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奧氏體不銹鋼應(yīng)變強化工藝及性能研究

文檔作者：韓豫1，2 陳學(xué)東1 2 劉全坤1 張起僑3 陳從升1 文檔來源： 1．合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 2．國家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心 3．浙江工業(yè)大學(xué)化工機械研究所		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年10月21日
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第48卷第2期
2O12年1月
機械工程學(xué)報
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
VO1．48 N O．2
Jan． 2012
DoI： 1O．3901／JM E．2012．02．087
奧氏體不銹鋼應(yīng)變強化工藝及性能研究水
韓 豫 ，2 陳學(xué)東 ，2 劉全坤 張起僑3 陳從升
(1．合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院合肥230009；
2．國家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心合肥23003 1：
3．浙江工業(yè)大學(xué)化工機械研究所杭州3 1 0032)
摘要：針對奧氏體不銹鋼延性好但屈服強度低的問題，提出采用應(yīng)變強化工藝來提高材料屈服強度。分析應(yīng)變強化工藝中兩
個關(guān)鍵工藝參數(shù)——應(yīng)變速度和應(yīng)變量對材料力學(xué)行為的影響，指出應(yīng)變速度不宜過慢，否則會出現(xiàn)鋸齒形屈服行為，對材
料性能造成不利影響。經(jīng)應(yīng)變強化后的奧氏體不銹鋼在顯著提高強度的同時，仍能保持較好的韌性。通過金相組織分析、馬
氏體體積分數(shù)測定等結(jié)果表明，將應(yīng)變量控制在10％以下，強化后奧氏體組織僅發(fā)生少量的a嗎氏體相變，對材料的力學(xué)性
能影響不大，且材料的微觀組織也沒有明顯變化。研究結(jié)果表明，采用應(yīng)變強化技術(shù)在大幅提高奧氏體不銹鋼屈服強度的同
時，對材料的其他力學(xué)性能均不造成大的影響，從而為壓力容器的安全運行提供有力保證，可實現(xiàn)壓力容器的輕型化設(shè)計，
經(jīng)濟和社會效益顯著，應(yīng)用前景廣闊。
關(guān)鍵詞：應(yīng)變強化奧氏體不銹鋼強度韌性鋸齒形屈服形變馬氏體 ．
中圖分類號：TH49 TG142
Study on Technique and Properties of Cold Stretching for Austenitic
Stainless Steels
HA N Yu ， CHEN Xuedong ， LIU Quankun ZHANG Qiqiao。CHEN Congsheng
(1．School of Material Science and Engineering，Hefei University of Technology,Hefei 230009；
2．National Technology Research Center on Pressure Vessel and Pipeline Safety Engineering，Hefei 23003 1；
3．Institute ofProcess Equipment and Control Engineering，
Zhejiang University of Technology,Hangzhou 3 1 0032)
Abstract： Cold stretching technique is proposed in order to overcome the shortcomings of low yield strength of anstenitic stainless
steels．The key parameters for cold stretching are strain rate and strain level，their influence on material properties is analyzed．It is
pointed out that excessively small strain rate will lead to occurrence of serrated yielding and plastic instability will be caused，thus the
appropriate strain rate is very important for cold stretching．The strength of stretched steels Can be improved significan tly while its
toughn ess still maintains a hi leve1．M etallographic structure an alysis and content of a martensite test show that when select
reasonable strain level，only a little a martensite can be tran sformed but has no detrimental efect on material properties，an d
microstructure ofpre and post cold stretched steels do not change obviously as wel1．Th e results show that the yield stress ofaustenitic
stainless steels Can be greatly increased when using cold stretching techn ique and other mechan ical properties are not obviously
influenced to guarantee safe running for pressure equipment．With this technique the weight of vessel Can be lighten，which can bring
remarkable economic benefit an d with wide prospect of application．
Key words： Cold stretching Austenitic stainless steels Strength Toughness Serated yielding Deformation martensite
$ 國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃，2009AA044802)、浙江省自然科
學(xué)基金(Y1111068)和安徽省教育廳自然科學(xué)(KJ2011B045)資助項目。
20110702收到初稿，20111027收到修改稿
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機械工程學(xué)報 第48卷第2期
0 前言
奧氏體不銹鋼具有良好的綜合力學(xué)性能和優(yōu)
異的抗腐蝕性能，是一種應(yīng)用廣泛的壓力容器用鋼。
通常奧氏體不銹鋼屈服強度較低，屈強比小，按照
現(xiàn)行的安全系數(shù)，其許用應(yīng)力由材料的屈服強度決
定，因而導(dǎo)致設(shè)計的壓力容器壁厚較厚、設(shè)備笨重，
材料浪費嚴重，制造和運輸成本較高。利用應(yīng)變強
化工藝，在確保奧氏體不銹鋼原有力學(xué)性能不受大
的影響的前提下，使材料發(fā)生一部分塑性變形，可
以有效提高奧氏體不銹鋼的屈服強度。采用應(yīng)變強
化后材料新的屈服強度設(shè)計的容器，其壁厚通?？?
以減薄3O％～5O％，有利于節(jié)省材料，降低制造成
本及運輸中的能耗，經(jīng)濟效益顯著。因此，應(yīng)變強
化技術(shù)是一種節(jié)材降耗的綠色制造技術(shù)L1 J。
應(yīng)變強化技術(shù)最早于20世紀50年代由瑞典
Avesta公司提出，隨后被澳大利亞借鑒L3圳。由于當
時尚缺乏足夠的設(shè)計和使用經(jīng)驗，在此后的20多年
間，世界其他各國對此技術(shù)都持謹慎態(tài)度，主要原
因是大多數(shù)國家現(xiàn)行的壓力容器設(shè)計標準都較應(yīng)變
強化技術(shù)保守。因此，出于安全性的考慮，大部分
國家對應(yīng)變強化技術(shù)都采取限制性地使用，且制定
的適用條件較為苛刻 】。近十年來，隨著成功使用
的案例和在使用中積累的工程經(jīng)驗越來越多，英國
標準學(xué)會[ 、美國機械工程師協(xié)會【8]等一些權(quán)威標
準機構(gòu)相繼采納應(yīng)變強化技術(shù)設(shè)計制造奧氏體不銹
鋼壓力容器，但適用的范圍僅限于壁厚小于30 mli1
薄壁容器，且只限定在低溫環(huán)境下使用。
鑒于我國尚無奧氏體不銹鋼應(yīng)變強化技術(shù)的
國家標準及行業(yè)標準，為了規(guī)范該項技術(shù)在我國的
應(yīng)用，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局委托全國鍋爐壓
力容器標準化技術(shù)委員會開展了奧氏體不銹鋼應(yīng)變
強化技術(shù)制造深冷壓力容器的技術(shù)評審工作。目前，
相關(guān)的研究已經(jīng)逐步開展起來【9-”】。
本文討論應(yīng)變速度和應(yīng)變量對奧氏體不銹鋼
力學(xué)行為的影響，對強化前后材料的強度、塑性、
韌性、形變馬氏體及微觀組織進行深入研究。為應(yīng)
變強化技術(shù)在奧氏體不銹鋼壓力容器設(shè)計中的應(yīng)用
提供一定的參考。
1 試驗方法
大差異，為體現(xiàn)研究的一般性，本文選用同牌號3
個不同批次的材料(1號、2號和3號)，分別測定其
原始及經(jīng)應(yīng)變強化后的力學(xué)性能以進行對比。試驗
采用的單向拉伸試樣形狀及尺寸如圖1所示，其中拉
伸方向平行于鋼板軋制方向，試樣厚度采用實際板
厚。試驗在室溫下進行，以0．3 mm／min和3．0 mm／min
兩種加載速度(對應(yīng)名義應(yīng)變速度為6×l0 S一‘和
6×10_4 S-1)對試樣進行拉伸至應(yīng)變量達到8％后卸
載，然后以10．0 ram／rain的拉伸速度對強化后的試
樣進行二次加載至斷裂，以測得強化后材料的力學(xué)
性能變化情況。
圖1 單向拉伸試樣(刪n)
強化過程中借助引伸計來精確控制應(yīng)變量，對
部分強化后的拉伸試樣，由于其標距中心變形量最
大，因此在該處截取小塊試樣，利用鐵素體儀測定
應(yīng)變強化前后材料的鐵磁體積分數(shù)，用x射線衍射
儀(x—ray difraction，XRD)對材料進行具體的物相
分析，并觀察試樣的微觀組織變化。
2 試驗結(jié)果及分析
2．1 應(yīng)變速度的影響
兩種應(yīng)變速度下得到的材料工程應(yīng)力一應(yīng)變
曲線(應(yīng)變強化階段)如圖2所示。從圖2中可以發(fā)
現(xiàn)，當加載速度為3．0 mm／min(6x l S． )時的應(yīng)力
一應(yīng)變曲線較光滑，而在0-3 nurgmin(6~10- S-1 的
加載速度下，得到的曲線呈鋸齒狀。
應(yīng)變
圖2 應(yīng)變速度對應(yīng)力一應(yīng)變曲線的影響
通常對于面心立方(fcc)合金(如奧氏體不銹鋼、
試驗采用的奧氏體不銹鋼牌號為$30408，其化 鋁合金等)來說，其塑性變形主要通過位錯的滑移進
學(xué)成分和力學(xué)性能與AISI 304近似，因此通常也稱 行。在塑性變形過程中，位錯運動是不連續(xù)的，其
國產(chǎn)304不銹鋼。由于實際材料的力學(xué)性能存在較 滑移須越過不規(guī)則地分布在滑移面上的障礙來進
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2012年1月 韓豫等：奧氏體不銹鋼應(yīng)變強化工藝及性能研究 89
行，進而產(chǎn)生應(yīng)力場。而材料內(nèi)部的溶質(zhì)原子在位
錯所產(chǎn)生的應(yīng)力場作用下，將通過擴散的方式向其
偏聚，與位錯發(fā)生交互作用形成Cottrell氣團將位
錯“釘扎”，阻礙位錯運動，從而導(dǎo)致宏觀應(yīng)力的上
升。隨后，在外加應(yīng)力的作用下，位錯將克服障礙
繼續(xù)運動。這種位錯被障礙阻攔及其隨后克服障礙
繼續(xù)運動的反復(fù)循環(huán)，導(dǎo)致了微觀上“釘扎”一“脫
釘”過程的重復(fù)發(fā)生，在宏觀上則表現(xiàn)為材料的鋸
齒形屈服行為(0-3 mm／min對應(yīng)的曲線)【】¨ 。相比
而言，在較快的應(yīng)變速度下，Cottrell氣團無法趕上
位錯運動并對其實施有效“釘扎”，因此材料的塑性
變形將以均勻穩(wěn)定的方式進行，宏觀表現(xiàn)為應(yīng)力一
應(yīng)變曲線較平Jl~(3．0 mm／min對應(yīng)的曲線)。
由于鋸齒形屈服行為有可能導(dǎo)致材料的塑性
失穩(wěn)，從而影響材料的使用性能。因此在選擇應(yīng)變
強化速度時，應(yīng)避開材料發(fā)生鋸齒形屈服的速度范
圍，即應(yīng)變強化速度不宜過慢，因此本文選用3．0
mm／min(6x10-4S- )作為后續(xù)試驗的加載速度。
2．2 應(yīng)變量的影響
應(yīng)變量是決定材料屈服強度的關(guān)鍵參數(shù)，應(yīng)變
量過小，材料強化不充分，節(jié)材效果和經(jīng)濟效益不
突出：而應(yīng)變量過大則會使材料的塑性和韌性造成
過度損失，影響壓力容器的安全運行?，F(xiàn)行標準要
求控制奧氏體不銹鋼應(yīng)變強化量最大不超過
10％t 51，因此本文對三組材料強化至發(fā)生8％的塑
性變形，討論材料力學(xué)性能的變化規(guī)律。試驗材料
的原始力學(xué)性能及經(jīng)應(yīng)變強化后的力學(xué)性能參數(shù)如
下表所列。從表中可以看出，三組材料的原始力學(xué)
性能存在較大的差異，各組參數(shù)(屈服強度 ．2、抗
拉強度Db和均勻伸長率 的最大值和最小值差值均
超過25％。
表S30408奧氏體不銹鋼力學(xué)性能試驗值
(1)屈服強度。經(jīng)8％的應(yīng)變強化后，三組材料
的屈服強度增幅分別為41．3％、72．2％和57．7％，可
見經(jīng)過一定量的應(yīng)變強化后，材料的屈服強度增幅
明顯，均超過了400 MPa，且材料原始屈服強度越
低，增幅越大。應(yīng)變強化能提高奧氏體不銹鋼屈服
強度的主要原因在于材料在發(fā)生塑性變形過程中，
金屬內(nèi)部發(fā)生了晶粒碎化、晶粒拉長、位錯密度增
加等組織結(jié)構(gòu)的變化，位錯的進一步運動受阻，即
塑性變形的繼續(xù)進行需要更大的外力，從而宏觀上
表現(xiàn)為材料的屈服強度提高。
(2)均勻伸長率。上表所列的應(yīng)變強化后材料
的塑性有一定的損失，具體表現(xiàn)在均勻伸長率上，
三組材料的均勻伸長率損失量分別為7．4％、7．8％和
6．4％。但從材料總的均勻伸長率來看，卻都較原始
值有小幅提高，這是由于試驗選用的奧氏體不銹鋼
屬于亞穩(wěn)態(tài)型，在塑性變形過程中會誘發(fā)馬氏體相
變，相變的結(jié)果使材料塑性和強度均得到一定程度
的提高， 通常這一過程稱為相變誘發(fā)塑性
(Transformation induced plasticity，TRIP)[16-17]。因
此，控制10％以下的應(yīng)變量，對材料進行應(yīng)變強化
后其塑性損失不明顯。
(3)抗拉強度。觀察上表發(fā)現(xiàn)，三組試驗材料
的抗拉強度試驗值隨應(yīng)變強化的進行有小幅增加，
增幅分別為5．2％、4．3％和5．0％。材料抗拉強度的
提高可以由圖3來解釋：一方面，材料在應(yīng)變強化
過程中發(fā)生馬氏體相變，馬氏體的硬度比奧氏體高
出很多，使得馬氏體硬質(zhì)粒子分散在較軟的奧氏體
基體中，在微觀上就增加了位錯的釘扎點，新增釘
扎點會使局部應(yīng)力場發(fā)生改變【lq；另一方面，材料
發(fā)生塑性變形后使大量位錯雜亂地排列于晶體中，
引起位錯密度增加，位錯纏結(jié)等現(xiàn)象。基于上述原
因，材料經(jīng)應(yīng)變強化后二次加載，其原先的本構(gòu)關(guān)系
可能會發(fā)生一定的變化，從圖3中也體現(xiàn)了這一點，
當材料在應(yīng)變強化階段，其應(yīng)力應(yīng)變曲線(曲線2)與
普通單向應(yīng)力一應(yīng)變曲線(曲線1)完全重合，而強化
后的材料在進行二次加載時，曲線2逐漸偏離曲線
l，表明強化后的材料其本構(gòu)關(guān)系已發(fā)生變化。同時，
如前文所述，強化后材料的總均勻伸長率 較材料
的原始均勻伸長率 有小幅增加，這就導(dǎo)致試驗測
得的強化后材料的抗拉強度ob 高于原始態(tài)材料的
抗拉強度 。
(4)韌性。材料靜載荷下的韌性即斷裂前單位
體積消耗的能量，可以用應(yīng)力應(yīng)變曲線包圍的面積
來衡量。前文中討論的材料強度(屈服強度、抗拉強
度)、塑性(均勻伸長率)可以看做是材料的兩個獨立
存在的力學(xué)參量，而韌性則是材料強度與塑性的綜
合表現(xiàn)，是一個能量的概念，它既取決于強度又取
決于塑性【l引。圖4所示的曲線1是原始態(tài)材料的應(yīng)
力一應(yīng)變曲線，曲線2是強化后二次加載的應(yīng)力一
應(yīng)變曲線，通過對兩條曲線所包圍的面積進行數(shù)值
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機械工程學(xué)報 第48卷第2期
b
R
翻
D
一 ) 、 l
， j _
應(yīng)變g
．
圖3 抗拉強度變化示意圖
積分，得到曲線1和曲線2各自包圍的面積為463．5
和467．2，基本一致，說明發(fā)生8％的應(yīng)變強化后，
材料的韌性并沒有下降。此外，通過計算還得到應(yīng)
變強化過程得到的曲線所包圍的面積為61．1，這就
表明，按照傳統(tǒng)觀點，材料經(jīng)應(yīng)變強化后的殘余韌
性應(yīng)該為463．5—61．1=402．4，而實際上強化后材料
的殘余韌性為467．2，高出理論值近16％，這～現(xiàn)
象也印證了前文所提的相變誘發(fā)塑性原理，即相變
能同時提高材料的強度和塑性，當控制應(yīng)變量在合
理的范圍內(nèi)，材料的韌性不受影響，從而可達到強
度、塑性和韌性的合理匹配。
806
766
b
倒
D
應(yīng)變 O444 O·481
圖4 韌性變化圖
2．3 形變誘發(fā)馬氏體
如前文所述，$30408奧氏體不銹鋼是屬于亞穩(wěn)
態(tài)不銹鋼，在常溫下經(jīng)塑性變形可能會產(chǎn)生馬氏體，
這種馬氏體稱為“形變誘發(fā)馬氏體”，該馬氏體會導(dǎo)
致材料脆性傾向的增加及抗疲勞強度的降低【l 。奧氏
體相幾乎沒有磁性，而形變馬氏體通常有兩種形態(tài)，
即￡馬氏體和伐 馬氏體，其中0【 馬氏體具有鐵磁性，
因此可以利用奧氏體不銹鋼鐵磁體積分數(shù)的變化來
反映應(yīng)變強化過程中0【嗎氏體體積分數(shù)變化情況。
由于上表反映的材料應(yīng)變強化后力學(xué)性能變
化總體趨勢一致，因此下文均以第1組材料為例來
討論。圖5是對應(yīng)變強化前后試樣任意l0個點的測
試結(jié)果，從圖5中可以看出，原始態(tài)材料的磁性很
小，10個點的平均值不到1％，此微量磁性可能是
由于鋼板本身經(jīng)機器開平，發(fā)生少量的塑性變形所
致。而經(jīng)過應(yīng)變強化后的材料，10個測試點的平均
值為3．8‰ 則強化后材料實際生成的0【嗎氏體量僅
為3％左右。
簌
測試點位置
圖5 應(yīng)變強化前后材料鐵磁性體積分數(shù)
由于￡馬氏體本身沒有磁性，用鐵素體儀無法
測定材料內(nèi)部是否含有￡馬氏體及其體積分數(shù)的變
化，因此采用x射線衍射儀來測定材料的具體相組
成。圖6是原始態(tài)和強化態(tài)材料的XRD衍射圖譜，
觀察圖6a可以看到原始態(tài)材料中除了奧氏體(y)組
織外，存在少量的馬氏體( )組織，這與鐵素體儀測
試結(jié)果相吻合，但沒有發(fā)現(xiàn)￡馬氏體。對比圖6b
衍射角201(。)
(b)強化態(tài)
圖6 XRD衍射圖譜
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92 機械工程學(xué)報 第48卷第2期
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[19]陳國邦．低溫工程材料【M】．杭州：浙江大學(xué)出版社，
1998．
CHEN Guobang,Cryogenic engineering materials[M]．
Hangzhou：Zhejiang University Press，1 998．
作者簡介：韓豫，男，1983年出生，博士研究生。主要研究方向為壓力
容器輕型化設(shè)計及安全性評定
E-mail：hfut-hanyu@163．oom
陳學(xué)東，男，1964年出生，博士，研究員，博士研究生導(dǎo)師，合肥通用
機械研究院院長。主要研究方向為壓力容器安全工程和含缺陷結(jié)構(gòu)完整
性評定。
E．mail：
劉全坤(通信作者)，男，1945年出生，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師。
主要研究方向為模具結(jié)構(gòu)強度設(shè)計。

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