0Cr18Ni9Ti不锈钢材料单轴应力塑性变形研究

李兴民

目前，奥氏体不锈钢0Cr18Ni9Ti以其优良的低温韧性和较高的抗脆性断裂能力在核电压力容器的制造中已经得到广泛应用。实验证明，0Cr18Ni9Ti在单轴应力作用下的拉伸曲线没有明显的弹性变形阶段，该力学特性将导致某些核电产品进行水压试验时，在应力较低的情况下就会出现一定的残余变形。因此，对0Cr18Ni9Ti进行单轴应力下的塑性变形试验研究有非常重要的意义。

为了掌握0Cr18Ni9Ti的单轴应力-应变关系，了解其在单轴应力作用下的塑性变形规律，对该材料进行一系列单轴拉伸塑性变形试验研究，重点分析循环加载和蠕变变形等因素对其塑性变形发展规律的影响，为今后产品的研发和测试提供基础数据。

1 试验条件

1.1 试验设备

试验设备采用长春试验机研究所出产的CSS-44300电子万能试验机，测控系统为德国D0LI公司的EDC120/60数字控制器，应用软件为TesetExpert.NET,应变引伸计型号为YJY-12（引申计标距为25 mm，测量范围为20%）。载荷传感器及应变引伸计信号通道的测量相对误差均小于±0.5%，引伸计精度为0.001 mm。借助TesetExpert.NET应用软件实现闭环控制和数据采集。

1.2 试验温度及试验材料

试验温度选取室温，试样为0Cr18Ni9Ti棒材试样（10 mm×50 mm），沿结构母材纵向取样。为确保材料结构组织均匀，力学性能稳定，将材料母材经过相应的热处理后加工制成试样（见图1）。

图1 拉伸试样示意图

2 应力-应变关系曲线

为确定0Cr18Ni9Ti在常温单向应力状态下的应力-应变关系，并进一步确定塑性变形的变化趋势，利用电子万能试验机得出材料的应力-应变曲线（见图 2）。

图2 材料应力—应变曲线示意图

试验结果证明该材料没有明显的弹性阶段，塑性变形几乎贯穿整个加载过程，即当材料所承受应力尚未达到屈服强度（220 MPa） 时就已经发生塑性变形。由塑性力学知识可知，通常某一点线应变ε由弹性应变εe和塑性（残余） 应变εp两部分组成。

即

则塑性变形经推导可得

式中，Δlp—塑性变形值 （mm）；Δl—总变形值（mm）；Δle—弹性变形值 （mm）；σ—应力（MPa）；l—引伸计标距 （mm）；E—弹性模量 （MPa），E=2．04×105MPa。

由上述公式可得材料在各应力状态下的塑性变形值（见表1）。

可以看出，在整个单向加载过程中随着载荷的增大，试样的塑性变形呈现逐渐递增的趋势。

3 塑性变形试验研究

前面所做的材料特性试验仅考虑了静载下单次拉伸时的塑性变形结果，而结构材料在服役过程中要经受循环加卸载及产生蠕变变形，而对于大多数金属材料，变形过程中的时间尺度对作用力与塑性变形之间的关系有着极为重要的影响，因此必须考虑时间因素和加卸载次数对试验结果的影响。

大量研究表明，常温下的蠕变现象广泛存在而且可以对构件的稳定性造成危害。此外，材料在循环载荷作用下产生的塑性变形会逐渐累加，这种现象被称为棘轮现象。棘轮现象与材料的受力水平和加载历史有着直接的关系[1～4]。而结构材料中还存在在初始阶段少数几次载荷循环中会产生一定的塑性变形，此后便不再产生新的塑性变形，或者说不会出现塑性疲劳或棘轮现象，这种现象被称为材料或机构处于安定状态。

图3 加卸载方式示意图

表1 各应力状态下的塑性变形值

为了得出循环加载和蠕变变形对材料塑性变形的影响所设计的塑性变形试验包含两部分： (1)循环加载试验：即不考虑蠕变因素，试样以2 MPa/s的速度分别匀速加载到200 MPa，100 MPa，80 MPa，60 MPa然后再以同样的速度卸载至0 MPa，由于某些核电产品构件在服役过程中加卸载次数仅为10次左右，因此试验选择反复加载及卸载10次以上，记录试验过程中施加载荷及试样的残余变形值（见图3a）； (2)含蠕变循环加载试验：试样以2 MPa/s的速度分别匀速加载到200 MPa，100 MPa，80 MPa，60 MPa 并保持 30 min（与水压试验相同） 然后以同样的速度卸载至0 MPa，如此分别反复加载及卸载12次，记录试验过程中施加载荷及试样的残余变形值（见图3b）。

3.1 循环加载对塑性变形的影响

按照上述的试验条件执行循环加载试验，在试验过程中保证加载速率和环境因素一致，分别得到材料的塑性变形在60 MPa，80 MPa，100 MPa和200MPa应力水平下的残余变形累加趋势（见图4）。

图4 循环加载对应残余变形图

可以看出，四种载荷水平所对应的残余变形累加趋势大致相同。随着加卸载次数的增加，残余变形由逐次递增后趋于平稳。其中，前三种残余变形值在达到0．002 5 mm左右就不再增加，而最后一种载荷所对应的残余变形值则保持在0．034 mm附近。即随着循环次数的增加，所有残余变形的累加率都明显衰退，最后趋于零。在排除仪器测量误差对残余变形波动的影响后可以得出以下结论：（1）0Cr18Ni9Ti不锈钢材料的塑性变形的累加与载荷大小及加载过程有关；（2） 前10次的加卸载循环对塑性变形累加影响较大，而后续的应力循环对塑性变形的累加影响较小。即先前的应变循环导致了材料明显的循环硬化，抑制了后继应力循环时残余变形的累加，从而抑制了后继棘轮现象的产生。

3.2 含蠕变循环加载对塑性变形的影响

按照上述的试验条件执行含蠕变循环加载试验，分别得到60 MPa，80 MPa，100 MPa和200 MPa应力水平下的残余变形累加趋势（见图5）。

可见，在四种载荷水平的作用下，试样在经历3～5次加卸载过程后残余变形也不再递增，并分别维持在 0.01 mm，0.013 mm，0.017 mm和0.063 mm左右。从试验结果可以看出：（1） 当应力水平低于0Cr18Ni9Ti的屈服强度时，在室温恒载条件下随时间的延长也可以逐渐产生一定量的塑性变形，这种塑性变形属于材料的室温蠕变行为。（2）在循环加载后期塑性变形不再累加的原因是由于在前两次的加载及保载的过程，特别是应力保持30 min的过程中积累的大量的塑性变形使材料内部晶格发生畸变，并引起位错密度增加，最终导致材料强化，致使后期加载难以产生很大的塑性残余变形。因测量数值的波动也是由前几次加载及保载过程中的测量误差引起的，所以可以判定材料强化后残余变形最终也将趋向平稳。

4 试验结果分析

从200 MPa载荷循环加载试验和含蠕变循环加载试验应力-变形曲线中可以看出，含蠕变的循环加载试验将产生更大的残余变形（见图6），两种加载方式最终都能趋向稳定。

从含蠕变的循环加载试验中各种载荷对应的残余变形比较图中可以看出，随着试验载荷值的增大，试样的残余变形基本呈现递增趋势，即载荷水平对含蠕变的循环加载试验塑性变形累加的影响是很大的（见图7）。

5 结语

（1） 0Cr18Ni9Ti的应力-应变关系与一般的低碳钢差别很大，没有明显的弹性变形阶段，在材料的整个变形过程中塑性变形起主导作用。

（2）0Cr18Ni9Ti的塑性变形依赖于加载历史和载荷水平，在循环载荷的作用下塑性变形不断累加，出现棘轮现象；随着载荷水平的增大，其塑性变形累加总量呈递增趋势，棘轮安定性条件也相应提高。

图5 蠕变变形对应残余变形图

图6 200 MPa时两种试验对应加载历史曲线示意图

图7 蠕变试验各载荷对应残余变形变化趋势示意图

（3） 当循环加载考虑蠕变变形因素时，0Cr18Ni9Ti的塑性变形累加量将远大于不考虑蠕变影响时的塑性变形累加量。室温蠕变是产生塑性变形的主要因素，也是进行结构设计时不可忽视的一个因素。

（4） 0Cr18Ni9Ti在有蠕变变形时的循环加载试验中，达到安定状态的循环次数相对少一些，说明蠕变对循环加载时材料达到安定状态有促进作用。

[1]蔡立勋，牛清勇等人.应力循环下T225NG合金塑性累积行为研究 [J].核动力工程.2004(4).

[2]冯忠信，张建中等.金属材料在循环加载下塑性变形的传播特性[J].金属学报.1995，31(8)..

[3]徐尹杰，蔡立勋.棘轮和蠕变条件下材料的附加塑性变形行为研究 [J].航空材料学报，2007，27(6).

[4]徐思浩，沈迅伟.压力容器的棘轮效应 [J].石油机械，2000，28(4).