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奥氏体不锈钢应变强化工艺及性能研究

文档作者：韩豫1，2 陈学东1 2 刘全坤1 张起侨3 陈从升1 文档来源： 1．合肥工业大学材料科学与工程学院 2．国家压力容器与管道安全工程技术研究中心 3．浙江工业大学化工机械研究所		点击数：	更新时间： 2025年10月21日
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第48卷第2期
2O12年1月
机械工程学报
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
VO1．48 N O．2
Jan． 2012
DoI： 1O．3901／JM E．2012．02．087
奥氏体不锈钢应变强化工艺及性能研究水
韩 豫 ，2 陈学东 ，2 刘全坤 张起侨3 陈从升
(1．合肥工业大学材料科学与工程学院合肥230009；
2．国家压力容器与管道安全工程技术研究中心合肥23003 1：
3．浙江工业大学化工机械研究所杭州3 1 0032)
摘要：针对奥氏体不锈钢延性好但屈服强度低的问题，提出采用应变强化工艺来提高材料屈服强度。分析应变强化工艺中两
个关键工艺参数——应变速度和应变量对材料力学行为的影响，指出应变速度不宜过慢，否则会出现锯齿形屈服行为，对材
料性能造成不利影响。经应变强化后的奥氏体不锈钢在显著提高强度的同时，仍能保持较好的韧性。通过金相组织分析、马
氏体体积分数测定等结果表明，将应变量控制在10％以下，强化后奥氏体组织仅发生少量的a吗氏体相变，对材料的力学性
能影响不大，且材料的微观组织也没有明显变化。研究结果表明，采用应变强化技术在大幅提高奥氏体不锈钢屈服强度的同
时，对材料的其他力学性能均不造成大的影响，从而为压力容器的安全运行提供有力保证，可实现压力容器的轻型化设计，
经济和社会效益显著，应用前景广阔。
关键词：应变强化奥氏体不锈钢强度韧性锯齿形屈服形变马氏体 ．
中图分类号：TH49 TG142
Study on Technique and Properties of Cold Stretching for Austenitic
Stainless Steels
HA N Yu ， CHEN Xuedong ， LIU Quankun ZHANG Qiqiao。CHEN Congsheng
(1．School of Material Science and Engineering，Hefei University of Technology,Hefei 230009；
2．National Technology Research Center on Pressure Vessel and Pipeline Safety Engineering，Hefei 23003 1；
3．Institute ofProcess Equipment and Control Engineering，
Zhejiang University of Technology,Hangzhou 3 1 0032)
Abstract： Cold stretching technique is proposed in order to overcome the shortcomings of low yield strength of anstenitic stainless
steels．The key parameters for cold stretching are strain rate and strain level，their influence on material properties is analyzed．It is
pointed out that excessively small strain rate will lead to occurrence of serrated yielding and plastic instability will be caused，thus the
appropriate strain rate is very important for cold stretching．The strength of stretched steels Can be improved significan tly while its
toughn ess still maintains a hi leve1．M etallographic structure an alysis and content of a martensite test show that when select
reasonable strain level，only a little a martensite can be tran sformed but has no detrimental efect on material properties，an d
microstructure ofpre and post cold stretched steels do not change obviously as wel1．Th e results show that the yield stress ofaustenitic
stainless steels Can be greatly increased when using cold stretching techn ique and other mechan ical properties are not obviously
influenced to guarantee safe running for pressure equipment．With this technique the weight of vessel Can be lighten，which can bring
remarkable economic benefit an d with wide prospect of application．
Key words： Cold stretching Austenitic stainless steels Strength Toughness Serated yielding Deformation martensite
$ 国家高技术研究发展计划(863计划，2009AA044802)、浙江省自然科
学基金(Y1111068)和安徽省教育厅自然科学(KJ2011B045)资助项目。
20110702收到初稿，20111027收到修改稿
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机械工程学报 第48卷第2期
0 前言
奥氏体不锈钢具有良好的综合力学性能和优
异的抗腐蚀性能，是一种应用广泛的压力容器用钢。
通常奥氏体不锈钢屈服强度较低，屈强比小，按照
现行的安全系数，其许用应力由材料的屈服强度决
定，因而导致设计的压力容器壁厚较厚、设备笨重，
材料浪费严重，制造和运输成本较高。利用应变强
化工艺，在确保奥氏体不锈钢原有力学性能不受大
的影响的前提下，使材料发生一部分塑性变形，可
以有效提高奥氏体不锈钢的屈服强度。采用应变强
化后材料新的屈服强度设计的容器，其壁厚通常可
以减薄3O％～5O％，有利于节省材料，降低制造成
本及运输中的能耗，经济效益显著。因此，应变强
化技术是一种节材降耗的绿色制造技术L1 J。
应变强化技术最早于20世纪50年代由瑞典
Avesta公司提出，随后被澳大利亚借鉴L3圳。由于当
时尚缺乏足够的设计和使用经验，在此后的20多年
间，世界其他各国对此技术都持谨慎态度，主要原
因是大多数国家现行的压力容器设计标准都较应变
强化技术保守。因此，出于安全性的考虑，大部分
国家对应变强化技术都采取限制性地使用，且制定
的适用条件较为苛刻 】。近十年来，随着成功使用
的案例和在使用中积累的工程经验越来越多，英国
标准学会[ 、美国机械工程师协会【8]等一些权威标
准机构相继采纳应变强化技术设计制造奥氏体不锈
钢压力容器，但适用的范围仅限于壁厚小于30 mli1
薄壁容器，且只限定在低温环境下使用。
鉴于我国尚无奥氏体不锈钢应变强化技术的
国家标准及行业标准，为了规范该项技术在我国的
应用，国家质量监督检验检疫总局委托全国锅炉压
力容器标准化技术委员会开展了奥氏体不锈钢应变
强化技术制造深冷压力容器的技术评审工作。目前，
相关的研究已经逐步开展起来【9-”】。
本文讨论应变速度和应变量对奥氏体不锈钢
力学行为的影响，对强化前后材料的强度、塑性、
韧性、形变马氏体及微观组织进行深入研究。为应
变强化技术在奥氏体不锈钢压力容器设计中的应用
提供一定的参考。
1 试验方法
大差异，为体现研究的一般性，本文选用同牌号3
个不同批次的材料(1号、2号和3号)，分别测定其
原始及经应变强化后的力学性能以进行对比。试验
采用的单向拉伸试样形状及尺寸如图1所示，其中拉
伸方向平行于钢板轧制方向，试样厚度采用实际板
厚。试验在室温下进行，以0．3 mm／min和3．0 mm／min
两种加载速度(对应名义应变速度为6×l0 S一‘和
6×10_4 S-1)对试样进行拉伸至应变量达到8％后卸
载，然后以10．0 ram／rain的拉伸速度对强化后的试
样进行二次加载至断裂，以测得强化后材料的力学
性能变化情况。
图1 单向拉伸试样(删n)
强化过程中借助引伸计来精确控制应变量，对
部分强化后的拉伸试样，由于其标距中心变形量最
大，因此在该处截取小块试样，利用铁素体仪测定
应变强化前后材料的铁磁体积分数，用x射线衍射
仪(x—ray difraction，XRD)对材料进行具体的物相
分析，并观察试样的微观组织变化。
2 试验结果及分析
2．1 应变速度的影响
两种应变速度下得到的材料工程应力一应变
曲线(应变强化阶段)如图2所示。从图2中可以发
现，当加载速度为3．0 mm／min(6x l S． )时的应力
一应变曲线较光滑，而在0-3 nurgmin(6~10- S-1 的
加载速度下，得到的曲线呈锯齿状。
应变
图2 应变速度对应力一应变曲线的影响
通常对于面心立方(fcc)合金(如奥氏体不锈钢、
试验采用的奥氏体不锈钢牌号为$30408，其化 铝合金等)来说，其塑性变形主要通过位错的滑移进
学成分和力学性能与AISI 304近似，因此通常也称 行。在塑性变形过程中，位错运动是不连续的，其
国产304不锈钢。由于实际材料的力学性能存在较 滑移须越过不规则地分布在滑移面上的障碍来进
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2012年1月 韩豫等：奥氏体不锈钢应变强化工艺及性能研究 89
行，进而产生应力场。而材料内部的溶质原子在位
错所产生的应力场作用下，将通过扩散的方式向其
偏聚，与位错发生交互作用形成Cottrell气团将位
错“钉扎”，阻碍位错运动，从而导致宏观应力的上
升。随后，在外加应力的作用下，位错将克服障碍
继续运动。这种位错被障碍阻拦及其随后克服障碍
继续运动的反复循环，导致了微观上“钉扎”一“脱
钉”过程的重复发生，在宏观上则表现为材料的锯
齿形屈服行为(0-3 mm／min对应的曲线)【】¨ 。相比
而言，在较快的应变速度下，Cottrell气团无法赶上
位错运动并对其实施有效“钉扎”，因此材料的塑性
变形将以均匀稳定的方式进行，宏观表现为应力一
应变曲线较平Jl~(3．0 mm／min对应的曲线)。
由于锯齿形屈服行为有可能导致材料的塑性
失稳，从而影响材料的使用性能。因此在选择应变
强化速度时，应避开材料发生锯齿形屈服的速度范
围，即应变强化速度不宜过慢，因此本文选用3．0
mm／min(6x10-4S- )作为后续试验的加载速度。
2．2 应变量的影响
应变量是决定材料屈服强度的关键参数，应变
量过小，材料强化不充分，节材效果和经济效益不
突出：而应变量过大则会使材料的塑性和韧性造成
过度损失，影响压力容器的安全运行。现行标准要
求控制奥氏体不锈钢应变强化量最大不超过
10％t 51，因此本文对三组材料强化至发生8％的塑
性变形，讨论材料力学性能的变化规律。试验材料
的原始力学性能及经应变强化后的力学性能参数如
下表所列。从表中可以看出，三组材料的原始力学
性能存在较大的差异，各组参数(屈服强度 ．2、抗
拉强度Db和均匀伸长率 的最大值和最小值差值均
超过25％。
表S30408奥氏体不锈钢力学性能试验值
(1)屈服强度。经8％的应变强化后，三组材料
的屈服强度增幅分别为41．3％、72．2％和57．7％，可
见经过一定量的应变强化后，材料的屈服强度增幅
明显，均超过了400 MPa，且材料原始屈服强度越
低，增幅越大。应变强化能提高奥氏体不锈钢屈服
强度的主要原因在于材料在发生塑性变形过程中，
金属内部发生了晶粒碎化、晶粒拉长、位错密度增
加等组织结构的变化，位错的进一步运动受阻，即
塑性变形的继续进行需要更大的外力，从而宏观上
表现为材料的屈服强度提高。
(2)均匀伸长率。上表所列的应变强化后材料
的塑性有一定的损失，具体表现在均匀伸长率上，
三组材料的均匀伸长率损失量分别为7．4％、7．8％和
6．4％。但从材料总的均匀伸长率来看，却都较原始
值有小幅提高，这是由于试验选用的奥氏体不锈钢
属于亚稳态型，在塑性变形过程中会诱发马氏体相
变，相变的结果使材料塑性和强度均得到一定程度
的提高， 通常这一过程称为相变诱发塑性
(Transformation induced plasticity，TRIP)[16-17]。因
此，控制10％以下的应变量，对材料进行应变强化
后其塑性损失不明显。
(3)抗拉强度。观察上表发现，三组试验材料
的抗拉强度试验值随应变强化的进行有小幅增加，
增幅分别为5．2％、4．3％和5．0％。材料抗拉强度的
提高可以由图3来解释：一方面，材料在应变强化
过程中发生马氏体相变，马氏体的硬度比奥氏体高
出很多，使得马氏体硬质粒子分散在较软的奥氏体
基体中，在微观上就增加了位错的钉扎点，新增钉
扎点会使局部应力场发生改变【lq；另一方面，材料
发生塑性变形后使大量位错杂乱地排列于晶体中，
引起位错密度增加，位错缠结等现象。基于上述原
因，材料经应变强化后二次加载，其原先的本构关系
可能会发生一定的变化，从图3中也体现了这一点，
当材料在应变强化阶段，其应力应变曲线(曲线2)与
普通单向应力一应变曲线(曲线1)完全重合，而强化
后的材料在进行二次加载时，曲线2逐渐偏离曲线
l，表明强化后的材料其本构关系已发生变化。同时，
如前文所述，强化后材料的总均匀伸长率 较材料
的原始均匀伸长率 有小幅增加，这就导致试验测
得的强化后材料的抗拉强度ob 高于原始态材料的
抗拉强度 。
(4)韧性。材料静载荷下的韧性即断裂前单位
体积消耗的能量，可以用应力应变曲线包围的面积
来衡量。前文中讨论的材料强度(屈服强度、抗拉强
度)、塑性(均匀伸长率)可以看做是材料的两个独立
存在的力学参量，而韧性则是材料强度与塑性的综
合表现，是一个能量的概念，它既取决于强度又取
决于塑性【l引。图4所示的曲线1是原始态材料的应
力一应变曲线，曲线2是强化后二次加载的应力一
应变曲线，通过对两条曲线所包围的面积进行数值
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机械工程学报 第48卷第2期
b
R
翻
D
一 ) 、 l
， j _
应变g
．
图3 抗拉强度变化示意图
积分，得到曲线1和曲线2各自包围的面积为463．5
和467．2，基本一致，说明发生8％的应变强化后，
材料的韧性并没有下降。此外，通过计算还得到应
变强化过程得到的曲线所包围的面积为61．1，这就
表明，按照传统观点，材料经应变强化后的残余韧
性应该为463．5—61．1=402．4，而实际上强化后材料
的残余韧性为467．2，高出理论值近16％，这～现
象也印证了前文所提的相变诱发塑性原理，即相变
能同时提高材料的强度和塑性，当控制应变量在合
理的范围内，材料的韧性不受影响，从而可达到强
度、塑性和韧性的合理匹配。
806
766
b
倒
D
应变 O444 O·481
图4 韧性变化图
2．3 形变诱发马氏体
如前文所述，$30408奥氏体不锈钢是属于亚稳
态不锈钢，在常温下经塑性变形可能会产生马氏体，
这种马氏体称为“形变诱发马氏体”，该马氏体会导
致材料脆性倾向的增加及抗疲劳强度的降低【l 。奥氏
体相几乎没有磁性，而形变马氏体通常有两种形态，
即￡马氏体和伐 马氏体，其中0【 马氏体具有铁磁性，
因此可以利用奥氏体不锈钢铁磁体积分数的变化来
反映应变强化过程中0【吗氏体体积分数变化情况。
由于上表反映的材料应变强化后力学性能变
化总体趋势一致，因此下文均以第1组材料为例来
讨论。图5是对应变强化前后试样任意l0个点的测
试结果，从图5中可以看出，原始态材料的磁性很
小，10个点的平均值不到1％，此微量磁性可能是
由于钢板本身经机器开平，发生少量的塑性变形所
致。而经过应变强化后的材料，10个测试点的平均
值为3．8‰ 则强化后材料实际生成的0【吗氏体量仅
为3％左右。
簌
测试点位置
图5 应变强化前后材料铁磁性体积分数
由于￡马氏体本身没有磁性，用铁素体仪无法
测定材料内部是否含有￡马氏体及其体积分数的变
化，因此采用x射线衍射仪来测定材料的具体相组
成。图6是原始态和强化态材料的XRD衍射图谱，
观察图6a可以看到原始态材料中除了奥氏体(y)组
织外，存在少量的马氏体( )组织，这与铁素体仪测
试结果相吻合，但没有发现￡马氏体。对比图6b
衍射角201(。)
(b)强化态
图6 XRD衍射图谱
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92 机械工程学报 第48卷第2期
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作者简介：韩豫，男，1983年出生，博士研究生。主要研究方向为压力
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E-mail：hfut-hanyu@163．oom
陈学东，男，1964年出生，博士，研究员，博士研究生导师，合肥通用
机械研究院院长。主要研究方向为压力容器安全工程和含缺陷结构完整
性评定。
E．mail：
刘全坤(通信作者)，男，1945年出生，博士，教授，博士研究生导师。
主要研究方向为模具结构强度设计。

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