拉伸預(yù)應(yīng)變對34CrNiMo6鋼室溫拉伸性能及低周疲勞性能的影響

丁弘歷，郭曉峰，崔 建，高俊翔，王換玉，朝 克

1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.包頭科發(fā)高壓科技有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010；3.內(nèi)蒙古北方重型汽車股份有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010

超高壓容器是指設(shè)計(jì)壓力等于或大于100 MPa 的容器，其被廣泛應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域中的低密度聚乙烯生產(chǎn)、食品超高壓殺菌、等靜壓技術(shù)和人造水晶等領(lǐng)域［1］。目前，我國超高壓容器已達(dá)數(shù)千臺(tái)，這類容器在服役過程中所承受的極端高壓條件對設(shè)備性能及結(jié)構(gòu)完整性提出了極高的要求。為了保證超高壓容器具有超強(qiáng)的承載能力，通常在容器設(shè)計(jì)時(shí)采用自增強(qiáng)技術(shù)來發(fā)掘材料與結(jié)構(gòu)的承載潛力。在容器自增強(qiáng)的過程中，其筒體結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定的預(yù)應(yīng)變，而不同的預(yù)應(yīng)變量會(huì)對材料的拉伸性能和疲勞性能產(chǎn)生顯著的影響［2-3］。

近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者研究了預(yù)應(yīng)變對材料拉伸與疲勞性能的影響。Peng等［4］利用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡和X 線衍射儀觀察了預(yù)應(yīng)變對316L 奧氏體不銹鋼顯微組織的影響，通過室溫拉伸實(shí)驗(yàn)研究了預(yù)應(yīng)變對材料力學(xué)性能的影響。Kim 等［5］通過對不同預(yù)應(yīng)變水平下的AISI-304L試樣進(jìn)行低溫拉伸試驗(yàn)，研究了預(yù)應(yīng)變對其力學(xué)特性的影響，結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)變在提高材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的同時(shí)，降低了材料的塑性。此外，許多學(xué)者還研究了預(yù)應(yīng)變對疲勞壽命的影響。Ji等［6］在扭轉(zhuǎn)預(yù)應(yīng)變試驗(yàn)基礎(chǔ)上，開展了預(yù)應(yīng)變前后的室溫疲勞試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，304 不銹鋼的疲勞壽命隨著扭轉(zhuǎn)預(yù)應(yīng)變幅值的增大呈S 型變化。閆永超等［7］研究了應(yīng)變強(qiáng)化 022Cr17Ni12Mo2 奧氏體不銹鋼的室溫低周疲勞性能，結(jié)果表明，應(yīng)變強(qiáng)化雖然提高了試樣的屈服強(qiáng)度，但降低了疲勞壽命。Zhao等［2］通過不同荷載水平下的疲勞試驗(yàn)研究了拉伸預(yù)應(yīng)變對SAPH440 鋼疲勞性能的影響，結(jié)果表明，SAPH440 鋼的疲勞強(qiáng)度和靜強(qiáng)度隨單軸拉伸預(yù)應(yīng)變水平的增加而增加。其他學(xué)者［8-12］通過疲勞試驗(yàn)研究了預(yù)應(yīng)變對TRIP 鋼疲勞壽命的影響，結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)變提高了TRIP鋼在低壽命區(qū)（Nf<105）的疲勞壽命，但對高壽命區(qū)（Nf>105）的疲勞壽命影響不明顯。綜上所述，雖然國內(nèi)外眾多學(xué)者已經(jīng)在高延性材料尤其是奧氏體不銹鋼的預(yù)應(yīng)變強(qiáng)化方面開展了大量的研究工作，但是有關(guān)預(yù)應(yīng)變對超高壓容器筒體結(jié)構(gòu)材料（低延性高強(qiáng)鋼）室溫拉伸與低周疲勞性能的影響還鮮有報(bào)道。

基于此，本文以超高壓容器用34CrNiMo6 鋼為研究對象，開展拉伸預(yù)應(yīng)變對其室溫拉伸性能與低周疲勞性能的影響研究，以期為保障我國超高壓容器的結(jié)構(gòu)完整性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

包頭科發(fā)高壓科技有限公司提供超高壓容器筒體用國產(chǎn)34CrNiMo6 鋼，管件尺寸為Φ400 mm×100 mm。該材料的化學(xué)成分如表1 所示，化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)EN 10277-5：2008 的要求。對于此厚壁管件，為了避免試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分散，采用線切割技術(shù)沿筒體厚度中心線位置切取試樣。室溫拉伸試樣和低周疲勞試樣分別參照GB/T 228—2010《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》和GB/T 15248—2008《金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)與制備，其中室溫拉伸試樣平行段長為100 mm，直徑為10 mm，試樣幾何尺寸如圖1（a）所示；低周疲勞試樣平行段長為16 mm，直徑為6 mm，試樣幾何尺寸如圖1（b）所示。低周疲勞試樣在機(jī)械加工后，經(jīng)過打磨拋光處理獲得光滑表面，表面粗糙度約0.2 μm。

表1 34CrNiMo6鋼化學(xué)成分 %

圖1 試樣幾何尺寸

采用美國MTS 公司生產(chǎn)Instron5869 型電子拉伸材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸預(yù)應(yīng)變強(qiáng)化試驗(yàn)與室溫拉伸試驗(yàn)，并利用引伸計(jì)對軸向預(yù)應(yīng)變量進(jìn)行測量。其中，拉伸預(yù)應(yīng)變試驗(yàn)的拉伸速率由應(yīng)變控制，應(yīng)變速率為5×10-5s-1，預(yù)應(yīng)變量為1%~6%；室溫拉伸試驗(yàn)的拉伸速率分兩步控制，第一階段由引伸計(jì)進(jìn)行應(yīng)變控制，以測量材料的屈服強(qiáng)度，這一階段應(yīng)變速率為5×10-5s-1，當(dāng)試樣的應(yīng)變水平達(dá)到0.5% 時(shí)，移除引伸計(jì)轉(zhuǎn)由位移控制；第二階段位移控制的速率為1 mm/min，用以測量材料的抗拉強(qiáng)度、伸長率及斷面收縮率。疲勞試驗(yàn)在MTS 647-100KN 電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用美國 MTS 公司的 MTS?632?13F-20 型應(yīng)變引伸計(jì)控制應(yīng)變，應(yīng)變比為-1，波形為三角波，加載速率為0.007 s-1，應(yīng)變幅為±0.5%。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)應(yīng)變強(qiáng)化后拉伸性能

為了研究拉伸預(yù)應(yīng)變對國產(chǎn)34CrNiMo6鋼室溫拉伸性能的影響，本研究首先開展了總預(yù)應(yīng)變量為1%、2%、3%、4%和6%的拉伸預(yù)應(yīng)變試驗(yàn)。圖2 為不同預(yù)應(yīng)變量條件下的典型工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，為了便于比較，將原始試樣（無預(yù)應(yīng)變）應(yīng)力-應(yīng)變曲線也包括其中。由圖2可知：預(yù)應(yīng)變量為1%、2%、3%、4%、6%試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與原始試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本重合，這也說明了預(yù)應(yīng)變試驗(yàn)的有效性和重復(fù)性。此外，值得注意的是，當(dāng)預(yù)應(yīng)變量達(dá)到6%時(shí)，預(yù)應(yīng)變試樣發(fā)生明顯縮頸。

圖2 不同預(yù)應(yīng)變量下的典型工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

在上述預(yù)應(yīng)變試驗(yàn)基礎(chǔ)上，開展預(yù)應(yīng)變強(qiáng)化后試樣的室溫拉伸試驗(yàn)。典型的預(yù)應(yīng)變強(qiáng)化后拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示，其中將原始試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線也包含其中。由圖3可知，預(yù)應(yīng)變處理后材料的拉伸性能發(fā)生了明顯的變化。為了更好地說明預(yù)應(yīng)變處理后材料力學(xué)性能的變化規(guī)律，試驗(yàn)測得的不同預(yù)應(yīng)變量下的材料屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率和斷面收縮率的變化規(guī)律如圖4所示。

圖3 典型的預(yù)應(yīng)變強(qiáng)化后拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖4（a）可知：與原始試樣相比，在預(yù)應(yīng)變強(qiáng)化初期，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨預(yù)應(yīng)變量的增加而連續(xù)增大，屈服強(qiáng)度由原始試樣時(shí)的988.7 MPa 增加到預(yù)應(yīng)變2%時(shí)的1 001.1 MPa，同時(shí)抗拉強(qiáng)度則由原始試樣的1 106.3 MPa 增加到預(yù)應(yīng)變2%時(shí)的1 117.3 MPa。隨著預(yù)應(yīng)變量的進(jìn)一步增加，預(yù)應(yīng)變4%后材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度繼續(xù)提高，這與Lee 等［13］的研究結(jié)果一致。當(dāng)預(yù)應(yīng)變達(dá)到6%時(shí)，雖然試樣已出現(xiàn)了明顯的屈服，然而材料的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度均出現(xiàn)了顯著的提高。與原始試樣相比，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提高了29%和17%，并且屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度值趨于接近。

與材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨預(yù)應(yīng)變量的變化特征相比，整個(gè)預(yù)應(yīng)變過程中的伸長率和斷面收縮率出現(xiàn)了連續(xù)下降，如圖4（b）所示。由圖4（b）可知：材料的伸長率和斷面收縮率分別由原始試樣的16.32%和51%單調(diào)連續(xù)下降到預(yù)應(yīng)變6%后的10%和29%。這表明拉伸預(yù)應(yīng)變在提高34CrNiMo6鋼強(qiáng)度的同時(shí)，耗散一定的塑性。

圖4 預(yù)應(yīng)變強(qiáng)化后拉伸性能變化

2.2 預(yù)應(yīng)變強(qiáng)化后低周疲勞性能

為了研究預(yù)應(yīng)變處理對材料低周疲勞性能的影響，在預(yù)應(yīng)變強(qiáng)化后拉伸試驗(yàn)基礎(chǔ)上針對預(yù)應(yīng)變未產(chǎn)生縮頸的試樣，開展了預(yù)應(yīng)變強(qiáng)化后的低周疲勞試驗(yàn)研究。設(shè)置預(yù)應(yīng)變水平為1%、2%、3%和4%。

2.2.1 不同預(yù)應(yīng)變水平下的應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線

圖5 為不同預(yù)應(yīng)變水平下材料的應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線，為了方便對比，將原始試樣的應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線也包含其中。由圖5（a）可以看出：無預(yù)應(yīng)變情況下，在整個(gè)循環(huán)變形過程中，原始材料中應(yīng)力幅值隨循環(huán)周次的增加而下降，且拉-壓應(yīng)力幅值基本保持對稱變化。然而，經(jīng)過預(yù)應(yīng)變處理后材料的應(yīng)力-應(yīng)變水平發(fā)生了顯著的變化，由圖5（b）、5（c）和5（d）可知，預(yù)應(yīng)變對應(yīng)力幅值尤其是壓應(yīng)力幅值產(chǎn)生了顯著影響。與原始試樣相比，隨著預(yù)應(yīng)變水平的增加，循環(huán)過程中壓應(yīng)力幅值衰減程度逐漸降低。

圖5 不同預(yù)應(yīng)變水平下應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線

為了進(jìn)一步分析預(yù)應(yīng)變處理后對不同循環(huán)階段的材料應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線的影響，分別選取不同預(yù)應(yīng)變水平下材料在初始階段、穩(wěn)態(tài)階段和斷裂階段的應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線進(jìn)行對比研究，結(jié)果如圖6 所示。由圖6（a）可知，預(yù)應(yīng)變處理顯著改變了初始循環(huán)階段滯回曲線的形狀。由圖4（a）可知，拉伸預(yù)應(yīng)變可以提高材料的強(qiáng)度，故與原始試樣相比，預(yù)應(yīng)變后的試樣初始階段滯回曲線面積更大，這反映了材料在循環(huán)過程中非彈性應(yīng)變能密度（即滯回曲線面積）顯著變化，也進(jìn)一步揭示了拉伸預(yù)應(yīng)變對材料強(qiáng)度的提高。此外，在這一階段，經(jīng)預(yù)應(yīng)變處理后的材料表現(xiàn)出明顯的拉壓-應(yīng)力幅值不對稱性，即材料具有明顯的Bauschinger 效應(yīng)［13］。隨著循環(huán)的進(jìn)行，不同預(yù)應(yīng)變水平下的材料滯回曲線逐漸進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段，這一階段材料的滯回曲線形態(tài)和面積逐漸趨于穩(wěn)定。由圖6（b）可知：與原始試樣相比，其滯回曲線面積基本一致，預(yù)應(yīng)變后試樣的滯回曲線整體向上平移，表現(xiàn)出類似隨動(dòng)強(qiáng)化的特征。由圖6（c）可知：與穩(wěn)態(tài)階段的滯回曲線相比，在斷裂階段預(yù)應(yīng)變前后試樣的峰值拉應(yīng)力均出現(xiàn)了明顯的降低，且滯回曲線面積逐漸變小，這表明材料在斷裂階段出現(xiàn)了顯著的軟化。

圖6 不同預(yù)應(yīng)變水平下不同階段的壓力-應(yīng)變滯回曲線

2.2.2 循環(huán)響應(yīng)特征曲線

圖7 為不同拉伸預(yù)應(yīng)變水平下拉-壓應(yīng)力幅值及平均應(yīng)力隨循環(huán)周次（N）的演化曲線。由圖7（a）和圖7（b）可知：在循環(huán)拉伸階段，預(yù)應(yīng)變前后材料均呈現(xiàn)明顯的循環(huán)軟化特征，并且1%~4%預(yù)應(yīng)變后的材料拉應(yīng)力幅值均高于原始試樣的拉應(yīng)力幅值；當(dāng)預(yù)應(yīng)變量增加到4%時(shí)，其拉應(yīng)力幅值小于1%~3%預(yù)應(yīng)變試樣的拉應(yīng)力幅值。在循環(huán)壓縮階段，不同預(yù)應(yīng)變水平下材料壓縮階段的應(yīng)力幅值明顯與拉伸階段應(yīng)力幅值具有不對稱性。與原始試樣在壓縮階段連續(xù)軟化的特征相比，1%~4%預(yù)應(yīng)變處理后，材料的壓應(yīng)力幅值隨循環(huán)周次的增加表現(xiàn)出先輕微硬化后保持穩(wěn)定的循環(huán)特征。此外，由圖7（c）可知：未預(yù)應(yīng)變試樣在整個(gè)循環(huán)過程中基本保持拉-壓平衡；經(jīng)拉伸預(yù)應(yīng)變強(qiáng)化后，材料表現(xiàn)出拉壓不對稱現(xiàn)象，平均應(yīng)力隨著預(yù)應(yīng)變水平的增加有大幅度提高，隨著循環(huán)進(jìn)行，平均應(yīng)力逐漸下降，直至斷裂階段平均應(yīng)力基本相近，但仍高于原始試樣。

圖7 不同預(yù)應(yīng)變水平下應(yīng)力幅值及平均應(yīng)力變化

2.2.3 預(yù)應(yīng)變對材料低周疲勞壽命的影響

圖8為0.5%應(yīng)變幅值條件下34CrNiMo6鋼的拉伸預(yù)應(yīng)變量與低周疲勞壽命的關(guān)系。由圖8 可知：在當(dāng)前1%~4%預(yù)應(yīng)變水平下，材料的低周疲勞壽命呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，其中，在1%~3%預(yù)應(yīng)變范圍內(nèi)，材料的低周疲勞壽命連續(xù)單調(diào)增加，并在預(yù)應(yīng)變3%時(shí)疲勞壽命達(dá)到最大值，與原始試樣相比，經(jīng)過3%預(yù)應(yīng)變后材料的低周疲勞壽命（6 363 周）增加了86%。隨著預(yù)應(yīng)變量的進(jìn)一步增加，當(dāng)預(yù)應(yīng)變達(dá)到4%時(shí)，材料的低周疲勞壽命雖略低于3%預(yù)應(yīng)變試樣的疲勞壽命，但仍明顯高于原始試樣的疲勞壽命。在當(dāng)前研究中，經(jīng)預(yù)應(yīng)變強(qiáng)化后材料循環(huán)應(yīng)力幅值增大的情況下，疲勞壽命增加的試驗(yàn)現(xiàn)象與Ji等［6］對304不銹鋼、Robertson 等［8］與 Lambers 等［9］對 TRIP 鋼進(jìn)行預(yù)應(yīng)變研究試驗(yàn)的結(jié)果一致。隨著預(yù)應(yīng)變量的增加，材料拉伸和壓縮階段應(yīng)力幅值所產(chǎn)生的明顯差異以及疲勞壽命的變化均與預(yù)應(yīng)變前后材料微觀組織結(jié)構(gòu)尤其是位錯(cuò)密度及相變的變化密切相關(guān)。

圖8 不同拉伸預(yù)應(yīng)變條件下的疲勞壽命

3 結(jié) 論

本文以超高壓容器用34CrNiMo6鋼為研究對象，研究了拉伸預(yù)應(yīng)變對材料室溫拉伸性能與低周疲勞性能的影響，主要結(jié)論如下：

1）與原始試樣相比，在6%預(yù)應(yīng)變范圍內(nèi)，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨預(yù)應(yīng)變量的增加而增大，但伸延性和斷面收縮率連續(xù)單調(diào)下降。

2）預(yù)應(yīng)變顯著地改變了滯回曲線的應(yīng)力幅值及形狀。與原始試樣相比，預(yù)應(yīng)變后試樣的滯回曲線整體向上移動(dòng)，表現(xiàn)出隨動(dòng)強(qiáng)化的特征。

3）預(yù)應(yīng)變前后材料表現(xiàn)出明顯的拉-壓不對稱性和循環(huán)軟化/硬化特征。

4）在1%~4%預(yù)應(yīng)變水平下，34CrNiMo6 鋼的低周疲勞壽命呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，與原始試樣相比，3%預(yù)應(yīng)變后材料的低周疲勞壽命增加了86%。