亚稳态奥氏体不锈钢紧固件的承载性能研究

林 静，那 帅，唐伟东

（1.沈阳博帅材料科技有限公司，辽宁 沈阳 110179；2.惠州学院电子信息与电气工程学院，广东 惠州 516007）

随着近几年经济发展，在石油、核电、低温工程等行业技术升级的带动下，各行业对压力容器及其配件的需求也在逐渐增长。紧固件是将二个或多个元件以机械方式固定或粘合在一起的机械元件，是应用最广泛的机械基础件，需求量很大，广泛应用在各种机械、设备、车辆等上面。在压力容器呈现大型化和使用条件更加苛化的趋势下，奥氏体不锈钢紧固件作为低温容器[1]中的重要制作材料，奥氏体还具有很好的低温冲击韧性使其成为低温工况下比较理想的使用材料。但是由于奥氏体不锈钢的屈服强度和抗压强度比值较低，在一定安全系数的前提下其应力值会比较小，经过这样设计出来的压力容器壁厚通常较大，导致材料的实际承载能力较低，并且还会导致压力容器的重量加大、材料浪费等情况。因此，对奥氏体不锈钢紧固件承载性能的研究十分有必要。

为保证亚稳态奥氏体不锈钢紧固件具有良好的承载性能，从奥氏体不锈钢紧固件的支撑刚度、支撑轴力和转动惯量这三方面对承载性能进行了研究，通过对奥氏体不锈钢紧固件的承载性能研究为实际应用提供一定的依据，具体研究如下所示。

1 奥氏体不锈钢紧固件的承载性能

1.1 支撑刚度

对于不锈钢紧固件来说，支撑刚度对是承载性能的重要组成之一，其受到局部破坏压力的影响严重。因此，由于有限元法[2]的非线性解释和解决复杂模型的适配性，对不锈钢紧固件的支撑刚度研究十分适用。为更好地对奥氏体不锈钢紧固件的支撑刚度分析，选取某公司生产的紧固件，对其进行分析，选取的试样形状尺寸如表1所示：

表1 试样形状尺寸

表1为选取的试样形状尺寸，以上述表的试样形状尺寸作为研究目标，因为其具有非线性特征，本构关系的准确性会直接影响到有限元分析结果，所以在进行分析时，输入上述试样真实的应力和对应的真实塑性应变、名义应力，对奥氏体不锈钢紧固件的支撑刚度进行计算，计算公式为：

公式（1）中，K(c,m)代表支撑刚度分析参数，l 代表真实应力，i代表名义应力，f代表所能承受的支撑刚度，此次计算不做定向分析。

通过上述公式得出奥氏体不锈钢紧固件的支撑刚度，并得出奥氏体不锈钢紧固件的支撑刚度应变曲线：

图1 奥氏体不锈钢紧固件的支撑刚度应变曲线

如图所示为奥氏体不锈钢紧固件的支撑刚度应变曲线，分析图可知在奥氏体不锈钢紧固件的承载性能增加的过程中，有限元解逐渐降低，逐渐减小了塑性的升温压力[3]。分析得知，支撑刚度不断提升时，有限元模型解也随之提高，说明随着径比的增加，有限元解逐渐增大，支撑刚度也不断增大，由此完成对奥氏体不锈钢紧固件的支撑刚度的分析，下一步对奥氏体不锈钢紧固件的钢支撑轴力进行分析。

1.2 支撑轴力

通过上述计算的奥氏体不锈钢紧固件的支撑刚度的基础上，对奥氏体不锈钢紧固件的钢支撑轴力进行分析。在有限元求解出现不收敛情况时的钢支撑轴力为该奥氏体不锈钢紧固件的钢支撑轴力，在求解结束后，获得有限元求解的全应变随符合变化的情况，钢支撑轴力应变曲线如图所示：

图2 钢支撑轴力真实应变曲线

图2 为钢支撑轴力真实应变曲线，根据应变情况，建立有限元模型，在本文建立的有限元模型中，应力情况最接近简单平面应力部位为中间部位，以此分析是从高有限元模型中的端部提取数据，选取其中应变为1%到塑性失稳时的钢支撑轴力应变数据点10 个左右，并把这些数据点的应变值进行记录，从钢支撑轴力的真实承载力找出这些对应点对应的真实承载能力，然后将承载能力代入公式中，计算公式为：

公式（2）中，Lh代表钢支撑轴力点应变值[4]，代表真实钢支撑轴力数据点，f代表公式处理因子，此次计算不做定向分析。

通过上述公式求出每个应变点的钢支撑轴力的解析式值，然后就可以通过该钢支撑轴力值与解析有限元求得的值进行比较，以此完成对奥氏体不锈钢紧固件的钢支撑轴力的分析，将在下一步对奥氏体不锈钢紧固件的转动惯量进行分析。

1.3 转动惯量

通过分析奥氏体不锈钢紧固件的支撑刚度和奥氏体不锈钢紧固件的钢支撑轴力的基础上，分析奥氏体不锈钢紧固件的转动惯量。首先对奥氏体不锈钢紧固件的局部转动惯量进行计算，因为其影响奥氏体不锈钢紧固件承载压力的重要因素，在对奥氏体不锈钢紧固件的局部转动惯量进行计算后，得出奥氏体不锈钢紧固件转动惯量受压力和应变关系图，如图所示：

图3 转动惯量受压力和应变关系图

图3 为转动惯量受压力和应变关系图，由于奥氏体不锈钢紧固件的转动惯量性能较好，A点为奥氏体不锈钢紧固件的转动惯量压力最大压力点[5]，也就是奥氏体不锈钢紧固件的转动惯量所能承受的最大转动惯量，即不锈钢紧固件的转动惯量失稳压力点，AB则属于爆破阶段，此阶段内的压力突然急剧增大，使奥氏体不锈钢紧固件的转动惯量也相应有所减小，降到B点，把转动惯量看做为爆破压力，此时的转动惯量变为奥氏体不锈钢紧固件的实际转动惯量，但是当奥氏体不锈钢紧固件存在局部约束较大区域时，转动惯量的断裂应变变小，容易导致压力容器发生局部破坏，这时C点所对应的局部转动惯量为奥氏体不锈钢紧固件的实际转动惯量，因此通过上述过程得到奥氏体不锈钢紧固件的实际转动惯量：

公式中，Pdf为Pdf奥氏体不锈钢紧固件的实际承载能力，g( k )代表转动惯量[6]，Rt代表局部破坏压力，此次计算不做定向分析。

通过上述过程完成对奥氏体不锈钢紧固奥氏体不锈钢紧固件的转动惯量的分析，希望通过此次分析能够为机械、设备、车辆等生产上面提供一定的帮助，更好的了解亚稳态奥氏体不锈钢紧固件的承载性能才能对亚稳态奥氏体不锈钢紧固件合理运用。

2 结语

综上所述，奥氏体不锈钢紧固件在各个领域的应用非常广泛，所以对其承载能力进行研究。本文主要从奥氏体不锈钢紧固件的支撑刚度、奥氏体不锈钢紧固件的钢支撑轴力和奥氏体不锈钢紧固件的转动惯量这三方面对奥氏体不锈钢紧固件的承载性能进行了研究，研究发现，不同环境下的奥氏体不锈钢紧固件的承载性能有所不同。

通过分析奥氏体不锈钢紧固件的承载性能，能够将容器的应变强化阶段的穿在能力进行模拟，会大大降低设计过程中容器局部发生破坏的发生率，一定程度上提高了容器的实际承载能力。希望通过此次研究，能够为各个领域应用奥氏体不锈钢紧固件提供一定的依据，以更好的对其应用，加深对奥氏体不锈钢紧固件承载性能的了解，推动我国的发展。