近年来,随着能源需求的不断增长和低温技术的发展,低温用钢的需求量不断增长。在低温用钢中,亚稳态奥氏体不锈钢因具有良好的耐腐蚀性能、焊接性能、易冷热成形性能以及无韧脆转变温度等一系列优点,从而在医疗、石油、化工及航空航天领域受到了广泛的应用。亚稳态奥氏体不锈钢的深冷疲劳特性是其重要力学特性之一,是评价设备全寿命周期安全性的重要依据。由于深冷疲劳对设备的可靠性、抗低温性能及深冷下的数据检测精度提出很高的要求,因此深冷疲劳测试成本很高且难度较大,故有关亚稳态奥氏体不锈钢深冷疲劳性能的报导并不多见。在亚稳态奥氏体不锈钢深冷容器疲劳设计方面,国内外标准并没有考虑深冷对材料性能的影响。另一方面,因亚稳态奥氏体不锈钢组织的不稳定性,在形变过程中极易受到应变量、应变温度的影响发生形变诱发马氏体相变,从而降低了材料的韧性和塑性,严重时将影响能源装备的服役安全。因此,本文在“超期服役承压设备寿命预测及延寿关键技术研究项目”(项目编号2016YFC0801905)的支持下,针对亚稳态奥氏体不锈钢(S30408)的深冷疲劳性能及影响因素,完成了以下工作:(1)在77K下开展亚稳态奥氏体不锈钢(S30408)母材的低周疲劳试验,得到其在77K下的疲劳应力响应、循环本构关系以及应变-寿命关系的变化规律。对比材料在室温下的低周疲劳性能发现,当应变幅大约在0.7%以上时,深冷降低了材料的疲劳寿命,当应变幅约在0.7%以下时,深冷提高了材料的疲劳寿命,且随着应变幅的降低,深冷对疲劳寿命的增益作用逐渐增强。一方面,由于深冷大幅增强了材料的强度,因此材料在低应变幅下的寿命大幅提高;另一方面,由于深冷降低了材料的塑性,因此材料在高应变幅下的寿命有所降低。此外,本文从材料的疲劳断口特征、马氏体相变角度,讨论了深冷对材料低周疲劳性能的影响机制。(2)在77K下开展室温预应变35%、363K预应变35%材料的低周疲劳及拉伸试验,得到两种预应变材料在77K下的单轴应力应变关系、疲劳应力响应及循环本构关系。对比母材及预应变材料的试验结果发现,在循环初始阶段,室温预应变材料的应力强度高于363K预应变材料且两者都高于母材的初始循环应力强度。两种预应变材料均表现出了循环硬化特性,应力循环响应均呈现出“硬化—短暂饱和—二次硬化—饱和—失效”的发展趋势。此外,针对预应变对材料疲劳寿命的影响做了初步探索。结果表明室温预应变材料的疲劳寿命高于母材及363K预应变材料,363K预应变材料在较低应变幅下的疲劳寿命有高于母材的趋势。由于预应变材料的试验数据有限且疲劳数据具有分散性,因此两种预应变方式对深冷疲劳寿命的影响还有待进一步验证。最后,本文从材料的疲劳断口特征、马氏体相变及位错运动角度,讨论了两种预应变方式对材料深冷低周疲劳性能的影响机制。(3)基于亚稳态奥氏体不锈钢(S30408)母材的深冷低周疲劳试验数据,获得了材料在77K下的S-N曲线。对比疲劳试验结果与标准曲线发现,大多数深冷疲劳试验结果落在标准曲线上方,按目前的标准曲线进行疲劳设计,则所得结果偏于安全。另外,对比深冷疲劳设计曲线与标准疲劳设计曲线发现,在低寿命区,深冷疲劳设计曲线的许用应力水平低于标准曲线,故应充分考虑深冷对材料塑性削弱的影响,建议在低寿命区采用深冷疲劳设计曲线;反之,在寿命较高的区域,若按标准疲劳曲线设计,则结果过于保守,不利于充分发挥材料在深冷下的疲劳性能,因此应充分考虑深冷对材料强度的增益作用,建议在较高寿命区同样采用深冷疲劳设计曲线。