镍基合金应力腐蚀裂尖氧化膜力学特性分析

裂纹尖端氧化膜形成与破裂是核电站压力容器高温水环境中镍基合金材料应力腐蚀开裂(SCC)的主要过程之一。由于应力腐蚀裂纹尖端形貌和扩展方式的特殊性,本研究利用ABAQUS有限元软件的子模型技术,在微观尺度下对由裂尖氧化膜和基体金属共同构成的应力腐蚀裂尖应力应变场进行了分析。结果表明,SCC裂尖氧化膜前端沟形裂纹的存在,会造成氧化膜中应力和应变的很大变化,且随着沟形裂纹的长度增加,这种变化越加明显;另一方面,与氧化膜中应力相比,塑性应变对裂尖形貌变化更加敏感,从一个侧面说明,裂尖塑性应变是研究SCC裂尖氧化膜形成与破裂比较理想的力学参量。     

膜致应力促氧化膜破裂行为研究

在以滑移溶解理论为基础的裂纹扩展速率定量预测模型中,裂纹长度是裂纹扩展速率的重要影响参数之一,针对镍基合金裂尖裂纹长度的扩展规律,研究裂纹长度对镍基合金材料裂纹尖端膜致应力产生的应力应变场的影响,采用ABAQUS软件,在不考虑外载的情况下,分析膜致应力应变场随裂纹扩展长度的改变所导致裂尖力学特性的变化规律。结果表明,裂纹长度不同,裂尖膜致应力产生的应力应变分布不同,膜致应力是裂纹扩展驱动力中不可忽略的主要因素之一。     

几种硬质履层体在滑动接触时的性能比较

在运用有限元软件,分别对在受相同表面载荷作用下的单覆层体、三明治覆层体及梯度覆层体的滑动接触进行了弹一塑性计算。结果表明梯度硬覆层体在改善界面附近应变、应力场及裂纹应力分布场等方面比其它覆层体具有较明显的优点。三明治层能有效地减小膜层与基体间的应力值,且在界面处裂纹尖端处的应力也很小,但接近界面处的应力、应变梯度却很大。普通多层膜与单层膜相比,应力、应变分布没有很大的改进。     

氧化膜形状对镍基合金应力腐蚀裂尖应力应变的影响

采用有限元数值模拟手段,分析了裂尖氧化膜在不同曲率下对应力腐蚀裂纹尖端应力应变场的影响。结果表明,随着氧化膜裂尖曲率的不同,氧化膜裂尖Mises应力和基体金属的Mises应力及等效塑性应变规律不同,曲率越大处,越易发生氧化膜破裂;在裂尖正前方,基体金属和氧化膜结合面处,会产生应力突变,易产生裂纹,也是发生裂纹扩展的薄弱区。     

氧化膜对不同时期应力腐蚀裂尖力学场的影响

裂尖力学状态是影响结构材料应力腐蚀开裂(SCC)扩展速率的主要因素之一,针对氧化膜应力对不同时期裂纹尖端产生的力学规律,建立了SCC寿命周期有限元模型,得出氧化膜在不同裂纹扩展阶段裂尖力学场的变化。结果表明,在表面划痕开裂阶段,氧化膜对裂尖Mises应力及拉伸应力的影响最大,对裂尖的作用范围的影响则较小;随着开裂长度的增加,氧化膜对裂尖Mises应力、拉伸应力及应力强度因子K的影响越小。     

新型含钪Al-Mg-Cu合金的抗应力腐蚀开裂特性

对3.5%NaCl溶液中新型含钪Al-Mg-Cu合金的应力腐蚀开裂宏观性能进行测试,并对裂纹尖端的成分与微观形貌进行分析。根据线弹性断裂力学理论,预制疲劳裂纹试样裂纹尖端处于平面应变状态,得到裂纹匀速扩展时的扩展速率、裂纹尖端应力强度因子以及应力腐蚀开裂强度因子的门槛值。扫描电镜及EDS分析表明:应力腐蚀开裂主要是沿晶扩展,预制裂纹与腐蚀介质中的溶解氧生成Al2O3,产生楔入力促使裂纹扩展;裂纹尖端基体主要发生阳极溶解反应,腐蚀产物以氯化铝为主。     

膜致应力对应力腐蚀裂尖力学特性的影响

氧化膜破裂理论是目前定量预测核电高温水环境中镍基合金应力腐蚀开裂速率应用最为广泛的理论模型之一,其中应力强度因子是衡量应力腐蚀开裂速率的重要参量。为进一步了解氧化膜破裂机理及裂纹扩展驱动力特性,提出了膜致应力强度因子。为了深入了解膜致应力强度因子在 EAC 裂纹扩展过程中裂尖的力学状况,在不考虑外载的情况下,从理论和数值模拟两方面分析研究了EAC 裂尖基体金属区域的应力应变分布状态,得出了膜致应力强度因子对裂尖Mises应力、等效塑性应变、拉伸应力、拉伸应变及拉伸应变梯度的影响规律,为提高定量预测高温高压水环境中镍基合金及不锈钢 EAC 扩展速率精度奠定基础,进而完善了氧化膜破裂机理。     

热生长下热障涂层残余应力及失效分析

针对典型热障涂层结构以界面开裂和涂层剥落为主要失效模式,考虑界面凹凸微观形貌特征,借助材料转换的方法实现氧化生长,利用粘弹塑性有限元法,研究了氧化层热生长和蠕变等因素对热障涂层残余应力的影响,并从应力应变循环演化的角度对热障涂层系统中微裂纹的萌生位置进行了预测。结果表明,随着氧化层厚度的增大,垂直于界面方向的残余应力迅速增大;材料蠕变对热障涂层系统应力释放作用显著;从残余应力和应变演化的角度进行评价,结构中的微裂纹会率先出现在粘接层凸峰以及陶瓷层/氧化层/黏结层界面的中间位置,仿真分析结果与试验结果一致。     

多层表面膜在滑动接触时的弹塑性有限元分析

本文研究梯度层、三明治层及普通多层膜覆层体受相同表面载荷滑动接触作用下的弹塑性变形情况。结果表明从表层至基体弹性模量逐渐降低的正样度硬覆层体,能显著改善膜层与基休界面附近的应变分布,沿纵向的应力分布曲线非常平滑,在膜层与基体界面阃及基体中的应力较小;三叫治覆层能显著降低膜层与基体界面处的最大剪应力,且裂纹尖端的应力值最小,但在界面附近的应力值和应变梯度很大：普通多层膜与单层膜相比,应力、应变分布没有明显的改进。通过对上述四种覆层体在应变、应力分布及裂纹应力场的分析可知,梯度层在这几方面都有较明显的优点,其它三种覆层体虽在某一方面有最突出的优点,但却在其它方面存在最明显的缺点。本文研究结果可为选择及设计覆层膜提供参考。     

不同加载路径下预裂纹50W800G硅钢板的拉伸性能

研究了50W800G硅钢板在不同加载路径下预裂纹试样的应力应变关系。结果表明:单轴45°和90°裂纹尖端垂直于裂纹线方向的应力应变曲线,其弹性模量与屈服强度较光滑试样都降低,说明了裂纹尖端应力、应变场的奇异性;双轴45°和90°裂纹尖端的应力应变曲线,在载荷比2∶1和3∶1时,裂纹尖端的应力虽有增加,但应变增加缓慢,应力应变曲线高于载荷比1∶1的加载曲线。     

核电结构材料应力腐蚀开裂初始阶段裂尖驱动力的研究

裂尖力学状态是影响核电结构材料应力腐蚀开裂(SCC)扩展速率的主要因素之一。为了搞清SCC不同扩展阶段裂尖驱动力的变化及其对SCC扩展速率的影响,本文建立了SCC扩展不同阶段的有限元模型,详细分析了裂纹初始阶段影响裂尖应力状态的工作载荷、残余应力,以及氧化膜形成过程中产生的膜致应力。结果表明,在SCC裂纹初始阶段,裂尖氧化膜形成所产生的“锲入张力”是SCC的主要驱动力;随着裂纹的扩展,工作载荷和残余应力逐渐成为SCC裂纹扩展的主要驱动力。     

Research of stress corrosion cracking of T225NG titanium alloy in loop water of high temperature and high pressure

Double cantilever beam （DCB） specimens were used to research the stress corrosion cracking of T225NG titanium alloy in loop water of high temperature and high pressure. DCB specimens were forced pre-stress, put into high pressure ataoclave , and the stress corrosion and crack expansion of specimens were observed and measured in 500 h, 1 000 h and 2000 h respectively. The results show that small expansion occurred along the direction of pre-cracking. According to calculation, the speed of cracking expansion is lower than 10 -9 m/s in 500 h and the value of K ISCC /KI is higher than 0. 75, which proves that T225NG has an excellent corrosion resistance in loop water. The main reason is that there is an oxide film on the surface of specimens. According to the analysis of energy dispersive spectroscopy （EDS） and X-ray diffraction （ XRD ） , the oxide film consists of TiO2. Therefore, the oxide film at the crack tip impedes the hydrogen separating out from the cathode to penetrate into titanium alloy and resists hydrogen embrittlement.     

Formulating stress corrosion cracking growth rates by combination of crack tip mechanics and crack tip oxidation kinetics

A theoretical equation for stress corrosion crack growth rate of austenitic alloys in high temperature water is reformulated based on crack tip asymptotic fields and crack tip transient oxidation kinetics. A general oxidation kinetic law is introduced, emphasizing the role of mass transport through solid oxide film at the crack tip. The effects of several parameters on crack growth rate are evaluated. The results are compared with available experimental data and other equations. A good prediction of the effect of K on stress corrosion cracking growth rate of typical austenitic alloys in simulated light water reactor environments has been achieved.     

高强铝合金裂纹尖端在3.5%NaCl溶液中的微区电化学特性

采用毛细管微电极测试方法、扫描Kelvin探针技术和数值分析方法,对2024-T351高强铝合金裂纹尖端在3.5%NaCl溶液中的微区电化学特性和腐蚀行为进行了研究.结果表明,裂纹尖端的腐蚀电位较远离裂纹尖端的基体位置更负,裂纹尖端处的电化学活性明显增加.在外加应力的作用下,裂纹尖端处表面氧化膜的厚度减薄,其稳定性和保护性变弱.裂纹尖端处优先发生阳极溶解,浸泡24 h后在裂纹尖端处出现腐蚀产物的堆积.由于腐蚀电位和电化学活性的差异,在裂纹尖端(阳极)和远离裂纹尖端的基体(阴极)之间可形成电偶对,进一步促进裂纹尖端局部区域内腐蚀过程的进行.     

高强铝合金裂纹尖端在3.5%NaCl溶液中的微区电化学特性

采用毛细管微电极测试方法、扫描Kelvin探针技术和数值分析方法,对2024 T351高强铝合金裂纹尖端在3.5%NaCl溶液中的微区电化学特性和腐蚀行为进行了研究.结果表明,裂纹尖端的腐蚀电位较远离裂纹尖端的基体位置更负,裂纹尖端处的电化学活性明显增加.在外加应力的作用下,裂纹尖端处表面氧化膜的厚度减薄,其稳定性和保护性变弱.裂纹尖端处优先发生阳极溶解,浸泡24 h后在裂纹尖端处出现腐蚀产物的堆积.由于腐蚀电位和电化学活性的差异,在裂纹尖端(阳极)和远离裂纹尖端的基体(阴极)之间可形成电偶对,进一步促进裂纹尖端局部区域内腐蚀过程的进行.     

双面高温超导带材研究进展

介绍了采用反应溅射法制备双面Y2O3双面种子层长带材,通过引入水汽使Y原子在RABiTS基带上氧化成膜,同时有效的避免了基带的氧化。通过对工艺参数的优化,成功制备了高质量的Y2O3种子层,其面内面外半高宽仅为3．8°和1．4°,大大改善了金属基带的双轴织构特性,同时薄膜表面粗糙度仅为2．8nm。在制备的高质量种子层上采用溅射方法外延生长YSZ阻挡层和CeO2模板层,薄膜表面光滑,并具有良好的均匀性和双面一致性。用双倒简靶溅射法制备YBCO超导层,采用旋转结合轴向自动进退,改善了薄膜受热不均的现象,获得了高质量的双面高温超导带材。其中短样双面临界电流L之和超过了400A／cm-w,同时成功制备了长度超过1米,Ic〉210A／cm-w的双面高温超导带材。     

Effects of Stress Intensity Factor on Electrochemical Corrosion Potential at Crack Tip of Nickel-Based Alloys in High Temperature Water Environments

在高温水环境中,应力会提高镍基合金裂纹尖端的阳极溶解速率并加速裂纹扩展。采用弹塑性有限元方法,对高温水环境中镍基合金裂纹尖端应力和电化学腐蚀的关系进行研究。分析了应力强度因子对模拟高温水环境中600合金1T-CT试样裂纹尖端表面电化学腐蚀电位的影响,并讨论了弹性变形和塑性变形对裂纹尖端电化学腐蚀电位变化的影响。     

SCC MECHANISM OF STAINLESS STEEL AISI 321 IN ACIDIC CHLORIDE SOLUTION

It is verified that stainless steel AISI 321 is in the active anodic dissolution state in 0.5mol/L HCll+0.5 mol/L NaCl solution at 55℃.The SCC of the steel in the solution cannot be reasonably explained by passive film rupture-nepasivation theory and by hydrogenembrittlement theory.There are evidences that the fracture stress at the tip of the cracksis reduced by anodic dissolution due to its role in relieving strain hardening layer at cracktip.