李永強(qiáng),趙凌燕

(1. 西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710054； 2. 西安科技大學(xué) 理學(xué)院，西安 710054)

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應(yīng)力強(qiáng)度因子對(duì)鎳基合金應(yīng)力腐蝕開裂裂尖力學(xué)特性的影響

李永強(qiáng)1,趙凌燕2

(1. 西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710054； 2. 西安科技大學(xué) 理學(xué)院，西安 710054)

摘要：以緊湊拉伸試樣為研究對(duì)象，通過加載不同大小的應(yīng)力強(qiáng)度因子KI，用有限元方法研究了不同狀態(tài)下SCC裂尖氧化膜和基體金屬的應(yīng)力分布規(guī)律。結(jié)果表明:裂尖區(qū)域氧化膜和基體金屬對(duì)裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子KI的變化敏感度不同；隨著KI的增大，氧化膜破裂前和破裂后應(yīng)力應(yīng)變?cè)诹鸭鈪^(qū)域的分布規(guī)律均發(fā)生了變化，該變化對(duì)裂紋擴(kuò)展有一定的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：鎳基合金;氧化膜;應(yīng)力腐蝕開裂;應(yīng)力強(qiáng)度因子;有限元法

由于具有很好的高溫耐腐蝕性能和力學(xué)性能，鎳基合金和奧氏體不銹鋼被廣泛應(yīng)用于核電一回路壓力容器及管道中，特別是焊接結(jié)構(gòu)中，而核電一回路高溫高壓水環(huán)境中鎳基合金和奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)卻是影響核電安全的重要因素之一[1-4]。由于SCC機(jī)理復(fù)雜，目前還是以試驗(yàn)測(cè)試為主要研究手段，由于試驗(yàn)設(shè)備十分昂貴，試驗(yàn)周期較長等原因，如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鎳基合金和奧氏體不銹鋼在高溫高壓水環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕開裂速率，仍然是核電結(jié)構(gòu)材料合余使用壽命研究領(lǐng)域的一個(gè)難題。機(jī)理和預(yù)測(cè)模型的研究是有效提高SCC裂紋擴(kuò)展速率預(yù)測(cè)精度和提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析質(zhì)量的重要方法[5-8]。

研究表明，核電站高溫高壓水環(huán)境中鎳基合金和奧氏體不銹鋼的SCC是一個(gè)裂尖氧化膜破裂和再生成的過程。鎳基合金和奧氏體不銹鋼基體金屬表面有一層致密的氧化膜，在裂紋向基體金屬擴(kuò)展過程中，在腐蝕介質(zhì)和高應(yīng)力應(yīng)變的共同作用下，裂尖氧化膜破裂，對(duì)于仍有氧化膜覆蓋的表面來說，裸露表面成為陽極，有大量的金屬離子析出，裂尖被腐蝕,形成溝形裂紋，同時(shí)裸露的基體表面會(huì)形成新的氧化膜，這種循環(huán)過程是裂紋不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致核電結(jié)構(gòu)失效[1,9]。本工作將根據(jù)氧化膜破裂理論，分析不同載荷和不同氧化膜材料性能下裂尖區(qū)域的微觀力學(xué)特性，為提高定量預(yù)測(cè)高溫高壓水環(huán)境中鎳基合金SCC擴(kuò)展速率精度提供參考。

1有限元模型建立

1.1幾何模型與網(wǎng)格

以緊湊拉伸試樣(1T-CT)為研究對(duì)象，試樣幾何尺寸，如圖1所示，其中W=50 mm，a=0.5W。

圖1　緊湊拉伸試樣的幾何尺寸Fig. 1　Geometric size of 1T-CT specimen

模擬設(shè)定高溫水環(huán)境中應(yīng)力腐蝕形成的氧化膜厚度為2 μm，一般溝形裂紋長度為1~3 μm，故取溝形裂紋長度為2 μm的裂尖模型進(jìn)行計(jì)算分析[1,9]。裂尖區(qū)域取3條應(yīng)力觀測(cè)路徑,如圖2所示，分別為在氧化膜表面的路徑1，氧化膜靠近基體內(nèi)側(cè)的路徑2，基體靠近氧化膜一側(cè)的路徑3。

圖2　SCC裂尖觀測(cè)路徑示意圖Fig. 2　Schematic of measured path at SCC tip

有限元網(wǎng)格采用二次平面應(yīng)變四邊形單元(CPE8)，在氧化膜和基體金屬交界處會(huì)出現(xiàn)很大的應(yīng)力梯度，因此在裂尖區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化(如圖3所示)，使裂尖區(qū)域網(wǎng)格過渡平滑，網(wǎng)格單元共15 421個(gè)。初始加載裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子KI分別取5,10,20,30 MPa·m1/2，以分析在裂尖加載不同應(yīng)力強(qiáng)度因子對(duì)裂紋裂尖應(yīng)力分布的影響。

圖3　裂尖有限元網(wǎng)格劃分Fig. 3　Finite element mesh nearby the crack tip

1.2材料模型

假設(shè)基體金屬鎳基合金600本構(gòu)關(guān)系符合Ramberg-Osgood材料模型，模型中基體金屬的材料參數(shù)：楊氏模量190 GPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度436 MPa，硬化指數(shù)5.29，硬化系數(shù)1[10]。氧化膜為脆性材料，假設(shè)其符合線彈性材料模型，其泊松比為0.3，楊氏模量為19 GP[1,10]。

2結(jié)果與討論

氧化膜破裂前裂尖區(qū)域的應(yīng)力分布規(guī)律如圖4所示。隨著裂紋裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子KI的增大，裂尖區(qū)域的應(yīng)力均不斷增大，在裂紋擴(kuò)展方向路徑1上的最大應(yīng)力總是大于其他路徑上的，裂紋擴(kuò)展方向?yàn)閳D4中的0°方向;同時(shí)，基體和氧化膜邊界上,應(yīng)力在氧化膜中的增長速度大于在基體中的。當(dāng)KI小于20 MPa·m1/2時(shí)氧化膜和基體中的應(yīng)力相差不大; 而當(dāng)KI大于20 MPa·m1/2時(shí)氧化膜中的應(yīng)力均大于基體中的應(yīng)力。由此可見,氧化膜對(duì)裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子KI的增大比基體金屬更敏感，隨著KI的增大，氧化膜中的應(yīng)力變化更快。

隨著裂紋裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子KI的增大，裂尖區(qū)域基體金屬中裂紋擴(kuò)展方向兩側(cè)的應(yīng)力分布增大，而擴(kuò)展方向的應(yīng)力分布減小，這促使氧化膜中的應(yīng)變?cè)龃?，使氧化膜更易在裂紋擴(kuò)展方向上發(fā)生脆性斷裂。

氧化膜破裂后原裂尖區(qū)域的應(yīng)力分布規(guī)律如圖5所示。原裂尖區(qū)域氧化膜和基體中的應(yīng)力均迅速減小，初始裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子KI越大，氧化膜中的應(yīng)力更多分布在裂紋擴(kuò)展方向兩側(cè)，而擴(kuò)展方向上的應(yīng)力分布減少，這使得氧化膜破裂后的溝形裂紋張開角度增大，使帶有電化學(xué)物質(zhì)的高溫高壓水與新裂尖充分接觸，有利于新裂尖金屬離子的析出和新氧化膜的形成。

3結(jié)論

(1) 裂尖區(qū)域氧化膜材料比基體金屬對(duì)裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子KI的變化更敏感，隨著KI的增大，氧化膜中的應(yīng)力比基體金屬中的應(yīng)力增速更快。

(a)　5 MPa·m1/2 (b)　10 MPa·m1/2

(c)　20 MPa·m1/2 (d)　30 MPa·m1/2圖4　氧化膜破裂前不同KI時(shí)各路徑上的應(yīng)力Fig. 4　Stress at crack tip in a series of KI before oxide film rupture

(a)　5 MPa·m1/2 (b)　10 MPa·m1/2

(c)　20 MPa·m1/2 (d)　30 MPa·m1/2圖5　氧化膜破裂后不同KI時(shí)各路徑上的應(yīng)力Fig. 5　Stress at crack tip in a series of KI after oxide film rupture

(2) 氧化膜破裂前,隨著KI的增大，裂尖區(qū)域基體金屬中裂紋擴(kuò)展方向兩側(cè)上的應(yīng)力分布更多，該區(qū)域的高應(yīng)力應(yīng)變?cè)龃罅搜趸ぶ械膽?yīng)變，使氧化膜在裂紋擴(kuò)展方向上更易發(fā)生斷裂。

(3) 氧化膜破裂后,隨著KI的增大，原裂尖氧化膜中的應(yīng)力更多分布在裂紋擴(kuò)展方向兩側(cè)，這使得氧化膜破裂后的溝形裂紋張開角度更大，利于新裂尖金屬離子的析出和新氧化膜的形成。

參考文獻(xiàn)：

[1]薛河,薛曉峰,唐偉,等. 鎳基合金應(yīng)力腐蝕裂尖氧化膜力學(xué)特性分析[J]. 稀有金屬材料與工程,2011,40(7):1188-1191.

[2]盧建樹,王保峰,張九淵. 高溫水中不銹鋼和鎳基合金應(yīng)力腐蝕破裂研究進(jìn)展[J]. 核動(dòng)力工程,2001,22(3):259-263.

[3]陳長風(fēng),姜瑞景,張安國,等. 鎳基合金管材高溫高壓H2S/CO2環(huán)境中局部腐蝕研究[J]. 稀有金屬材料與工程,2010,39(3):427-432.

[4]王志成,趙建平,李衛(wèi)衛(wèi). 模擬海水環(huán)境中X60管線鋼的應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展[J]. 腐蝕與防護(hù),2015,36(1):81-83.

[5]XUE H,SHOJI T. Quantitative prediction of EAC crack growth rate of sensitized type 304 stainless steel in boiling water reactor environments based on EPFEM[J]. ASME Transactions Journal of Pressure Vessel and Technology,2007,129:460-467.

[6]YANG F Q,XUE H,ZHAO L Y,et al. Effects of stress intensity factor on electrochemical corrosion potential at crack tip of nickel-based alloys in high temperature water environments[J]. Rare Metal Materials and Engineering,2014,43(3):513-518.

[7]龔敏,余祖孝,陳琳. 金屬腐蝕理論及腐蝕控制[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

[8]杜東海,沈朝,陳凱,等. 冷變形316不銹鋼在高溫高壓水中的應(yīng)力腐蝕[J]. 工程科學(xué)學(xué)報(bào),2015,37(2):196-203.

[9]SHOJI T,LU Z P,MURAKAMI H. Formulating stress corrosion cracking growth rates by combination of crack tip mechanics and crack tip oxidation kinetics[J]. Corrosion Science,2009,52(3):769-779.

[10]TANG W,XUE H,SHI L B,et al. Numerical analysis of the mesoscale mechanical field at the intergranular crack tip[C]//Proceeding of the ASME 2011 Pressure Vessels & Piping Division conference. [S.l.]:ASME,2011,3:515-520.失效分析

Impact of Stress Intensity Factor on Mechanical State at the Tip of Stress Corrosion Cracking in Nickel-based Alloys

LI Yong-qiang, ZHAO Ling-yan

(1. College of Mechanical Engineering, Xi′an University of Science and Technology, Xi′an 710054, China；2. College of Science, Xi′an University of Science and Technology, Xi′an 710054, China)

Abstract：The stress distribution law in the base metal and the oxide film at the tip of SCC was studied by finite element simulation of CT samples loaded with stress intensity factor KI in different values, The results show that the oxide film and base metal are different in the sensitivity to KI at the SCC tip. And the regularity of stress and strain distribution is changed at crack tip before and after oxide film rupture, with the increase of KI, the change plays a promoting role on crack growth.

Key words：nickel-based alloys; oxide film; stress corrosion cracking; stress intensity factors; finite element method

中圖分類號(hào)：TG174.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1005-748X(2016)02-0128-03

通信作者：趙凌燕(1978-),博士,從事裂紋應(yīng)力腐蝕，13619255391，819920365@qq.com

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(11502195); 西安科技大學(xué)博士啟動(dòng)基金(2015QDJ041)

收稿日期：2015-03-24

DOI:10.11973/fsyfh-201602008