摘 要：本文介绍了应变强化技术的机理，分析了应变强化技术应用于奥氏体不锈钢压力容器时的优点，以及该技术对奥氏体不锈钢压力容器性能的影响。
关键词：应变强化;奥氏体不锈钢;压力容器;轻型化
压力容器的制造成本主要是由制造所消耗的材料数量和材料的价格来决定的，在保证容器安全性的前提下，如何降低容器的壁厚、减少容器的用材、减轻容器的质量，实现压力容器的轻型化，对于控制成本有着重要意义。目前实现压力容器轻型化的方法主要包括提高材料的强度、选用较高的屈服强度、降低安全系数、采用分析设计[1]、采用结构优化设计、采用应变强化技术[2]等。
1 奥氏体不锈钢压力容器
奥氏体不锈钢是深冷容器制造中最常使用的材料，具有良好的韧性、塑性和耐腐蚀性。与此同时还具有非常好的耐低温性能，在低温工程领域获得广泛应用。但是由于奥氏体不锈钢材料的屈服强度和抗拉强度的比值较低，通常在保证一定安全系数的前提下其许用应力值会比较小，这样设计出来的压力容器壁厚通常较大，安全裕量也过大，导致材料的实际承载能力没有很好地利用，进而造成压力容器的重量加大、材料浪费，制造成本显著增加。然而，奥氏体不锈钢具有很好的应变强化的特性，变形时加工硬化的特点比较明显，且其应力-应变曲线没有明显的屈服平台，而是规定塑性延伸率为0.2%时的应力作为材料的屈服强度，因此，可以利用应变强化技术来提高屈服强度。应变强化的本质就是利用材料的优良塑性，通过产生一定的塑性变形来提高屈服强度。给奥氏体不锈钢材料施加一个外力载荷，当其塑性延伸率超过0.2%后继续加载至强化应力σk，然后卸载，卸载后产生的塑性变形将不可恢复;此时若给其重新加载，其应力应变曲线将发生变化，而是会沿着原来的卸载曲线而逆向线性增长，当应力超过σk时，才再次进入塑性阶段，此时σk相当于材料的新的屈服强度。由于σk>σ0.2，提高了材料的屈服强度[3]。
2 应变强化技术
根据应变强化技术的不同，可以将奥氏体不锈钢压力容器分为两类：一类是常温应变强化模式（Avesta模式）[4]，另一类是低温应变强化模式（Ardeform模式）[5]。常温应变强化模式起源于瑞典Avesta Sheffield公司，其原理是先对容器进行设计制造，随后在室温下用洁净水对成型的奥氏体不锈钢深冷容器内容器进行超压处理，使容器内部达到特定的压力（即强化压力），伴随着产生一定量的塑性变形（通常为8%，最大是10%），最终达到提高屈服强度和许用应力的目的。在奥氏体不锈钢深冷容器内容器的常温应变强化工艺中，当内压达到强化载荷后，需对容器进行一段时间的保载，保载方法一般包括恒载荷保载、限时超载保载两种方式。与恒载荷保载方式相比，限时超载保载方式可以显著缩短保载时间（保载时间减少约40%），从而大大提高了生产效率，给企业节约了生产成本。限时超载应变过程，总应变量增加，材料强化更加充分，容器形变更完全[6]。
低温应变强化模式始于二十世纪中后期，为适应航空航天领域深冷容器轻量化要求。其原理是在深坑中用于成形的槽内填充满液氮，液面完全浸没住模。当模冷却下来后，容器放入模中，容器被内部流动的液氮和外部所包围的液氮一同被冷却。当冷却完毕后，排气口阀口关闭，提高压力使容器成形。低温模式应变强化的程度更大，但对材料性能造成的不利影响也相对较大，且成本较高、工艺更复杂。目前主要用于航天工业，贮存的介质为液氮、液氧和液氢等。研究指出，要将低温应变强化技术成功应用于奥氏体不锈钢容器的制造取决于两个方面：
①材料的化学成分：化学成分对材料的强度和韧性性会产生不同程度的影响，因此需要合理控制各元素在材料中的比例，使材料的强度和韧性得到合理的匹配;②焊接：焊接过程中容器的局部结构会产生一定的收缩，破坏结构的选续性，通过应变强化可以使焊缝部位圆滑过渡，改善结构的不选续性[7]。
3 应变强化压力容器的优点
3.1 力学性能得到改善
应变强化过程中产生的拉应力抵消了制造过程产生的残余压应力，同时由焊接引起的残余应力也得到了一定的释放。应变强化使容器在强化压力下发生塑性膨胀，降低了结构的不连续程度，变形向约束作用最小的方向发展，各个方向的变形均匀，强化后各结构趋向于曲面，减缓了容器的应力集中及区域结构不连续。
3.2 提高疲劳性能
应变强化使材料的屈服强度提高，这样能使压力容器抵抗应力变化而产生的应力冲击，特别是在低周疲劳时，其抵抗疲劳破坏的能力可以提高1-5倍左右。屈服强度的提高，使奥氏体不锈钢通过产生弹性变形而储存的能量增大，这部分能量能有效减少和调节因应力的变化而產生的能量冲击。
3.3 提高材料的许用应力
降低壁厚，节省材料，减轻容器重量，提高产品的经济性和竞争力。
4 应变强化对于奥氏体不锈钢性能的影响
压力容器在规定的使用环境和时间内，因尺寸、形状或者材料性能变化而危及安全或者丧失正常功能的现象，称为压力容器失效[1]。失效模式是指损伤直至失效的外在宏观表现形式、过程规律和失效机理。在压力容器设计、制造及实际应用过程中应当考虑应变强化对于奥氏体不锈钢性能的影响。
4.1 应变强化引起组织转变
奥氏体不锈钢材料的应变强化主要来自两个方面：第一强化机理是由于塑性变形引起金属内部晶粒碎化、晶界增加、位错密度增加等组织结构的变化引起位错运动阻力的增加。第二强化机理是由于奥氏体的不稳定性在应力的影响下会引起部分奥氏体向马氏体转变。奥氏体不锈钢的稳定性由所含合金元素共同作用的结果来决定。合金元素对奥氏体稳定性的影响可以通过Ni和Cr含量来衡量。通常把奥氏体不锈钢分为稳定奥氏体不锈钢和亚稳定奥氏体不锈钢。当发生塑性变形时，稳定奥氏体不锈钢不会发生马氏体相变，因此它只能通过第一种强化机理得到强化。而对于亚稳定奥氏体不锈钢则是兼有两种强化机理，可以获得更高的强化程度。亚稳定奥氏体不锈钢中马氏体相的产生，不仅能够使材料得到强化，还会提高材料的塑性。这种相变塑性的产生有两个因素：第一是马氏体相的产生使材料的加工硬化率增加，颈缩被推迟;第二是马氏体相会在材料的应力集中处优先产生，使得材料的应力集中减小，抑制了裂纹的萌生和扩展[8-10]。
马氏体硬而脆，使得奥氏体不锈钢的韧塑性下降，增大了变形阻力和产品开裂的可能性。但是研究表明常用稳定和亚稳定奥氏体不锈钢在少量应变条件下，不会产生马氏体[11]。亚稳态奥氏体钢304不锈钢的微观组织变化与冷加工定量关系的研究，指出应变量超过4%后开始产生马氏体转变，室温下（25℃）形变量小于10%时，304不锈钢仅有少量的马氏体相变[12]。依据当前国外标准在应变量都不超过10%的情况下，应变强化后不会对材料的低温韧塑性产生较大影响。
4.2 爆破安全裕度
研究发现按GB150和应变强化方法设计容器的爆破实验表明，强化后容器常温下的安全裕度（爆破压力与设计压力比值）在2.09-2.49之间，说明应变强化处理后的容器仍有一定的强度储备。考虑到材料的低温增强，在低温（-196℃）下的奥氏体不锈钢抗拉强度可达常温下抗拉强度的2倍以上。因此，在低温下工作时，容器的安全裕度达到4.18-4.98，这说明应变强化后压力容器具有良好的安全裕度[13-14]。
4.3 抗腐蚀性能
奥氏体不锈钢具有良好的抗腐蚀性能，在与很多化学介质接触中，性能长期保持稳定。腐蚀试验结果表明，在0.2%-10%的应变范围内，应变强化对奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能影响很小[15-16]。低于10%应变强化处理材料，在弱氧化性介质如H2SO4中，腐蚀性与未应变强化处理材料一样，应力腐蚀结果也一样，室温应变强化几乎未对奥氏体不锈钢的耐均匀腐蚀和晶间腐蚀性能产生不利影响。在某些试验中，随着应变强化程度的提高，腐蚀失效寿命延长，化学腐蚀抗力和应力腐蚀抗力有所增强[15]。
而在某些环境介质（尤其是热的氯化物溶液）中，会产生应力腐蚀开裂（SCC）。经预应变处理后，亚稳态奥氏体不锈钢的局部腐蚀性和SCC敏感性与马氏体相变量存在对应关系，马氏体相的存在会影响容器的抗应力腐蚀性能[17-19]。马氏体相的存在使304不锈钢在MgCl2介质中的耐蚀性能呈降低趋势。在-70℃条件下拉伸变形后，当拉伸变形量小于11%时，其应力腐蚀破裂敏感性随变形量的增加而减小;当拉伸变形量为11%-21%时，其应力腐蚀破裂敏感性随变形量的增加而增大[20]。形变诱发马氏体相变的321不锈钢在酸性氯化钠溶液中的耐蚀性，当马氏体含量在6%-22%范围时，材料的耐蚀性又随马氏体相增多而有所提高[21]。
5 结语
应变强化技术对奥氏体不锈钢压力容器轻型化这一安全与经济并重的绿色制造理念具有重要意义。采用应变强化技术，合理控制应变强化程度，可以达到强度、塑性和韧性的合理匹配，为压力容器安全运行提供有力保证的同时，能较大幅度地节省材料、节约成本，应用前景广阔。
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作者简介：
陈威（1983- ），男，工程师，主要从事承压类特种设备检验检测工作。
