1Cr18Ni9Ti鋼管的常溫蠕變性能

陳吉生，石晶輝，鄂大辛

（1.廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434；2.首都航天機械公司，北京 100081；3.北京理工大學材料科學與工程學院，北京 100081）

0 引 言

汽車工業的發展水平是一個國家發達程度的重要標志，而金屬材料則是汽車工業發展的重要基礎。金屬管材具有輕量化以及良好的強韌性、吸收沖擊性能等優點，廣泛應用于航空航天、汽車制造等領域。低碳鋼、高強鋼和不銹鋼等的管材在使用過程中，會出現以非熱激活的粘滯性變形為特點的常溫蠕變現象。與高溫蠕變不同，常溫蠕變的變形量隨著時間延長而逐漸趨于飽和，因此單獨的常溫蠕變不會導致構件嚴重失效。但由于常溫蠕變改變了材料內部、特別是裂紋尖端區域的應力應變分布，可能會對構件的應力腐蝕行為產生影響；加之測量儀器的精密化以及設備的微型化亦使得常溫蠕變的影響愈加顯著，故而相關的研究工作逐漸被人們重視［1－4］。國內對結構鋼的常溫蠕變現象進行了較多研究［5－8］，但有關1Cr18Ni9Ti鋼管的常溫蠕變性能以及常溫蠕變對材料性能影響的相關報道很少。因此，作者對1Cr18Ni9Ti鋼管進行了常溫蠕變試驗，分析了應力水平、加載速率和加載歷史對其常溫蠕變性能的影響以及常溫蠕變和加載歷史對其屈服強度的影響。

1 試樣制備與試驗方法

管材在服役過程中長期受到載荷的作用，容易產生常溫蠕變行為。為更接近管材的實際服役狀態，通常先對管試樣進行不同程度的預拉伸變形后再進行常溫蠕變試驗。

1Cr18Ni9Ti鋼管的常溫蠕變試驗采用微機控制電子式WDW－E100D型液壓伺服萬能試驗機進行，該試驗機可實現對應變速率等參數的有效控制。常溫蠕變試驗溫度范圍為（22±2）℃，采用標距為50mm的引伸計測常溫蠕變應變。管試樣的尺寸根據GB／T 228－2002選取非比例試樣（原始標距Lo＝50mm，平行長度Lc≥100mm），原始管外徑d0＝6mm，原始壁厚t0＝1mm，在同一原始管材上截取以減小管材制造公差及熱處理工藝對拉伸試驗結果的影響。為防止試樣不在中心標距內斷裂采用3重標矩，標距線與夾持線之間的距離設為12.5mm（大于d0）。斷后標距優先選用中心標距。為盡可能保證加載過程中的單向受力狀態，在試樣兩端塞入自制的伸入端帶圓角的圓柱形硬質合金塞頭，同時在塞頭上包裹一層防滑膠帶。管試樣的結構和尺寸如圖1所示。

圖1 管試樣的結構及尺寸Fig.1 Structure and dimension of tube sample

為研究不同試驗參數和加載歷史對常溫蠕變性能的影響，采取如下試驗方案：

（1）在預拉伸變形量ε為0.075、加載速率為14.8kN·s－1的基礎上，對管試樣進行應力分別為60%（154.8MPa），70%（180.6MPa），80%（206.4MPa）及90%（232.2MPa）屈服強度的常溫蠕變試驗，研究不同應力水平（σ）對常溫蠕變性能的影響。

（2）在預拉伸變形量ε為0.075、恒載應力為232.2MPa的基礎上，通過電子拉伸試驗機將加載速率轉換為1.85kN·s－1（29.0MPa·s－1）、3.7kN·s－1（58.1MPa·s－1）、7.4kN·s－1（116.1MPa·s－1）及14.8kN·s－1（232.2MPa·s－1）對管試樣進行常溫蠕變試驗，研究不同加載速率對常溫蠕變性能的影響。

（3）對管試樣進行不同程度的預拉伸，預變形量ε分別為0.075，0.190，0.315。由于管試樣經不同預變形后的屈服強度不同，因此在試驗中將不同應變后管試樣的90%屈服強度作為常溫蠕變的恒載應力進行常溫蠕變試驗，研究預變形量對常溫蠕變性能的影響。

（4）對預拉伸試樣進行常溫蠕變試驗（一次蠕變），記錄蠕變數據；卸載后，加載應力及加載速率保持不變，重新對該試樣進行常溫蠕變試驗（二次蠕變），記錄蠕變數據，研究不同加載歷史對常溫蠕變的影響。

此外，為研究常溫蠕變對屈服強度的影響，采取以下三種不同的試驗方案。（1）對管試樣進行預拉伸，變形量ε為0.075，卸載后保持加載速率和加載應力不變，進行二次拉伸，變形量ε為0.150；（2）對管試樣進行預拉伸，變形量ε為0.075，卸載后進行常溫蠕變試驗；常溫蠕變試驗卸載后進行二次拉伸，變形量ε為0.150；（3）對管試驗進行常溫蠕變試驗，卸載后進行預拉伸，變形量ε為0.075，卸載后保持加載速率和加載應力不變，進行二次拉伸，變形量ε為0.150。

2 試驗結果與討論

2.1 應力水平對常溫蠕變性能的影響

從圖2可以看出，在試驗應力水平下，1Cr18Ni9Ti鋼管均發生了常溫蠕變現象，且蠕變應變隨著應力水平的增大而明顯增大；當管試樣在154.8MPa應力下加載時，可觀察到較小的蠕變應變，蠕變應變的最大值僅為0.0008；隨著應力水平提高，在206.4MPa應力下加載時這種時間相關的蠕變應變已經比較明顯；當應力水平進一步提高至232.2MPa時，蠕變應變表現得更為顯著，此時，在1800s內的蠕變應變累積量已接近0.0028。

圖2 不同應力水平下1Cr18Ni9Ti鋼管的蠕變應變－時間曲線Fig.2 Creep strain vs time for 1Cr18Ni9Ti steel tube at various stresses

實際上，常溫蠕變是位錯與時間相關的滑動過程。位錯分為可動位錯及不動位錯，在載荷作用下，可動位錯被激活而進行滑移，不動位錯不僅不能進行滑移，而且對可動位錯的滑移還具有阻礙作用。當可動位錯經過位錯運動自由行程的平均長度后，被不動位錯捕獲而成為不動位錯。可動位錯隨時間延長而進行的滑移在宏觀上表現為常溫蠕變現象。位錯的滑移速率與常溫蠕變速率的關系見式（1）所示的 Orowan方程［9］。

此外，由晶粒內部的粘滯拖曳力控制的有效應力σe決定了可動位錯的滑移速率和壽命，從而直接影響材料的常溫蠕變變形程度，故有

式中：τ0為基體對位錯拖拽作用的常數；n為應力－速率指數。

有效應力σe可用式（3）表示。

式中：σ為外加應力；a為位錯強化常數；G為剪切模量；ρn為不動位錯的密度。

由式（1）可以看出，可動位錯的滑移速率和密度是影響常溫蠕變速率的重要因素。對于特定材料，位錯的滑移速率主要由作用在位錯上的有效應力決定，如方程（2）所示。不僅外加應力水平對有效應力具有決定作用（呈正相關），而且不動位錯的密度對其也有重要影響（呈負相關），如式（3）所示。因此，應力水平增大意味著有效應力及可動位錯的滑移速率增大，常溫蠕變應變隨應力水平提高而迅速增加。

2.2 加載速率對常溫蠕變性能的影響

由圖3可見，在232.2MP應力水平作用下，常溫蠕變應變隨加載速率的增加而增大。在相同的應力水平下，總位錯密度一定，可動位錯密度增加的速率正比于蠕變速率，如式（4）所示。

圖3 不同加載速率下1Cr18Ni9Ti鋼管的蠕變應變－時間曲線Fig.3 Creep strain vs time for 1Cr18Ni9Ti steel tube at various loading velocities

高的蠕變速率可產生更多的可動位錯，較多的可動位錯以相對較快的速率滑移，從而在宏觀上表現為常溫蠕變應變隨加載速率的增加而增大。

此外，在試驗過程中，由于存在應變硬化，故而可動位錯占位錯總量的比例下降［10］。由式（1～3）可知，初始的常溫蠕變速率最大。隨著蠕變的進行，可動位錯逐漸陷入位錯網絡變為不動位錯，從而使得可動位錯的密度降低，不動位錯的密度增大，同時不動位錯的增加也使得有效應力降低，進而導致可動位錯的滑移速率下降，因此常溫蠕變速率隨著蠕變的進行逐漸降低。

2.3 加載歷史對常溫蠕變性能的影響

除上述兩個因素之外，試樣加載前的加載歷史也會對后續的常溫蠕變性能產生明顯的作用。由圖4可見，常溫蠕變應變因不同的加載歷史而具有明顯的差異。由于進行一次蠕變時，起始階段不動位錯的密度較低（僅預拉伸時的不動位錯），可動位錯的滑移速率較高，具有較大的常溫蠕變速率；卸載后進行二次蠕變時，由于管試樣已經歷過一次蠕變，不動位錯的密度高于僅經過預拉伸的的管試樣，從而導致二次蠕變時可動位錯的滑移速率降低。因此，在宏觀上表現為二次常溫蠕變應變顯著減小，并且減幅隨預變形量的增大而增大。

圖4 二次蠕變下1Cr18Ni9Ti鋼管的蠕變應變－時間曲線Fig.4 Creep strain－time curves of 1Cr18Ni9Ti steel tube at two－stage creep

2.4 常溫蠕變及加載歷史對屈服強度的影響

由圖5可以看出，當管試樣未經過常溫蠕變時，加工硬化所獲得的屈服強度增量為132.27MPa，而當管試樣經過不同加載過程的常溫蠕變后，屈服強度增量有所增大，屈服點處的屈服強度增量分別為176.79MPa和179.87MPa，即常溫蠕變對材料產生了應變強化作用。

圖5 常溫蠕變及加載歷史對屈服強度的影響Fig.5 Effects of room temperature creep and loading process on yield strength

管試樣經一次單向拉伸、卸載之后繼續進行二次拉伸后，其屈服強度并沒有發生明顯的突變（仍沿著屈服曲線變化）。這是因為在卸載后再加載的過程中，材料內部不動位錯的密度沒有明顯變化，所以屈服強度沒有明顯變化。但是，當蠕變應變與預拉伸應變累加時，屈服強度會顯著上升。這是因為在常溫蠕變過程中，可動位錯不斷地被不動位錯捕獲，并陷入到位錯網絡中，明顯提高了不動位錯的密度，從而導致常溫蠕變后再進行拉伸時屈服強度顯著提高。

3 結 論

（1）1Cr18Ni9Ti鋼管的常溫蠕變應變隨應力水平和加載速率的增大而增大，蠕變應變表現出明顯的應力敏感性；當應力水平較低時，蠕變應變較小；當應力水平增大至232.2MPa時，蠕變應變約為0.0028。

（2）二次蠕變可提高不動位錯的密度，阻礙可動位錯的運動，從而使可動位錯的滑移速率降低，在宏觀上表現為二次常溫蠕變應變減小。

（3）當試樣經過不同加載過程的常溫蠕變后，不動位錯密度增加，之后再進行單向拉伸可使屈服強度有所提高。

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