奧氏體不銹鋼壓力容器的應變強化技術(shù)的探究

楊進

【摘 要】從基本原理出發(fā)，闡述應變強化原理，分析奧氏體不銹鋼壓力容器應變強化可采取的途徑，分別為常溫強化模式——Avesta模式，低溫強化模式——Ardeform模式。分析可以采取模式的同時對比集中壓力容器的標準。對比分析壓力容器的標準，能夠合理選擇奧氏體不銹鋼材料的盈利，保證設(shè)備的使用性能。文章重點闡述了歐盟 EN13445 壓?容器標準的奧氏體不銹鋼材料，按照屈服強度選擇，該材料的安全系數(shù)取值很低，實用性能非常好。

【關(guān)鍵詞】壓力容器;奧氏體不銹鋼;應變強化;屈服

奧氏體不銹鋼壓力容器本身的性能良好，具備抗高溫性能、低溫性能，腐蝕性能良好，在實際的使用當中，該材料具備良好的抗拉強度，但是屈服強度方面并不具備優(yōu)勢。在 GB150壓?容器標準當中強調(diào)了材料的屈服強度、抗拉強度，在選擇特殊數(shù)值作為安全系數(shù)確定材料的許用應力值的方式上，由于奧氏體不銹鋼的許用應力值偏低，導致實際的使用無法全面發(fā)揮材料的承載能力。面對這種情況人們開始深入研究提高該材料屈服的強度方式。

1.奧氏體不銹鋼許用應力值強化的原理

根據(jù)奧氏體不銹鋼在實際使用當中的拉伸情況，得出下圖：

其中，縱軸為應力值，單位MPA;橫軸為應變數(shù)值，單位%。如圖，材料變形的強度超過了材料本身的屈服強度值，達到σk之后卸載，再次施加荷載力，材料應力回到σk之前，整體處于彈性狀態(tài)。σk 等于材料的新屈服強度，也就是σk>σσ2。

對于比較穩(wěn)定的奧氏體不銹鋼，會因為應變強度產(chǎn)生馬氏體，會增加加工硬化率，因為應變力存在，硬化率也會不斷增加，縮頸力反而減小，因此延伸率能夠達到最佳。馬氏體的存在，讓變體的擇優(yōu)形成，原本應力集中的現(xiàn)象變得松弛，形成了相變誘導現(xiàn)象。穩(wěn)定的奧氏體不銹鋼在室溫的加工下會形成馬氏體組織，但是這個過程中存在晶粒細化、晶格扭曲、位錯密度增大的情況，從而產(chǎn)生硬化效應。奧氏體不銹鋼應變強化這個特征的存在讓其能夠廣泛運用在建筑施工、橋梁施工領(lǐng)域內(nèi)。在西方國家，歐洲已經(jīng)將奧氏體不銹鋼運用在壓力容器領(lǐng)域內(nèi)。

2.奧氏體?銹鋼壓?容器應變強化模式的分析

2.1Avesta模式

將奧氏體不銹鋼壓力容器放在常溫下進行應變強化水壓試驗，會產(chǎn)生8%的塑性變形能力，最大考驗提升10%。能夠提高奧氏體不銹鋼材料的屈服強度、抗拉強度，在該領(lǐng)域內(nèi)也被稱為Cold Stretched Forming。實際上是使用液氮、液氧、液氫等為壓力容器的介質(zhì)，主要在民間使用。瑞典Avesta Sheffield公司在20世紀中期就開始對其進行研究，同時將其運用在多個領(lǐng)域內(nèi)，同時申請了諸多專利[1]。Avesta Sheffield公司在經(jīng)過許可之后花費了15年時間研制奧氏體不銹鋼應變強化技術(shù)，1959年開始，1974年瑞典壓力容器技術(shù)委員會通過該技術(shù)，且在次年納入標準，即 Cold2stretching D irection———CSD。1977年該技術(shù)被西班牙、英國、葡萄牙等眾多西歐、南非國家接受，甚至包括澳大利亞與捷克斯洛伐克。瑞典推行的該標準，使用材料為304、316L。

強化后，屈服強度取值約410MPA，用σk表示。作為一種新材料再次計算設(shè)計。其中應變強化水壓試驗壓力的計算式為：

2.2Ardeform模式

Arde2Portland公司在研究的過程中，將退火態(tài) 301 奧氏體?銹鋼容器放置在3/196℃ 的液氮中進行強化水壓試驗，產(chǎn)生了10～13%的形變，其中13%為最大數(shù)值，提升了該不銹鋼的抗拉強度，同時在 427℃、20h的再次處理下該材料的抗拉強度再次被提高，因此該方式也被稱為Ardeform模式，使用介質(zhì)為液氮等。在不斷地研究過程中，該公司的Alper .R .H對該模式進行具體的分析研究，改變實驗條件、實驗溫度與時間，得出不同的結(jié)果。人們針對這個方面的不同研究，總結(jié)了該模式應變強化的特征，高強度、高缺口韌性等等。Ardeform模式制造壓力容器，主要是將無擴散型面心立方晶格轉(zhuǎn)化，成為體心立方晶格，奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體之后，在指定的時間下再增加室溫強度。在這個過程中影響因素有三個，主要為化學因素，讓材料具備很好的強度、韌性，方便焊接使用;其次是焊接，會產(chǎn)生收縮力，應變強化的時候與木材強度保持一致，更主要是讓焊縫部位圓滑保證焊接質(zhì)量，這種方式在傳統(tǒng)的設(shè)計過程中無法滿足。最后一個因素是設(shè)計。但是需要根據(jù)實際情況，因此變形量如果不大于壓力容器理論計算的變形量就無需在意。應變強化會讓容器朝著最自然的幾何形態(tài)變化。

2.3兩者對比

從不銹鋼應變強化的實驗分析、實際運用來看，Ardeform模式的應變強度更大，但是對材料也會造成明顯的不利影響，成本高且工藝復雜，該技術(shù)主要使用在航天領(lǐng)域內(nèi)。Avesta模式被廣泛運用在歐洲國家，使用已經(jīng)相對成熟[3]。

3.奧氏體?銹鋼材?在我國的運用

我國針對這個方面的標準，常規(guī)標準為 GB150，但是當溫度與設(shè)計不相符合的情況下，會選擇西方國家選擇的數(shù)值來進行設(shè)計。比如標準選擇 GB150、JB4732、溫度>100℃的情況下，選擇美國使用的一系列標準，但是溫度低于100℃的時候，奧氏體不銹鋼材料的選擇的許用應力值與碳鋼取值無差別。因為奧氏體不銹鋼材的屈服強度比較堵，許用應力值由屈服強度來決定，也就是說我國奧氏體不銹鋼材料在許用應力值方面選取的數(shù)值比較低。實際設(shè)計當中，基于Avesta模式的運用，在研究上更具有經(jīng)濟價值;但是從設(shè)計壓力、塑性要求、容器整體結(jié)構(gòu)出發(fā)，需要合理考慮具體模式的使用，無論從哪個角度出發(fā)，Ardeform模式的使用更適合航天行業(yè)。

結(jié)語：

使用奧氏體不銹鋼壓力容器應變強化技術(shù)，在具體使用過程中，能節(jié)省大量成本，節(jié)省材料。其中 Avesta模式的使用經(jīng)驗非常廣，市場前景也非常廣泛。

參考文獻：

[1]楊陽. 分析奧氏體不銹鋼壓力容器的應變強化技術(shù)[J]. 環(huán)球市場，2019，000（016）：387.

[2]蘇文娟，毛小虎，蘇利群，等. 應變強化真空絕熱深冷容器的鎢極氬弧焊焊接工藝研究[J]. 壓力容器，2018，035（010）：1-6.

[3]劉蓉，劉世龍，蔣六保，等. S30408奧氏體不銹鋼焊縫應變強化后力學性能試驗研究[J]. 焊接技術(shù)，2018，047（003）：26-28.

（作者單位：遼寧慶陽特種化工有限公司）