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。     

镍基合金环境致裂过程中裂尖微观力学特性分析

核电站一回路压力容器、管道及蒸汽发生器等设备和结构中广泛采用镍基合金和奥氏体不锈钢,而这些材料的环境致裂(EAC)却是核电结构的主要安全隐患之一。研究表明,核电高温高压水环境中镍基合金的EAC是裂尖氧化膜破裂和再生成的一个过程。为了深入了解镍基合金EAC裂纹扩展过程中裂尖的力学状况,本文从理论和数值模拟两方面分析研究了EAC裂尖氧化膜和基体金属区域的应力分布规律,为提高定量预测高温高压水环境中镍基合金EAC扩展速率精度奠定基础。     

镍基合金环境致裂过程中裂尖微观力学特性分析（英文）

核电站-回路压力容器、管道及蒸汽发生器等设备和结构中广泛采用镍基合金和奥氏体不锈钢,而这些材料的环境致裂(EAC)却是核电结构的主要安全隐患之一。研究表明,核电高温高压水环境中镍基合金的EAC是裂尖氧化膜破裂和再生成的一个过程。为了深入了解镍基合金EAC裂纹扩展过程中裂尖的力学状况,从理论和数值模拟两方面分析研究了EAC裂尖氧化膜和基体金属区域的应力分布规律,为提高定量预测高温高压水环境中镍基合金EAC扩展速率精度奠定基础。     

安全端焊接接头镍基合金600SCC裂纹扩展行为研究

镍基合金作为压水堆一回路安全端焊接接头焊缝的常用材料,由于严苛的服役环境以及焊缝处材料力学性能的不均匀使得镍基合金极易发生应力腐蚀开裂现象,对核电安全运行造成很大影响。为了解材料宏观结构参量变化(包括材料塑性性能以及应力强度因子K)对SCC裂纹扩展速率的变化,本文通过建立镍基合金600不同宏观结构参量下的SCC裂纹扩展有限元模型,分析了镍基合金600不同塑性以及载荷参数变化对裂尖塑性区和拉伸塑性应变的影响,结果表明塑性区尺寸及裂尖拉伸应变受到裂尖应力强度因子、屈服强度及硬化指数的影响,其中裂尖应力强度因子的影响较大,同时与屈服强度成反比,应力强度因子和硬化指数成正比;通过比较不同应力强度因子下计算所得SCC扩展速率结果和高温水环境下SCC扩展速率实验,获得了符合镍基合金600的特征距离r₀的取值范围;研究结果能为核电镍基合金600的高温水环境下SCC速率预测提供一定的科学依据。     

安全端焊接接头镍基合金600应力腐蚀裂纹的扩展行为（英文）

镍基合金作为压水堆一回路安全端焊接接头焊缝的常用材料,由于严苛的服役环境以及焊缝处材料力学性能的不均匀使得镍基合金极易发生应力腐蚀开裂(SCC)现象,对核电安全运行造成很大影响。为了解材料宏观结构参量变化(包括材料塑性性能以及应力强度因子K)对SCC裂纹扩展速率的变化,通过建立镍基合金600在不同宏观结构参量下的SCC裂纹扩展有限元模型,分析了镍基合金600不同塑性以及载荷参数变化对裂尖塑性区和拉伸塑性应变的影响。结果表明:塑性区尺寸及裂尖拉伸应变受到裂尖应力强度因子、屈服强度及硬化指数的影响,其中裂尖应力强度因子的影响较大,同时与屈服强度成反比,应力强度因子和硬化指数成正比;通过比较不同应力强度因子下计算所得SCC扩展速率结果和高温水环境下SCC扩展速率实验,获得了符合镍基合金600的特征距离r0的取值范围。研究结果能为核电镍基合金600在高温水环境下SCC速率预测提供一定的科学依据。     

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。     

划痕诱发的镍基合金应力腐蚀裂尖扩展驱动力分析

为了解表面划伤导致的不同氧化物形貌对镍基合金应力腐蚀(SCC)行为的影响,模拟了膜致应力下镍基合金划伤裂纹尖端的局部应力应变场。结果表明,楔形力是引发SCC裂纹扩展的主要驱动力。划痕裂纹前端的氧化物越厚,楔形力越大,并会增大SCC裂纹扩展速率。裂尖氧化物的形成导致了压应力、压应变和负的应变速率,并会阻碍半椭圆裂纹尖端上部和下部的SCC裂纹扩展。     

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。     

膜致应力对应力腐蚀裂纹尖端蠕变特性的影响

应力腐蚀开裂(SCC)是核电一回路安全端在服役过程中的一种重要失效形式。针对SCC裂尖基体金属在高温高压条件下发生的蠕变现象,利用ABAQUS模拟了在高温水环境下膜致应力对316L不锈钢应力腐蚀裂纹尖端蠕变特性的影响。结果表明:蠕变后,基体金属裂尖的应力、塑性变形、蠕变率和裂纹扩展率都会随之增大,进而使裂尖氧化膜破裂的倾向更加明显。     

随机因素对镍基合金应力腐蚀裂尖力学特性的影响

镍基合金的应力腐蚀开裂是核电站一回路中最重要的潜在安全隐患之一,考虑物理参数的随机性,基于氧化膜破裂理论,研究了镍基合金应力腐蚀裂尖力学特性的分散性规律。为了提高随机参数数值分析的效率,结合MATLAB和ABAQUS子模型技术的优点,完成了MATLAB对ABAQUS 的二次开发,将有限元数值模拟和拉丁超立方抽样方法相结合,获得了弹性模量、屈服强度等随机参数对应力腐蚀裂尖氧化膜和基体金属区域应力应变的影响规律,并验证了方法的可行性。结果表明,随机性的影响不容忽略,屈服应力的随机性对裂尖应力的分散性影响最大,而弹性模量的随机性对裂尖塑性应变分散性的影响最为显著。     

随机因素对镍基合金应力腐蚀裂尖力学特性的影响（英文）

镍基合金的应力腐蚀开裂是核电站一回路中最重要的潜在安全隐患之一,考虑物理参数的随机性,基于氧化膜破裂理论,研究了镍基合金应力腐蚀裂尖力学特性的分散性规律。为了提高随机参数数值分析的效率,结合MATLAB和ABAQUS子模型技术的优点,完成了MATLAB对ABAQUS的二次开发,将有限元数值模拟和拉丁超立方抽样(LHS)方法相结合,获得了弹性模量、屈服强度等随机参数对应力腐蚀裂尖氧化膜和基体金属区域应力应变的影响规律,并验证了方法的可行性。结果表明,随机性的影响不容忽略,屈服应力的随机性对裂尖应力的分散性影响最大,而弹性模量的随机性对裂尖塑性应变分散性的影响最为显著。     

蠕变性能失配对应力腐蚀裂尖力学场的影响

核电一回路中应力腐蚀开裂(SCC)是奥氏体不锈钢和镍基合金的主要失效形式。金属在高温水中会发生蠕变,从而影响了裂纹的扩展速率。以紧凑拉伸试样为研究对象,采用ABAQUS软件,分析了蠕变失配对SCC裂尖应力、应变以及蠕变速率和裂纹扩展速率的影响。结果表明,蠕变会使裂尖处的高应力在短时间内快速减少,但对应变的影响不明显。随着失配比的增加,C_t积分增大,同时裂纹扩展速率也越大,裂纹在蠕变主导下更易扩展。     

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。     

应力强度因子对镍基合金应力腐蚀开裂裂尖力学特性的影响

以紧凑拉伸试样为研究对象,通过加载不同大小的应力强度因子KI,用有限元方法研究了不同状态下SCC裂尖氧化膜和基体金属的应力分布规律。结果表明:裂尖区域氧化膜和基体金属对裂尖应力强度因子KI的变化敏感度不同;随着KI的增大,氧化膜破裂前和破裂后应力应变在裂尖区域的分布规律均发生了变化,该变化对裂纹扩展有一定的促进作用。     

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。     

核电结构材料应力腐蚀开裂初始阶段裂尖驱动力的研究（英文）

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。为了研究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,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。     

应力强度因子对高温水环境中镍基合金裂尖电化学腐蚀电位的影响（英文）

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。     

基于TPE-XGBoost算法的镍基600合金应力腐蚀裂纹扩展速率预测模型

运行经验表明,应力腐蚀开裂(SCC)是镍基600合金在压水堆核电站一回路高温高压水环境中的主要失效形式。针对镍基600合金SCC影响因素多、机理复杂,现有预测模型应用性不高的问题,利用TPE-XGBoost算法,通过机器学习挖掘应力强度因子、温度、屈服强度、溶解氢含量、裂纹扩展方向、载荷类型、热处理工艺等影响因素与裂纹扩展速率之间的关系,建立反映多维数据关联关系的非参数镍基600合金应力腐蚀裂纹扩展速率预测模型。结果表明,TPE-XGBoost算法可以实现高维度数据集超参数快速优化,且有效避免优化结果陷入局部最优解,使得预测模型具有良好的泛化能力,将应用于压水堆核电站镍基600合金部件反应堆冷却剂条件应力腐蚀裂纹扩展工程预测。     

多层氧化膜应力腐蚀开裂裂尖的微观力学特性

以氧化膜破裂理论和光电化学法的研究结论为基础,利用有限元分析方法对高温水环境中316不锈钢表面多层氧化膜应力腐蚀开裂(SCC)裂纹尖端微观力学状态进行了分析。结果表明:裂纹尖端区域的高应力应变区主要集中在氧化膜的Fe_3O_4层中;多层氧化膜中不同材料层的交界处均出现应力应变的突变;多层氧化膜中Cr_2O_3层和镍富集层的高应力是促使氧化膜强度减小并发生脆断的主要原因之一。