李永強(qiáng)，薛　河

(西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

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核電關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料應(yīng)力腐蝕裂紋裂尖微觀力學(xué)特性分析*

李永強(qiáng)，薛河

(西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

為研究核電關(guān)鍵結(jié)構(gòu)在服役過程中不同裂尖形貌的應(yīng)力腐蝕開裂裂尖的微觀力學(xué)狀態(tài)。根據(jù)氧化膜破裂理論，以具有較好的高溫耐腐蝕性的核電關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料奧氏體不銹鋼304L為實(shí)驗(yàn)材料，以影響核電關(guān)鍵結(jié)構(gòu)破壞和失效的主要形式之一的應(yīng)力腐蝕開裂為研究對象，根據(jù)ATEM技術(shù)得到微觀尺度下的裂紋裂尖形貌和結(jié)構(gòu)特征，利用有限元分析方法對其含氧化膜SCC裂紋尖端微觀力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行了初步分析。結(jié)果表明裂尖氧化膜的形狀對裂尖氧化膜和基體上的應(yīng)力應(yīng)變影響很大，隨著氧化膜裂尖和基體金屬裂尖之間的距離的增大，氧化膜上的高應(yīng)力區(qū)增大，而基體上的減小。氧化膜裂尖區(qū)域應(yīng)力遠(yuǎn)大于基體金屬裂尖區(qū)域，所以應(yīng)定義氧化膜裂尖為裂尖進(jìn)行分析。模擬結(jié)果為精確預(yù)測核電一回路結(jié)構(gòu)材料應(yīng)力腐蝕開裂擴(kuò)展速率奠定一定基礎(chǔ)。

核電結(jié)構(gòu)材料；奧氏體不銹鋼；應(yīng)力腐蝕開裂；應(yīng)力應(yīng)變；有限元

0　引　言

由于奧氏體不銹鋼和鎳基合金具有高溫耐腐蝕性能和較好的力學(xué)性能，廣泛的應(yīng)用于核電設(shè)備和結(jié)構(gòu)中，特別是核電一回路焊接結(jié)構(gòu)中。核電結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)是核電結(jié)構(gòu)失效的主要形式之一[1-3]。研究表明核電結(jié)構(gòu)材料在高溫高壓水環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕開裂過程是在裂尖腐蝕環(huán)境、應(yīng)力狀態(tài)和材料性能共同作用下的氧化膜不斷破裂又再生的循環(huán)過程[4-6]。由于SCC機(jī)理相對復(fù)雜且影響因素眾多，陸永浩、T.Sato、陳長風(fēng)等學(xué)者研究高溫水中的化學(xué)因素、金屬材料本身性質(zhì)、加工工藝等因素對裂紋擴(kuò)展的影響，利用電位降法得到裂紋的實(shí)時(shí)擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)[7-9]。目前實(shí)驗(yàn)測試仍然是該領(lǐng)域研究的主要手段，但由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴，實(shí)驗(yàn)周期長等影響因素，如何準(zhǔn)確地預(yù)測各種核電結(jié)構(gòu)材料在高溫高壓水環(huán)境中SCC裂紋擴(kuò)展速率仍是一個(gè)難題[10-11]。

有限元方法是一種高效能、常用的計(jì)算方法。將連續(xù)的求解域離散為一組單元的組合體，用在每個(gè)單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來分片的表示求解域上待求的未知場函數(shù)，近似函數(shù)通常由未知場函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)在單元各節(jié)點(diǎn)的數(shù)值插值函數(shù)來表達(dá),從而使一個(gè)連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。由于利用大型商業(yè)非線性有限元軟件可以成本低、速度快、準(zhǔn)確性高地得到模擬結(jié)果，有限元法被目前已廣泛的應(yīng)用在工程實(shí)踐中[12-14]。

文中以氧化膜破裂理論為基礎(chǔ)，根據(jù)高溫高壓水環(huán)境下奧氏體不銹鋼304L裂紋裂尖區(qū)域的形貌和結(jié)構(gòu)特征，利用大型非線性有限元軟件ABAQUS，計(jì)算分析裂尖區(qū)域氧化膜和基體金屬上的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，從微觀角度分析了EAC裂紋擴(kuò)展機(jī)理，為精確預(yù)測核電關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料裂紋擴(kuò)展速率奠定基礎(chǔ)。

1　氧化膜破裂理論

氧化膜破裂理論認(rèn)為奧氏體不銹鋼和鎳基合金等易產(chǎn)生表面鈍化膜材料，其在高溫高壓水環(huán)境中的環(huán)境致裂擴(kuò)展過程可以分為Ⅰ-裂尖表面氧化膜形成，Ⅱ-裂尖高應(yīng)力應(yīng)變條件下氧化膜衰減直至發(fā)生脆性破裂，以及III-裂尖陽極金屬溶解反應(yīng)3個(gè)階段[15],如圖1所示。

圖1　氧化膜破裂與再生成過程中裂尖 氧化電流密度示意圖Fig.1　Schematic illustration of the oxidation current density transients at the crack tip

由于業(yè)界普遍認(rèn)為氧化膜衰減到破壞階段占據(jù)了SCC擴(kuò)展循環(huán)過程中的主要時(shí)間。從FARADAY定律出發(fā)，在忽略了電化學(xué)反應(yīng)階段和膜形成階段所需時(shí)間的前提下，美國GE公司的Ford和Andresen博士給出了核電高溫高壓水環(huán)境中奧氏體不銹鋼和鎳基合金環(huán)境致裂裂紋擴(kuò)展速率的表達(dá)式[15-16]

(1)

2　模型的建立

2.1幾何模型

文中以緊湊拉伸式樣(1T-CT)為研究對象，試樣幾何尺寸和實(shí)驗(yàn)過程符合ASTME399-90標(biāo)準(zhǔn)[17]，其中W=50mm.根據(jù)陸永浩、T.Sato等人利用ATEM技術(shù)得到微觀尺度下奧氏體不銹鋼304L在高溫高壓水環(huán)境在的裂紋裂尖形貌和結(jié)構(gòu)特征[7]，如圖2所示。

圖2　應(yīng)力腐蝕開裂裂尖微觀形貌特征[7]Fig.2　Morphology characteristics of SCC crack tip

在有限元模擬過程中根據(jù)圖2裂尖的形貌和特征，將裂紋裂尖區(qū)域幾何模型簡化如圖3所示，其中a為氧化膜厚度，a=0.35 μm；裂紋寬度為0.16 μm；未簡化裂尖總長度為1.88 μm；s為氧化膜裂尖和基體金屬裂尖之間的距離，由于氧化膜粘連等原因，分別取s為0.6，0.9，1.2 μm進(jìn)行分析。

2.2材料模型

基體金屬奧氏體不銹鋼304L本構(gòu)關(guān)系符合Ramberg-Osgood關(guān)系，其材料參數(shù)見表1.通過光電化學(xué)法得到核電結(jié)構(gòu)材料高溫高壓水環(huán)境下所生成氧化膜的主要成分是Cr2O3和Fe3O4,如圖2所示，而裂紋裂尖區(qū)域氧化膜的主要成分是Cr2O3[18].Cr2O3是典型的A2B3型化合物(剛玉結(jié)構(gòu)α-Al2O3)[19]，該類材料硬度高，脆性較強(qiáng)，在外力作用下僅產(chǎn)生很小的變形就會發(fā)生破壞，因此本次模擬假設(shè)氧化膜材料符合線彈性材料模型，材料參數(shù)見表1.

表1　基體金屬和氧化膜的材料參數(shù)

2.3有限元模型

圖3　簡化的應(yīng)力腐蝕開裂裂紋裂尖結(jié)構(gòu)形貌特征Fig.3　Simplified morphology characteristics of SCC crack tip

有限元網(wǎng)格采用二次平面應(yīng)變四邊形單元(CPE8)，共生成14054網(wǎng)格單元。在氧化膜和基體金屬交界處會出現(xiàn)大量的應(yīng)力梯度，為了使裂尖區(qū)域網(wǎng)格過度良好，在裂尖區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化。初始緊湊拉伸試樣加載孔加載壓強(qiáng)8.5 MPa[7]。

3　計(jì)算結(jié)果與分析

3.1氧化膜的微觀力學(xué)特征

裂紋裂尖區(qū)域氧化膜上的高應(yīng)力區(qū)主要集中在氧化膜裂尖區(qū)域及其兩邊與基體金屬的邊界上，并沿裂紋擴(kuò)展方向及其反方向依次減小，如圖4所示。而相對應(yīng)的基體金屬裂尖區(qū)域總是處于低應(yīng)力狀態(tài)。隨著氧化膜裂尖和基體金屬裂尖之間的距離s的增大，裂尖后移，氧化膜裂尖高應(yīng)力區(qū)逐漸增大并后移，而基體金屬裂尖上的應(yīng)力在逐漸減小。因此在討論核電關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料SCC裂紋裂尖應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，應(yīng)將氧化膜裂尖定義為裂尖，主要考慮氧化膜裂尖區(qū)域的微觀力學(xué)狀態(tài)。

圖4　應(yīng)力在裂尖區(qū)域氧化膜上的分布(MPa)Fig.4　Stress in the oxide film(MPa) (a)s=0.6 μm　(b)s=0.9 μm　(c)s=1.2 μm

3.2基體金屬的微觀力學(xué)特征

SCC裂紋裂尖區(qū)域基體金屬上的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律相似，基體金屬上的高應(yīng)力應(yīng)變區(qū)域并不是分布在基體金屬的裂尖處，而是分布在其與氧化膜的邊界上，并呈蝶形分布，應(yīng)力在基體上的分布如圖5所示，應(yīng)變在基體上的分布如圖6所示。

隨著氧化膜裂尖和基體金屬裂尖之間的距離s的增大，基體金屬上的高應(yīng)力應(yīng)變區(qū)隨著裂尖的后移而后移，并且高應(yīng)力應(yīng)變區(qū)域在不斷的變小。

圖5　應(yīng)力在裂尖區(qū)域基體金屬上的分布(MPa)Fig.5　Stress in the base metal at crack tip(MPa) (a)s=0.6 μm　(b)s=0.9 μm　(c)s=1.2 μm

圖6　應(yīng)變在裂尖區(qū)域基體金屬上的分布Fig.6　PEEQ in the base metal at crack tip (a)s=0.6 μm　(b)s=0.9 μm　(c)s=1.2 μm

圖7　應(yīng)力在裂尖區(qū)域上的分布(MPa)Fig.7　Stress nearby crack tip(MPa) (a)s=0.6 μm　(b)s=0.9 μm　(c)s=1.2 μm

3.3裂尖區(qū)域的應(yīng)力分布關(guān)系

裂紋裂尖的高應(yīng)力主要集中在氧化膜上，且遠(yuǎn)高于基體金屬上的應(yīng)力值，如圖7所示。氧化膜上的高應(yīng)力區(qū)主要集中在氧化膜裂尖以及其與基體金屬邊界上，基體金屬上的高應(yīng)力應(yīng)變區(qū)域分布其與氧化膜的邊界上，并且分布在氧化膜與基體金屬上的高應(yīng)力應(yīng)變區(qū)相連接。根據(jù)氧化膜破裂理論，在氧化膜破裂和再生成過程中，氧化膜脆斷發(fā)生在很短時(shí)間內(nèi)，氧化膜生成過程所占用的時(shí)間也相對較少，而氧化膜破裂和再生成過程中的主要時(shí)間集中在氧化膜衰減過程，而裂尖區(qū)域基體金屬上的高應(yīng)力應(yīng)變是促使氧化膜衰減并發(fā)生脆斷的主要原因之一。

4　結(jié)　論

1)隨著氧化膜裂尖和基體金屬裂尖之間的距離s的增大，氧化膜上的高應(yīng)力區(qū)逐漸增大，基體金屬上的高應(yīng)力應(yīng)變區(qū)逐漸減??；

2)氧化膜裂尖區(qū)域應(yīng)力遠(yuǎn)大于基體金屬裂尖區(qū)域，并且隨著氧化膜裂尖和基體金屬裂尖之間的距離s的增大，氧化膜裂尖應(yīng)力增大，基體金屬裂尖應(yīng)力減小，因此需定義氧化膜裂尖為裂尖進(jìn)行分析；

3)基體金屬上的高應(yīng)力應(yīng)變區(qū)與氧化膜靠近基體金屬邊界上的高應(yīng)力區(qū)相連接，因此認(rèn)為基體金屬的高應(yīng)力應(yīng)變可能是促使氧化膜衰減并發(fā)生脆斷的主要原因之一。

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Micro-mechanical state at SCC tip in nuclear key structure materials

LI Yong-qiang，XUE He

(CollegeofMechanicalandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China)

It’s analyzed that is kinds of micro-mechanical state of stress corrosion cracking(SCC)tip in nuclear plant in-service key structure.Based on the oxide film rupture model and taken austenitic stainless steel 304L that has high temperature corrosion resistant properties as experimental material，regarding SCC that is one of the main forms of affecting the damage and failure of nuclear power key structure as a research object，by analytical transmission election microscopy we obtained shape and structure in micro scale,and analyzed SCC tip in the micro-mechanical state by FEM.Results show that the oxide film shape at crack tip influence the stress and strain of the oxide film and base material.With the increase of the distance between oxide film crack tip and base metal crack tip，the high stress area of film increases and that of base decreases.The stress in film crack tip is much higher than base crack tip，therefore film crack tip should be defined as the crack tip.The simulation provides a foundation to improve the quantitative prediction of SCC growth rate in a circuit structure materials of nuclear power plants.

nuclear structure materials；austenitic stainless steels；stress corrosion cracking；stress-strain；FEM

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0314

1672-9315(2016)03-0380-05

2016-04-21責(zé)任編輯：李克永

國家自然科學(xué)基金(51475362)；國家教育部博士點(diǎn)基金(20136121110001)

薛河(1961-)，男，江蘇揚(yáng)州人，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：xue_he@hotmail.com

TG 174.3

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