奥氏体不锈钢压力容器的应变强化技术的探究

杨进

【摘 要】从基本原理出发，阐述应变强化原理，分析奥氏体不锈钢压力容器应变强化可采取的途径，分别为常温强化模式——Avesta模式，低温强化模式——Ardeform模式。分析可以采取模式的同时对比集中压力容器的标准。对比分析压力容器的标准，能够合理选择奥氏体不锈钢材料的盈利，保证设备的使用性能。文章重点阐述了欧盟 EN13445 压?容器标准的奥氏体不锈钢材料，按照屈服强度选择，该材料的安全系数取值很低，实用性能非常好。

【关键词】压力容器;奥氏体不锈钢;应变强化;屈服

奥氏体不锈钢压力容器本身的性能良好，具备抗高温性能、低温性能，腐蚀性能良好，在实际的使用当中，该材料具备良好的抗拉强度，但是屈服强度方面并不具备优势。在 GB150压?容器标准当中强调了材料的屈服强度、抗拉强度，在选择特殊数值作为安全系数确定材料的许用应力值的方式上，由于奥氏体不锈钢的许用应力值偏低，导致实际的使用无法全面发挥材料的承载能力。面对这种情况人们开始深入研究提高该材料屈服的强度方式。

1.奥氏体不锈钢许用应力值强化的原理

根据奥氏体不锈钢在实际使用当中的拉伸情况，得出下图：

其中，纵轴为应力值，单位MPA;横轴为应变数值，单位%。如图，材料变形的强度超过了材料本身的屈服强度值，达到σk之后卸载，再次施加荷载力，材料应力回到σk之前，整体处于弹性状态。σk 等于材料的新屈服强度，也就是σk>σσ2。

对于比较稳定的奥氏体不锈钢，会因为应变强度产生马氏体，会增加加工硬化率，因为应变力存在，硬化率也会不断增加，缩颈力反而减小，因此延伸率能够达到最佳。马氏体的存在，让变体的择优形成，原本应力集中的现象变得松弛，形成了相变诱导现象。稳定的奥氏体不锈钢在室温的加工下会形成马氏体组织，但是这个过程中存在晶粒细化、晶格扭曲、位错密度增大的情况，从而产生硬化效应。奥氏体不锈钢应变强化这个特征的存在让其能够广泛运用在建筑施工、桥梁施工领域内。在西方国家，欧洲已经将奥氏体不锈钢运用在压力容器领域内。

2.奥氏体?锈钢压?容器应变强化模式的分析

2.1Avesta模式

将奥氏体不锈钢压力容器放在常温下进行应变强化水压试验，会产生8%的塑性变形能力，最大考验提升10%。能够提高奥氏体不锈钢材料的屈服强度、抗拉强度，在该领域内也被称为Cold Stretched Forming。实际上是使用液氮、液氧、液氢等为压力容器的介质，主要在民间使用。瑞典Avesta Sheffield公司在20世纪中期就开始对其进行研究，同时将其运用在多个领域内，同时申请了诸多专利[1]。Avesta Sheffield公司在经过许可之后花费了15年时间研制奥氏体不锈钢应变强化技术，1959年开始，1974年瑞典压力容器技术委员会通过该技术，且在次年纳入标准，即 Cold2stretching D irection———CSD。1977年該技术被西班牙、英国、葡萄牙等众多西欧、南非国家接受，甚至包括澳大利亚与捷克斯洛伐克。瑞典推行的该标准，使用材料为304、316L。

强化后，屈服强度取值约410MPA，用σk表示。作为一种新材料再次计算设计。其中应变强化水压试验压力的计算式为：

2.2Ardeform模式

Arde2Portland公司在研究的过程中，将退火态 301 奥氏体?锈钢容器放置在3/196℃ 的液氮中进行强化水压试验，产生了10～13%的形变，其中13%为最大数值，提升了该不锈钢的抗拉强度，同时在 427℃、20h的再次处理下该材料的抗拉强度再次被提高，因此该方式也被称为Ardeform模式，使用介质为液氮等。在不断地研究过程中，该公司的Alper .R .H对该模式进行具体的分析研究，改变实验条件、实验温度与时间，得出不同的结果。人们针对这个方面的不同研究，总结了该模式应变强化的特征，高强度、高缺口韧性等等。Ardeform模式制造压力容器，主要是将无扩散型面心立方晶格转化，成为体心立方晶格，奥氏体转化为马氏体之后，在指定的时间下再增加室温强度。在这个过程中影响因素有三个，主要为化学因素，让材料具备很好的强度、韧性，方便焊接使用;其次是焊接，会产生收缩力，应变强化的时候与木材强度保持一致，更主要是让焊缝部位圆滑保证焊接质量，这种方式在传统的设计过程中无法满足。最后一个因素是设计。但是需要根据实际情况，因此变形量如果不大于压力容器理论计算的变形量就无需在意。应变强化会让容器朝着最自然的几何形态变化。

2.3两者对比

从不锈钢应变强化的实验分析、实际运用来看，Ardeform模式的应变强度更大，但是对材料也会造成明显的不利影响，成本高且工艺复杂，该技术主要使用在航天领域内。Avesta模式被广泛运用在欧洲国家，使用已经相对成熟[3]。

3.奥氏体?锈钢材?在我国的运用

我国针对这个方面的标准，常规标准为 GB150，但是当温度与设计不相符合的情况下，会选择西方国家选择的数值来进行设计。比如标准选择 GB150、JB4732、温度>100℃的情况下，选择美国使用的一系列标准，但是温度低于100℃的时候，奥氏体不锈钢材料的选择的许用应力值与碳钢取值无差别。因为奥氏体不锈钢材的屈服强度比较堵，许用应力值由屈服强度来决定，也就是说我国奥氏体不锈钢材料在许用应力值方面选取的数值比较低。实际设计当中，基于Avesta模式的运用，在研究上更具有经济价值;但是从设计压力、塑性要求、容器整体结构出发，需要合理考虑具体模式的使用，无论从哪个角度出发，Ardeform模式的使用更适合航天行业。

结语：

使用奥氏体不锈钢压力容器应变强化技术，在具体使用过程中，能节省大量成本，节省材料。其中 Avesta模式的使用经验非常广，市场前景也非常广泛。

参考文献：

[1]杨阳. 分析奥氏体不锈钢压力容器的应变强化技术[J]. 环球市场，2019，000（016）：387.

[2]苏文娟，毛小虎，苏利群，等. 应变强化真空绝热深冷容器的钨极氩弧焊焊接工艺研究[J]. 压力容器，2018，035（010）：1-6.

[3]刘蓉，刘世龙，蒋六保，等. S30408奥氏体不锈钢焊缝应变强化后力学性能试验研究[J]. 焊接技术，2018，047（003）：26-28.

（作者单位：辽宁庆阳特种化工有限公司）