增材制造316钢高周疲劳性能的微观力学研究

由于增材制造逐层累积的工艺特点,其成形材料力学性能往往不同于传统减材制造材料.在航空航天、核工业以及医疗领域中,对增材制造材料疲劳性能的研究不足导致其很难作为主承力件使用,这制约着增材制造技术的进一步推广使用.本文以增材制造316钢为对象,通过仿真手段研究其高周疲劳性能,研究表明循环载荷下滑移带与晶界处的裂纹萌生是增材制造316钢材料发生高周疲劳的主要原因.根据提出的微观力学模型研究了增材制造316钢的高周疲劳性能,其中分别使用唯象学晶体塑性理论和弹塑性内聚力模型模拟晶粒和晶界的力学行为.为了准确评估增材制造316钢的高周疲劳性能,本文针对于晶粒和晶界分别采用Papadopoulos疲劳准则和一种基于安定性理论的介观疲劳准则同时考虑位错滑移和晶界对疲劳性能的影响.最后,为了验证所提微观力学模型的有效性,本文对比了增材制造316钢和轧制316钢高周疲劳性能的仿真结果.与实验结果相同,仿真结果显示增材制造316钢相较于轧制316钢具有更好的高周疲劳性能.

316钢与12Cr1MoVG钢的焊接

对于金相组织不同的奥氏体钢316与珠光体钢12Cr1MoVG的焊接,存在防止焊缝稀释,减小脆硬过渡层宽度,抑制碳迁移扩散以及接头的热应力状态控制问题。通过对异质钢接头的焊接性分析,选择焊接材料E309Mo-16(A312)焊条,制定合理焊接工艺,并对焊后热处理的焊接接头进行了金相组织及侧弯、拉伸、冲击吸收功等力学性能的测定。工艺试验及评定结果表明,焊缝金相组织为奥氏体+δ铁素体双相组织,强度及塑韧性良好,该工艺能够获得优异的异质钢焊接接头,满足工程应用要求。其已应用于汽化炉生产制造中。

AISI316钢在不同退火条件下的微观组织结构

对316钢试样首先在空气炉中加热到900℃进行退火,然后将其分成两组,分别在空气炉和真空炉(1.33×10-4Pa)中600℃退火。利用光学显微镜、扫描电镜和透射电镜观察了试样的氧化层、近表面层的微观结构。并分析了其氧化层及近表面层的化学成分。结果表明,经900℃空气炉第一次退火后试样的表面氧化层非常粗糙,而基体则出现了表面贫铬现象。经过第二次退火后,在真空炉中生成的氧化层与在空气炉中生成的有很大区别。与真空炉试样相比,空气炉中生成的氧化层结构更加复杂,与基体的结合强度低;试样的外层、近表面层及其中心部位的位错分布也有显著的区别,靠近试样基体-氧化层界面处具有较高的位错密度。

氧化层及A1电弧喷涂层对316钢高温机械性能的影响

制备了4 种不同表面状态的316钢试样：热处理后去除氧化层试样、未去除氧化层试样、电弧喷涂Al涂层以及高速电弧喷涂Al涂层试样。在固定的拉伸速度下研究了4 种试样的高温拉伸性能，利用扫描电镜观察了应变前、后试件的表面状态，并测试了涂层在高温应变前、后的表面粗糙度，试验结果表明表面氧化层、电弧喷涂层对316不锈钢的高温机械性能有重要影响。

316钢高温拉伸性能探讨

随着高温合金在人类生产活动中应用越来越广泛,高温合金力学性能研究对于材料设计有较大的指导意义。实验通过控制温度和应变率,对316钢进行高温单轴拉伸实验,测量其在高温条件下弹性模量、屈服强度、抗拉强度等各项高温力学性能,进而分析温度和应变率变化对合金性能的影响。实验发现316钢的各项强度随着温度升高而降低;应变率的减小会导致合金的某些强度小幅度增加,在低应变率下,316钢的应力-应变曲线便显出一定的规律,且断裂前标距段吸收的机械能随着应变率的变小呈现增加的趋势。

20钢/316L复合管固液复合制坯工艺研究

双金属复合管在石油运输行业中应用前景广阔,结合性能是考察复合管是否合格的重要指标之一。为了能在轧制成形过程中得到高品质的复合管材,在复合管制坯过程中要求实现界面处的冶金复合。以20钢和316L为原材料,基于结合温度及元素扩散情况,采用固液复合方式,并且结合界面的温度模型及通过Pro CAST软件模拟,获得了外模最佳预热温度为1050—1100℃。通过现场试制界面处实现了冶金复合,在最佳温度范围既保证了固态20钢和液态316L之间能达到冶金复合,又能使元素有充分的扩散时间而增强了界面结合强度,同时又可以防止因元素过渡扩散而导致316L腐蚀性能下降。该方法为后续复合管连轧提供了优良的管坯,可实现高品质复合管的现场生产。

示范快堆中间热交换器材料316H钢钠中老化行为研究

316H钢是中国示范快堆中间热交换器的主要材料,随着运行时间的增加,其老化效应不断累积。为探索316H钢在示范快堆中间热交换器运行工况下的老化行为,此研究分别在353℃和535℃静态钠条件下对316H钢管材和板材试样进行了1000~8000 h的相容性试验,并对试验后的样品开展微观表征、腐蚀速率测量以及力学性能测试等分析。结果显示:353℃条件下试样几乎不发生腐蚀现象,而在535℃条件下,高温加速了扩散使得材料的老化行为显著,随着试验时间的增加,材料在钠中的腐蚀转为稳态阶段。研究表明:316H钢在钠中的老化行为受到钠的温度、浸泡时间以及材料制造工艺等因素影响,在低氧低碳的低温钠环境中有较好的抗老化能力,在温度相对较高、时间较长的钠环境中存在老化迹象。

国产核电主管道用316LN钢的低周疲劳性能评估

对CAP1400核电机组国产主管道用316LN钢开展室温(25℃)、服役温度(350℃)、500℃和600℃下的低周疲劳试验,得到该钢的循环应力响应特性和迟滞回线,基于RambergOsgood模型和Manson-Coffin模型拟合稳定循环应力幅-应变幅曲线和应变幅-失效反向数曲线,采用ASME锅炉及压力容器规范最佳拟合疲劳曲线和设计疲劳曲线对该钢的低周疲劳性能进行评估。结果表明:316LN钢的循环应力响应过程包含循环硬化、循环软化、稳定循环和最终失效4个阶段;500,600℃下316LN钢发生显著的动态应变时效,350℃下动态应变时效特征不明显,室温下不存在动态应变时效现象;Ramberg-Osgood模型和Manson-Coffin模型可以较好地描述316LN钢的稳定循环应力幅-应变幅和应变幅-失效反向数关系;在室温和350℃条件下316LN钢的疲劳试验数据均高于修订后的最佳拟合疲劳曲线,应变调整系数取2或疲劳寿命调整系数取12的试验数据均高于设计疲劳曲线,低周疲劳性能满足ASME规范要求。

316LN钢的高温本构模型与热加工图

目的研究316LN钢的高温变形行为,确定最佳加工区间并优化工艺参数。方法利用Gleeble热模拟实验机在变形温度为1000~1150℃、应变速率为0.001~10 s^(-1)条件下对316LN钢进行热压缩实验。根据实验数据分别绘制不同变形温度和不同应变速率下的流变应力曲线。在传统Arrhenius双曲正弦关系的基础上,考虑应变量的影响,通过五次多项式拟合建立316LN钢的改进型本构模型,基于动态材料模型及Prasad塑性失稳判据计算得到材料的能量耗散图和流变失稳图,将二者叠加得到316LN钢的热加工图。结果流变应力曲线呈现典型的动态再结晶特征,且随着应变速率的增大和变形温度的升高,316LN钢的压缩应力逐渐减小,耦合应变量的本构模型预测值与实验值的相关系数达0.9888,吻合度较高。通过建立热加工图并对比金相组织发现,316LN钢在“安全区”能量耗散效率较大的区域更容易发生动态再结晶行为。结论高变形温度、低应变速率条件更有利于软化机制的发生,改进型本构模型精度较高,可对316LN钢热变形过程中的流变应力进行准确预测。通过构建热加工图确定了316LN钢的最佳工艺区间:温度为1035~1065℃、应变速率为0.001~0.03 s^(-1)以及温度为1100~1150℃、应变速率为0.035~0.1 s^(-1)。

核电主管道用钢316LN高温变形性能研究

通过热力学模拟实验,研究了316LN钢在900～1200℃、应变速率为0.01～1s-1变形条件下的高温变形性能,得到了其在大型锻造件生产条件下的流动应力曲线。通过对实验数据进行多元线性拟合,建立了316LN钢的动态再结晶模型。通过变形试样淬火后显微组织的研究分析,验证了所建立模型的正确性。比较了动态再结晶对电渣重熔钢锭和真空浇铸钢锭晶粒细化效果的差异,从而初步确定了316LN钢合理的锻造工艺区间。

316LN钢多道次变形条件下的动态再结晶行为

通过高温热力学模拟实验,研究了大型核电主管道用钢316LN在应变速率0.01s-1,温度1200℃～1150℃、1100℃～1050℃、1000℃～950℃双道次变形条件下的高温变形行为,得到了该钢种在多道次变形条件下的流动应力曲线。通过对热模拟试样高温淬火后显微组织的研究分析,得到了多道次变形条件下的动态再结晶规律和组织控制规律。

316LN钢奥氏体晶粒长大模型

通过改变加热温度和保温时间研究核电主管道用钢316LN奥氏体晶粒的长大规律。结果表明,随着加热温度的升高和保温时间的延长,实验钢奥氏体晶粒尺寸逐渐增大,且加热温度为1 200℃保温2h时出现混晶现象。奥氏体平均晶粒尺寸变化曲线表明,与保温时间相比,加热温度对晶粒尺寸的影响更大。对实验数据进行非线性回归,建立了描述316LN钢奥氏体晶粒长大规律的数学模型;通过对比实验值与计算值验证了模型的精度和可靠性。研究结果对确定316LN钢始锻温度和制订加热规范具有指导意义。

316LN钢裂纹萌生的临界损伤值

利用Gleeble-1500D热力模拟试验机,对316LN钢进行变形温度为950℃～1200℃,应变速率为0.005s-1、0.05s-1、0.5s-1和1s-1的高温拉伸实验,得到不同变形条件下的真应力-真应变曲线;根据曲线做拉伸卸载实验,利用光学显微镜(OM)观察空洞萌生,确定空洞萌生应变。采用Normalized Cockcroft&Latham准则,用DEFORM 2D模拟高温拉伸变形过程,通过实验与数值模拟结果对比,得到了在不同变形条件下裂纹萌生的临界损伤值。该临界损伤值受温度和应变速率的影响,随着温度的降低而增加,随应变速率的增加而增加。该值的确定,对316LN钢锻造裂纹的预测及锻造工艺的制定具有指导意义。

Q345/316L钢焊接接头的腐蚀性能

目前,对Q345/316钢焊接接头腐蚀性能的研究报道较少。采用手工电弧焊焊接Q345钢和316L钢,并以不同温度作时效处理,利用高温高压釜腐蚀失重法研究了焊接接头在3种盐度模拟海水中的腐蚀性能。采用体视显微镜和扫描电镜观察了焊接接头整体及不同区域的腐蚀形貌并分析其机理。结果表明:在模拟海水中,Q345/316L钢焊接接头中Q345钢侧热影响区发生点腐蚀,随Cl-浓度升高,腐蚀程度加剧;在同一盐度海水中,经不同温度时效处理的焊接接头的腐蚀速率不同,250℃时效处理后的最低,而550℃时效处理的最高;焊接接头腐蚀产物膜的主要成分为Fe3OOH。

316L钢室温和中温环境下应力控制的低周疲劳行为研究

通过对 3 16L钢在室温和中温环境下应力控制的低周疲劳试验 ,得到若干有意义的试验结果 ,揭示和分析3 16L钢室温和中温环境下应力循环特性及棘轮行为随加载历史、加载名义应力范围和环境温度的变化规律 ,并在此基础上讨论动态应变时效 (dynamicstrainaging ,DSA)的现象。研究表明 ,材料的应力循环特性依赖于温度和加载历史 ,棘轮行为依赖于温度、加载水平和加载历史 ,42

316L钢高温疲劳裂纹扩展的规律研究

对316L钢在常温、200℃、400℃和550℃下的疲劳裂纹扩展速率进行了测试和分析,对疲劳断口形貌进行观察,得到了四种温度下的疲劳裂纹扩展规律。结果表明:裂纹扩展率随着温度的升高而增大;高温下氧化作用增强。

Xe^+离子辐照诱导国产T91及316Ti钢微结构变化研究

对国产T91及316Ti钢进行室温下200keV的Xe^+离子辐照,使用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)等检测方法研究不同损伤剂量下辐照对材料相的稳定性和微观结构变化的影响。研究结果表明:T91钢辐照后未发生明显相变,而316Ti发生了γ(FCC)→α(BCC)的马氏体相变,且随辐照损伤剂量的增加,α相含量增加,相变的主要驱动力为辐照离子在辐照层的聚集从而产生的剪切应力;T91钢中的M_(23)C_6颗粒随辐照损伤剂量的增加,非晶化越来越明显,主要是由于辐照粒子的轰击削弱了M_(23)C_6颗粒晶格的稳定性,晶格塌陷成为非晶状态;316Ti钢在较低辐照损伤剂量(4.6dpa)下出现黑斑结构,而在高辐照损伤剂量(37.1dpa)下黑斑结构进一步聚集形成位错环。

应力三轴度对316LN钢临界损伤值的影响

利用Gleeble-1500D热模拟机对316LN钢做温度1 050℃、应变速率0.5s-1的高温拉伸试验,试样尺寸Φ10mm×121.5mm,缺口半径分别为0.5mm、1mm、2mm和4mm,得到不同缺口半径试样的真应力-真应变曲线。通过数值模拟得到试样初始拉伸时的应力三轴度最大值及空洞形核时的临界损伤值,结果表明,缺口试样的临界损伤值随应力三轴度的增大而增大,即应力三轴度越大,裂纹越不容易萌生。通过对实验数据和模拟结果的回归分析,建立应力三轴度与空洞形核应变的定量关系模型。

316LN钢高温塑性及其断口特征

利用Gleeble-1500D热力模拟试验机,对316LN钢进行温度为950~1200℃,应变速率分别为0.005、0.05、0.5和1s-1的热力模拟试验。借助扫描电镜（SEM）对断口进行观察,研究316LN钢的高温塑性及高温断裂机制。结果表明：316LN钢高温断裂为韧性断裂,随着温度和应变速率的增加,韧窝尺寸增大,深度增加,塑性增加。同时,采用回归方法构建了断裂应变、塑性指标（延伸率和断面收缩率）分别与变形条件（温度和应变速率）的关系模型,应用这些模型可以计算一定条件下316LN钢的断裂应变、延伸率和断面收缩率,对制定316LN钢的锻造工艺有一定的指导作用。

模拟焊后热处理对316H钢组织和性能的影响

以316H奥氏体耐热钢为研究对象,采用光学显微镜、扫描电镜和透射电镜,研究了模拟焊后热处理温度对奥氏体耐热钢组织及性能影响。研究结果表明,随着模拟焊后热处理温度升高,材料内部位错密度降低,造成材料的常温及短时高温强度降低;而晶界析出相的数量同样随着温度的升高而减少,其形状也由长条状过渡至短棒状乃至颗粒状,并最终不再析出,材料的常温韧性提高,但由于析出相钉扎晶界作用的逐渐消失,晶粒开始长大,进一步造成材料常温及短时高温强度的降低。