【摘要】：固溶態(tài)奧氏體不銹鋼具有較高的抗拉強(qiáng)度和極好的塑性指標(biāo),但因其屈服強(qiáng)度較低而使通常設(shè)計(jì)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(jì)性較差。采用應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)來制造奧氏體不銹鋼容器能顯著提高材料的屈服強(qiáng)度,減薄容器的設(shè)計(jì)壁厚,減少容器的用鋼消耗,從而可以實(shí)現(xiàn)壓力容器的輕型化,同時(shí)容器的安全性也能得到保證,因此應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)是一種節(jié)材降耗的綠色制造技術(shù)。 本文對應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用于奧氏體不銹鋼容器的相關(guān)問題進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和試驗(yàn)研究。分析了應(yīng)變強(qiáng)化對奧氏體不銹鋼材料的常溫、低溫和高溫力學(xué)性能的影響；設(shè)計(jì)并制造了奧氏體不銹鋼試驗(yàn)容器,討論了容器應(yīng)變強(qiáng)化的時(shí)機(jī)、處理方式、壓力控制及應(yīng)變測量方法等問題；通過有限元模擬了容器的應(yīng)變強(qiáng)化過程,得到了容器關(guān)鍵部位的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律；探討了應(yīng)變強(qiáng)化對奧氏體不銹鋼材料在高溫氯離子環(huán)境中應(yīng)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(yīng)變強(qiáng)化過程中的兩個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)應(yīng)變速率和應(yīng)變量對奧氏體不銹鋼力學(xué)行為的影響。研究結(jié)果表明,強(qiáng)化過程中應(yīng)變速率不宜過慢,否則材料會(huì)出現(xiàn)鋸齒形屈服效應(yīng),從而對材料的使用性能造成不利影響。室溫下把應(yīng)變量控制在10%以下,在顯著提高S30408奧氏體不銹鋼屈服強(qiáng)度的同時(shí),對材料的常溫和低溫力學(xué)性能影響不大,且強(qiáng)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(jià)指標(biāo),測定了應(yīng)變強(qiáng)化前后含缺陷奧氏體不銹鋼焊縫金屬的常溫?cái)嗔秧g性,得到了原始態(tài)和強(qiáng)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(qiáng)化態(tài)焊縫金屬的屈服強(qiáng)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(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)比較敏感,因此對應(yīng)變強(qiáng)化容器的焊接工藝、焊接質(zhì)量和焊后檢驗(yàn)要求更加嚴(yán)格。 按照現(xiàn)行應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)并制造了低溫操作下的奧氏體不銹鋼試驗(yàn)容器,并對其實(shí)施了應(yīng)變強(qiáng)化過程。采用應(yīng)變片、百分表和周長測量三種方法來測量和控制容器應(yīng)變強(qiáng)化過程中的應(yīng)變量,并對比了三種方法的優(yōu)劣及適用條件。由應(yīng)變強(qiáng)化容器的爆破試驗(yàn)結(jié)果可知,應(yīng)變強(qiáng)化處理后的容器仍保留了良好的塑性儲(chǔ)備,說明容器經(jīng)應(yīng)變強(qiáng)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(yīng)變強(qiáng)化過程的有限元模型,在驗(yàn)證有限元模型可靠性的基礎(chǔ)上,對容器的應(yīng)變強(qiáng)化過程進(jìn)行數(shù)值模擬,得到了容器關(guān)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(yīng)力腐蝕開裂的情況,采用慢應(yīng)變速率試驗(yàn)方法,研究了應(yīng)變強(qiáng)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(yīng)力腐蝕敏感性變化情況。研究發(fā)現(xiàn),隨著應(yīng)變量的增加,S30408奧氏體不銹鋼母材的應(yīng)力腐蝕敏感性呈上升趨勢,其中8%強(qiáng)化態(tài)母材試樣的應(yīng)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(yīng)力腐蝕敏感性相對較低。研究還發(fā)現(xiàn)應(yīng)變強(qiáng)化有利于改善焊縫中存在的焊接殘余應(yīng)力。 開展了應(yīng)力控制模式下的疲勞試驗(yàn),研究應(yīng)變強(qiáng)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(yīng)變幅的增加愈加顯著,而材料經(jīng)應(yīng)變強(qiáng)化后,棘輪行為可以得到明顯的抑制,并且隨著預(yù)應(yīng)變量的增加,棘輪受抑制程度愈加明顯,且應(yīng)力控制下的疲勞壽命也逐步提高。在Hull-Rimmer理論的基礎(chǔ)上,建立適用于不同預(yù)應(yīng)變強(qiáng)化量條件下的奧氏體不銹鋼高溫疲勞壽命預(yù)測方程,預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：TH49;TG142.71

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2679319