0Cr18Ni9Ti不銹鋼材料單軸應(yīng)力塑性變形研究

李興民

目前，奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9Ti以其優(yōu)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(jīng)得到廣泛應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)證明，0Cr18Ni9Ti在單軸應(yīng)力作用下的拉伸曲線沒有明顯的彈性變形階段，該力學(xué)特性將導(dǎo)致某些核電產(chǎn)品進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，在應(yīng)力較低的情況下就會出現(xiàn)一定的殘余變形。因此，對0Cr18Ni9Ti進(jìn)行單軸應(yīng)力下的塑性變形試驗(yàn)研究有非常重要的意義。

為了掌握0Cr18Ni9Ti的單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，了解其在單軸應(yīng)力作用下的塑性變形規(guī)律，對該材料進(jìn)行一系列單軸拉伸塑性變形試驗(yàn)研究，重點(diǎn)分析循環(huán)加載和蠕變變形等因素對其塑性變形發(fā)展規(guī)律的影響，為今后產(chǎn)品的研發(fā)和測試提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備采用長春試驗(yàn)機(jī)研究所出產(chǎn)的CSS-44300電子萬能試驗(yàn)機(jī)，測控系統(tǒng)為德國D0LI公司的EDC120/60數(shù)字控制器，應(yīng)用軟件為TesetExpert.NET,應(yīng)變引伸計(jì)型號為YJY-12（引申計(jì)標(biāo)距為25 mm，測量范圍為20%）。載荷傳感器及應(yīng)變引伸計(jì)信號通道的測量相對誤差均小于±0.5%，引伸計(jì)精度為0.001 mm。借助TesetExpert.NET應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制和數(shù)據(jù)采集。

1.2 試驗(yàn)溫度及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)溫度選取室溫，試樣為0Cr18Ni9Ti棒材試樣（10 mm×50 mm），沿結(jié)構(gòu)母材縱向取樣。為確保材料結(jié)構(gòu)組織均勻，力學(xué)性能穩(wěn)定，將材料母材經(jīng)過相應(yīng)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(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

為確定0Cr18Ni9Ti在常溫單向應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，并進(jìn)一步確定塑性變形的變化趨勢，利用電子萬能試驗(yàn)機(jī)得出材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（見圖 2）。

圖2 材料應(yīng)力—應(yīng)變曲線示意圖

試驗(yàn)結(jié)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(gè)加載過程，即當(dāng)材料所承受應(yīng)力尚未達(dá)到屈服強(qiáng)度（220 MPa） 時(shí)就已經(jīng)發(fā)生塑性變形。由塑性力學(xué)知識可知，通常某一點(diǎn)線應(yīng)變ε由彈性應(yīng)變εe和塑性（殘余） 應(yīng)變εp兩部分組成。

即

則塑性變形經(jīng)推導(dǎo)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(yīng)力（MPa）；l—引伸計(jì)標(biāo)距 （mm）；E—彈性模量 （MPa），E=2．04×105MPa。

由上述公式可得材料在各應(yīng)力狀態(tài)下的塑性變形值（見表1）。

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

3 塑性變形試驗(yàn)研究

前面所做的材料特性試驗(yàn)僅考慮了靜載下單次拉伸時(shí)的塑性變形結(jié)果，而結(jié)構(gòu)材料在服役過程中要經(jīng)受循環(huán)加卸載及產(chǎn)生蠕變變形，而對于大多數(shù)金屬材料，變形過程中的時(shí)間尺度對作用力與塑性變形之間的關(guān)系有著極為重要的影響，因此必須考慮時(shí)間因素和加卸載次數(shù)對試驗(yàn)結(jié)果的影響。

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

圖3 加卸載方式示意圖

表1 各應(yīng)力狀態(tài)下的塑性變形值

為了得出循環(huán)加載和蠕變變形對材料塑性變形的影響所設(shè)計(jì)的塑性變形試驗(yàn)包含兩部分： (1)循環(huán)加載試驗(yàn)：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(chǎn)品構(gòu)件在服役過程中加卸載次數(shù)僅為10次左右，因此試驗(yàn)選擇反復(fù)加載及卸載10次以上，記錄試驗(yàn)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(huán)加載試驗(yàn)：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(yàn)相同） 然后以同樣的速度卸載至0 MPa，如此分別反復(fù)加載及卸載12次，記錄試驗(yàn)過程中施加載荷及試樣的殘余變形值（見圖3b）。

3.1 循環(huán)加載對塑性變形的影響

按照上述的試驗(yàn)條件執(zhí)行循環(huán)加載試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中保證加載速率和環(huán)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(yīng)力水平下的殘余變形累加趨勢（見圖4）。

圖4 循環(huán)加載對應(yīng)殘余變形圖

可以看出，四種載荷水平所對應(yīng)的殘余變形累加趨勢大致相同。隨著加卸載次數(shù)的增加，殘余變形由逐次遞增后趨于平穩(wěn)。其中，前三種殘余變形值在達(dá)到0．002 5 mm左右就不再增加，而最后一種載荷所對應(yīng)的殘余變形值則保持在0．034 mm附近。即隨著循環(huán)次數(shù)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(dòng)的影響后可以得出以下結(jié)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(guān)；（2） 前10次的加卸載循環(huán)對塑性變形累加影響較大，而后續(xù)的應(yīng)力循環(huán)對塑性變形的累加影響較小。即先前的應(yīng)變循環(huán)導(dǎo)致了材料明顯的循環(huán)硬化，抑制了后繼應(yīng)力循環(huán)時(shí)殘余變形的累加，從而抑制了后繼棘輪現(xiàn)象的產(chǎn)生。

3.2 含蠕變循環(huán)加載對塑性變形的影響

按照上述的試驗(yàn)條件執(zhí)行含蠕變循環(huán)加載試驗(yàn)，分別得到60 MPa，80 MPa，100 MPa和200 MPa應(yīng)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(jīng)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(yàn)結(jié)果可以看出：（1） 當(dāng)應(yīng)力水平低于0Cr18Ni9Ti的屈服強(qiáng)度時(shí)，在室溫恒載條件下隨時(shí)間的延長也可以逐漸產(chǎn)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(huán)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(yīng)力保持30 min的過程中積累的大量的塑性變形使材料內(nèi)部晶格發(fā)生畸變，并引起位錯(cuò)密度增加，最終導(dǎo)致材料強(qiáng)化，致使后期加載難以產(chǎn)生很大的塑性殘余變形。因測量數(shù)值的波動(dòng)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(qiáng)化后殘余變形最終也將趨向平穩(wěn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

從200 MPa載荷循環(huán)加載試驗(yàn)和含蠕變循環(huán)加載試驗(yàn)應(yīng)力-變形曲線中可以看出，含蠕變的循環(huán)加載試驗(yàn)將產(chǎn)生更大的殘余變形（見圖6），兩種加載方式最終都能趨向穩(wěn)定。

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

5 結(jié)語

（1） 0Cr18Ni9Ti的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)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(gè)變形過程中塑性變形起主導(dǎo)作用。

（2）0Cr18Ni9Ti的塑性變形依賴于加載歷史和載荷水平，在循環(huán)載荷的作用下塑性變形不斷累加，出現(xiàn)棘輪現(xiàn)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(yīng)提高。

圖5 蠕變變形對應(yīng)殘余變形圖

圖6 200 MPa時(shí)兩種試驗(yàn)對應(yīng)加載歷史曲線示意圖

圖7 蠕變試驗(yàn)各載荷對應(yīng)殘余變形變化趨勢示意圖

（3） 當(dāng)循環(huán)加載考慮蠕變變形因素時(shí)，0Cr18Ni9Ti的塑性變形累加量將遠(yuǎn)大于不考慮蠕變影響時(shí)的塑性變形累加量。室溫蠕變是產(chǎn)生塑性變形的主要因素，也是進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不可忽視的一個(gè)因素。

（4） 0Cr18Ni9Ti在有蠕變變形時(shí)的循環(huán)加載試驗(yàn)中，達(dá)到安定狀態(tài)的循環(huán)次數(shù)相對少一些，說明蠕變對循環(huán)加載時(shí)材料達(dá)到安定狀態(tài)有促進(jìn)作用。

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