（化工过程机械专业论文）x13crmnmon18143高氮奥氏体不锈钢的力学行为及尺寸效应研究.pdf

中文摘要 x 1 3 c r m n m o n l 8 1 4 3 ( 1 4 4 5 2 ) 作为一种新型的高氮无镍奥氏体不锈钢，因其 具有高强、高韧等优异的力学性能，具有广泛的应用前景，尤其是在医疗器械上 的应用。且随着微成形技术的发展，这种不锈钢在微机电系统中亦将有一番作为。 但是，当材料的尺寸减小到一定程度时，材料的机械性能、破坏行为等方面会表 现出明显的尺寸效应。因此对微尺度高氮钢的力学性能和尺寸效应进行系统研究 具有十分重要的理论意义和重大的应用价值。 室温下通过材料的单轴拉伸试验，获得了1o o v m 高氮奥氏体不锈钢的基本 力学性能参数，通过循环载荷试验考察了材料的棘轮行为特性和疲劳特性。对比 发现材料具有明显的强度和疲劳尺寸效应，随材料的尺寸减小材料的强度得到提 高、疲劳寿命延长。根据目前尺寸效应理论模型对高氮奥氏体不锈钢的尺寸效应 进行了描述，改进了w e i b u l l 缺陷统计理论模型，对冷变形高氮奥氏体高氮钢进行 了强度尺寸效应模拟；采用分形理论方法对退火高氮奥氏体不锈钢的疲劳尺寸效 应进行了解析。从而预测特定尺寸高氮奥氏体不锈钢试样的强度和疲劳尺寸效 应。 。 本文还对高氮奥氏体不锈钢进行了冷变形研究，发现材料具有很强的冷变形 硬化能力，从微观角度并结合材料自身的高氮特性分析了材料的硬化机理。 关键词：x 1 3 c r m n m o n l 8 1 4 3 高氮奥氏体不锈钢，力学行为，尺寸效应， 冷变形硬化 a b s t r a c t x 1 3 c r m n m o n l 8 1 4 3 ( 1 4 4 5 2 ) i san e wt y p e o fh i g h n i t r o g e na u s t e n i t i c s t a i n l e s ss t e e lw i t h o u tn i c k e le l e m e n t a si t sh i g hs t r e n g t h ，h i g ht o u g h n e s sa n ds u c h e x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，i th a sw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t ，e s p e c i a l l y i nt h e f i e l do fm e d i c a ld e v i c ea p p l i c a t i o n s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o f a b r i c a t i o n t e c h n o l o g y ，h i g h - n i t r o g e ns t a i n l e s ss t e e lc a l lb ea p p l i e dt om i c r o e l e c t r o 。m e c h a n i c a l s y s t e m h o w e v e r 。t h e r ei s a no b v i o u ss i z ee f f e c t ，t h a ti st os a y ，w h e nt h es i z e d e c r e a s e st oac e r t a i ne x t e n t ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm a t e r i a l sw i l lm a n i f e s ta c l e a rs i z ee f f e c t ，m a y b ei n c r e a s eo rd e c r e a s e t h e r e f o r e ，as y s t e m a t i ci n v e s t i g a t i o no n t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm i c r o s c a l eh i g h n i t r o g e na n dt h es i z ee f f e c ti sn e e d e df o r g r e a tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp l a y sav e r yc r i t i c a lr o l ei na p p l i c a t i o n v a l u e u n i a x i a lt e n s i l et e s tw a sp e r f o r m e do n10 0 r t mh i g h - n i t r o g e na u s t e n i t i cs t a i n l e s s s t e e la tr o o mt e m p e r a t u r et oo b t a i nt h eb a s i cp a r a m e t e r so fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h r o u g ht h et e s ta n de x a m i n et h er a t c h e t i n gp r o p e r t i e sa n df a t i g u eb e h a v i o rt h r o u g h u n i a x i a lc y c l i ct e s t b yc o n t r a s t ，ac l e a rs i z ee f f e c to ns t r e n g t ha n df a t i g u ew a sf o u n d t h es m a l l e rt h es i z ei s ，t h eh i g h e rt h es t r e n g t ha n dt h el o n g e rt h ef a t i g u e l i f e a c c o r d i n g t ot h ec u r r e n tt h e o r e t i c a lm o d e l ，t h es i z ee f f e c to fh i g h - n i t r o g e na u s t e n i t i c s t a i n l e s ss t e e lw a sd e s c r i b e d w e i b u l ld e f e c t ss t a t i s t i c a lt h e o r ym o d e lw a si m p r o v e d t os i m u l a t es i z ee f f e c to ns t r e n g t ho fc o l d - d e f o r m e dh i g h n i t r o g e na u s t e n i t i cs t e e l t h e f r a c t a lt h e o r yw a se m p l o y e dt oa n a l y z et h es i z ee f f e c to nf a t i g u eo fa n n e a l i n g h i g h n i t r o g e na u s t e n i t i cs t e e l ，s oa st op r e d i c tt h es t r e n g t ha n df a t i g u el i f ef o rs p e c i f i c s i z eo fs p e c i m e n s t h i st h e s i sh a sc a r d e do u tt h es t u d i e so nc o l dd e f o r m a t i o no fh i g h - n i t r o g e n a u s t e n i t i cs t e e l i tw a sf o u n dt h a tt h em a t e r i a lp e r f o r m e das t r o n ga b i l i t yo fc o l d d e f o r m a t i o nh a r d e n i n g i na d d i t i o n ，t h eh a r d e n i n gm e c h a n i s mf r o mt h ep e r s p e c t i v eo f m i c r o s t r u c t u r ec o m b i n e dw i t ht h eh i g h n i t r o g e nc h a r a c t e r i s t i c sw a sa n a l y z e d k e yw o r d s ：x 13 c r m n m o n18 - 1 4 3h i g h n i t r o g e n m e c h a n i c a lb e h a v i o r ，s i z ee f f e c t ，c o l d a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l ， d e f o r m a t i o nh a r d e n i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位做作者签名瓤超签字隅砷年铂啪 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘鲎 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：舅皑超 裤嗍唧年彩肌_ 日 翮虢叩犯 签- 7 - - e t 叻7 年厶月歹日 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 高氮奥氏体不锈钢的研究背景 1 1 1 高氦奥氏体不锈钢的定义及分类 由于奥氏体不锈钢具有优异的耐蚀性、较高的韧塑性、良好的冷加工性能以 及无磁性能，所以其用途非常广泛。但由于奥氏体不锈钢的强度普遍偏低且价格 昂贵，因此提高强度、降低成本对于该类材料就显得异常迫切。而加入氮元素是 其中最有效的途径之一，高氮奥氏体不锈钢由此应运而生。 高氮奥氏体不锈钢是“高氮钢”的一种，高氮马氏体钢、高氮双相钢等也同 属“高氮钢”的范畴。在高氮钢发展历程中，各学者对其进行了不同的定义， s p e i d e l i l 】给出的定义认为：对于铁素铁、马氏体不锈钢而言，当钢中的氮含量大 于o 0 8 时，便可被称为高氮钢；对于奥氏体不锈钢而言，根据氮在奥氏体不锈 钢中的含量，可将含氮奥氏体不锈钢分为控氮型( 氮含量0 0 5 0 1 0 ) 、中氮型( 氮 含量0 1 0 0 4 0 ) 和高氮型( 氮含量在0 4 0 以上) 。在过去的十几年里，该定义得 到了广泛的认可。但随着新技术、新钢种的出现，该定义需要重新考虑。g a v r i l j u k e ta l i j 认为，当抗蠕变钢的氮含量超过o 1 ，不锈钢中的氮含量超过0 9 或工 具钢中的氮含量超过2 0 时，就可以认为是“高氮钢”。 尽管高氮钢的定义很重要，但目前还没有一个国际上普遍认可的明确定义。 1 9 9 5 年提出的高氮钢的定义为【3 j ：“通过加压方式或其它替代方式生产的钢，它 的固态氮含量高于氮分压为0 1 m p a 、钢液温度为1 6 0 0 时溶解的氮含量。该钢 需要采用特殊的加工或焊接方法”。可以看出，只要是为了达到特定的性能而人 为向钢中加入氮元素的钢种都可以称为“高氮钢”。而高氮奥氏体不锈钢主要指 通过人为加入一定量的氮合金化元素改善材料的强韧性能和耐蚀性能，并降低原 材料成本的一类新型不锈钢材料。 高氮奥氏体不锈钢按所含合金元素的不同可分为含镍m i ) 和无镍两大类。含 镍高氮奥氏体不锈钢中的主要合金元素有铁( f e ) 、铬( c r ) 、镍附i ) 、钼( m o ) 、氮州) 等；无镍高氮奥氏体不锈钢中的主要合金元素有f e 、c r 、m n 、m o 、n 等。两者 在成分上的区别主要表现为n i 和m n 含量的不同。同时，由于贵金属m o 的价 格昂贵，且它的主要作用是提高材料的耐腐蚀性能，因此为了适应不同场合的需 求，又衍生出含m o 和无m o 奥氏体不锈钢。高氮钢奥氏体不锈钢的分类及典型 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 成分如表1 - 1 所示【4 ，5 】。 表1 1 高氮奥氏体不锈钢分类 t a b 1 一lc l a s s i f i c a t i o no ft h eh i g hn i t r o g e na u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l s 1 1 2 高氮奥氏体不锈钢的发展历史 1 9 1 2 年，a n d r e w 首先发现了氮对钢的力学性能的影响以及氮的奥氏体化能 力【6 l 。这意味着氮合金化导致结构上的某些变化，补偿了间隙氮原子的脆化效应。 根据这一发现，一系列含氮钢应运而生。2 0 世纪5 0 年代美国开发了含氮的高锰系 列奥氏体不锈钢a i s l 2 0 0 系列不锈钢【7 】。6 0 年代之后，氮作为合金元素在a i s l 3 0 0 系列奥氏体不锈钢和双相不锈钢中得到广泛应用。1 9 6 3 年f r e h s e re ta l l s j 发现奥氏 体钢中w 洲) 达到o 8 ，其屈服强度随氮的增加而提高，韧性却不降低。这一发 现得到了广泛关注，人们开始在实验室内采用加压感应炉开发多种氮含量的高氮 钢。由于炼制技术及设备的限制，仅停滞于实验研究领域。直到1 9 8 0 年k r u p p 公 司建造了一台工业规模的压力电渣重熔( e s r ) 设备，是世界上第一台生产高氮 钢的设备。该设备第一次生产全尺寸的高氮钢锻件，其性能符合实验室规模和中 试规模的材料性能。到1 9 8 9 年新一代e s r 设备研制成功，随着这些高氮钢制备技 术和加压冶炼设备的发展，又开发出了许多新型高氮不锈钢，如德国v s g 公司先 后开发了著名的奥氏体钢c r l 8 m n l 8 n 0 6 ( p 9 0 0 ) 、c r l 8 m n l 8 n 0 9 ( p 9 0 0 n ) 、 c r l 6 m n l 4 m 0 3 n 0 9 ( p 2 0 0 0 ) ，解决了超大功率发电机护环的重要技术问题1 9 1 。随 后又开发出马氏体钢，用作工具钢和轴承钢i | o j 。利用粉末冶金法还开发了含氮极 高的工具钢。 目前，高氮钢的研究主要限于奥氏体钢或铁素体和马氏体钢。其实，氮的作 用远不止此，f r i s k 1 l 】在论述钢中氮的有益作用时认为，氮对h s l a 钢、珠光体 钢和双相钢等钢种均有益。为此，可开发出许多新型的含氮钢种。 1 1 3 高氮奥氏体钢的研究现状及应用前景 近年来随着加压冶金技术水平的不断提高，奥氏体不锈钢中氮的加入量也在 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 不断增加。高氮不锈钢的抗拉强度目前已能选到3 6 0 0 m p a ，预计不久的将来可超 过4 0 0 0 m p a 。具有良好性能的高氮不锈钢已经开始进入商业化应用阶段而且随 着制造工艺技术的进步，制造成本将不断降低，性能进一步提高，高甄不锈钢的 应用范围将不断扩大。可以预见，高氨不锈钢在交通运输( 汽车、火车、轮船) 、 建筑( 如超高强度钢筋) 、宇航空间工业、海洋工程、原子能和军事工业等许多 领域将得到广泛应用f 1 2 o 奥氏体不锈钢具有极好的抗腐蚀性和生物相容性，并且无磁性。而现用的奥 氏体不锈钢以镍铬不锈钢为丰，钢中含有较高含量的镍但此类铡存在着一些明 显的不足：耐磨性较差，限制了材料的使用范围：应用于人体植人体、牙齿矫形 托槽和各种外科手术器械时奥氏体不锈钢中的镍会以离子形式被人体的汗水， 唾液等体液浸出，导致部分人群产生人体过敏反应：另外，从价格来看镍作为一 种贵重稀敞金属，提高了奥氏体不锈钢的成本也限制了其应用_ l 。然而，在 奥氏体不锈钢中利用氨来部分取代或与锰元素结合来完全取代贵金属镍，可以更 加稳定奥氏体组织，在显著提高不锈钢强度的同时不损害其延性，而且能够提高 不锈钢的耐局部腐蚀能力如晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀等。国内外开发出各种 无镍奥氏体不锈钢，如本文研究的由德国e n e r g i e t h e c h n i ke s s e n 公司开发的 x 1 3 c r m n m o n l 8 - 1 4 3 奥氏体不锈钢、国内研制的f e 一1 7 c r - 1 4 m n - 2 m o 一04 6 n 无镍 奥氏体不锈钢。无镍奥氏体不锈钢在医疗方面解决了镍过敏问题，具有很好的应 用前景，如下图1 1 给h 了某种高氮钢医疗器械产品。 一 目前高氯钢的研究在俄罗斯、瑞典、德国、法国和日本等国家迅速发展， 但国内在上世纪8 0 年代才开始对高氮不锈钢的初步研究，且由于国内冶炼技术 和设备开发的不成熟，这一研究受到很大限制，所研制的高氮钢中的含氮量一股 不高于06 5 与国外在此项研究上仍存在较大差距。 天津大学硕七学位论文 第一章文献综述 1 2 棘轮效应的研究现状 材料或构件在平均应力不为零的非对称应力循环下，如果施加的载荷较高 ( 材料或构件产生屈服) ，将可能产生一种塑性变形的循环累积现象，即棘轮效 应。棘轮效应的累积可能导致疲劳寿命的减少或使结构的变形超过限制而不能正 常工作，是工程实际中需要考虑的一个重要问题。很多工程构件，如压力容器、 核反应堆管道、轮轨接触、紧固连接和电子封装等，在服役过程中均可能产生棘 轮效应。国外一些比较先进的设计规范中已要求对结构和构件的棘轮效应进行分 析，如a s m ec o d es e c t i o ni i i l l 4 1 ，德国规范k t a 1 5 和法国规范r c c m r l l 刚。 1 2 1 棘轮效应实验研究 棘轮效应可分为单轴棘轮效应和多轴棘轮效应。单轴棘轮效应是指在平均应 力方向上产生的循环塑性应变的累积，应力应变滞环的不封闭性是产生单轴棘轮 效应的直接原因l l 丌。多轴棘轮效应是指材料承受在承受多轴载荷作用下产生的棘 轮效应，产生的棘轮方向可以是一个方向，也可以是多个方向的，这不仅与平均 应力有关，还和加载路径有关。 棘轮变形会加速裂纹扩展和损伤累积，缩短材料的疲劳寿命。近二十年来， 国内外学者对金属材料的棘轮行为进行了大量的实验研究工作。c h a b o c h e l l 8 , 1 9 m c d o w e l l l 2 0 1 、k a n ge ta l _ 1 、h a s s a ne ta l f 2 2 ，2 3 1 、y a n g 2 4 1 、m i z u n oe ta l l l 7 1 、c h e ne t a 1 【2 5 1 、y a g u c h ie ta 1 1 2 6 2 7 等分别对常温下s s 3 0 4 不锈钢、316 l 不锈钢、1 c r l8 n i 9 t i 和紫铜等循环硬化材料的单轴和多轴棘轮行为进行了一系列的研究；对c s l 0 2 0 、 c s l 0 2 6 和纯铝等循环软化材料的棘轮行为进行了研究；对p t f e 压缩棘轮行为进 行了研究；对1 0 7 0 钢和u 7 1 m n 轨道钢等循环稳定材料的单轴和多轴棘轮行为进行 了实验研究。由于本文实验只涉及单轴棘轮效应，多轴棘轮效应不多加讨论。 棘轮变形是由非零平均应力引起的二次变形累积，它的大小和演化与许多加 载因素有关，比如平均应力、应力幅、加载历史、加载率、和加载路径、温度等。 对过去大量材料棘轮效应实验结果汇总得到了一些特征性的结论： ( 1 ) 棘轮应变，为便于从本质上研究棘轮效应，建立本构模型需要对棘轮变 形有一个量化的概念，引入棘轮应变定义。国际上对棘轮应变的定义有3 种： ， 、- 一 占，2i 占n 凇+ 占m i 。j 2 ( 1 一1 ) ie 雠= 占m 觚t o m 戤t el 1 i n = s 曲t o m i l l t e j ( 1 - 2 ) 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 o1 o m a x t i ， tj o1 c m a x t i ， 矗l a ) 【tj ( 1 - 3 ) ( 1 - 4 ) 式中： 和分别为一个循环中的最大和最小塑性应变； ，和，表示一个循环中的最大和最小真应变； 7 和r 分别为与应变丁和气耐所对应的真应力； 占、盯分别表示单轴试样的工程应变和工程应力。 真应变和真应力的表达式分别为 勺5i n ( 1 + 占) f 1 5 、 听2o - ( 1 + 占) ( 1 6 ) 其中：式( 1 2 ) 为塑性应变，表示棘轮应变为某循环下的平均塑性应变量； 式( 1 3 ) 为峰、谷值总应变，表明棘轮应变为某循环下的平均总应变量； 式( 1 4 ) 为峰值总应变，表明棘轮应变为某循环下的峰值总应变量。 上述3 类棘轮应变定义均能反映塑性变形的累积，因为3 种应变之间存在相关 特性。 ( 2 ) 在循环前几周中，黏塑性在棘轮应变的增长中占主要部分，它随循环次 数的增长而迅速衰减，因此黏塑性导致了上述应变率突变。在循环后期，滞回环 微小的不封闭性是棘轮应变缓慢增长的主要原因。 棘轮应变率定义： t = d d n ( 1 7 ) ( 3 ) 对于某些材料，如不锈钢等出现棘轮安定现象，即在一定循环次数后， 几乎没有棘轮变形累积发生；而对于另外一些材料，如某些中碳钢则不会发生棘 轮安定现象，即棘轮变形以一定的速率随循环次数逐渐增长。 ( 4 ) 棘轮行为表现出明显的速率相关性，这意味着在较低的应力速率下产生 的棘轮应变要大于在较高应力速率下的棘轮应变。 ( 5 ) 材料的循环硬化和软化行为对材料的棘轮行为有显著影响。一般说来循 环硬化行为可以降低材料的棘轮应变，而循环软化材料使棘轮应变增加。 ( 6 ) 棘轮门槛应力值：也就是说存在某一个值，当峰值应力低于此值时 材料不会产生棘轮应变。对于不同材料，盯椭是材料的一个特性参数f 2 8 】，一般认 为材料的棘轮门槛值为0 9o - o ，对实验有一定参考意义。 戤 - g气 r，、l 、 d a 时，在相同的寿命下，oa ob 。由方程( 4 6 ) 对于给定寿命一n ，可以得到c a c b ， c a = 丙( 吼，一) 芦 g = 丙( 吒，b ) 卢 也就是说参数c ( d ) 是随着试件直径增大而减小的，如图4 - 8 所示。 ( i a ( 加s c a l e ) q q a i c l 盘b nn ( ms c a l e ) ( 4 6 a ) ( 4 - 6 b ) 图4 - 8 对数坐标系下s - n 疲劳寿命曲线【1 0 7 】 f i g 4 - 8s - nc u r v e si nl o g a r i t h m i cd i a g r a m 如前所述，认为相关截面具有的分形维数是a = 2 d ( 0 d 0 5 ) ，d 值由材料 的异构和损伤削弱相似性决定，这种削弱相似性越明显，d 值越大。从而提出材 料的分形( 重整) 有限寿命疲劳强度虻概念，由 f l 】川确定的一个材料常数，l 表示材料的一个尺寸特征参数。表达式如下： 天津大学硕士学位论文第四章x 1 3 c r m n m o n l 8 1 4 3 奥氏体不锈钢的尺寸效应研究 o a = 等= 等 降7 ， 2 翥2 = 鬲 l 耳。，j 即 分时4 ( 4 - 8 ) 通过变换，方程( 4 2 ) 的分形形式为 c + = ( 葭) ( 4 - 9 ) c + 是一个与尺寸无关的材料特性参数，也就是说s - n 曲线不再依赖于材料的尺 , - - j - 如图4 9 所示。 o a ( i ns c a l e ) 宰 。吐：o 口卫 ( t ns c a l e ) 图4 - 9 对数：p , 。- - 刁。，。，p 7s - n 疲劳寿命曲纠1 0 7 1 f i g 4 - 9f r a c t a ls - nc u r v e si nal o g a r i t h m i cd i a g r a m 综合方程( 4 4 ) 、( 4 - 5 ) 、( 4 - 3 ) 可知 c b = ：c a ( 每i d x 两边取对数： l n g = i n c a 一( d f 1 ) l n ( d b e ) 假设d a = i ，d a = d ，由( 4 - l1 ) 式得， i n c ( d ) = i nc 1 一( d ) i n d 方程( 4 1 2 ) 表示了一条斜率为d x1 3 的直线，如图4 1 0 所示。 由方程( 4 7 ) 、( 4 6 a ) 、( 4 4 a ) 得，- 对于n = n ( 4 - 1 0 ) ( 4 - 1 1 ) ( 4 - 1 2 ) c = 舞吲 ( 4 - 1 3 ) 方程表达了当d a = 1 时，c + = c l ，即c + 表示了d = i 时，s - n 曲线参数c ( d ) 的值。 天津大学硕士学位论文第四章x 1 3 c r m n m o n l 8 1 4 3 奥氏体不锈钢的尺寸效应研究 此时将方程( 4 5 ) 转换成对数形式 l n 吒= 一( 1 ) 1 1 1 + ( 1 p ) l nc ( d )( 4 1 4 ) 此方程最终表达了s - n 曲线与结构尺寸的关系。 图4 1 0 单分形方法的s - n 曲线参数c ( d ) 与试样尺寸d 的关系【1 0 7 】 f i g 4 - 10s - nc u l w ep a r a m e t e rc ( d ) a g a i n s ts t r u c t u r es i z ed ，a c c o r d i n gam o n o f r a c t a la p p r o a c h 下面介绍一下此方法在退火x 1 3 c r m n m o n l 8 1 4 3 奥氏体不锈钢疲劳试验 中的应用。如图4 1 1 所示o 1 m m 、7 m m 两种不同直径材料的双对数坐标下的s n 疲劳曲线。 n u m b e ro fc y c l e si n n 图4 - 1 1 对数坐标系下1 ，4 4 5 2 l g 不锈钢的s - n 疲劳寿命曲线 f i g 4 11s - nc u r v e so f1 4 4 5 2 - l gi nl o g a r i t h m i cd i a g r a m 对s n 曲线进行拟合，o 1m i t t 材料s n 曲线拟合方程： y 2 0 1 5 9 3 9 5 7 5 1 6 x + 3 4 7 7 1 0 2 5 8 1 ( 4 - 1 5 ) 5 9 一叮正芝一bc一d3=一cie伍协o_l一 天津大学硕士学位论文第四章x 1 3 c r m n m o n l 8 1 4 3 奥氏体不锈钢的尺寸效应研究 7 m m 材料s - n 曲线拟合方程： y = - 0 1 7 7 3 3 6 8 4 7 9 x + 3 4 1 7 0 1 5 5 8 4 ( 4 1 6 ) 由于试验误差对所有s - n 曲线对应的斜率取平均值，由此可以得到b 值为 5 9 5 。 此时方程( 4 1 4 ) 变形为： l i l 吒= 一o 1 6 8 m n + 0 1 6 8 1 n c ( d ) ( 4 - 1 7 ) 在0 1 m m 疲劳曲线上任取一点( 1 4 8 0 0 0 ，4 5 0 ) ，将点带入方程( 4 1 7 ) 得到 对应的c ( d ) 值为2 0 9 6 。同样，在7m m 疲劳曲线上取一点，由方程( 4 1 7 ) 得 到对应的c ( d ) 值为2 0 0 8 ，这样就得到了两种直径材料的s - n 疲劳曲线的常数 c f d ) 的值。 这样就得到两点( 2 0 0 8 ，1 0 0 f t m ) 和( 2 0 9 6 ，7 0 0 0 0 m ) ，在双对数坐标系下描点得 图4 1 2 。 图4 一1 2 单分形方法的1 4 4 5 2 l gs - n 曲线参数c ( d ) 与试样尺寸d 的关系 f i g 4 - 1 2e x p e r i m e n t a ls - nc a l v ep a r a m e t e rc ( d 1a g a i n s ts t r u c t t t r es i z edf o r1 4 4 5 2 - l g 对曲线进行拟合得到拟合方程： y = 一0 4 7 6 9 6 4 7 6 9 6 x + 2 1 9 1 3 9 2 9 5 4 ( 4 - 1 8 ) 由方程( 4 1 2 ) 可知，d 幸p = 0 4 7 7 ，且萨5 9 5 ，d = 0 0 8 ( o d 0 5 ) 与前面假 设的条件一致。 故对于1 4 4 5 2 l g 不锈钢而言，方程( 4 1 2 ) 变形为 i n c ( d ) = 2 1 9 1 4 0 4 7 7 i n d ( 4 - 1 9 ) 从而得到了c ( d ) 和材料尺寸d 的关系，也就是说如果知道试样的直径，便 可以通过方程( 4 1 9 ) 得到材料对应的s n 曲线参数c ( d ) 值。再通过方程( 4 2 ) 便可得到给定尺寸下，不同幅值应力下的对应的疲劳寿命。 天津大学硕士学位论文第四章x 1 3 c r m n m o n l 8 1 4 3 奥氏体不锈钢的尺寸效应研究 4 3 本章小结 ( 1 ) 分别对两种尺寸的材料进行了进行了拉伸、疲劳试验，发现材料的强度 和疲劳强度有明显的尺寸效应，随着尺寸的减小材料的强度提高，疲劳寿命增加， 但是塑性降低。 ( 2 ) 根据w e i b u l l 缺陷理论分布模型对材料的尺寸效应进行模拟，确定了材 料的w e i b u l l 模量m 值，由此可以预测已知尺寸材料的强度。 ( 3 ) 根据分形理论方法对材料疲劳尺寸效应进行了分析，确定了材料的特性 参数，通过回归计算便可以预测不同尺寸下有限寿命的s n 寿命曲线。 天津大学硕学位论文 第五章结论 第五章结论 5 1 本文的主要研究工作及结论 本文对两种x 1 3 c r m n m o n l 8 1 4 3 ( 1 4 4 5 2 ) 高氮奥氏体不锈钢的各种力学行 为进行了若干试验和理论研究。可得到如下结论： ( 1 ) 对1 4 4 5 2 l g 和1 4 4 5 2 4 0 k v 两种材料的不同尺寸的试样进行了单轴 拉伸试验，获得两种不锈钢的基本力学性能参数，并发现材料为应变率无关材料。 ( 2 ) 对材料进行了室温单轴棘轮效应试验，发现材料在非零平均应力作用下， 会产生棘轮累积变形，在若干次循环后达到棘轮稳定，而不会安定，且累积速率 受幅值应力、加载速率、加载历史影响较大。 ( 3 ) 对比了1 4 4 5 2 l g 和1 4 4 5 2 - 4 0 k v 两种材料的各力学行为，发现材料 经冷变形后，强度及疲劳强度得到提高，且冷变形量越大，增加越明显。根据材 料的微观结构分析造成这种硬化现象的原因是由于滑移、晶粒细化和奥氏体诱变 成马氏体等综合作用的结果。并结合高氮钢自身的特征说明了氮对材料硬化的贡 献，随着氮含量的提高材料的硬化能力提高，且在各不同变形段氮所变现的硬化 机理是不同的。 ( 4 ) 对不同尺寸的试样的实验中发现材料的力学特性表现出一定的尺寸效 应，材料的强度随试样直径的减小而得到增强表现出强度尺寸效应，材料的疲劳 寿命在同一应力水平下得到延长表现出疲劳尺寸效应。通过改进w e i b u l l 缺陷统 计理论模型对脆性材料1 4 4 5 2 - 4 0 k v 的尺寸效应进行了模拟，得到了材料的 w e i b u l l 模量值，从而可以预测特定尺寸下材料的强度值。由于没有适当的理论 模型能描述塑性材料棒材的尺寸效应，故根据微观理论分析了韧性材料 1 4 4 5 2 l g 的强度尺寸效应。根据分形理论，采用单分形理论方法对1 4 4 5 2 l g 的疲劳尺寸效应进行了描述，得到了材料的特征常数，从而可以描述特定尺寸给 定应力水平下试样的寿命。 5 2 进一步研究工作的展望 ( 1 ) 本文只对材料的棘轮效应做了基础研究，如温度、载荷比等因素对棘轮 效应的影响有待于进一步考察，建立棘轮本构模型。棘轮效应与材料蠕变和疲劳 天津大学硕士学位论文 第五章结论 之间的耦合作用有待于进步探索研究。 ( 2 ) 仍需要进行更多尺寸材料的力学性能试验，完善和改进材料的尺寸效应 模型。 。 ( 3 ) 对不同尺寸的材料进行微观分析，从材料的微观角度对材料的尺寸效应 进行解释。 天津大学硕士学位论文参考文献 参考文献 【1 】s p e i d e lm o ，p r o p e r t i e sa n da p p l i c a t i o n so fh i g h - n i t r o g e ns t e e l s ，h n s 一8 8 ，l o n d o n ，t h ei n s t i t u t eo fm e t a l s ，19 8 9 ：9 2 【2 】g a v r i l j u kv g ，b e r n sh ，h i g hn i t r o g e ns t e e l s ，b e r l i n ，s p r i n g e r , l9 9 9 ：19 2 3 】r a s h e vt ，h i g h n i t r o g e ns t e e l s m e t a l l u r g yu n d e rp r e s s u r e ，a c a d e m i cp u b l i s h i n g h o u s e ，m d r i n o v ，19 9 5 ：2 5 3 【4 】k a t a d ay ，e f f e c to ft e m p e r a t u r eo nt e n s i l eb e h a v i o ra n dm i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o n o fn i t r o g e na l l o y e da u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l ，h a nd o n g ，j i es u ，m o s p e i d e l ，i n t c o n fo nh i g hn i t r o g e ns t e e l ，h n s 一2 0 0 6 ，b e i j i n g ：m e t a l l u r g i c a li n d u s t r yp r e s s ， 2 0 0 6 ：5 2 5 】b a l a c h a n d r a mg ，k a m a c h im u ，r a jb ，h i g hn i t r o g e ns t e e l sa n ds t a i n l e s s s t e e l s ，n a r o s ap u b l i s h i n gh o u s e ，n e wd e l h i ，2 0 0 4 ：8 7 【6 】a n d r e wj h ，n i t r o g e ni ni r o n ，c a r n e g i es c h o l a r s h i pm e m o i r s ，19 12 ，1 1 ：2 3 6 【7 】f r a n k sr ，b i n n d e rw o ，t h o m p s o nj ，a u s t e n i t i cc h r o m i u m m a n g a n e s e - n i c k e l s t e e l sc o n t a i n i n gn i t r o g e n t r a i n s a s m ，19 9 5 ，4 7 ：2 3l 8 】f r e h s e rh ，k u b i s c hc ，m e t a l l u r g i eu n de i g e n s c h a f t e nu n t e rh o h e md r u c k e r s c h m o l z e n e r - s t i c k s t o f fh a l t i g e rs t a h l e ，b e r g u n dh u t t e n m a n n i s c h em o n m s h e f i e ， 1 9 6 3 ，1 0 8 ( 1 1 ) ：3 6 9 - 3 8 0 【9 】s t e i ng ，t h ed e v e l o p m e n to f n e wm a t e r i a lf o rn o n m a g n e t i z a b l er e t a i n i n gr i n g s a n do t h e ra p p l i c a t i o ni nt h ep o w e rg e n e r a t i n gi n d u s t r y ，n i s b e t te g ，m e l i l l i a s ，s t e e lf o r g i n g s ，a s t m s t p 9 0 3 a m e r i c a ns o c i e t yf o rt e s t i n ga n dm a t e r i a l s ， p h i l a d e l p h i a ，1 9 8 6 ：2 3 7 2 5 7 【10 b e r n sh ，l u e gl ，t r o j a h nw ，z o c hh ，h i g hn i t r o g e ns t e e l s ，h n s 一9 0 s t a h l e i s e n ，d u s s e l d o 吒19 9 0 ：4 2 5 4 2 9 【l l 】f r i s kk ，氮在钢中的某些有益作用，高氮钢译文集( 1 ) ，上海钢铁研究所， 1 9 9 0 ：l 2 l 【1 2 】s t e i ng ，h u c h l e n b r o i c hi ，m a n u f a c t u r i n ga n da p p l i c a t i o no f h i g hn i t r o g e ns t e e l s m a s t e ra n dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e s ，2 0 0 4 ，19 ：7 【1 3 】a n o n ，m e t a lp o w d e rr e p o r t ，19 9 7 ，5 2 ( 11 ) ：2 4 【14 】a s m eb o i l e ra n dp r e s s u r ev e s s e lc o d e ，s e c t i o ni i i ，a m e r i c a ns o c i e t yo f m e c h a n i c a le n g i n e e r s ，n e wy o r k , 2 0 0 5 【15 k e r n t e c h n i s c h e ra u s s c h up ( k t a ) ，s i c h e r h e i t s t e c h n i s c h er e g e ld e sk t a ；t e i l ： a u s l e g u n g ，k o n s t r u k t i o nu n db e r c h n u n g ，r e g e l a d e r u n g s e n t w u r f , 19 9 5 6 4 天津大学硕士学位论文 参考文献 【16 d e s i g nr u l e sf o rc l a s sle q u i p m e n t r c c m rj u n e ，19 8 5 ，r b 3 0 0 0 【17 】m i z u n om ，m i m ay 。，a b d e l - k a i r mm ，o h n on ，u n i a x i a lr a t c h e t i n go f316 f r s t e e la tr o o mt e m p e r a t u r e ，i ：e x p e r i m e n t s a s m eje n gm a t et e c h ，2 0 0 0 ，12 2 ： 2 9 【18 】c h a b o c h ej l ，o ns o m em o d i f i c a t i o no fk i n e m a t