压力容器材料冷加工的影响

原创 胡伟明  2021-03-29 20:56:00  阅读 57 次 评论 0 条
摘要:

各向异性金属材料的塑性变形及其随后的加热对金属材料的组织和性能有着显著的影响。金属发生塑性变形时,不仅外形发生变化,而且其内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。当变形量很大时,晶粒将被拉长为纤维状,晶界变得模糊不清。塑性变形还使晶粒破碎为亚晶粒。在塑性变形过程中,由于晶粒的转动,当变形达到一定程度(70%以上)时,会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致,这种现象称为形变织构或择优取向。形变织构使金属呈现各向异性,在深冲零件时,易产生“制耳”现象,使零件边缘不齐,厚薄不均。加工硬化金属发生冷塑性变

各向异性

金属材料的塑性变形及其随后的加热对金属材料的组织和性能有着显著的影响。金属发生塑性变形时,不仅外形发生变化,而且其内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。当变形量很大时,晶粒将被拉长为纤维状,晶界变得模糊不清。塑性变形还使晶粒破碎为亚晶粒。

在塑性变形过程中,由于晶粒的转动,当变形达到一定程度(70%以上)时,会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致,这种现象称为形变织构或择优取向。形变织构使金属呈现各向异性,在深冲零件时,易产生“制耳”现象,使零件边缘不齐,厚薄不均。

加工硬化

金属发生冷塑性变形后,随塑性变形量增加,金属的强度、硬度提高,塑性、韧性下降的现象称为加工硬化或应变强化。由于加工硬化的存在,使已变形部分发生硬化而停止变形,而未变形部分开始变形,因此,没有加工硬化,金属就不会发生均匀塑性变形。加工硬化是强化金属的重要手段之一,尤其对于那些不能通过热处理强化的金属和合金更为重要。

热成形时加工硬化和再结晶现象同时出现,加工硬化很快被再结晶产生的软化所抵消,变形后具有再结晶组织,因而无加工硬化现象。

残余内应力

内应力是指平衡于金属内部的应力,它是由于金属在外力作用下,内部变形不均匀而引起的。金属发生塑性变形时,外力所做的功约90%以热的形式散失掉,约10%的功转化为内应力残留于金属中。焊接是在小范围内进行的铸造过程,局部温差大,更是不可避免地产生残余内应力。内应力的存在,使金属耐蚀性下降,并易引起受压元件在服役过程的变形和开裂。因此,金属在塑性变形后及压力容器在焊后,必要时需进行退火处理或焊后热处理(低温退火),以消除或降低内应力。

应变时效

经冷加工塑性变形(筒节的冷卷、封头的冷旋压等)的碳素钢、低合金钢,在室温下停留较长时间,或在较高温度下停留一定时间后,会出现强度和硬度提高,塑性和韧性降低的现象,称为应变时效。金属材料在发生应变时效前后的冲击韧性之差与原始状态下冲击韧性的比值,称为应变时效敏感性。冷加工的应变量越大,应变时效越明显。通常塑性变形大于3%时就会产生明显的应变时效。例如,某24mm厚的Q345R钢板,经5%冷塑性变形后再在250℃下加热1h,-20℃时的冲击吸收功从原来的36J下降到10J,应变时效十分明显。发生应变时效的钢材,不但冲击吸收功大幅度下降,而且韧脆转变温度大幅度上升,表现出常温下的脆化。因此,受压元件冷成形变形率达到规定值后要求进行恢复性能热处理(再结晶退火)。

此外,钢板冲压成各种封头后,由于塑性变形,厚度会发生变化。例如,钢板冲压成半球形封头后,底部变薄,边缘增厚。在压力容器设计时,应注意这种厚度的变化。

爆炸不锈钢复合钢板在压力容器的使用逐渐增多。爆炸加工金属复合板的过程,是在金属表面施加能量的过程。在爆炸高速脉冲作用下,复材向基材倾斜碰撞,在金属射流状态下,复层金属与基层金属间形成锯齿状的复合界面,达到原子间的结合。经过爆炸加工后的基材碳素钢或低合金钢,经受了一次应变硬化的加工过程,使抗拉强度上升(屈服强度值变化不明显),塑性指标下降,经过爆炸加工的复层不锈钢的耐蚀性能会受到削弱。爆炸复合不锈钢板需要经过校平、剪边或切割,通常经热处理后供货。热处理对改善基材力学性能有利,但会削弱复层不锈钢的耐腐蚀性能。此外,当压力容器用爆炸不锈钢复合钢板的基材厚度超过一定值时,需要对其产品进行焊后热处理以改善焊接接头性能,这不可避免地又会削弱复层不锈钢的耐腐蚀性能。为缓解上述问题,可以选择含有较多镍元素的奥氏体不锈钢,并选择低碳或超低碳奥氏体不锈钢或含钛或铌稳定化元素的奥氏体不锈钢作为复层材料。


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