑性应变幅较低,疲劳寿命高于其余两种应变强化方式,且高于未预应变试样的疲劳寿命。

本文主要创新点有以下几点:

(1)通过对比未预应变的S30408不锈钢低温和室温下疲劳性能差异,发现低温下马氏体相变量较高,应力响应较高;同时低温下塑性应变幅较低,疲劳寿命较高。

(2)通过对比室温下拉伸预应变、扭转预应变以及拉扭预应变对S30408不锈钢力学性能的影响,发现三种预应变方式均能提高屈服强度,但疲劳寿命会发生降低。

(3)利用S30408不锈钢在低温下循环初始阶段快速硬化的特点,提出一种新的应变强化方式,即室温预应变后再低温循环300圈。并将其与室温预应变和低温预应变进行对比,发现该方式可以使材料具有更高的循环应力响应和疲劳寿命。

展望

我国在应变强化技术方面的相关研究相对来说起步较晚,我国的应变强化技术水平与国外发达国家还具有一定的差距。深冷条件下应变强化对材料疲劳性能的影响、复杂载荷下的疲劳分析等问题还有待于更深入研究。本文对室温和低温下多种应变强化方式进行了比较,对S30408不锈钢低温性能进行了研究,但还有以下几点有待继续深入研究:

(1)本文在研究室温下扭转预应变、拉伸预应变以及拉扭预应变对材料多轴疲劳试验的影响时仅考虑了对比例加载路径的影响情况,预应变对非比例加载路径循环试验的影响还有待进一步的研究。

(2)本文在研究应变强化后S30408不锈钢低温疲劳性能时仅考虑了拉伸预应变对其低温疲劳性能的影响,而未考虑扭转预应变对其低温疲劳性能的影响。扭转预应变和拉伸预应变对S30408不锈钢低温疲劳性能影响的差异有待进一步研究。