【摘要】：固溶態(tài)奧氏體不銹鋼具有較高的抗拉強度和極好的塑性指標,但因其屈服強度較低而使通常設計制造的奧氏體不銹鋼制壓力容器壁厚較厚,材料利用率低,經(jīng)濟性較差。采用應變強化技術來制造奧氏體不銹鋼容器能顯著提高材料的屈服強度,減薄容器的設計壁厚,減少容器的用鋼消耗,從而可以實現(xiàn)壓力容器的輕型化,同時容器的安全性也能得到保證,因此應變強化技術是一種節(jié)材降耗的綠色制造技術。 本文對應變強化技術應用于奧氏體不銹鋼容器的相關問題進行了系統(tǒng)的理論和試驗研究。分析了應變強化對奧氏體不銹鋼材料的常溫、低溫和高溫力學性能的影響；設計并制造了奧氏體不銹鋼試驗容器,討論了容器應變強化的時機、處理方式、壓力控制及應變測量方法等問題；通過有限元模擬了容器的應變強化過程,得到了容器關鍵部位的應力應變規(guī)律；探討了應變強化對奧氏體不銹鋼材料在高溫氯離子環(huán)境中應力腐蝕開裂敏感性的影響及其對材料高溫棘輪行為的影響規(guī)律。主要研究內(nèi)容如下： 討論了應變強化過程中的兩個關鍵工藝參數(shù)應變速率和應變量對奧氏體不銹鋼力學行為的影響。研究結果表明,強化過程中應變速率不宜過慢,否則材料會出現(xiàn)鋸齒形屈服效應,從而對材料的使用性能造成不利影響。室溫下把應變量控制在10%以下,在顯著提高S30408奧氏體不銹鋼屈服強度的同時,對材料的常溫和低溫力學性能影響不大,且強化效果在100～400℃溫度區(qū)間內(nèi)仍保持較好。 以J積分作為評價指標,測定了應變強化前后含缺陷奧氏體不銹鋼焊縫金屬的常溫斷裂韌性,得到了原始態(tài)和強化態(tài)焊縫金屬的啟裂韌度J1C的表觀值。與原始焊縫性能相比,8%強化態(tài)焊縫金屬的屈服強度僅提高了19%,而J1C表觀值卻下降了近33%。這表明焊縫的性能對應變強化效應比較敏感,因此對應變強化容器的焊接工藝、焊接質(zhì)量和焊后檢驗要求更加嚴格。 按照現(xiàn)行應變強化技術標準設計并制造了低溫操作下的奧氏體不銹鋼試驗容器,并對其實施了應變強化過程。采用應變片、百分表和周長測量三種方法來測量和控制容器應變強化過程中的應變量,并對比了三種方法的優(yōu)劣及適用條件。由應變強化容器的爆破試驗結果可知,應變強化處理后的容器仍保留了良好的塑性儲備,說明容器經(jīng)應變強化處理后的使用安全性可以保證。 基于材料非線性和幾何非線性建立了奧氏體不銹鋼容器應變強化過程的有限元模型,在驗證有限元模型可靠性的基礎上,對容器的應變強化過程進行數(shù)值模擬,得到了容器關鍵部位的受力情況和變形規(guī)律。 針對奧氏體不銹鋼容器在腐蝕性介質(zhì)環(huán)境中服役易發(fā)生應力腐蝕開裂的情況,采用慢應變速率試驗方法,研究了應變強化前后奧氏體不銹鋼母材和焊接接頭在高溫氯離子環(huán)境中的應力腐蝕敏感性變化情況。研究發(fā)現(xiàn),隨著應變量的增加,S30408奧氏體不銹鋼母材的應力腐蝕敏感性呈上升趨勢,其中8%強化態(tài)母材試樣的應力腐蝕敏感性指數(shù)比固溶態(tài)材料高出近一倍。由于奧氏體不銹鋼焊縫中含有一定量的鐵素體,因而在焊縫處斷裂的試樣應力腐蝕敏感性相對較低。研究還發(fā)現(xiàn)應變強化有利于改善焊縫中存在的焊接殘余應力。 開展了應力控制模式下的疲勞試驗,研究應變強化對奧氏體不銹鋼高溫棘輪行為的影響。研究發(fā)現(xiàn),固溶態(tài)材料的棘輪行為隨著應變幅的增加愈加顯著,而材料經(jīng)應變強化后,棘輪行為可以得到明顯的抑制,并且隨著預應變量的增加,棘輪受抑制程度愈加明顯,且應力控制下的疲勞壽命也逐步提高。在Hull-Rimmer理論的基礎上,建立適用于不同預應變強化量條件下的奧氏體不銹鋼高溫疲勞壽命預測方程,預測結果與試驗結果吻合較好。
【學位授予單位】：合肥工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TH49;TG142.71

【參考文獻】

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