郭雪華,許 蕾,崔民紅

(1.中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司,北京 100101; 2.山東美陵化工設(shè)備股份有限公司,山東 淄博 255000)

奧氏體不銹鋼螺柱經(jīng)常作為承壓法蘭連接結(jié)構(gòu)的緊固件,尤其是當(dāng)容器設(shè)計(jì)溫度低于-100 ℃時(shí),更是成為了主要的螺柱選材。螺柱一旦失效,將嚴(yán)重影響法蘭的密封性能和設(shè)備的本質(zhì)安全。僅做固溶處理的奧氏體不銹鋼螺柱強(qiáng)度較低,如GB/T 150.2—2011(以下簡(jiǎn)稱GB/T 150.2)【1】中規(guī)定S31608和S30408在室溫下的屈服強(qiáng)度Rp0.2僅為205 MPa。將奧氏體不銹鋼螺柱進(jìn)行應(yīng)變強(qiáng)化處理是提高螺柱強(qiáng)度的有效措施,并可明顯改善法蘭的密封效果。但目前GB/T 150.2中,奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化螺柱的應(yīng)用范圍很窄,如何在國(guó)標(biāo)框架下擴(kuò)展此類螺柱的應(yīng)用范圍并提供確定許用應(yīng)力的準(zhǔn)則,是工程中迫切需要解決的問題。

1 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化螺柱的規(guī)定

HG/T 20634—2009 規(guī)定,緊固件0Cr17Ni12Mo2 (316)和0Cr18Ni9(304)為低強(qiáng)度螺柱【2】;HG/T 20635—2009中第3.3.7條規(guī)定“低強(qiáng)度緊固件僅用于公稱壓力小于或等于Class300、采用非金屬平墊片的法蘭接頭,不應(yīng)使用于劇烈循環(huán)的工況”,且在該標(biāo)準(zhǔn)的表3.3.10中指出,纏繞墊僅可匹配中、高強(qiáng)度螺柱【3】。GB/T 150.2僅規(guī)定了S30408不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化螺柱在設(shè)計(jì)溫度不超過50 ℃、螺柱規(guī)格不大于M27時(shí)的強(qiáng)度指標(biāo),即材料標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值(Rm,以下簡(jiǎn)稱抗拉強(qiáng)度)、室溫屈服強(qiáng)度(Rp0.2,以下簡(jiǎn)稱屈服強(qiáng)度)和斷后伸長(zhǎng)率,如表1所示。表1限制的應(yīng)用范圍很窄,不能滿足實(shí)際工程中對(duì)不銹鋼螺柱的需求。

表1 GB/T 150.2 對(duì)應(yīng)變強(qiáng)化處理的螺柱用鋼要求

2 ASME規(guī)范對(duì)奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化螺柱的規(guī)定

ASME BPVC.II—2023 (以下簡(jiǎn)稱ASME)【4】在SA-193/SA-193M中規(guī)定了高溫用合金鋼不銹鋼螺柱的材料性能,在SA-320/SA-320M中規(guī)定了低溫用合金鋼和奧氏體不銹鋼螺柱的性能。本文以常用的304、316奧氏體不銹鋼螺柱做為研究對(duì)象。因?yàn)镚B/T 1220—2007(以下簡(jiǎn)稱GB/T 1220)【5】對(duì)奧氏體不銹鋼304、316螺柱的化學(xué)成分的規(guī)定與ASME【5】中對(duì)SA-193/SA-320 B8和SA-193/SA-320 B8M化學(xué)成分的規(guī)定是一致的,因此可以認(rèn)為S30408與SA-193/SA-320 B8、S31608與SA-193/SA-320 B8M材料類似。

SA-193/SA-193M和SA-320/SA-320M中Class1對(duì)應(yīng)僅做固溶處理的不銹鋼螺柱,Class2對(duì)應(yīng)固溶+應(yīng)變強(qiáng)化的不銹鋼螺柱。表2為SA-193 B8 經(jīng)過應(yīng)變強(qiáng)化處理的不銹鋼螺柱和未經(jīng)應(yīng)變強(qiáng)化處理的不銹鋼螺柱的許用應(yīng)力對(duì)比。從表2中可以看出:經(jīng)過應(yīng)變強(qiáng)化處理的不銹鋼螺柱的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度明顯高于未經(jīng)應(yīng)變強(qiáng)化處理(固溶狀態(tài))的螺柱。此外,對(duì)于未經(jīng)應(yīng)變強(qiáng)化處理的不銹鋼螺柱,ASME沒有區(qū)分螺柱直徑規(guī)格;但是對(duì)于經(jīng)過應(yīng)變強(qiáng)化處理的不銹鋼螺柱,不僅區(qū)分出了不同直徑對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力,而且還限制了直徑上限(M36);SA-320 B8 Class2的螺柱直徑上限為M40。

表2 SA-193 B8 Class1與SA-193 B8 Class2許用應(yīng)力對(duì)比

ASME的這一規(guī)定主要與不銹鋼螺柱應(yīng)變強(qiáng)化的工藝特點(diǎn)相關(guān)。不銹鋼螺柱的應(yīng)變強(qiáng)化是一種在低于再結(jié)晶溫度(冷加工)的溫度下由于塑性變形造成的強(qiáng)度和硬度升高的現(xiàn)象。這種效應(yīng)是依靠冷拔或其他工藝將尺寸較大的棒或絲材減小到所需求的最終尺寸時(shí)產(chǎn)生的。不銹鋼螺柱越大,需要的不銹鋼棒材尺寸就越大,此時(shí)應(yīng)變強(qiáng)化的效果就會(huì)弱化,因此ASME規(guī)定了應(yīng)變強(qiáng)化的不銹鋼螺柱的直徑上限。從表2中可以看出:ASME中規(guī)格較小的螺柱,其許用應(yīng)力值較大;規(guī)格較大的螺柱,其許用應(yīng)力值較小。這是由于大直徑鋼棒的塑性變形主要發(fā)生在棒的外側(cè)區(qū)域,因此僅在靠近棒料的表面達(dá)到應(yīng)變強(qiáng)化后的強(qiáng)度和硬度;而對(duì)于小直徑的棒料來說,應(yīng)變強(qiáng)化的穿透深度較深,棒料內(nèi)部也可達(dá)到應(yīng)變強(qiáng)化后的強(qiáng)度和硬度,所以小直徑經(jīng)過應(yīng)變強(qiáng)化處理的螺柱的許用應(yīng)力值比大直徑的大。

對(duì)比表1中 GB/T 150.2規(guī)定的S30408(固溶+應(yīng)變強(qiáng)化)螺柱的許用應(yīng)力取值可知:室溫下螺柱規(guī)格不大于M20時(shí),ASME規(guī)范中SA-193 B8 Class2和S30408許用應(yīng)力取值相近;但對(duì)于規(guī)格為M27的螺柱,常溫下GB/T 150.2規(guī)定的許用應(yīng)力值為170 MPa,而ASME規(guī)定的許用應(yīng)力值為不大于130 MPa,兩者差異較大。

3 奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化螺柱的許用應(yīng)力確定方法

直接將ASME規(guī)范和GB/T 150.2中螺柱的許用應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比有不妥之處,這是因?yàn)锳SME對(duì)螺柱許用應(yīng)力的取值方法和GB/T 150.2對(duì)螺柱的許用應(yīng)力的取值方法不一樣。ASME螺柱許用應(yīng)力的取值規(guī)則見表3(表中符號(hào)含義同ASME)。從表3中可以看出:ASME中,應(yīng)變強(qiáng)化的不銹鋼螺柱室溫條件下的應(yīng)力值取“室溫下最小抗拉強(qiáng)度/5”和“室溫下屈服強(qiáng)度下限/4”之小者;高于室溫時(shí),其應(yīng)力值與室溫下最小抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度、指定溫度下的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度、斷裂應(yīng)力、產(chǎn)生0.01%/1 000 h蠕變率的平均應(yīng)力等有關(guān)。

表3 ASME螺柱許用應(yīng)力值的確定準(zhǔn)則

ASME對(duì)于奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化螺柱的許用應(yīng)力取值規(guī)則,有兩處值得探討:

1) 螺柱的作用是對(duì)法蘭進(jìn)行密封時(shí)壓緊墊片,提供足夠的墊片壓緊力;當(dāng)螺柱發(fā)生屈服后密封就會(huì)失效,因此材料的抗拉強(qiáng)度并無用途,無需將抗拉強(qiáng)度作為許用應(yīng)力的判據(jù)之一。在GB/T 150.1—2011(以下簡(jiǎn)稱GB/T 150.1)中,螺柱的許用應(yīng)力僅與設(shè)計(jì)溫度下材料的屈服強(qiáng)度有關(guān)(低于蠕變溫度條件下),這更為合理。

2) ASME規(guī)范中基于屈服強(qiáng)度的材料安全系數(shù),在室溫下是4.0,高于室溫時(shí)是1.5。安全系數(shù)4.0遠(yuǎn)大于1.5。查看奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化螺柱在高溫下的屈服強(qiáng)度值可知,即便在500 ℃時(shí)的屈服強(qiáng)度仍高于室溫下屈服強(qiáng)度的 0.375(即1.5/4)倍。這使得高于室溫情況下螺柱的屈服強(qiáng)度值在確定螺柱許用應(yīng)力時(shí)無應(yīng)用場(chǎng)合,但該值對(duì)于判斷螺柱是否能夠提供足夠的有效密封載荷是至關(guān)重要的。

GB/T 150.1對(duì)不銹鋼螺柱的許用應(yīng)力取值規(guī)則見表4(表中符號(hào)含義同GB/T 150.1)。表4顯示:經(jīng)固溶處理的不銹鋼螺柱在蠕變溫度范圍以內(nèi),許用應(yīng)力取值由屈服強(qiáng)度控制;直徑不超過M22的螺柱,其許用應(yīng)力值為Rp0.2/1.6;M24～M48螺柱的許用應(yīng)力值為Rp0.2/1.5。

表4 GB/T 150.1奧氏體高合金鋼螺柱材料許用應(yīng)力取值

對(duì)于經(jīng)過應(yīng)變強(qiáng)化處理的不銹鋼螺柱許用應(yīng)力的取值方法,GB/T 150.1暫未說明。筆者認(rèn)為,可以把經(jīng)過應(yīng)變強(qiáng)化的不銹鋼螺柱視為低合金鋼、馬氏體合金鋼螺柱。因?yàn)閵W氏體不銹鋼螺柱在應(yīng)變強(qiáng)化過程中,原奧氏體組織由于應(yīng)變誘發(fā)產(chǎn)生了馬氏體組織,從而提高了不銹鋼螺柱的強(qiáng)度及硬度【6】。目前的GB/T 150.2亦參考低合金鋼、馬氏體合金鋼螺柱材料的許用應(yīng)力的取值方法(見表2),其中規(guī)格為M22的經(jīng)過應(yīng)變強(qiáng)化處理后的S30408螺柱,室溫屈服強(qiáng)度為600 MPa,其許用應(yīng)力值為600/3.5=171.4 MPa;規(guī)格為M22～M27的經(jīng)過應(yīng)變強(qiáng)化處理后的S30408螺柱,室溫屈服強(qiáng)度為510 MPa,許用應(yīng)力值為510/3.0=170 MPa。

不管是服務(wù)于理論探究的基礎(chǔ)性研究，還是應(yīng)用性導(dǎo)向的綜合性研究，生產(chǎn)新的知識(shí)是學(xué)科發(fā)展的基本任務(wù)。加州大學(xué)伯克利分校校長(zhǎng)克拉克·科爾在其《大學(xué)的功能》一書指出，對(duì)大學(xué)來說最基本的現(xiàn)實(shí)是，人們普遍認(rèn)識(shí)到新知識(shí)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步最重要的因素。大學(xué)的無形產(chǎn)品是知識(shí)，是我們文化中最有力量的部分，它影響職業(yè)、社會(huì)，甚至國(guó)家興衰。對(duì)高深學(xué)問的探究，是現(xiàn)代大學(xué)存在的合法性基礎(chǔ)。

按照GB/T 150.2制造的S30408和S31608應(yīng)變強(qiáng)化螺柱,當(dāng)設(shè)計(jì)溫度超過50 ℃或直徑超過M27時(shí),建議采用如下方法確定其許用應(yīng)力值:通過高溫拉伸試驗(yàn)測(cè)出屈服強(qiáng)度值,或參考ASME提供的應(yīng)變強(qiáng)化之后的不銹鋼螺柱的屈服強(qiáng)度值,然后按照GB/T 150.1中“低合金鋼、馬氏體合金鋼”螺柱許用應(yīng)力的取值方法(見表4)計(jì)算出其許用應(yīng)力值。即在設(shè)計(jì)溫度未進(jìn)入蠕變范圍時(shí),奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化螺柱的許用應(yīng)力[σ]t取值為:

上述基于屈服強(qiáng)度的材料安全系數(shù)在3.0～3.5之間,考慮到經(jīng)應(yīng)變強(qiáng)化處理的奧氏體不銹鋼螺柱仍具有較好的塑性儲(chǔ)備(斷面收縮率和斷后伸長(zhǎng)率仍較高),認(rèn)為該安全系數(shù)是足夠保守的。

4 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于S30408和S31608應(yīng)變強(qiáng)化螺柱的性能要求

在實(shí)際工程中經(jīng)常用到直徑超過M27的奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化螺柱,將GB/T 150.2對(duì)應(yīng)的適用范圍拓展到更大直徑是必要的。在設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到不銹鋼螺柱同時(shí)需要考慮低溫和高溫工況的情況,將GB/T 150.2中應(yīng)變強(qiáng)化不銹鋼螺柱的設(shè)計(jì)溫度擴(kuò)展到50 ℃以上也是必要。目前國(guó)內(nèi)很多研究和設(shè)計(jì)單位也認(rèn)識(shí)到了提高應(yīng)變強(qiáng)化螺柱溫度上限的必要性。

表5為ASME提供的經(jīng)過應(yīng)變強(qiáng)化的SA-193 B8 Class2(304)材料的屈服強(qiáng)度。表6是按照GB/T 150.2中馬氏體合金鋼螺柱材料的許用應(yīng)力取值方法計(jì)算后得到的S30408的許用應(yīng)力值。對(duì)于公稱直徑>M30的大直徑奧氏體不銹鋼螺柱,由于應(yīng)變強(qiáng)化的程度較弱,以固溶狀態(tài)計(jì)算出的許用應(yīng)力(安全系數(shù)1.5)可能比應(yīng)變強(qiáng)化狀態(tài)更高(安全系數(shù)3.0),此時(shí)應(yīng)按固溶狀態(tài)計(jì)算出的許用應(yīng)力取值。

表5 SA-193 B8 Class2(304)屈服強(qiáng)度

奧氏體不銹鋼螺柱經(jīng)應(yīng)變強(qiáng)化處理后,需保證材料仍具有較充足的塑性儲(chǔ)備。因此可參考ASME的規(guī)定,對(duì)室溫拉伸后的斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率的最小值進(jìn)行限定。本文認(rèn)為這2個(gè)塑性指標(biāo)中,斷后伸長(zhǎng)率更具代表性且更容易在試驗(yàn)時(shí)測(cè)量,GB/T 150.2中僅采用斷后伸長(zhǎng)率這一項(xiàng)指標(biāo)。需要注意的是,GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分 室溫試驗(yàn)方法》(以下簡(jiǎn)稱GB/T 228.1)【7】中試驗(yàn)的原始標(biāo)距L0和ASME規(guī)范中使用的原始標(biāo)距L0=4d0(d0為試件的平行長(zhǎng)度的原始直徑)不同,需要根據(jù)GB/T 17600.2—1998《鋼的伸長(zhǎng)率換算 第2部分 奧氏體鋼》進(jìn)行換算。

ASME規(guī)范中要求了奧氏體不銹鋼螺柱在應(yīng)變強(qiáng)化后的最高允許硬度值,即321 HBW或35 HRC,目的是避免鋼棒的過度硬化。硬度指標(biāo)同樣應(yīng)該在國(guó)標(biāo)的奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化螺柱的性能要求中有所體現(xiàn)。

表7為ASME提供的經(jīng)過應(yīng)變強(qiáng)化處理的SA-193 B8M Class2(316)螺柱的屈服強(qiáng)度。表8是按照國(guó)標(biāo)馬氏體合金鋼螺柱材料的許用應(yīng)力取值方法計(jì)算后得到的S31608應(yīng)變強(qiáng)化螺柱的許用應(yīng)力值。

表7 SA-193 B8 Class2(316)屈服強(qiáng)度

表8 S31608許用應(yīng)力值(國(guó)標(biāo)化處理)

由表7可知,將S31608螺柱進(jìn)行應(yīng)變強(qiáng)化處理后,同樣可以有效提高強(qiáng)度指標(biāo),獲得較高的許用應(yīng)力。ASME規(guī)范給出了應(yīng)變強(qiáng)化螺柱SA-193 B8M Class2(316)在450 ℃以下的許用應(yīng)力,最大螺柱直徑為M36。低溫用應(yīng)變強(qiáng)化螺柱SA-320 B8M Class2的最高使用溫度亦為450 ℃,最大螺柱直徑為M40。SA-193 B8 Class2和SA-320 B8 Class2的最高使用溫度均為550 ℃,最大螺柱直徑分別為M36和M40。

經(jīng)對(duì)比可知,未經(jīng)應(yīng)變強(qiáng)化處理的奧氏體不銹鋼螺柱(固溶態(tài)),S31608的強(qiáng)度總是高于S30408。但公稱直徑≤M20的經(jīng)過應(yīng)變強(qiáng)化處理的S31608螺柱,強(qiáng)度指標(biāo)明顯低于經(jīng)應(yīng)變強(qiáng)化處理的S30408螺柱。再對(duì)螺柱直徑較大時(shí)(公稱直徑≥M22)的情況進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)應(yīng)變強(qiáng)化后的S31608螺柱強(qiáng)度指標(biāo)又會(huì)高于S30408應(yīng)變強(qiáng)化螺柱。這是由于S31608的Ni含量比S30408的高,而Ni屬于穩(wěn)定奧氏體相的元素所致。有研究表明,Ni、Cu含量的提高會(huì)降低變形時(shí)馬氏體的誘發(fā)。在相同應(yīng)變量下,S31608不銹鋼變形誘發(fā)的馬氏體量比S30408少,但是對(duì)于大直徑的S31608來說(中心區(qū)域的應(yīng)變強(qiáng)化程度低),其穩(wěn)定化元素又起了主要作用【6】。

有學(xué)者進(jìn)行了腐蝕試驗(yàn)研究,結(jié)果顯示:在10%的應(yīng)變范圍內(nèi),應(yīng)變強(qiáng)化對(duì)奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性能影響很小【8】;在氧化性和非氧化性的腐蝕溶液中,室溫應(yīng)變強(qiáng)化幾乎未對(duì)奧氏體不銹鋼的耐均勻腐蝕和晶間腐蝕性能產(chǎn)生不利影響。因此不必?fù)?dān)心S31608和S30408經(jīng)應(yīng)變強(qiáng)化處理后耐蝕性能下降的問題。

公稱直徑>M30時(shí),對(duì)照GB/T 150.2中固溶狀態(tài)的S30408、S31608螺柱,雖然經(jīng)應(yīng)變強(qiáng)化后許用應(yīng)力值降低了,但本質(zhì)上其已經(jīng)由低強(qiáng)度螺柱升級(jí)為中強(qiáng)度螺柱,屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度值均有了很大的提高。室溫下屈服強(qiáng)度由205 MPa提高到345 MPa。

表6和表8中,按照國(guó)標(biāo)制造的S30408和S31608不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化螺柱的最大直徑限制均為M36。鑒于前文所述原因,直徑超過M36的經(jīng)應(yīng)變強(qiáng)化處理的奧氏體不銹鋼雖然也可以使用,但是由于橫截面上力學(xué)性能的不均勻度較大,因此許用應(yīng)力更加不容易確定。

對(duì)于S30408和S31608不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化螺柱的設(shè)計(jì)溫度,本文認(rèn)為應(yīng)限制在450 ℃以內(nèi)。因?yàn)檫@種應(yīng)變強(qiáng)化是經(jīng)過冷拔加工實(shí)現(xiàn)的,而奧氏體不銹鋼本身就容易在高溫下發(fā)生應(yīng)力松弛,當(dāng)使用溫度超過450 ℃后,螺柱內(nèi)的應(yīng)變強(qiáng)化效果難以長(zhǎng)時(shí)間維持。此時(shí),若根據(jù)試驗(yàn)室內(nèi)高溫拉伸而確定的力學(xué)性能指標(biāo)來確定應(yīng)變強(qiáng)化螺柱長(zhǎng)期使用的許用應(yīng)力,顯然不夠安全。

此外,經(jīng)應(yīng)變強(qiáng)化處理的S30408和S31608螺柱還應(yīng)符合GB/T 150.2第7.2.5條的有關(guān)要求,應(yīng)進(jìn)行拉伸和沖擊試驗(yàn)(使用溫度低于-100 ℃時(shí))。

5 奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化螺柱的拉伸試驗(yàn)

5.1 S31608螺柱經(jīng)應(yīng)變強(qiáng)化的拉伸試驗(yàn)對(duì)照

對(duì)S31608(固溶)和S31608(固溶+應(yīng)變強(qiáng)化)的φ27 mm鋼棒進(jìn)行了室溫拉伸試驗(yàn)。圖1與圖2 分別為兩者的負(fù)荷-變形曲線,拉伸的鋼棒符合GB/T 1220要求。表9為2個(gè)試件的拉伸試驗(yàn)結(jié)果。從表9可以看出,經(jīng)過應(yīng)變強(qiáng)化處理的S31608鋼棒比僅做固溶處理鋼棒的屈服強(qiáng)度顯著提高,提高率達(dá)到(492.7-336.7)/336.7=46.3%,其屈服強(qiáng)度值(492.7 MPa)也高于ASME規(guī)范中SA-193 B8M Class2的規(guī)定值(450 MPa)。

圖1 S31608(固溶)鋼棒負(fù)荷-變形曲線

圖2 S31608(固溶+應(yīng)變強(qiáng)化)鋼棒負(fù)荷-變形曲線

表9 φ27 mm直徑S31608鋼棒的室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

5.2 S30408螺柱直徑與應(yīng)變強(qiáng)化效果的關(guān)系

對(duì)直徑分別為φ20.25和φ30.00 mm的S30408(固溶+應(yīng)變強(qiáng)化)原始棒料(未加工螺紋之前)進(jìn)行了室溫拉伸試驗(yàn)。圖3與圖4分別為兩者的負(fù)荷-變形曲線,表10為這2個(gè)試件的拉伸試驗(yàn)結(jié)果。GB/T 150.2規(guī)定,S30408固溶處理的螺柱的屈服強(qiáng)度下限為205 MPa。從表10可以看出:經(jīng)過固溶+應(yīng)變強(qiáng)化處理的不銹鋼螺柱和應(yīng)變強(qiáng)化之前相比,屈服強(qiáng)度顯著提高,且均高于SA-193 B8 Class2在室溫下的屈服強(qiáng)度值;但是φ30.00 mm鋼棒屈服強(qiáng)度明顯低于φ20.25 mm鋼棒。這說明經(jīng)過應(yīng)變強(qiáng)化處理的不銹鋼大直徑螺柱,屈服強(qiáng)度雖然有一定程度的改善,但是改善程度較小。

圖3 S30408(固溶+應(yīng)變強(qiáng)化)φ20.25 mm鋼棒負(fù)荷-變形曲線

圖4 S30408(固溶+應(yīng)變強(qiáng)化)φ30.00 mm鋼棒負(fù)荷-變形曲線

表10 S30408(固溶+應(yīng)變強(qiáng)化) 鋼棒的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

5.3 奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化螺柱的高溫拉伸試驗(yàn)

為了考察經(jīng)過固溶+應(yīng)變強(qiáng)化處理的奧氏體不銹鋼螺柱高溫力學(xué)性能,本文對(duì)經(jīng)過固溶+應(yīng)變強(qiáng)化處理的S31608試件分別進(jìn)行了20,100,200,300,400和500 ℃共6個(gè)溫度下的拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)按GB/T 228.2—2015《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第2部分 高溫試驗(yàn)方法》【9】進(jìn)行。

試件采用原始直徑為φ21.9 mm的鋼棒(M24螺柱的滾絲前直徑),切削到φ16 mm,即d0=φ16 mm。試件的原始標(biāo)距為5×16=80 mm。這種切削是因?yàn)樵嚰苽涞男枰?但是由于經(jīng)冷拔鋼棒的應(yīng)變強(qiáng)化部分更偏于表面,表面硬化層被部分切削后會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度降低。因此實(shí)際用于加工螺柱的鋼棒的高溫表現(xiàn)會(huì)優(yōu)于拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表11為S31608(固溶+應(yīng)變強(qiáng)化)φ16 mm試件的高溫拉伸試驗(yàn)數(shù)值。圖5為上述試件的高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果與ASME規(guī)定值的對(duì)比曲線。以S31608(固溶+應(yīng)變強(qiáng)化)φ16 mm試件在200 ℃下拉伸試驗(yàn)為例繪制的負(fù)荷-變形曲線見圖6,其拉伸試驗(yàn)設(shè)備見圖7。

圖7 S31608(固溶+應(yīng)變強(qiáng)化)鋼棒高溫拉伸試驗(yàn)設(shè)備

表11 S31608(固溶+應(yīng)變強(qiáng)化)φ16 mm試件的高溫拉伸試驗(yàn)數(shù)值

從圖5中可以看出,S31608高溫抗拉強(qiáng)度值總體上低于ASME提供的抗拉強(qiáng)度值,但高溫屈服強(qiáng)度高于ASME的規(guī)定值。試件的斷后伸長(zhǎng)率均高于ASME規(guī)定的室溫下最小斷后伸長(zhǎng)率(15%)。

此外,對(duì)經(jīng)過固溶+應(yīng)變強(qiáng)化處理的S30408試件分別進(jìn)行了20,100,200,300,400和500 ℃共6個(gè)溫度下的拉伸試驗(yàn)。試件采用原始直徑為φ21.9 mm的鋼棒(M24螺柱的滾絲前直徑),切削到φ16 mm,即d0=φ16 mm。試件的原始標(biāo)距為5×16=80 mm。表12為經(jīng)應(yīng)變強(qiáng)化處理的S30408試件的高溫拉伸試驗(yàn)數(shù)值。由表12可見,其抗拉強(qiáng)度值總體上低于ASME提供的抗拉強(qiáng)度值,但高溫屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)高于ASME的規(guī)定值。

表12 S30408(固溶+應(yīng)變強(qiáng)化)φ16 mm試件的高溫拉伸試驗(yàn)數(shù)值

對(duì)于不同材料、不同規(guī)格的固溶+應(yīng)變強(qiáng)化處理的奧氏體不銹鋼螺柱進(jìn)行更多的室溫和高溫下的力學(xué)性能試驗(yàn)是非常有必要的,可以填補(bǔ)國(guó)標(biāo)在這方面的空白,并提高國(guó)標(biāo)制定依據(jù)的可靠性。

6 結(jié)語

本文對(duì)比了國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和ASME規(guī)范關(guān)于奧氏體不銹鋼螺柱的相關(guān)規(guī)定,同時(shí),通過不銹鋼螺柱的室溫和高溫拉伸試驗(yàn)更加直觀地介紹了經(jīng)過應(yīng)變強(qiáng)化不銹鋼螺柱和未經(jīng)應(yīng)變強(qiáng)化處理的不銹鋼螺柱的強(qiáng)度區(qū)別,并提出了確定奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化螺柱的許用應(yīng)力的方法。主要結(jié)論如下:

1) 將奧氏體不銹鋼螺柱進(jìn)行應(yīng)變強(qiáng)化處理,是提高螺柱強(qiáng)度的有效措施。

2) 根據(jù)各溫度下的屈服強(qiáng)度,按照GB/T 150.1中馬氏體合金鋼螺柱許用應(yīng)力的取值方法可合理確定奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化螺柱的許用應(yīng)力值。通過高溫拉伸試驗(yàn),可以更準(zhǔn)確地得到不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化螺柱的強(qiáng)度指標(biāo)并確定不同溫度下的許用應(yīng)力取值。

3) 為保證經(jīng)應(yīng)變強(qiáng)化處理的奧氏體不銹鋼螺柱具有足夠的塑性儲(chǔ)備,應(yīng)對(duì)螺柱的斷后伸長(zhǎng)率最小值和硬度最高值提出限制要求。

4) 參照ASME規(guī)范,可擴(kuò)展GB/T 150.2中奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化螺柱的材質(zhì)類型、公稱直徑和適用溫度范圍;經(jīng)應(yīng)變強(qiáng)化處理的S31608螺柱可在工程中發(fā)揮積極作用。