316L不锈钢的综合性能研究进展

316L不锈钢的综合性能 研究进展

韩高枫、 金铠、龙浩跃

沈阳化工大学 机械与动力工程学院，辽宁 沈阳 110142

摘要：为了进一步深入研究316L奥氏体不锈钢，介绍了近年来国内外316L不锈钢的研究进展和现状。着重从力学性能、疲劳失效的微观机理、DSA效应的相关研究对316L奥氏体不锈钢微观机理的的研究方面进行了概括和总结，并提出了当前研究中存在的间题及今后进一步的研究方向。

引言

316L不锈钢为典型的奥氏体不锈钢，较高的Ni和Cr含量使其具有优秀的高温强度、加工硬化性和良好的塑性、韧性、焊接性，广泛应用于核工业及化工领域的反应堆真空容器、热交换器、主容器等容器及管道中^[3]。在实际运行中，由于压力和停车的波动，疲劳失效越来越受到人们的重视。

1、力学性能研究

当前，针对316L不锈钢疲劳特性进行了大量的研究，包括复杂载荷作用下的磨损疲劳、疲劳和棘轮的交互作用、增材制造、表面处理后的疲劳性能^[7]等，以及疲劳特性的路径相关性研究、幅值相关性研究以及温度相关性研究等等。

沈月音等^[1]人研究了316L不锈钢纤维的单轴拉伸性能。研究结果表明：内部晶粒尺寸对316L不锈钢细丝的单轴拉伸性能会产生较大的影响。相同直径的试样，晶粒尺寸越小，屈服强度越高，即“越小越强”的尺寸效应。郑阳等^[2]研究了激光喷丸强化对316L不锈钢拉伸性能的影响,通过试件进行不同激光功率密度的表面强化处理，研究了激光喷丸强化处理后试样在室温拉伸性能的变化。结果表明：激光喷丸强化后试样的抗拉强度与延伸率均得到一定提高,功率密度为10GW/cm²时,延伸率提高了12.27%,抗拉强度提高了8.9％，可见激光喷丸提高了316L不锈钢的韧性。此外，张争艳等^[3]针对316L不锈钢成型试件拉伸性能亦开展了一些研究，探究了激光功率、扫描速度和扫描间距等工艺参数对316L不锈钢成型试件拉伸性能的影响,以确定出最优工艺参数水平组合。陈健飞等^[3]以873K下的316L不锈钢为研究对象,基于应变控制的对称疲劳实验,深入分析其疲劳性能,确定了应力幅与塑性应变幅之间的关系；并基于保载时间与寿命间存在幂率关系对蠕变疲劳交互作用寿命进行了预测,在经典的疲劳寿命预测理论中引入了包含保载时间的交互修正项1+αt_h^β作为广义损伤量,基于文中提出的交互寿命预测理论提出了一种新的蠕变疲劳交互滞回能密度计算方法。

2疲劳失效的微观机理研究

疲劳失效的微观机理分析是材料疲劳问题研究的重要方面，当前包括SEM、TEM、EBSD、AFM、中子等在内先进的技术手段为材料疲劳破坏的微观机理研究提供了保障。由于疲劳断口保留了整个断裂过程的所有痕迹，对材料疲劳断口形貌进行微观和宏观分析，引起了越来越多人的关注。

李烨等^[4]研究了喷丸处理后的316L不锈钢在应变控制下的低周疲劳过程中的微观结构的演化，并利用电子背散射衍射技术(EBSD)、扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)观测了316L不锈钢在疲劳过程中微观组织、表面形貌、滑移带高度等的变化。结果表明：喷丸在材料表层引入了一个晶粒尺寸梯度结构，从而将表层分为了强变形层和材料基体层。在裂纹萌生阶段，两层的形貌更为粗糙，滑移带厚度增加，晶粒平均取向差增大。进一步分析表明：由于基体层中滑移带的厚度大于强变形层，使得裂纹更有可能沿着基体层中的滑移带萌生。詹超等^[5]对316L管道用钢进行了873~1273K范围的高温拉伸实验，并通过光学显微镜以及透射电镜对拉伸组织进行研究。结果表明：316L不锈钢在变形、硬化、动态再结晶和软化等过程中表现良好。显微组织逐渐由变形晶粒和原始晶粒向再结晶晶粒转变。Kang等^[6]对3l6L不锈钢单轴循环载荷作用下发生棘轮变形的进行了微观观察，以研究其位错形式和演化规律。通过透射电子显微镜(TEM)观察可以看岀:随着循环次数的增加，位错形式会由位错线或位错塞积这样的低密度模式向位错缠结、位错墙和位错胞的髙密度位错模式转变。张莹莹等^[7]通过针对316L不锈进行了LCF实验，观察了裂纹扩展的显微结构和形态类型，讨论了循环应力作用下的位错结构，得出了该实验中产生裂纹方式扩展主要为穿晶断裂的结论。

通过对疲劳断口宏观形貌及位错结构等微观结构的观察和分析，深入理解316L不锈钢宏观变形的微观机理，实现疲劳寿命的准确预测需要更多的工作。

3 DSA效应的相关研究

动态应变时效(Dynamic strain aging,DSA)的本质是金属发生塑性变形时，可动位错与溶质原子的交互作用，使得位错周围形成的气团将可动位错的运动限制在其滑移面上的一种物理现象，从而导致材料的强度、塑性表现出异常的特性。核级碳钢、低合金钢、不锈钢等的服役温度一般在573K左右，处于产生DSA效应的敏感温度区间，因此DSA效应可能会对材料的服役性能产生影响。当前针对316L奥氏体不锈钢DSA效应的研究进行了大量的工作，其中包括不同温度下拉伸实验中DSA效应的研究、不同温度不同应变幅值下疲劳性能的研究等等。结果表明DSA的发生与材料、温度和应变率等因素有关，通常表现为正常锯齿屈服(PLC)现象。与单调拉伸情况相比，疲劳实验中只有当外加总应变幅达到临界值时才会发生DSA现象。

目前为止，针对DSA效应对碳钢和低合金钢疲劳性能的影响存在两种观点：一种观点认为，DSA效应促使材料位错滑移平面化，导致位错密度升高引起显著的应力集中，加快了裂纹的萌生和扩展，降低了材料的LCF；另一种观点认为，DSA效应通过提高低合金钢的强度以及减少晶粒的尺寸，提高了材料的LCF抗力。

Nagesha等^[25]对316L不锈钢进行了单轴低周疲劳实验，探讨了在不同温度条件下的DSA现象，并对温度对位错微观结构形式的影响进行了对比分析。研究结果表明，573~773K范围内位错表现出明显的平面结构；当温度范围提高到673 ~873 K时，位错结构呈胞状。陈凌等^[8]对316L不锈钢的研究表明，693K时材料的DSA效应对材料的强化最为显著，同时材料的循环特性依赖于温度和加载历史。李兵兵等^[27]对316L不锈钢的高温低周疲劳实验表明：DSA效应发生在523K至873K的较宽温度范围内，应变速率为2×10^-4/s时，DSA的有效激活能为146.1 kJ/ mol，DSA的活性在循环硬化阶段减弱，在软化阶段增强。Patra等^[9]在先前的DSA本构模型的基础上，采用了一种新的方法对316L不锈钢的材料参数与应变率拉伸实验数据进行拟合,并对应力-应变图中的锯齿流动行为进行模拟，改进了DSA的本构模型。Pham等^[10]发现316L不锈钢在高温疲劳载荷作用下的DSA效应和强度具有明显的幅值和循环次数依赖性。在幅值小的情况下，DSA强度较弱，但在幅值较高时，随着循环的进行逐渐增强和减弱；在软化阶段，甚至会消失；然后在二次硬化阶段重新出现。此外，DSA的作用强度显示出明显的方向性。与拉伸塑性段相比，DSA效应在压缩塑性段表现更明显，这主要和静水压力对点缺陷，尤其与空位流动性的影响有关。

综上所述，316L不锈钢动态应变时效的研究主要集中在锯齿屈服行为与应变速率及温度的相关性。结果发现：单调拉伸实验中316L不锈钢的DSA温区为573K-873K，DSA的发生增加了材料的抗拉强度，降低了延性，导致脆化；单轴低周疲劳实验发现：316L不锈钢在应变速率1×10^-4/s时，DSA温区为523-823K；应变速率为1×10^-3/s时，DSA温区为250-873K；应变速率1×10^-2/s时，DSA温区为523-923K。

4. 存在的问题与展望

对316L不锈钢的综合性能的研究已取得了一定进展, 但仍处于试验积累阶段, 因此大量的试验研究仍有待于进行。目前对DSA研究着重在单轴拉伸和单轴疲劳的研究，然而实际工程中，由于结构形式、受力情况等复杂性，构件多承受多轴应力状态，因此针对材料多轴疲劳问题的研究具有重要的工程意义。先前针对多轴载荷下疲劳特性的研究也进行过一些工作，但有关多轴非比例路径下的动态应变时效现象的研究少有报道。

参考文献

1. 沈月音. 316L不锈钢丝多轴循环及疲劳性能研究[D]. 天津：天津大学,2018.

2. 郑阳,周建忠,孟宪凯,等.激光喷丸强化316L不锈钢的拉伸性能[J].应用激光,2016,36(03):276-280.

3. 陈健飞,黄保科,解学方,等.能量法预测316L不锈钢蠕变疲劳交互作用寿命[J].化工机械，2020,47(05)：659-663.

4. 李烨,周文龙,何勇辉,等. 316L不锈钢疲劳过程微观结构演化[J].金属功能材料，2020,27(06)：24-27.

5. 詹超,尉庆国,裴海祥.316LN奥氏体不锈钢热变形组织研究[J].铸造技术,2018,39(06):1205-1207.

6. Kang G, Dong Y, Wang H, et al.Dislocation evolution in 316L stainless steel subjected to uniaxial ratchetting deformation [J]. Materials Science and Engineering:A，2010,527(21):5952-5961.

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9. Patra S , Dhar S , Acharyya S K . Modeling serrated flow of SS 316L under dynamic strain aging effect[J]. Sadhana, 2020, 45(1):197-206.

10. Pham M S, Holdsworth S R.Dynamic strain ageing of AISI 316L during cyclic loading at 300℃:Mechanism, evolution, and its effects[J].Materials Science and Engineering A, 2012, 556(OCT.30):122–133.