0Cr18Ni9Ti不銹鋼材料單軸應力塑性變形研究

李興民

目前，奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9Ti以其優良的低溫韌性和較高的抗脆性斷裂能力在核電壓力容器的制造中已經得到廣泛應用。實驗證明，0Cr18Ni9Ti在單軸應力作用下的拉伸曲線沒有明顯的彈性變形階段，該力學特性將導致某些核電產品進行水壓試驗時，在應力較低的情況下就會出現一定的殘余變形。因此，對0Cr18Ni9Ti進行單軸應力下的塑性變形試驗研究有非常重要的意義。

為了掌握0Cr18Ni9Ti的單軸應力-應變關系，了解其在單軸應力作用下的塑性變形規律，對該材料進行一系列單軸拉伸塑性變形試驗研究，重點分析循環加載和蠕變變形等因素對其塑性變形發展規律的影響，為今后產品的研發和測試提供基礎數據。

1 試驗條件

1.1 試驗設備

試驗設備采用長春試驗機研究所出產的CSS-44300電子萬能試驗機，測控系統為德國D0LI公司的EDC120/60數字控制器，應用軟件為TesetExpert.NET,應變引伸計型號為YJY-12（引申計標距為25 mm，測量范圍為20%）。載荷傳感器及應變引伸計信號通道的測量相對誤差均小于±0.5%，引伸計精度為0.001 mm。借助TesetExpert.NET應用軟件實現閉環控制和數據采集。

1.2 試驗溫度及試驗材料

試驗溫度選取室溫，試樣為0Cr18Ni9Ti棒材試樣（10 mm×50 mm），沿結構母材縱向取樣。為確保材料結構組織均勻，力學性能穩定，將材料母材經過相應的熱處理后加工制成試樣（見圖1）。

圖1 拉伸試樣示意圖

2 應力-應變關系曲線

為確定0Cr18Ni9Ti在常溫單向應力狀態下的應力-應變關系，并進一步確定塑性變形的變化趨勢，利用電子萬能試驗機得出材料的應力-應變曲線（見圖 2）。

圖2 材料應力—應變曲線示意圖

試驗結果證明該材料沒有明顯的彈性階段，塑性變形幾乎貫穿整個加載過程，即當材料所承受應力尚未達到屈服強度（220 MPa） 時就已經發生塑性變形。由塑性力學知識可知，通常某一點線應變ε由彈性應變εe和塑性（殘余） 應變εp兩部分組成。

即

則塑性變形經推導可得

式中，Δlp—塑性變形值 （mm）；Δl—總變形值（mm）；Δle—彈性變形值 （mm）；σ—應力（MPa）；l—引伸計標距 （mm）；E—彈性模量 （MPa），E=2．04×105MPa。

由上述公式可得材料在各應力狀態下的塑性變形值（見表1）。

可以看出，在整個單向加載過程中隨著載荷的增大，試樣的塑性變形呈現逐漸遞增的趨勢。

3 塑性變形試驗研究

前面所做的材料特性試驗僅考慮了靜載下單次拉伸時的塑性變形結果，而結構材料在服役過程中要經受循環加卸載及產生蠕變變形，而對于大多數金屬材料，變形過程中的時間尺度對作用力與塑性變形之間的關系有著極為重要的影響，因此必須考慮時間因素和加卸載次數對試驗結果的影響。

大量研究表明，常溫下的蠕變現象廣泛存在而且可以對構件的穩定性造成危害。此外，材料在循環載荷作用下產生的塑性變形會逐漸累加，這種現象被稱為棘輪現象。棘輪現象與材料的受力水平和加載歷史有著直接的關系[1～4]。而結構材料中還存在在初始階段少數幾次載荷循環中會產生一定的塑性變形，此后便不再產生新的塑性變形，或者說不會出現塑性疲勞或棘輪現象，這種現象被稱為材料或機構處于安定狀態。

圖3 加卸載方式示意圖

表1 各應力狀態下的塑性變形值

為了得出循環加載和蠕變變形對材料塑性變形的影響所設計的塑性變形試驗包含兩部分： (1)循環加載試驗：即不考慮蠕變因素，試樣以2 MPa/s的速度分別勻速加載到200 MPa，100 MPa，80 MPa，60 MPa然后再以同樣的速度卸載至0 MPa，由于某些核電產品構件在服役過程中加卸載次數僅為10次左右，因此試驗選擇反復加載及卸載10次以上，記錄試驗過程中施加載荷及試樣的殘余變形值（見圖3a）； (2)含蠕變循環加載試驗：試樣以2 MPa/s的速度分別勻速加載到200 MPa，100 MPa，80 MPa，60 MPa 并保持 30 min（與水壓試驗相同） 然后以同樣的速度卸載至0 MPa，如此分別反復加載及卸載12次，記錄試驗過程中施加載荷及試樣的殘余變形值（見圖3b）。

3.1 循環加載對塑性變形的影響

按照上述的試驗條件執行循環加載試驗，在試驗過程中保證加載速率和環境因素一致，分別得到材料的塑性變形在60 MPa，80 MPa，100 MPa和200MPa應力水平下的殘余變形累加趨勢（見圖4）。

圖4 循環加載對應殘余變形圖

可以看出，四種載荷水平所對應的殘余變形累加趨勢大致相同。隨著加卸載次數的增加，殘余變形由逐次遞增后趨于平穩。其中，前三種殘余變形值在達到0．002 5 mm左右就不再增加，而最后一種載荷所對應的殘余變形值則保持在0．034 mm附近。即隨著循環次數的增加，所有殘余變形的累加率都明顯衰退，最后趨于零。在排除儀器測量誤差對殘余變形波動的影響后可以得出以下結論：（1）0Cr18Ni9Ti不銹鋼材料的塑性變形的累加與載荷大小及加載過程有關；（2） 前10次的加卸載循環對塑性變形累加影響較大，而后續的應力循環對塑性變形的累加影響較小。即先前的應變循環導致了材料明顯的循環硬化，抑制了后繼應力循環時殘余變形的累加，從而抑制了后繼棘輪現象的產生。

3.2 含蠕變循環加載對塑性變形的影響

按照上述的試驗條件執行含蠕變循環加載試驗，分別得到60 MPa，80 MPa，100 MPa和200 MPa應力水平下的殘余變形累加趨勢（見圖5）。

可見，在四種載荷水平的作用下，試樣在經歷3～5次加卸載過程后殘余變形也不再遞增，并分別維持在 0.01 mm，0.013 mm，0.017 mm和0.063 mm左右。從試驗結果可以看出：（1） 當應力水平低于0Cr18Ni9Ti的屈服強度時，在室溫恒載條件下隨時間的延長也可以逐漸產生一定量的塑性變形，這種塑性變形屬于材料的室溫蠕變行為。（2）在循環加載后期塑性變形不再累加的原因是由于在前兩次的加載及保載的過程，特別是應力保持30 min的過程中積累的大量的塑性變形使材料內部晶格發生畸變，并引起位錯密度增加，最終導致材料強化，致使后期加載難以產生很大的塑性殘余變形。因測量數值的波動也是由前幾次加載及保載過程中的測量誤差引起的，所以可以判定材料強化后殘余變形最終也將趨向平穩。

4 試驗結果分析

從200 MPa載荷循環加載試驗和含蠕變循環加載試驗應力-變形曲線中可以看出，含蠕變的循環加載試驗將產生更大的殘余變形（見圖6），兩種加載方式最終都能趨向穩定。

從含蠕變的循環加載試驗中各種載荷對應的殘余變形比較圖中可以看出，隨著試驗載荷值的增大，試樣的殘余變形基本呈現遞增趨勢，即載荷水平對含蠕變的循環加載試驗塑性變形累加的影響是很大的（見圖7）。

5 結語

（1） 0Cr18Ni9Ti的應力-應變關系與一般的低碳鋼差別很大，沒有明顯的彈性變形階段，在材料的整個變形過程中塑性變形起主導作用。

（2）0Cr18Ni9Ti的塑性變形依賴于加載歷史和載荷水平，在循環載荷的作用下塑性變形不斷累加，出現棘輪現象；隨著載荷水平的增大，其塑性變形累加總量呈遞增趨勢，棘輪安定性條件也相應提高。

圖5 蠕變變形對應殘余變形圖

圖6 200 MPa時兩種試驗對應加載歷史曲線示意圖

圖7 蠕變試驗各載荷對應殘余變形變化趨勢示意圖

（3） 當循環加載考慮蠕變變形因素時，0Cr18Ni9Ti的塑性變形累加量將遠大于不考慮蠕變影響時的塑性變形累加量。室溫蠕變是產生塑性變形的主要因素，也是進行結構設計時不可忽視的一個因素。

（4） 0Cr18Ni9Ti在有蠕變變形時的循環加載試驗中，達到安定狀態的循環次數相對少一些，說明蠕變對循環加載時材料達到安定狀態有促進作用。

[1]蔡立勛，牛清勇等人.應力循環下T225NG合金塑性累積行為研究 [J].核動力工程.2004(4).

[2]馮忠信，張建中等.金屬材料在循環加載下塑性變形的傳播特性[J].金屬學報.1995，31(8)..

[3]徐尹杰，蔡立勛.棘輪和蠕變條件下材料的附加塑性變形行為研究 [J].航空材料學報，2007，27(6).

[4]徐思浩，沈迅偉.壓力容器的棘輪效應 [J].石油機械，2000，28(4).