316LN不锈钢高温塑性与裂纹预测的研究
|
摘要
316LN奥氏体不锈钢做为核电主管道的主要材料，直接关系到核电站运行的安全。其组织为单相奥氏体，不能通过热处理来改善组织，只能采用锻造的方法。为了确保设备的安全运行，就需要制定出合理的锻造工艺，这就要求我们对316LN材料的性能有充分的认识。本文通过在Gleeble~(-1)500热模拟机上进行高温拉伸试验，研究了温度、应变速率、不同初始晶粒大小、应力三维度对316LN奥氏体不锈钢高温塑性的影响，并采用数值模拟的方法得出316LN奥氏体不锈钢发生韧性断裂的临界损伤值和空洞萌生的临界损伤值，为制定合理的生产工艺，预防生产和使用过程中锻件产生裂纹提供参考。
在温度为900℃1250℃和1s~(-1)、0.5s~(-1)、0.05s~(-1)、0.005s~(-1)四种应变速率下，进行了光滑试样的拉伸试验。发现在给定的范围内，随着温度的升高和应变速率的增大，316LN钢的塑性越来越好。
对45μm、90μm、220μm三种不同初始晶粒尺寸试样进行了拉伸试验，拉伸的温度为950℃、1050℃、1250℃，应变速率分别为：1s~(-1)、0.5s~(-1)、0.05s~(-1)、0.005s~(-1)。发现初始晶粒尺寸越小的试样塑性越好。
应力三维度为表征材料受力状态的参数，应力三维度越大，应力状态偏于受拉，应力三维度越小，应力状态偏于受压。为了分析应力三维度对316LN钢高温塑性的影响，进行了缺口半径分别为0.5mm、1mm、2mm和4mm缺口试样的拉伸试验。发现缺口试样整体应力三维度大于光滑试样，塑性小于光滑试样。在950℃1100℃，缺口半径越小，应力三维度越大，试样的塑性越差，而1100℃以上温度时，晶粒尺寸变化明显，晶粒大小对材料塑性的影响起主要作用，缺口半径越小的试样，塑性反而越好。
通过观察材料应力三维度的大小，就可以对其是否容易产生裂纹作出判断。本文采用Deform-2D有限元软件进行模拟，得出了光滑试样和缺口试样的应力三维度分布规律。
As the key material of the nuclear power,316LN austenitic stainless steel isrelated to the safety of nuclear power plant. The organization of316LN is singlephase austenite, we can’t improve the organization of316LN by heat treatment,only using the method of forging. In order to ensure the safe operation ofequipment, we need to develop a reasonable forging method, which requires us tohave a full understanding of the performance of the316LN stainless steel. In thispaper, by having some experiments of high temperature tensile on Gleeble~(-1)500thermal simulation machine, the influence of high temperature plastic of316LNabout temperature、strain rate、the initial grain size、stress triaxiality had beenresearched, and using the method of numerical simulation, we get the criticaldamage value of ductile fracture and empty initiation of316LN austeniticstainless steel, which providing a reference for develop reasonable productionprocess and prevent cracks at the processes of production and using.
A tensile experiment of smooth specimen were conducted, the temperaturerange were900℃1250℃and the strain rate were1s~(-1)、0.5s~(-1)、0.05s~(-1)and0.005s~(-1),which found that the plasticity of316LN steel get better and better with theincreasing of temperature and strain rate at a given range.
The tensile experiment of three different initial grain size:45μm、90μm、220μm were conducted. The temperature were950℃、1050℃and1250℃,thestrain rate were1s~(-1)、0.5s~(-1)、0.05s~(-1)and0.005s~(-1), we found that the smaller theinitial grain size of the specimen is,the better the plastic of the specimen is.
Stress triaxiality is a parameter of stress state of materials, the bigger thestress triaxiality is, the stress state is more near to tension, the smaller the stresstriaxiality is, the stress state is more near to pressure. In order to analyze theinfluence of stress triaxiality on the high temperature plasticity of316LN steel, atensile experiment of different notch radius were conducted, which the notchradius were0.5mm、1mm、2mm and4mm.We found that the stress triaxiality ofnotched specimens is bigger than smooth specimens and the plastic of notchedspecimens is worse than smooth specimens. At950℃1100℃,the smaller thenotch radius is, the bigger the stress triaxiality is, and the plasticity is worse. Butat the temperature above1100℃, the change of grain size were obvious, the grainsize plays a major role on the material plasticity, the smaller the notch radius is,the better the plastic is.
By observing the value of stress triaxiality of material, you can make ajudgment on whether the material easy to generate crack. In this paper, theDeform-2D finite software is used to simulate, we get the distribution law ofstress triaxiality of smooth specimens and notched specimens.
在温度为900℃1250℃和1s~(-1)、0.5s~(-1)、0.05s~(-1)、0.005s~(-1)四种应变速率下，进行了光滑试样的拉伸试验。发现在给定的范围内，随着温度的升高和应变速率的增大，316LN钢的塑性越来越好。
对45μm、90μm、220μm三种不同初始晶粒尺寸试样进行了拉伸试验，拉伸的温度为950℃、1050℃、1250℃，应变速率分别为：1s~(-1)、0.5s~(-1)、0.05s~(-1)、0.005s~(-1)。发现初始晶粒尺寸越小的试样塑性越好。
应力三维度为表征材料受力状态的参数，应力三维度越大，应力状态偏于受拉，应力三维度越小，应力状态偏于受压。为了分析应力三维度对316LN钢高温塑性的影响，进行了缺口半径分别为0.5mm、1mm、2mm和4mm缺口试样的拉伸试验。发现缺口试样整体应力三维度大于光滑试样，塑性小于光滑试样。在950℃1100℃，缺口半径越小，应力三维度越大，试样的塑性越差，而1100℃以上温度时，晶粒尺寸变化明显，晶粒大小对材料塑性的影响起主要作用，缺口半径越小的试样，塑性反而越好。
通过观察材料应力三维度的大小，就可以对其是否容易产生裂纹作出判断。本文采用Deform-2D有限元软件进行模拟，得出了光滑试样和缺口试样的应力三维度分布规律。
As the key material of the nuclear power,316LN austenitic stainless steel isrelated to the safety of nuclear power plant. The organization of316LN is singlephase austenite, we can’t improve the organization of316LN by heat treatment,only using the method of forging. In order to ensure the safe operation ofequipment, we need to develop a reasonable forging method, which requires us tohave a full understanding of the performance of the316LN stainless steel. In thispaper, by having some experiments of high temperature tensile on Gleeble~(-1)500thermal simulation machine, the influence of high temperature plastic of316LNabout temperature、strain rate、the initial grain size、stress triaxiality had beenresearched, and using the method of numerical simulation, we get the criticaldamage value of ductile fracture and empty initiation of316LN austeniticstainless steel, which providing a reference for develop reasonable productionprocess and prevent cracks at the processes of production and using.
A tensile experiment of smooth specimen were conducted, the temperaturerange were900℃1250℃and the strain rate were1s~(-1)、0.5s~(-1)、0.05s~(-1)and0.005s~(-1),which found that the plasticity of316LN steel get better and better with theincreasing of temperature and strain rate at a given range.
The tensile experiment of three different initial grain size:45μm、90μm、220μm were conducted. The temperature were950℃、1050℃and1250℃,thestrain rate were1s~(-1)、0.5s~(-1)、0.05s~(-1)and0.005s~(-1), we found that the smaller theinitial grain size of the specimen is,the better the plastic of the specimen is.
Stress triaxiality is a parameter of stress state of materials, the bigger thestress triaxiality is, the stress state is more near to tension, the smaller the stresstriaxiality is, the stress state is more near to pressure. In order to analyze theinfluence of stress triaxiality on the high temperature plasticity of316LN steel, atensile experiment of different notch radius were conducted, which the notchradius were0.5mm、1mm、2mm and4mm.We found that the stress triaxiality ofnotched specimens is bigger than smooth specimens and the plastic of notchedspecimens is worse than smooth specimens. At950℃1100℃,the smaller thenotch radius is, the bigger the stress triaxiality is, and the plasticity is worse. Butat the temperature above1100℃, the change of grain size were obvious, the grainsize plays a major role on the material plasticity, the smaller the notch radius is,the better the plastic is.
By observing the value of stress triaxiality of material, you can make ajudgment on whether the material easy to generate crack. In this paper, theDeform-2D finite software is used to simulate, we get the distribution law ofstress triaxiality of smooth specimens and notched specimens.
引文
[1]叶奇蓁.中国核电发展战略研究[J].电网与清洁能源，2010,26(1):3-8.
[2]孙凤先，马庆贤.AP1000主管道控制锻造工艺探索[J].大型铸锻件，2010(4):30-32.
[3]陈洪.中国核电设备材料国产化的前景及展望[J].特钢技术，2007,13(52):1-3.
[4]幸伟，倪红卫，张华.钢液脱氧工艺的发展状况分析[J].过程工程学报,2009,9(1):443-447.
[5]张义帅.316LN奥氏体不锈钢锻造裂纹分析及工艺控制[D].山西：太原科技大学，2011.
[6]东北重型机械学院第一重型机器厂第一机械工业部情报所编.大锻件热处理[M].京:机械工业出版社，1974.
[7]郭会光，田继红.大型锻造的质量控制和研究方略[J].大型铸锻件，2007(2):45-46.
[8]辛向阳，刘方红，邓蜀宁.大锻件锻造方法综述[J].大型铸锻件，1999(1):1-9.
[9]王凤喜.大锻件生产行业与锻造技术发展[J]锻压机械，2002(4):3-6.
[10]王吉孝，霍树斌，陈佩寅.La对HS690镍基合金锻造裂纹敏感性的影响[J].焊接试验研究，2010(11):27-30.
[11]曹光辉，赵程.大直径齿轮传动轴的断裂失效分析[J].金属铸锻焊技术，2008,37(19):132-134.
[12]张全新.非金属夹杂物对锻造裂纹形成的影响[J].四川冶金，2009,31(5):66-67.
[13]李晓玲，董毅，董霞.H13模具钢轴坯表面裂纹分析[C].第八次全国热处理大会论文集，2003:195-198.
[14]董岚枫，钟约先，马庆贤.大型水轮机主轴锻造过程裂纹缺陷的预防[J].清华大学学报，2008,48(5):765-768.
[15]刘世骧.钢锻件裂纹分析[J].兰州工业高等专科学校学报，2004,11(1):53-54.
[16]徐桂兰.锻造开裂原因的分析与研究[J].锻压技术，2004,29(1):13-15.
[17]冯正奎，李晓丹，李胜岭.核电站蒸汽发生器管板锻件缺陷分析与改进措施[J].金属铸锻焊技术，2010,39(5):171-173.
[18]张毅峰，王雷刚，吴君三.大型管板锻件夹杂性裂纹分析及锻造工艺改进[J].大型铸锻件，2010(5):8-11.
[19]门正兴，曾明，周强.316L不锈钢锻件端面开裂及内凹原因分析及优化[J].大型铸锻件，2011(6):19-22.
[20]赖春雷，宋梅.大型电机轴锻件断裂失效分析[J].金属热处理，2006,31(2):98-100.
[21]何文武，郭会光，刘建生.锻造裂纹的分析与防治[J].锻压技术，2010,35(1):16-19.
[22]刘英魁.有限元分析的发展趋势[J].中国新技术新产品，2009(6):157.
[23]梁清香.有限元与MARC实现[M].北京:机械工业出版社，2005.
[24]曾志朋.Deform软件的二次开发与大型锻件锻造工艺的优化[D].北京：北京机电研究所，2002.
[25]曲周德，张伟红，张士宏.基于DEFORM3D二次开发的塑性成形过程组织演化模拟[J].塑性工程学报，2005(12):40-43.
[26]柏永青，陈明明，陈慧琴.316LN热变形行为及动态再结晶晶粒的演变规律[J].太原科技大学学报，2009,30(5):424-427.
[27]俞汉清，陈金德.金属塑性成形原理[M].北京：机械工业出版社，1999.
[28]宋仁伯，项建英，侯东坡.316L不锈钢热加工硬化行为及机制[J].金属学报，2010,46(1):57-61.
[29] Veprek S,The search for novel, superhard materials[J].J.Vac.Sci.Technol.A1999,17(5):2401-2420.
[30]赵品，谢辅洲，孙振国.材料科学基础教程[M].哈尔滨工业大学出版社，2003.
[31]张孝平.Cr-Mn-Ni-Cu-N奥氏体不锈钢热变形行为及热加工图[D].甘肃：兰州理工大学，2009.
[32]葛东升，刘洁，范光伟.铸态304奥氏体不锈钢热变形条件下动态再结晶组织特征研究[J].铸造设备研究，2008(5):15-17.
[33]王敏，郎宇平，吴兴惠.温度对Mn16Cr22Nil.6N0.6高氮钢的热变形行为和组织的影响[J].特殊钢，2010,31(2):66-68.
[34]刘杨，王磊，乔雪璎.应变速率对电场处理GH4199合金拉伸变形行为的影响[J].稀有金属材料与工程，2008,37(1):66-71.
[35]曹金荣，刘正东，程世长.应变速率和变形温度对T122耐热钢流变应力和临界动态再结晶行为的影响[J].金属学报，2007,43(1):35-40.
[36]任培东，吴前峰.不同变形温度和变形速率对SUS316L不锈钢流变应力及金相组织的影响[J].机械研究与应用，2009(5):67.
[37]刘瑞堂.工程材料力学性能[M].哈尔滨工业大学出版社，2001.
[38]魏洁，唐广波，刘正东.[J].钢铁研究学报，2008,20(3):31-35.
[39]陈明明，何文武，刘艳光.316LN奥氏体不锈钢锻造过程晶粒演变规律实验与模拟研究[D].山西：太原科技大学，2010.
[40]刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2004.
[41]司马爱平.应力三维度对材料断裂破坏的影响[D].上海：上海交通大学，2009.
[42] Bridgman,P,1952.Studies in Large Plastic Flow and Fracture.McGraw-Hill BookCompany,Inc,New York.
[43]魏新鹏.Mn18Cr18N钢热锻中损伤的理论与试验研究[D].山西：太原科技大学，2011.
[44].镁合金负重轮塑性成形参数多目标优化研究[D].山西：中北大学，2011.
[45].王熠昕，张艳伟，王凤彪.温度及应变速率对7075铝合金临界损伤因子的影响[J].重庆大学学报，2011,34(7):51-56.
[46]曾攀.金属塑性成形过程延性断裂的准则及其数值模拟[J].机械工程学报，2002,38(增刊):21-25.
[47]McClintock F A.A criterion for ductile fracture by the growth ofhole[J].Appl.Mech,1968,35:363-371.
[48]虞松，陈军，阮雪榆.韧性断裂准则的试验与理论研究[J].中国机械工程，2006,17(19):2049-2052.
[49]胡建军，金艳，许洪斌.金属材料的断裂准则及断裂行为数值模拟[J]功能材料，2007(38):3949:3951.
[50]黄建科，董湘怀.金属成型中韧性断裂准则的习惯损伤力学研究进展[J]上海交通大学学报，2006,40(10):1748-1753.
[51]胡建军，许洪斌，金艳.基于有限元计算的金属断裂准则的应用与分析[J].锻压技术，2007,32(3):100-102.
[52]邢勇，权国辉.基于临界损伤因子的40Cr伞齿轮锻造温度优化[J].金属铸锻焊技术，2009,38(11):96-98.
[53] Freudenthal F A.The inelastic behaviors of solid[M].New York:Wiley,1950.
[54] Cockcroft M G,latham D J.Ductility and the Workability of Metals[J].Journal of Theinstitute of Metals,1968,96:33-39.
[55] Brozzo P,Deluca B,Rendina R.A new method for the prediction of formability limits inmetal sheet,sheet metal forming and formability.In: Proceedings of the SeventhBiennial Conference of the International Deep Drawing Reseach Group,1972
[56] Rice JR,Tracy D M.[J].Journal of Mechanics and Physics of Solids,1969
[57]黄志超，占金青，陈伟.基于Ayada损伤模型的板料冲裁过程数值模拟[J].机械设计与制造，2007,10:49-51.
[58]蒲思洪，温彤，吴维.韧性断裂准则与阀值选取的理论及试验研究[J].金属焊接技术，2009,38(3):18-21.
[2]孙凤先，马庆贤.AP1000主管道控制锻造工艺探索[J].大型铸锻件，2010(4):30-32.
[3]陈洪.中国核电设备材料国产化的前景及展望[J].特钢技术，2007,13(52):1-3.
[4]幸伟，倪红卫，张华.钢液脱氧工艺的发展状况分析[J].过程工程学报,2009,9(1):443-447.
[5]张义帅.316LN奥氏体不锈钢锻造裂纹分析及工艺控制[D].山西：太原科技大学，2011.
[6]东北重型机械学院第一重型机器厂第一机械工业部情报所编.大锻件热处理[M].京:机械工业出版社，1974.
[7]郭会光，田继红.大型锻造的质量控制和研究方略[J].大型铸锻件，2007(2):45-46.
[8]辛向阳，刘方红，邓蜀宁.大锻件锻造方法综述[J].大型铸锻件，1999(1):1-9.
[9]王凤喜.大锻件生产行业与锻造技术发展[J]锻压机械，2002(4):3-6.
[10]王吉孝，霍树斌，陈佩寅.La对HS690镍基合金锻造裂纹敏感性的影响[J].焊接试验研究，2010(11):27-30.
[11]曹光辉，赵程.大直径齿轮传动轴的断裂失效分析[J].金属铸锻焊技术，2008,37(19):132-134.
[12]张全新.非金属夹杂物对锻造裂纹形成的影响[J].四川冶金，2009,31(5):66-67.
[13]李晓玲，董毅，董霞.H13模具钢轴坯表面裂纹分析[C].第八次全国热处理大会论文集，2003:195-198.
[14]董岚枫，钟约先，马庆贤.大型水轮机主轴锻造过程裂纹缺陷的预防[J].清华大学学报，2008,48(5):765-768.
[15]刘世骧.钢锻件裂纹分析[J].兰州工业高等专科学校学报，2004,11(1):53-54.
[16]徐桂兰.锻造开裂原因的分析与研究[J].锻压技术，2004,29(1):13-15.
[17]冯正奎，李晓丹，李胜岭.核电站蒸汽发生器管板锻件缺陷分析与改进措施[J].金属铸锻焊技术，2010,39(5):171-173.
[18]张毅峰，王雷刚，吴君三.大型管板锻件夹杂性裂纹分析及锻造工艺改进[J].大型铸锻件，2010(5):8-11.
[19]门正兴，曾明，周强.316L不锈钢锻件端面开裂及内凹原因分析及优化[J].大型铸锻件，2011(6):19-22.
[20]赖春雷，宋梅.大型电机轴锻件断裂失效分析[J].金属热处理，2006,31(2):98-100.
[21]何文武，郭会光，刘建生.锻造裂纹的分析与防治[J].锻压技术，2010,35(1):16-19.
[22]刘英魁.有限元分析的发展趋势[J].中国新技术新产品，2009(6):157.
[23]梁清香.有限元与MARC实现[M].北京:机械工业出版社，2005.
[24]曾志朋.Deform软件的二次开发与大型锻件锻造工艺的优化[D].北京：北京机电研究所，2002.
[25]曲周德，张伟红，张士宏.基于DEFORM3D二次开发的塑性成形过程组织演化模拟[J].塑性工程学报，2005(12):40-43.
[26]柏永青，陈明明，陈慧琴.316LN热变形行为及动态再结晶晶粒的演变规律[J].太原科技大学学报，2009,30(5):424-427.
[27]俞汉清，陈金德.金属塑性成形原理[M].北京：机械工业出版社，1999.
[28]宋仁伯，项建英，侯东坡.316L不锈钢热加工硬化行为及机制[J].金属学报，2010,46(1):57-61.
[29] Veprek S,The search for novel, superhard materials[J].J.Vac.Sci.Technol.A1999,17(5):2401-2420.
[30]赵品，谢辅洲，孙振国.材料科学基础教程[M].哈尔滨工业大学出版社，2003.
[31]张孝平.Cr-Mn-Ni-Cu-N奥氏体不锈钢热变形行为及热加工图[D].甘肃：兰州理工大学，2009.
[32]葛东升，刘洁，范光伟.铸态304奥氏体不锈钢热变形条件下动态再结晶组织特征研究[J].铸造设备研究，2008(5):15-17.
[33]王敏，郎宇平，吴兴惠.温度对Mn16Cr22Nil.6N0.6高氮钢的热变形行为和组织的影响[J].特殊钢，2010,31(2):66-68.
[34]刘杨，王磊，乔雪璎.应变速率对电场处理GH4199合金拉伸变形行为的影响[J].稀有金属材料与工程，2008,37(1):66-71.
[35]曹金荣，刘正东，程世长.应变速率和变形温度对T122耐热钢流变应力和临界动态再结晶行为的影响[J].金属学报，2007,43(1):35-40.
[36]任培东，吴前峰.不同变形温度和变形速率对SUS316L不锈钢流变应力及金相组织的影响[J].机械研究与应用，2009(5):67.
[37]刘瑞堂.工程材料力学性能[M].哈尔滨工业大学出版社，2001.
[38]魏洁，唐广波，刘正东.[J].钢铁研究学报，2008,20(3):31-35.
[39]陈明明，何文武，刘艳光.316LN奥氏体不锈钢锻造过程晶粒演变规律实验与模拟研究[D].山西：太原科技大学，2010.
[40]刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2004.
[41]司马爱平.应力三维度对材料断裂破坏的影响[D].上海：上海交通大学，2009.
[42] Bridgman,P,1952.Studies in Large Plastic Flow and Fracture.McGraw-Hill BookCompany,Inc,New York.
[43]魏新鹏.Mn18Cr18N钢热锻中损伤的理论与试验研究[D].山西：太原科技大学，2011.
[44].镁合金负重轮塑性成形参数多目标优化研究[D].山西：中北大学，2011.
[45].王熠昕，张艳伟，王凤彪.温度及应变速率对7075铝合金临界损伤因子的影响[J].重庆大学学报，2011,34(7):51-56.
[46]曾攀.金属塑性成形过程延性断裂的准则及其数值模拟[J].机械工程学报，2002,38(增刊):21-25.
[47]McClintock F A.A criterion for ductile fracture by the growth ofhole[J].Appl.Mech,1968,35:363-371.
[48]虞松，陈军，阮雪榆.韧性断裂准则的试验与理论研究[J].中国机械工程，2006,17(19):2049-2052.
[49]胡建军，金艳，许洪斌.金属材料的断裂准则及断裂行为数值模拟[J]功能材料，2007(38):3949:3951.
[50]黄建科，董湘怀.金属成型中韧性断裂准则的习惯损伤力学研究进展[J]上海交通大学学报，2006,40(10):1748-1753.
[51]胡建军，许洪斌，金艳.基于有限元计算的金属断裂准则的应用与分析[J].锻压技术，2007,32(3):100-102.
[52]邢勇，权国辉.基于临界损伤因子的40Cr伞齿轮锻造温度优化[J].金属铸锻焊技术，2009,38(11):96-98.
[53] Freudenthal F A.The inelastic behaviors of solid[M].New York:Wiley,1950.
[54] Cockcroft M G,latham D J.Ductility and the Workability of Metals[J].Journal of Theinstitute of Metals,1968,96:33-39.
[55] Brozzo P,Deluca B,Rendina R.A new method for the prediction of formability limits inmetal sheet,sheet metal forming and formability.In: Proceedings of the SeventhBiennial Conference of the International Deep Drawing Reseach Group,1972
[56] Rice JR,Tracy D M.[J].Journal of Mechanics and Physics of Solids,1969
[57]黄志超，占金青，陈伟.基于Ayada损伤模型的板料冲裁过程数值模拟[J].机械设计与制造，2007,10:49-51.
[58]蒲思洪，温彤，吴维.韧性断裂准则与阀值选取的理论及试验研究[J].金属焊接技术，2009,38(3):18-21.