摘 要:在不同的低溫環(huán)境下,對(duì)奧氏體不銹鋼進(jìn)行預(yù)拉伸試驗(yàn),研究了溫度對(duì)材料形變馬氏體 含量的影響,并分析了不同形變馬氏體含量對(duì)材料力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:在變形量和應(yīng)變速 率相同的條件下,溫度越低,材料產(chǎn)生的形變馬氏體越多;形變馬氏體變多會(huì)使材料硬化且強(qiáng)度變 大,并導(dǎo)致沖擊試樣缺口處裂紋的擴(kuò)展速率加快,沖擊韌性下降。

關(guān)鍵詞:奧氏體不銹鋼;形變馬氏體;冷加工應(yīng)變;低溫容器

中圖分類(lèi)號(hào):TB31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-4012(2023)01-0001-03

奧氏體不銹鋼具有較高的強(qiáng)度、優(yōu)良的塑性和 韌性以及優(yōu)異的耐腐蝕性能,在石油、化工等領(lǐng)域應(yīng) 用廣泛。研究表明,在冷加工過(guò)程中不銹鋼發(fā)生變 形,使部分奧氏體組織發(fā)生形變,產(chǎn)生了馬氏體[1], 并且不銹鋼的變形量越大,馬氏體的相變量越大。 馬氏體相變會(huì)導(dǎo)致不銹鋼的耐腐蝕性和延伸性降 低,從而導(dǎo)致工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備失效。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者 針對(duì)該問(wèn)題展開(kāi)了研究,研究方法普遍為通過(guò)不同 的應(yīng)變速率和變形量對(duì)奧氏體不銹鋼進(jìn)行預(yù)拉伸, 從而預(yù)制出形變馬氏體,但在一定程度上也間接影 響了材料的力學(xué)性能。筆者選用在冷變形下更容易 產(chǎn)生形變馬氏體的S30408、S30409、S32168奧氏體 不銹鋼,在不同的低溫環(huán)境下對(duì)材料進(jìn)行相同變形 量和應(yīng)變速率的預(yù)拉伸,預(yù)制出不同含量形變馬氏 體的試樣,對(duì)比3種奧氏體不銹鋼的力學(xué)性能,探索 溫度對(duì)奧氏體不銹鋼中馬氏體轉(zhuǎn)變的影響,定量化 表征了馬氏體轉(zhuǎn)變引發(fā)不同材料力學(xué)性能的變化。

影響馬氏體轉(zhuǎn)變的因素主要為奧氏體不銹鋼的 穩(wěn)定性、變形量及應(yīng)變速率。按照奧氏體的穩(wěn)定性, 奧氏體不銹鋼可分為穩(wěn)態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼。 亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼在冷變形下更容易產(chǎn)生馬氏 體,如冷加工后,304鋼、304L鋼和321鋼易產(chǎn)生馬 氏體,而316鋼、316L鋼不產(chǎn)生馬氏體。奧氏體不 銹鋼中的 Ni、N、C、Mn等奧氏體化元素越多,奧氏 體就越穩(wěn)定;而Cr、Mo、Nb等鐵素體化元素在固溶體中具有擴(kuò)散作用,能阻止奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,但 是鐵素體化元素含量過(guò)多會(huì)促使奧氏體向馬氏體、 鐵素體轉(zhuǎn)化。在相同條件下,變形量或應(yīng)變速率越 大,奧氏體不銹鋼產(chǎn)生的形變馬氏體含量越高[2]。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用S30408、S30409及S32168亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不 銹鋼鋼板進(jìn)行試驗(yàn),3種奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分如 表1所示。將3種鋼板加工成尺寸為20 mm× 20mm×800mm(長(zhǎng)×寬×高)的矩形板條試樣。

力學(xué)性能測(cè)試中拉伸試樣的規(guī)格參照 GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫 試驗(yàn)方法》中的R7試樣(平行段直徑為5mm 的棒 狀拉伸試樣);沖擊試樣的規(guī)格參照 GB/T229— 2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》中的 V型 缺口試樣,試樣尺寸為10mm×10mm×55mm (長(zhǎng)×寬×高)。

1.2 試驗(yàn)方法

在-10,-40,-70,-100,-130 ℃及室溫 (20℃)環(huán)境下,對(duì)矩形板條試樣進(jìn)行預(yù)拉伸試驗(yàn), 為了避免高應(yīng)變速率及大變形量對(duì)材料造成應(yīng)變強(qiáng) 化,以0.00025s-1 的應(yīng)變速率將試樣從原始狀態(tài) 拉伸至10%的變形量,從而預(yù)制出形變馬氏體。奧 氏體具有順磁性,馬氏體具有鐵磁性,因此采用 FeritscopeMP30型鐵素體測(cè)量?jī)x,通過(guò)測(cè)量導(dǎo)磁率 的強(qiáng)弱來(lái)分析奧氏體不銹鋼中的形變馬氏體含量。

用鐵素體測(cè)量?jī)x對(duì)預(yù)拉伸后的試樣進(jìn)行測(cè)量 后,在試樣中部進(jìn)行二次取樣,分別進(jìn)行拉伸、沖擊 及硬度測(cè)試,并將測(cè)試結(jié)果與原始材料測(cè)試結(jié)果進(jìn) 行對(duì)比,分析奧氏體不銹鋼中形變馬氏體含量對(duì)材 料力學(xué)性能的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 預(yù)拉伸試驗(yàn)

將3種材料在不同溫度下進(jìn)行預(yù)拉伸,應(yīng)變速 率為0.00025s-1,變形量為10%。預(yù)制出形變馬 氏體后,測(cè)量試樣的形變馬氏體含量,結(jié)果如表2和 圖1所示,可知低溫環(huán)境下奧氏體不銹鋼發(fā)生變形 時(shí),預(yù)拉伸溫度對(duì)形變馬氏體含量的影響較為明顯, 3種材料的形變馬氏體含量均隨溫度的降低而 增加。

2.2 拉伸試驗(yàn)

按照GB/T228.1—2021,對(duì)不同形變馬氏體含 量的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn),結(jié)果如圖2所示。從圖2 可以看出:3種材料隨著形變馬氏體含量的增加,材 料的屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度均有明顯升高,但斷后伸 長(zhǎng)率逐漸降低;當(dāng)3種材料的形變馬氏體含量超過(guò) 5%時(shí),斷后伸長(zhǎng)率均低于標(biāo)準(zhǔn)要求的下限,隨著形 變馬氏體含量的增多,材料的斷后伸長(zhǎng)率降低更為 明顯;當(dāng)3種材料的形變馬氏體含量超過(guò)30%時(shí), 材料的斷后伸長(zhǎng)率約為25%。由此可見(jiàn),較高的形 變馬氏體含量雖提升了材料的強(qiáng)度,但降低了材料 的應(yīng)變?nèi)菹?顯現(xiàn)出不銹鋼材料典型的應(yīng)變強(qiáng)化 特征。

2.3 沖擊試驗(yàn)

按照GB/T229—2020對(duì)不同形變馬氏體含量 的試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn),結(jié)果如圖3所示。從圖3可 以看出:隨著形變馬氏體含量的增加,材料的沖擊吸 收能量逐漸下降,證明了形變馬氏體會(huì)導(dǎo)致材料的 韌性下降。

3種材料在各個(gè)沖擊試驗(yàn)階段的能量測(cè)試結(jié)果 如表3~5所示,可以看出彈性變形能量隨形變馬氏 體含量的增加逐漸增加,說(shuō)明材料發(fā)生彈性形變所 需要的能量逐漸增加,形變馬氏體含量的增加使材 料更難發(fā)生彈性變形,材料韌性逐漸降低;裂紋形成 能量隨形變馬氏體含量的增加逐漸降低,說(shuō)明隨著 形變馬氏體含量的增加,沖擊試樣缺口處更容易產(chǎn) 生裂紋,材料韌性逐漸降低;裂紋擴(kuò)展能量隨著形變 馬氏體含量的增加逐漸降低,說(shuō)明形變馬氏體含量 的增加使沖擊試樣缺口處裂紋的擴(kuò)展速率變大,材 料更容易斷裂。

2.4 硬度測(cè)試

按照GB/T4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度 試驗(yàn) 第1部分:試驗(yàn)方法》對(duì)不同形變馬氏體含量的試樣進(jìn)行硬度測(cè)試,測(cè)試點(diǎn)位于試樣的1/2厚度 位置,3種材料的硬度測(cè)試結(jié)果如圖4所示。由圖4 可以看出:隨著形變馬氏體含量的增加,材料的硬度 也隨之增加;S30408鋼和S30409鋼的硬度增加較 為 明顯,形變馬氏體含量超過(guò)40%時(shí),材料的表面等4個(gè)大類(lèi)對(duì)失效分析案例進(jìn)行劃分(見(jiàn)圖4),從 而滿(mǎn)足不同需求的技術(shù)人員進(jìn)行定向檢索、查找。

3 船舶典型材料失效分析案例數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用 分析

船舶典型材料失效分析數(shù)據(jù)庫(kù)的建立,可以為相 關(guān)失效分析人員提供大量的數(shù)據(jù),以便更好地開(kāi)展相 關(guān)失效分析工作,提高相關(guān)技術(shù)人員的失效分析技能 和水平。同時(shí),船舶典型材料的冶煉企業(yè)、零件的生 產(chǎn)企業(yè)以及產(chǎn)品的使用企業(yè)可以通過(guò)失效分析案例 數(shù)據(jù)庫(kù)了解各種材料、生產(chǎn)工藝以及建造過(guò)程中的薄 弱或易發(fā)事故環(huán)節(jié),從而更好地保障相關(guān)零件安全、 可靠地運(yùn)行。失效分析案例數(shù)據(jù)庫(kù)的建立可讓安全監(jiān)察部門(mén)從眾多的事故案例中,獲取相關(guān)行業(yè)生產(chǎn)或 工程事故的發(fā)生規(guī)律,掌握重大危險(xiǎn)源的情況,并了 解可以承擔(dān)失效技術(shù)分析工作的企業(yè)和專(zhuān)家信息。

4 結(jié)語(yǔ)

船舶典型材料失效分析案例數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)與建 立,是對(duì)船舶系統(tǒng)復(fù)雜載荷和環(huán)境共同作用下的失 效案例進(jìn)行系統(tǒng)收集與整理,實(shí)現(xiàn)眾多失效分析案 例的有效知識(shí)管理,達(dá)到船舶系統(tǒng)典型材料失效分 析數(shù)據(jù)的廣泛共享。該數(shù)據(jù)庫(kù)可為相關(guān)技術(shù)人員的 技術(shù)提升提供數(shù)據(jù)資料,為典型材料零件的安全、可 靠運(yùn)行提供保障。

參考文獻(xiàn):

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