壓水堆一回路環(huán)境中304不銹鋼的蠕變特性分析

薛 河，崔英浩，趙凌燕，唐 偉，倪陳強(qiáng)

0 引言

應(yīng)力腐蝕開裂(stress corrosion cracking，SCC)是核電一回路安全端異種金屬焊接接頭在服役過程中的一種重要失效形式［1－3］。在應(yīng)力腐蝕的過程中，核電結(jié)構(gòu)材料長(zhǎng)期在高溫高壓下工作，同時(shí)由于裂尖區(qū)域高應(yīng)力區(qū)的存在，使得裂尖附近會(huì)產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象［4－5］。裂尖附近的蠕變與腐蝕性介質(zhì)、力學(xué)性能不均勻性以及環(huán)境因素一起誘導(dǎo)裂尖產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂行為，其對(duì)SCC應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率會(huì)產(chǎn)生很大的影響［6－7］。

由于核電一回路的水環(huán)境溫度為288～340℃［8］，核電焊接接頭區(qū)域在實(shí)際工況下中發(fā)生的蠕變屬于“低溫”(蠕變溫度在0．3Tm以下，Tm為材料的熔點(diǎn))蠕變，而裂尖存在高應(yīng)力區(qū)，因而更易于發(fā)生“低溫”高應(yīng)力下的蠕變現(xiàn)象［9－10］。實(shí)際上，在高溫高壓水環(huán)境下600合金等材料的蠕變已為試驗(yàn)所證實(shí)［11］。因此研究核電結(jié)構(gòu)材料在“低溫”高應(yīng)力條件下的蠕變現(xiàn)象已顯得尤為重要。國(guó)外的一些學(xué)者也提出裂尖蠕變導(dǎo)致環(huán)境致裂的設(shè)想，國(guó)外學(xué)者Gary S．Was對(duì)合金600退火處理后進(jìn)行了337℃和360℃下的“低溫”下的蠕變?cè)囼?yàn)，提出了蠕變率可以表示為應(yīng)力的函數(shù)，并得到了不同“低溫”和應(yīng)力下的蠕變量和蠕變速率［12］。I．A．Shibli對(duì)360℃下C－Mn合金的蠕變裂紋擴(kuò)展特征進(jìn)行了定量表征，并估計(jì)了與裂紋擴(kuò)展速率最密切的參數(shù)C*的大小(描述蠕變區(qū)域比較大時(shí)的合適斷裂參量)［13］。張樂福研究了超臨界水環(huán)境下30%冷加工不銹鋼的蠕變對(duì)SCC裂紋擴(kuò)展速率的影響，結(jié)果表明冷加工690鋼承受了對(duì)穿晶開裂更高的敏感性，同時(shí)蠕變對(duì)SCC開裂的貢獻(xiàn)達(dá)到了90%以上［14］。Rui Wu等利用CT試樣研究了反應(yīng)堆壓力容器用低合金鋼A508在320～420℃之間的蠕變裂紋擴(kuò)展情況［15］。

為了解核電焊接接頭基體金屬304不銹鋼在核電水環(huán)境中的蠕變規(guī)律，本文在高壓釜環(huán)境中對(duì)其進(jìn)行了不同應(yīng)力下的單軸拉伸蠕變實(shí)驗(yàn)，并利用最小二乘法原理對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合處理，得出了該304不銹鋼在320℃下的蠕變本構(gòu)方程，并利用有限元軟件ABAQUS建立了高應(yīng)力下蠕變數(shù)值模擬的方法。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣及其力學(xué)性能

使用試樣為車間批次生產(chǎn)的304不銹鋼，熔點(diǎn)為1390℃，并進(jìn)行30 min的固溶處理，其化學(xué)成分見表1，按照 GB/T 2039 －1997 標(biāo)準(zhǔn)［16］，通過卷板機(jī)將板材軋制成2 mm厚的鋼板，在剪板機(jī)上裁剪成400 mm×400 mm，隨后利用線切割機(jī)對(duì)其進(jìn)行慢走絲線切割，最后打磨毛刺，加工后試樣的幾何形狀和尺寸如圖1所示，其厚度為2 mm，標(biāo)距段長(zhǎng)度20 mm，寬度3 mm，銷孔直徑8 mm，總長(zhǎng)度74 mm．利用YYF－30慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)機(jī)得出的304在320℃下的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線，并通過工程應(yīng)力應(yīng)變與真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系推導(dǎo)出真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變力學(xué)性能曲線如圖2所示，該溫度下的力學(xué)性能參數(shù)見表2．

表1 304不銹鋼的化學(xué)成分Tab．1 Chemical composition of 304 stainless steel(%)

表2 304不銹鋼在320℃下的拉伸性能Tab．2 Mechanical property of 304 stainless steel at 320 ℃

圖1 矩形蠕變?cè)嚇拥氖疽鈭DFig．1 Sketch of rectangular creep specimen(mm)

圖2 拉伸過程中的真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線Fig．2 Curve of true stress-true strain in loading

1.2 試驗(yàn)條件

按照GB/T 2039－1997《金屬拉伸蠕變及持久實(shí)驗(yàn)方法》［16］，利用矩形標(biāo)準(zhǔn)蠕變?cè)嚇?，利用YYF－30慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行恒載荷蠕變?cè)囼?yàn)，如圖3所示，該試驗(yàn)機(jī)具有溫度壓力采集系統(tǒng)、釜內(nèi)壓力檢測(cè)系統(tǒng)和雙位移傳感器測(cè)量系統(tǒng)等，可以保證釜內(nèi)的壓力保持在15 MPa，依據(jù)核電一回路的環(huán)境溫度，確定高壓釜的工作溫度為320℃，施加的載荷恒定且為400，450和500 MPa，拉伸起始階段采用0．5 mm/min的恒應(yīng)變速率，在達(dá)到設(shè)置的載荷標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)自動(dòng)調(diào)整為恒載荷控制，實(shí)驗(yàn)過程中利用2個(gè)位移傳感器自動(dòng)記錄的位移平均值作為實(shí)際位移值，釜內(nèi)為超純水環(huán)境，溫度通過熱電偶進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，釜內(nèi)壓力由背壓閥提供，數(shù)據(jù)顯示在面板上，實(shí)驗(yàn)過程實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)，每分鐘記錄1個(gè)數(shù)據(jù)。同時(shí)為了保證高溫拉伸實(shí)驗(yàn)與單軸蠕變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，所用試樣均為同一批次，本文的蠕變?cè)囼?yàn)條件見表3．

表3 蠕變拉伸的試驗(yàn)條件Tab．3 Experiment conditions of creep stretching

圖3 YYF－30慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)機(jī)Fig．3 YYF －30 slow strain stress corrosion testing machine

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 材料的蠕變實(shí)驗(yàn)曲線

圖4為304不銹鋼在320℃下400，450，500 MPa應(yīng)力下蠕變500 h之后的蠕變曲線，從圖4可以看出，304不銹鋼在長(zhǎng)時(shí)間恒載荷作用下，出現(xiàn)了典型的“低溫”下的蠕變現(xiàn)象，且所有的蠕變曲線都呈現(xiàn)出加速蠕變階段和穩(wěn)態(tài)蠕變階段，隨著應(yīng)力水平的增大，蠕變變形也更為明顯。蠕變時(shí)間為500 h下，應(yīng)力分別為400，450，500 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的蠕變變形量分別為:0．121，0．146 和 0．174．在蠕變剛開始時(shí)，即初期蠕變速率特別大，隨后隨著時(shí)間的增加蠕變速率逐漸減小，隨后呈現(xiàn)平穩(wěn)特征，蠕變時(shí)間越長(zhǎng)，蠕變變形越明顯，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)主要是由于溫度較高時(shí)，原子的活動(dòng)能力提高，使得產(chǎn)生塑性變形的位錯(cuò)滑移更加容易，在該過程中加工硬化也隨之產(chǎn)生［17］，從而導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)蠕變階段的蠕變速率明顯低于加速蠕變階段的速率;從表4可以看出，不同應(yīng)力下的穩(wěn)態(tài)蠕變速率也不一樣，應(yīng)力分別為400，450，500 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)蠕變速率分別為:7．6 ×10－8s－1，11．1 ×10－8s－1和 13．1 ×10－8s－1，即隨著應(yīng)力的增大，穩(wěn)態(tài)蠕變速率也越大。通常認(rèn)為在試驗(yàn)溫度低于0．4Tm時(shí)，蠕變變形機(jī)制主要是位錯(cuò)滑移導(dǎo)致的［18－19］，因此可以認(rèn)為該溫度下304不銹鋼的蠕變也是位錯(cuò)滑移產(chǎn)生的。

表4 304不銹鋼的蠕變速率Tab．4 Creep rate of 304 stainless steel

圖4 304不銹鋼的蠕變曲線(320℃，400～500 MPa)Fig．4 Creep curve of 304 stainless steel(320 ℃，400 ～500 MPa)

2.2 蠕變本構(gòu)方程的建立

對(duì)金屬材料而言，蠕變曲線前2個(gè)階段具有幾何形式上類似的性質(zhì)，因此蠕變應(yīng)變可以寫成應(yīng)力、時(shí)間和溫度函數(shù)的乘積［20－21］，可用式(1)表示

該蠕變模型材料參數(shù)較少，結(jié)構(gòu)形式相對(duì)簡(jiǎn)單，而且可以準(zhǔn)確地描述蠕變的變化，因此在工程上有廣泛的應(yīng)用。

式(1)中蠕變變形隨應(yīng)力變化的變化規(guī)律采用 Norton 公式［22－23］

式(2)蠕變變形的時(shí)間變化規(guī)律采用Andrade提出來的經(jīng)驗(yàn)公式［24］

蠕變變形隨溫度的變化規(guī)律

式中 各材料參數(shù)均為材料常數(shù);R為玻耳茲曼常數(shù);ΔH材料的表面激活能。

因文中的蠕變?cè)囼?yàn)是在恒定的溫度下進(jìn)行的，因此公式(1)可以簡(jiǎn)化為公式(5)，其中A'為包括溫度在內(nèi)的所有常數(shù)的乘積，即冪律模型中的時(shí)間硬化模型對(duì)蠕變曲線進(jìn)行擬合，來求得相應(yīng)的蠕變參數(shù)

利用最小二乘法對(duì)所得的蠕變曲線進(jìn)行擬合，得到320℃下304不銹鋼材料的蠕變參數(shù)見表5．

表5 304SS時(shí)間硬化模型的擬合材料參數(shù)的結(jié)果Tab．5 Creep parameters of 304SS by power law

圖5為根據(jù)擬合的結(jié)果所得到的實(shí)驗(yàn)與擬合曲線的對(duì)比圖，從圖5可以看出，得到的本構(gòu)模型可以很好的反映了304不銹鋼在320°下的蠕變行為。

因此可以得出304SS的蠕變冪模型為

圖5 試驗(yàn)蠕變曲線與擬合蠕變曲線的對(duì)比Fig．5 Comparison between fitted creep curve and experimental results

3 高應(yīng)力下蠕變數(shù)值模擬方法的建立

利用 ABAQUS［25－27］軟件建立了含橢圓形缺口的304不銹鋼單軸蠕變?cè)嚇拥挠邢拊Ｐ?，為滿足最大應(yīng)力不超過材料的抗拉強(qiáng)度，通過有限元計(jì)算，設(shè)置橢圓形缺口的長(zhǎng)半軸和短半軸分別為0．1和0．2 mm，如圖6所示，有限元網(wǎng)格類型為C3D8，單元數(shù)為7 662，為了得到缺口處高應(yīng)力區(qū)域的蠕變規(guī)律，在缺口處進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化，最小網(wǎng)格尺寸為5μm．

在進(jìn)行有限元分析的過程中，材料塑性模型為在高壓釜內(nèi)測(cè)得的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線，蠕變的當(dāng)量時(shí)間同樣設(shè)置500 h，邊界條件采用試樣左端圓孔完全固定，在右邊圓孔中心建立參考點(diǎn)，并與右端圓孔后半部分進(jìn)行耦合，在參考點(diǎn)處施加與試驗(yàn)一致的集中載荷。

圖6 單軸拉伸試樣的蠕變的有限元模型Fig．6 Finite model of axial creep specimen

由于ABAQUS中對(duì)蠕變本構(gòu)關(guān)系中時(shí)間硬化模型的公式如式(7)所示

對(duì)式(6)進(jìn)行求導(dǎo)得出蠕變應(yīng)變率公式如式(8)所示，通過對(duì)照式(7)，得出ABAQUS模擬需要的蠕變參數(shù)，分別是冪率常數(shù)A為9．8×10－10，等效偏應(yīng)力指數(shù)2．56，時(shí)間常數(shù)m為－0．64．

為了得到高應(yīng)力下的304不銹鋼的蠕變規(guī)律，選取近缺口處的3個(gè)位置，應(yīng)力分別為750，800，850 MPa，得到該3個(gè)應(yīng)力下蠕變500 h的蠕變變化規(guī)律，如圖7所示。

圖7 數(shù)值模擬出高應(yīng)力下的蠕變曲線Fig．7 High stress creep curve of numerical simulation

圖7 為通過數(shù)值模擬得到的304不銹鋼在320℃下750，800，850 MPa應(yīng)力下的蠕變曲線，其與利用蠕變冪模型外推出來的高應(yīng)力下的蠕變曲線規(guī)律一致，可以得出，通過蠕變冪率本構(gòu)模型可以準(zhǔn)確得出高應(yīng)力下的的蠕變曲線，為后續(xù)研究核電材料“低溫”高應(yīng)力蠕變提供了一種依據(jù)。

4 結(jié)論

通過對(duì)304不銹鋼進(jìn)行了320℃時(shí)不同應(yīng)力下的蠕變?cè)囼?yàn)，得出主要結(jié)論如下

1)基于蠕變應(yīng)變和蠕變時(shí)間之間的關(guān)系，建立了基于時(shí)間硬化模型的蠕變本構(gòu)關(guān)系;

2)應(yīng)力和時(shí)間對(duì)蠕變變形有著很大的影響，當(dāng)溫度一定時(shí)，應(yīng)力增大，蠕變變形和蠕變速率隨之增大，同時(shí)隨著時(shí)間的增加，蠕變變形也在增大;

3)利用ABAQUS軟件建立了高應(yīng)力下蠕變數(shù)值模擬方法，得出了高應(yīng)力304不銹鋼的蠕變曲線，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的可行性，同時(shí)為后續(xù)研究核電材料裂尖區(qū)域“低溫”高應(yīng)力蠕變提供了一種依據(jù)。

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