为什么奥氏体不锈钢膨胀节总应力σt可以超过材料抗拉强度?

《压力容器设计工程师培训教程》第13章“波形膨胀节”关于总应力σ_t的评定有解释，说的很清楚，奥氏体不锈钢材料的抗疲劳性能比低合金钢的要好，低合金钢膨胀节的总应力要控制在2倍屈服强度以下，而允许奥氏体不锈钢膨胀节总应力σ_t超过2倍屈服强度，但是要通过疲劳校核。

有个疑问，知道的朋友可以留言探讨一下：常规设计的换热器基本上都是通过疲劳筛分的，免除疲劳分析的，实际的开停车次数并不多。国标膨胀节设计的时候有个明显的矛盾，膨胀节有载荷循环次数要求，常见的是100-3000，问题是换热器没要求，为什么膨胀节有循环次数呢？

从疲劳曲线上可以发现低循环次数时应力强度确实可以达到很高的水平，这也就解释了为什么奥氏体不锈钢膨胀节的总应力σ_t可以超过材料的抗拉强度。从上面截图中蓝色标记的解释可以知道GB/T16749膨胀节疲劳设计理念，实际使用安全最重要，但过多的疲劳寿命意义不大。通过严格的材料、制造、检验、验收要求以及实物疲劳试验确保膨胀节实际使用安全。毫无疑问GB/T1674设计方法是安全可靠的。

为什么膨胀节的应力超过抗拉强度没有问题？膨胀节标准计算采用的是弹性名义应力，超过屈服强度以后就不是真实应力了，膨胀节实际应力不会超过抗拉强度。教程上列的常见材料参数S30408的抗拉强度520MPa，屈服强度220-250MPa。S30408材料真实应力应变曲线见下图。

疲劳曲线是由试验获得的，从下面的疲劳曲线图可以发现要想让膨胀节100次循环破断，弹性名义总应力需要达到接近4000MPa，超过抗拉强度也没啥，前者是名义应力（线弹性本构），后者是真实应力（真实应力应变曲线），根本就不是一回事。膨胀节应力计算公式采用的是弹性分析，相应的疲劳曲线上的应力肯定也得是弹性应力，不然都不匹配了。真实的循环应力应变曲线见本文最后一张贴图。

如果真的超了抗拉强度对应的应变极限，一把就断了，由上面的拉伸曲线图纸可知，应变极限数值是0.4几，乘以弹性模量得到的应力8000MPa左右,比实测值765MPa大很多。教程的解释加上真实应力、虚拟应力概念的解释，标题中的问题也就清楚了。下面说一下按JB4732设计膨胀节存在的问题。

有人或许觉得按照分析设计JB4732设计奥氏体膨胀节更安全，实际情况也确实如此，道理很简单，JB4732要求疲劳载荷条件下结构必须是安定的，在这个前提条件下通过疲劳校核，而GB/T16749允许奥氏体不锈钢膨胀节处于棘轮状态。两个标准最大的区别是JB4732不适用于棘轮疲劳工况，而GB/T16749是可以的，GB/T16749理念更先进。

JB4732安定性校核方法有弹性方法（σ_t<3S），简化弹塑性方法+热应力棘轮校核，对于压力加沿厚度方向热应力情况总应力也可以达到很高的数值，但是膨胀节是压力+轴向位移，厚度方向没有温差应力，不属于热应力棘轮情况。所以采用JB4732校核奥氏体不锈钢膨胀节安定性基本上还是限制总应力σ_t小于3S（2倍屈服强度），360MPa(420MPa)，许用循环次数30-100万次，膨胀节要求不过3000次，100-300多倍，裕量太大了。同样的情况，GB/T16749只要1个波，JB4732需要4-5个波，后者应该更安全。安全裕量大不一定是好事，有的换热器可能就没那么多空间放4-5个波，只能放1个，设计都进行不下去，安全裕量大反带来大 麻烦。所以膨胀节设计应力评定用GB/T16749比JB4732更合适。GB/T16749的设计方法如果有问题，造成强度问题，那么它早就被改掉了。

关于棘轮可以参考一下《304奥氏体不锈钢压力容器棘轮安定效应研究》，下面贴几张截图供感兴趣的朋友查看。