高溫蠕變對304奧氏體不鏽鋼效能的影響研究方法

一.

不鏽鋼

定義

不繡鋼是在優質低合金鋼中加入

12％以上的鉻元素而形成的。加入含量較多的鉻元素使鋼材的整體熱力學穩定性得到了提升，呈現出了更穩定的電化學效能，並使得鋼材在腐燭性介質中呈現出穩定的鈍態或在其表面生成一層緻密的保護膜，鉻元素的這些作用能大大地提高鋼材的耐腐蝕效能。通常把這類高合金鋼稱為耐燭高合金鋼。它包括不繡鋼和耐酸鋼兩大類：不繡鋼能夠抵抗大氣、淡水或水蒸氣等弱腐燭性介質的腐蝕，不鏽鋼的含鉻量為12%

-14%；耐酸鋼則能抵抗酸、鹼、鹽等強化學侵燭性介質的腐燭，其含鉻量為16%-18%或更多。兩種鋼在耐蝕性上有所區別，但習慣上將它們統稱不鏽鋼。

二.不鏽鋼種類

按組織結構可將不繡鋼分為三大類：馬氏體不繡鋼、鐵素體不繡鋼、奧氏體不繡鋼。其中，奧氏體不鏽鋼也叫不誘耐酸鋼以絡元素來合金化，能起到使鋼材鈍化、耐蝕的效果。而絡的含量需由鋼材對耐蝕效能的要求來決定。在氧化性介質中，耐酸鋼的含鉻量一般為

18%左右。當鋼材的含鉻量為18%時，必須加入8%

-9%的鎳元素，才能在室溫下得到完全的奧氏體組織，即18-8 CrNi鋼。18-8 CrNi型奧氏體不鏽鋼的應用最為廣泛，約佔全部奧氏體不繡鋼的70%，佔總不繡鋼的50%。奧氏體不繡鋼的晶界原子和晶格組織排列緊密，原子擴散速度慢，因此高溫下依然有較高的強度。同時由於絡的含量高，高溫下會在金屬表面形成緻密的Cr

2

O

3

氧化膜。研究表明

304不繡鋼的抗氧化性較強，在90℃以下，氧化程度極小；當溫度高於90℃後，氧化會逐步增加。因此在低應力條件下，奧氏體不繡鋼可在600

-800℃範圍內長期使用。而在高溫、高應力環境中，奧氏體不誘鋼則會產生孺變。此外，奧氏體不鏽鋼還具有很強的塑性和軔性，可進行鍛造、拉拔或壓延等加工手段，缺點是切削效能稍差。應力腐燭破裂問題是奧氏體不繡鋼的主要不足之處，奧氏體不誘鋼在多種介質中都會產生應力腐蝕破裂，而最敏感的則是氯化物水溶液。此外，還包括連多硫酸、鹼溶液和高溫高壓水溶液等。統計結果表明，不繡鋼溼態腐燭破壞事故的40%-50%是由Cr-Ni奧氏體不繡鋼的應力腐燭斷裂造成的。近年來，為彌補其這項缺陷，雙相不繡鋼和高絡鐵素體不繡鋼得到了迅速的發展。奧氏體不鏽鋼按化學成分又可分作兩個系列：1。絡鎳系奧氏體不鏽鋼，2。鉻猛系奧氏體不誘鋼。

①鉻鎳系奧氏體不鏽鋼是以鎳為主要元素的奧氏體不鏽鋼。其在多種腐蝕介質中具有優異的耐腐蝕效能，並同時具有良好的工藝效能、綜合力學效能及焊接效能，因而石油、海洋、輕工、食品、化工等領域得到了廣泛的應用。它的防腐機理是：鉻元素在金屬表面形成鈍化膜，防止腐蝕；Ni元素則能提高電極電位，而電極電位的增高可以強化鋼材的耐腐蝕效能。其缺點是強度和硬度較低，因此並不適合用於製造需承受較大載荷及對硬度和耐磨性要求較高的裝置和部件。它的典型牌號包括0Cr18Ni9、00Crl8Ni11等。

②由於鎳元素較為貴重，因此工業上為降低製造成本，便用較為便宜的錳元素和氮元素來代替鎳元素，從而形成了鉻錳系奧氏體不鏽鋼。其奧氏體化元素，除錳元素外還有氮，還有少量的鎳。錳元素和氮元素的作用是穩定奧氏體且起到很好的固溶強化作用，大大地提高了奧氏體不鏽鋼的強度。因此，這個系列的不鏽鋼適於製作需承受較重負荷但對腐蝕性要求不高的裝置和部件。我國現有的不鏽鋼產品標準包括44項，其中31項國標，13項行業標準。內容涵蓋了熱加工和冷加工的棒、板、管、帶、絲、繩、盤條等多種通用或專用的材料標準。其中，具有代表性牌號的鉻錳系奧氏體不鏽鋼的主要產品標準包括：熱軋鋼板鋼帶、熱軋棒材、冷軋鋼板鋼帶、盤條等。這些都是全世界生產和使用成熟的牌號，並早已列入了正式標準。從各牌號的主要化學成分上來看，僅有2Crl3Mn9Ni4的鎳含量為13%，其餘牌號鉻的含量均在15%、16%、17%、18%。另外，2Crl3Mn9Ni4的碳含量較高為0。15%-0。30%、鎳含量為4%、錳含量為9%，由此不難看出，該鋼具有較好的抗腐蝕效能和較高的力學效能。目前主要用來製造機身和機尾上的零部件。下面再來關注鎳元素的含量，03Crl6Mn8Ni2N和2Crl5Mnl5Ni2N兩個牌號的鎳含量較低一點，為2%。而其餘牌號的鎳含量均在4%以上。鉻錳系奧氏體不鏽鋼的其他牌號還包括：lCrl7Mn6Ni5N、lCrl8Mn8Ni5N和03Crl7Mn6Ni5 N等。

三.

304不鏽鋼的效能資料

304（0Cr18Ni9）

不鏽鋼是一種通用性的不鏽鋼材料，防鏽效能比

200系列的不鏽鋼要強。耐高溫特性同樣比較好，可達1000-1200

℃

。

304不鏽鋼具有較好的抗晶間腐蝕效能和優異的不鏽耐腐蝕效能。由實驗可知：在濃度￡6 5%且已沸騰的硝酸中，304不鏽鋼的抗腐蝕效能很強。另外，對鹼溶液及大多數酸也具有良好的耐腐蝕能力。蠕變微觀機制研究表明，304不繡鋼的蠕變第一、第二階段屬於位錯攀移，而第三階段則由於交替滑移使得介面上產生了空洞或微裂紋，這是造成蠕變斷裂的直接原因。

奧氏體不鏽鋼金屬材料的化學成分（％）

不鏽鋼0Crl8Ni9和00Crl7Nil4Mo3鋼材的高溫機械效能資料

不鏽鋼0Cr

1

8Ni9材料效能資料

不鏽鋼0Cr

1

8Ni9鋼材的力學效能資料

四。

高溫

蠕變

對奧氏體不鏽鋼效能的影響

蠕變試驗一般釆用單軸拉伸試驗方法

：在某一溫度下，將試樣分別置於不同應力水平下進行試驗，即可透過實驗資料得到材料的蠕變曲線。將擬合所得的不鏽鋼304的時間硬化蠕變模型匯入

ANSYS中，模擬了其高溫蠕變過程。透過將模擬結果與實驗資料相比較，用以驗證數值模擬方法的可靠性。

1。

有限元模型的建立及數值求解

1.1前處理

1）

定義線性材料性質：

304不鏽鋼在600

℃

下的彈性模量為

1。51e5，在泊松比為0。3。

2）

定義蠕變材料性質：經過對

600

℃

，三種不同應力水平下的蠕變實驗資料進行擬合，得到了

304不鏽鋼材料擬合後的時間硬化隱式蠕變方程：

1） 模型建立與網格劃分

試件尺寸為：長

100 m m，寬10 mm

，

厚

3mm，見圖1-1。只考慮軸向均勻載荷。為了計算方便忽略試件端部幾何形狀的影響，將模型簡化，取試件中部1/4為計算模型，選用PLANE 183（8節點）單元進行數值模擬。網格劃分後對模型施加位移約束和恆載荷拉應力。

1-1矩形蠕變試樣

1.2設定求解控制器

（1） 定義分析型別：定義分析型別為穩態分析。

（2）

試驗時間設定為

200h，總的時間步設為100步。第一載荷步：先忽略蠕變應變效應，在非線性選項中關閉Include

Strain rate effect選項，即關閉RATE（率相關）命令。由於這一步的時間步長將會對總的時間造成影響，因此時間步長要求充分小，設定為1E-8。第二載荷步：保持機械載荷不變，選中Include Strain rate effect選項，即開啟RATE命令，材料便會隨著時間而產生蠕變。對於大多數材料來說，蠕變幵始階段的應變率變化顯著，故應定義較小的初始時間步增量。另外，隱式蠕變還能控制控制蠕變率的範圍，即強制規定了蠕變極限比率的範圍，蠕變極限比率可在1-1 0之間選取，其值會隨著材料屬性而改變，作用是提高執行的精度。這裡

設定為

3，設定完成後開始求解。

1.3設定其他求解選項

設定載荷形式為階躍載荷：

Stepped（階躍載荷）。

1.4

載入和求解

對建立的有限元數值模型進行載入：如下圖

1-2所示，載荷主要包括：溫度、邊界條件及壓力等。位移的邊界條件為：限制當座標x=0時，邊介面在X軸上的位移，即U

X

=0；限制當座標少=0時，邊介面在Y軸上的位移，即U

Y

=0；載荷的邊界條件為：在模型兩端分別施加恆定的壓力：200 M P a、240 M P a、260 M P a。溫度的初始條件為：設定初始的工作溫度為450℃。

1-2位移約束及應力邊界條件

1.5

數 值 模 擬 結 果 及 分 析

將

ANSYS數學模型計算得到的資料與單軸蠕變實驗結果進行比較，如下表所示，從表中可以看出，數學模型計算得到的結果比實驗資料普遍偏大，但誤差很小，吻合度較好。因此，證明了模擬所得的結果具有可靠性，且該數學模型的精確度較高。

1-3 304單軸蠕變試驗資料及模擬結果

1-4 304單軸蠕變試驗資料及模擬結果（600℃）

隨著應力的增大，材料的蠕變速率也隨之增大；蠕變的前兩個階段時間非常短，很快便進入了蠕變的加速階段。本文利用

ANSYS軟體模擬得到了304不鏽鋼的蠕變極限。規定時間為10000小時，溫度為450°C、600°C，模擬計算304不鏽鋼產生0。2%的總應變所需的應力。由於本文以試件1/4為計算模型，所以模型長度為50mm，其產生0。2%的總應變可換算為產生0。1 mm的位移量。

1-5

450℃ 模型按X方向的位移雲圖

上圖為

450

℃

、

14。6 MPa下，試件沿X軸方向的位移雲圖。由圖可知，在試件受力面上的位移最大，為0。100433mm。其值也就是模型沿X軸方向的變形量，與規定值極為接近，其誤差在工程實際中可忽略不計。因此可知，3

04不鏽鋼在450℃

條件下，經過

10000 h產生0。2%的總應變時的蠕變極限為14。6 M P a。下圖為304不鏽鋼蠕變試件在11。4 M P a下沿X軸方向的位移雲圖。

1-6

（

600

℃）

模型沿X方向的位移雲圖

同理可證，

304不鏽鋼的600

℃

，經過

10000 h產生0。2%的總應變時的蠕變極限為11。4 M P a。對比發現，隨著溫度的升高，304不鏽鋼的蠕變極限呈逐漸減小的趨勢。

1.6總結

透過數值模擬研究得到了

304不鏽鋼在450°C條件下的蠕變曲線，並得到了其在450

℃

下，經過

l

0OOO h產生0。2%的總應變時的蠕變極限為14。6 MPa。而其在600℃，經過lOOOO h產生0。2%的總應變時的蠕變極限為11。4 MPa。對比發現，隨著溫度的升高，304不鏽鋼的蠕變極限呈逐漸減小的趨勢。

二.結論

1）304不鏽鋼在準靜態壓縮過程中並沒有出現明顯的屈服階段，取殘餘應變為0。2%時所對應的應力值作為其條件屈服強度。試件在200℃、400℃、600℃的屈服強度相對於20℃下的，分別依次降低了33%、43%、50%，因此說明該不鏽鋼的效能存在明顯的溫度軟化效應。

2）304不鏽鋼在動態壓縮過程中，同一的溫度環境條件下，隨著氣壓的增加，應變波的振幅明顯增大，相應的應變率也隨之增大，試件變形的更明顯一些，即試件的高度顯著降低，直徑增大。

3）304不鏽鋼材料動態屈服強度和流動應力均大於準靜態下，試件在經過屈服之後，流動應力繼續呈現出明顯的應變強化特徵。