考慮幾何尺寸影響的RPV 鋼韌脆轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)研究1)

巫元俊 徐習(xí)凱 包 陳 蔡力勛

(西南交通大學(xué)力學(xué)與航天工程學(xué)院,應(yīng)用力學(xué)與結(jié)構(gòu)安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)

引言

反應(yīng)堆壓力容器(reactor pressure vessel,RPV)是核電站的一道重要的安全屏障,容納著高溫、高壓和強(qiáng)放射性的堆芯且運(yùn)行時(shí)間長,要求其全壽期內(nèi)破漏零風(fēng)險(xiǎn).RPV 用鋼為鐵素體鋼,具有明顯的韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象和中子輻照脆化效應(yīng),在壓水堆運(yùn)行環(huán)境下會出現(xiàn)斷裂性能下降,韌脆轉(zhuǎn)變溫度上升的現(xiàn)象,增大了RPV 失效破壞的風(fēng)險(xiǎn).為了防止反應(yīng)堆壓力容器在役期間,尤其是在壽命終期材料受到較大劑量的中子輻照脆化后發(fā)生脆性斷裂,通常在反應(yīng)堆中隨堆放入輻照監(jiān)督試樣[1],以定期取出檢驗(yàn)分析,了解材料受輻照后的性能變化,保證反應(yīng)堆的安全運(yùn)行.受輻照監(jiān)督管空間的限制,RPV 鋼監(jiān)督樣品的尺寸和數(shù)量有限,致使基于大尺寸試樣的斷裂性能評價(jià)面臨極大困難.小試樣測試技術(shù)[2-9]可有效緩解輻照樣品不足的問題.用于輻照監(jiān)督測試的小尺寸試樣相比標(biāo)準(zhǔn)大尺寸試樣的幾何約束明顯降低,使得RPV 材料趨于延性破壞.溫度、幾何約束、輻照等多因素耦合作用使 RPV 材料的斷裂失效行為變得更為復(fù)雜.

為了得到反應(yīng)堆壓力容器材料輻照前后在韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)的斷裂韌性,在斷裂力學(xué)興起之前,通常用從低溫到高溫系列溫度下的夏比沖擊試驗(yàn)得到?jīng)_擊功-溫度曲線、纖維斷面率-溫度曲線和側(cè)向膨脹量-溫度曲線來表征材料的韌脆轉(zhuǎn)變行為.然而,依據(jù)夏比沖擊試驗(yàn)得到的相關(guān)參量與裂尖應(yīng)力應(yīng)變場不具直接相關(guān)性,無法建立缺陷尺寸與斷裂外載之間的關(guān)系,用于反應(yīng)堆壓力容器的完整性評定的經(jīng)驗(yàn)成分較大,且具有一定的危險(xiǎn)性.為了滿足RPV 安全評估的需求,自斷裂力學(xué)發(fā)展起來后,美國曾開展了大量輻照前后RPV 材料在不同溫度下的斷裂韌性實(shí)驗(yàn),建立了基于參考無延性轉(zhuǎn)變溫度RTNDT的斷裂失效評估曲線[10].該曲線是半經(jīng)驗(yàn)性的,用于反應(yīng)堆壓力容器鋼的韌脆轉(zhuǎn)變行為評價(jià)偏于保守,且斷裂韌性試驗(yàn)的平面應(yīng)變要求和數(shù)據(jù)分散性使得試驗(yàn)所需試樣尺寸較大,數(shù)量較多,輻照監(jiān)督試樣很難滿足試驗(yàn)需求.鑒于輻照監(jiān)督管空間限制和材料性能的分散性現(xiàn)象,參照脆性轉(zhuǎn)變溫度的斷裂韌性-參考溫度曲線方法在應(yīng)用上有很大的限制,采用少量試件得到韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)斷裂韌性的方法受到了大量關(guān)注,其中,Wallin 提出的主曲線法得到了廣泛的認(rèn)可,并被ASTM 標(biāo)準(zhǔn)推薦.

Wallin[11-16]研究發(fā)現(xiàn)鐵素體鋼在韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KJC的概率分布滿足如下式所示的Weibull 模型

式中,Pf表示當(dāng)K≤KJC時(shí)的累積斷裂失效概率,B為測試試樣厚度,B0為設(shè)計(jì)參考試樣厚度,KI為應(yīng)力強(qiáng)度因子,K0為Weibull 分布尺度參數(shù),對應(yīng)于累積失效概率為63.2%的斷裂韌性,Kmin是KI門檻值,推薦取為20 MPa·m1/2.由于鐵素體鋼的韌脆轉(zhuǎn)變行為,其KIC與試驗(yàn)溫度T關(guān)系與斷裂失效評估曲線[10]類似.因此,Wallin 認(rèn)為K0值也符合類似的模型,并且通過對多種鐵素體鋼試驗(yàn)結(jié)果的分析得到K0-T關(guān)系曲線

式中,T為試驗(yàn)溫度,T0表示韌脆轉(zhuǎn)變參考溫度.上述斷裂韌性的分布規(guī)律均是基于2.54 cm (1 inch)標(biāo)準(zhǔn)厚度試樣建立起來的.鑒于輻照監(jiān)督試樣難以滿足KIC測試的標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸要求,對于非標(biāo)準(zhǔn)試樣,Wallin 提出了其斷裂韌性與標(biāo)準(zhǔn)厚度試樣斷裂韌性換算的公式

式中,KI(1T)為測試試樣對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)1T (即2.54 cm厚度)試樣斷裂韌性值,B1T表示2.54 cm 厚度,Bt為測試試樣的實(shí)際厚度,KI(t)為測試試樣的斷裂韌性值.將式(2)代入式(1)即得到不同失效概率Pf下的KI-T關(guān)系方程

綜上,Wallin[17]提出了可一定程度考慮斷裂韌性數(shù)據(jù)分散性、尺寸效應(yīng)和溫度依賴性的主曲線法,并對主曲線法所得結(jié)果的有效性進(jìn)行了探討.該方法已被列入ASTM E1921 標(biāo)準(zhǔn)[17]并廣泛用于測定RPV 鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度[18-23],大幅減少了試驗(yàn)成本,提高了斷裂韌性下限值評估的準(zhǔn)確性.然而,主曲線法也有其局限性,其所用試樣需滿足高拘束度條件,否則測得參考溫度T0偏低.張新平等[24]研究發(fā)現(xiàn)采用雙邊帶側(cè)槽的小尺寸R-CT 試樣的斷裂韌性值比相同側(cè)槽深度的夏比尺寸試樣的測試值更加接近有效的斷裂韌性值.鄧彩艷等[25]研究了面外拘束對韌脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間的影響并分析了其變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)鋼材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線可以用Boltzmann函數(shù)來描述,且發(fā)現(xiàn)試樣厚度越大,韌脆轉(zhuǎn)變溫度越高,斷裂性能下降的規(guī)律.林赟等[26]基于主曲線法研究了國產(chǎn)反應(yīng)堆壓力容器鋼的輻照韌性,發(fā)現(xiàn)中子注量至1020cm-2后,其表現(xiàn)出較明顯的脆化行為.鐘巍華等[27]總結(jié)了國內(nèi)外小試樣力學(xué)性能研究的進(jìn)展,并對小沖桿測試技術(shù)進(jìn)行了探索.Zheng 等[28]對韌脆轉(zhuǎn)變溫度與約束參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)兩者間存在線性關(guān)系.

Beremin 等[29]研究表明斷裂過程區(qū)的微裂紋服從Weibull 分布,并以Weibull 應(yīng)力為驅(qū)動力,通過Weibull 應(yīng)力可以預(yù)測材料的斷裂失效概率.Margolin等[30-32]認(rèn)為解理斷裂失效應(yīng)考慮微裂紋形核和微裂紋失穩(wěn)兩方面因素,提出了Prometey 局部斷裂模型.Hohe 等[33]則認(rèn)為累積等效塑性應(yīng)變、局部應(yīng)力三軸度、最大主應(yīng)力三者為控制斷裂失效的主要參量并提出了相應(yīng)的斷裂韌性預(yù)測模型.該系列斷裂失效局部法模型的原理相近,復(fù)雜程度不同,且均需要借助復(fù)雜的有限元分析來實(shí)現(xiàn),在工程應(yīng)用上有一定的難度.

本研究將以RPV 鋼為對象,開展不同溫度和幾何尺寸條件下的斷裂行為試驗(yàn),然后以單溫度法及多溫度主曲線法對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,并結(jié)合斷口微觀組織特征討論溫度及幾何尺寸對RPV 鋼斷裂韌性的影響,為反應(yīng)堆安全運(yùn)行及延壽評估提供數(shù)據(jù)參考.

1 材料與試驗(yàn)

采用RPV 所用SA-508 鋼開展拉伸試驗(yàn)和斷裂韌性試驗(yàn).拉伸試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)圓棒試樣,試樣工作段直徑6 mm,標(biāo)距段長度為30 mm.采用圖1 所示的不同尺寸CT 和SEB 試樣完成不同溫度下的斷裂韌性試驗(yàn).圖中B為厚度,a為機(jī)加工裂紋長度,所有SEB試樣的S與W之比設(shè)為4.如表1 所示,本文設(shè)計(jì)了8 類不同構(gòu)形和尺寸試樣以考察試樣幾何約束對SA-508 鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響.參照ASTM E1921標(biāo)準(zhǔn)采用1T CT 試樣(表1 中的H 類試樣)完成-60 °C下的斷裂試驗(yàn),采用單溫度法分析得到其韌脆轉(zhuǎn)變溫度.對于表1 中的其他類型試樣,以試樣實(shí)際斷裂形式為依據(jù)開展不同溫度下的斷裂試驗(yàn),以獲得各類試樣的實(shí)際韌脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間.

圖1 試樣構(gòu)型Fig.1 Specimen configuration

低溫試驗(yàn)均在低溫環(huán)境箱中進(jìn)行,通過液氮空冷實(shí)現(xiàn)低溫加載,溫度控制誤差低于 ±3 °C.由于試驗(yàn)空間和試驗(yàn)需求不同,拉伸試樣、mini-SEB 試樣、SEB 及CT 試樣所用環(huán)境箱、試驗(yàn)機(jī)有所不同,其中mini-SEB 試樣的斷裂韌性試驗(yàn)在如圖2(a)所示的DL-DFT5k 電子式疲勞試驗(yàn)機(jī)上完成,其余試樣在如圖2(b)所示的MTS809 電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)完成.圖3 給出了低溫下拉伸試驗(yàn)及斷裂試驗(yàn)的試驗(yàn)照片.

圖2 低溫環(huán)境系統(tǒng)及試驗(yàn)機(jī)Fig.2 Low temperature environment system and testing machine

圖3 低溫試驗(yàn)Fig.3 Low temperature tests

當(dāng)試樣為脆性斷裂時(shí),采用ASTM E1921[17]規(guī)定的方法確定啟裂韌度.對于韌性斷裂的試樣,其啟裂韌度可以通過ASTM E1820[34]規(guī)定的方法確定.對于裂紋擴(kuò)展后脆斷的試樣,其臨界斷裂韌性JC取脆斷時(shí)的J積分值.在獲得臨界J積分JC后,斷裂韌性KJC可由下式得到

式中,E為彈性模量,ν為泊松比.

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

SA-508 鋼在不同溫度下拉伸應(yīng)力-應(yīng)變試驗(yàn)曲線如圖4 所示.圖5 分別展示了彈性模量、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨溫度變化的情況.從圖中可以看出,隨溫度降低屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度逐漸增大,而溫度對彈性模量的影響不大.

圖4 不同溫度下拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Tensile stress-strain curves at different temperature

2.2 斷裂試驗(yàn)結(jié)果

圖6～圖8 展示了不同類別試樣在不同溫度下的載荷P與位移V之間的關(guān)系.從圖中可以看出,隨著溫度的降低,不同幾何尺寸的試樣均表現(xiàn)出由韌轉(zhuǎn)脆的特征,試樣破壞的載荷上升.表2～表9 給出了不同構(gòu)形試樣在不同試驗(yàn)溫度下的斷裂韌性KJC和斷裂形式.可以看到,隨著溫度的升高,試樣呈現(xiàn)脆性斷裂向延性破壞轉(zhuǎn)變的趨勢.在韌脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間內(nèi),脆性斷裂與延性破壞相互競爭.試驗(yàn)溫度處于韌脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)下平臺時(shí),斷裂試樣均表現(xiàn)為幾乎無延性的脆性斷裂.當(dāng)溫度升到韌脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)上平臺時(shí),斷裂試樣均表現(xiàn)為韌性斷裂.在同一溫度下,不同構(gòu)形試樣的斷裂形式也可能不同,大尺寸試樣發(fā)生脆斷時(shí)小尺寸試樣可能表現(xiàn)為韌性斷裂,幾何尺寸對于材料的斷裂行為有著不可忽視的影響.

表2 A 類試樣的斷裂結(jié)果Table 2 Fracture results of class A

表3 B 類試樣的斷裂結(jié)果Table 3 Fracture results of class B

表4 C 類試樣的斷裂結(jié)果Table 4 Fracture results of class C

表5 D 類試樣的斷裂結(jié)果Table 5 Fracture results of class D

表6 E 類試樣的斷裂結(jié)果Table 6 Fracture results of class E

表7 F 類試樣的斷裂結(jié)果Table 7 Fracture results of class F

表8 G 類試樣的斷裂結(jié)果Table 8 Fracture results of class G

表9 H 類試樣的斷裂結(jié)果Table 9 Fracture results of class H

圖6 mini-SEB 試樣的載荷-位移曲線Fig.6 P-V curve of mini-SEB specimens

圖7 SEB 試樣的載荷-位移曲線圖Fig.7 P-V curve of SEB specimens

圖8 CT 試樣的載荷-位移曲線圖Fig.8 P-V curve of CT specimens

斷裂韌性KJC與試驗(yàn)溫度T之間的關(guān)系如圖9所示.對比分析可知,在其他條件一致的情況下,SA-508 鋼的斷裂韌性值KJC隨寬度W增大而逐漸減小,隨溫度T降低而逐漸增大,隨裂紋長度比a/W的增大而逐漸減小,即高約束度(即裂紋越長)和低溫都會使SA-508 鋼表現(xiàn)出更低的斷裂韌性.

圖9 基于所有試樣的主曲線圖Fig.9 Master curve based on all specimens

參照ASTM E1921 的單溫度法對1T CT 試樣(H 類)-60 °C 下的斷裂韌性進(jìn)行分析得到主曲線圖和韌脆轉(zhuǎn)變參考溫度,分別如圖9 和表10 所示.同時(shí)采用ASTM E1921 的多溫度法對各類試樣在不同溫度下的斷裂韌性進(jìn)行分析可以得到相應(yīng)的韌脆轉(zhuǎn)變參考溫度T0,結(jié)果見表10.進(jìn)一步地,采用多溫度法對所有試樣的斷裂韌性進(jìn)行分析得到主曲線圖和韌脆轉(zhuǎn)變參考溫度,分別如圖9 和表10 所示.可以看到,標(biāo)準(zhǔn)厚度試樣所得韌脆轉(zhuǎn)變溫度明顯高于其他小尺寸試樣結(jié)果.標(biāo)準(zhǔn)厚度試樣得到的韌脆轉(zhuǎn)變溫度與其實(shí)際韌脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間較為接近,而由其他小尺寸試樣得到韌脆轉(zhuǎn)變溫度與其實(shí)際韌脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間相差較大.從表10 結(jié)果可以看到,主曲線法對于標(biāo)準(zhǔn)厚度試樣的韌脆轉(zhuǎn)變溫度預(yù)測具有良好的精度,但其用于小尺寸試樣的韌脆轉(zhuǎn)變溫度預(yù)測精度非常有限.

表10 各構(gòu)型試樣的韌脆轉(zhuǎn)變參考溫度(單位: °C)Table 10 Ductile-to-brittle transition temperature of specimens with various configuration (unit: °C)

2.3 試樣斷口宏微觀組織特征

圖10 給出了幾個典型溫度下E 類斷裂試樣的斷口照片,其中圖10(a)為典型韌性斷裂斷口,圖10(b)在裂紋發(fā)生一定程度延性擴(kuò)展后脆斷,圖10(c)在產(chǎn)生一定的塑性變形后脆斷,而圖10(d)為完全脆性斷裂斷口.其余試樣相同斷裂類型下均呈現(xiàn)出此類特征.通過宏觀觀察可以發(fā)現(xiàn): 隨著溫度的降低,試樣的塑性變形不斷減小,即由韌性逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈?

圖10 部分典型E 類斷裂試樣的斷口掃描電鏡圖Fig.10 Sem images of some typical class E fracture specimens

如圖10 所示,對幾個特定溫度下E 類斷裂試樣的斷口進(jìn)行電鏡掃描后可發(fā)現(xiàn)試樣斷口和裂紋尖端存在撕裂帶和較深的韌窩,且塑性纖維帶和韌窩沿鈍化的裂紋尖端分布.圖10(c)可看到,試樣在-40 °C時(shí)的斷口存在少量韌窩與解理斷裂交界面,圖10(d)則顯示了試樣在-80 °C 時(shí)的脆斷斷口上出現(xiàn)明顯的舌花狀解理斷裂特征.當(dāng)試驗(yàn)溫度處于韌脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間下平臺,幾乎沒有延性擴(kuò)展區(qū),試樣表現(xiàn)出明顯的脆性斷裂,隨著溫度增高,試樣斷口處的延性擴(kuò)展區(qū)逐漸變大,試樣逐漸表現(xiàn)出韌性斷裂的特征,直至完全韌性斷裂.

圖11 給出了脆斷試樣的啟裂點(diǎn)和啟裂方向示意圖.通過電鏡掃描試樣斷口可以量出不同試樣在不同溫度下的啟裂點(diǎn)位置(與斷口邊緣的距離).

通過測量部分試樣啟裂點(diǎn)與斷口邊緣的垂直距離,得到了其啟裂點(diǎn)位置y與啟裂韌度KJC的關(guān)系曲線,如圖12 所示.結(jié)果表明隨著啟裂韌度的降低,試樣啟裂點(diǎn)位置逐漸接近裂尖,且呈現(xiàn)出一定的非線性規(guī)律.

圖12 試樣啟裂點(diǎn)位置與啟裂韌度關(guān)系Fig.12 Relationship between crack initiation point and crack initiation toughness

3 結(jié)論

(1)SA-508 鋼在不同溫度下的拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明,屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨溫度降低逐漸增大,而溫度變化對彈性模量的影響較小.

(2)不同尺寸SEB 和CT 試樣在不同溫度下的斷裂試驗(yàn)結(jié)果表明,在其他條件一致的情況下,SA-508 鋼的斷裂韌性KJC隨尺寸增大而逐漸減小,隨溫度降低而逐漸減小.通過主曲線法得到了各尺寸試樣的韌脆轉(zhuǎn)變參考溫度T0.標(biāo)準(zhǔn)厚度試樣所得韌脆轉(zhuǎn)變溫度明顯高于其他小尺寸試樣結(jié)果.主曲線法對于標(biāo)準(zhǔn)厚度試樣的韌脆轉(zhuǎn)變溫度預(yù)測具有良好的精度,但其用于小尺寸試樣的韌脆轉(zhuǎn)變溫度預(yù)測精度非常有限.

(3)對試驗(yàn)后的試樣斷口進(jìn)行了宏微觀分析,結(jié)果表明,隨著溫度的降低,脆性斷裂試樣的啟裂點(diǎn)位置逐漸靠近斷口邊緣,且啟裂點(diǎn)位置與斷裂韌性KJC呈現(xiàn)出一定的非線性規(guī)律.