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。     

蠕变对应力腐蚀裂纹尖端应力应变的影响

裂尖应力和应变是影响核电关键焊接接头应力腐蚀开裂速率的主要因素之一,裂尖高应变区的金属蠕变会造成裂尖力学场的变化,并对应力腐蚀开裂速率产生影响。本文以紧凑拉伸试样为研究对象,采用ABAQUS有限元软件,分析了裂尖高应变区蠕变对裂尖应力和应变的影响。结果表明,蠕变能显著缓解裂尖区域的应力集中现象,而对裂尖区域的等效塑性应变影响较小。裂纹尖端不同方向处的应力随蠕变时间的增加而减小,裂尖蠕变量随着裂尖距离的增大而减小,0°方向的应力值和蠕变量最大。     

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。     

单次超载对异种金属焊接接头应力腐蚀裂纹尖端力学场的影响

利用有限元软件研究了单次超载对异种金属焊接接头应力腐蚀裂纹扩展的影响。对由镍基合金182与高强度不锈钢A508组成的双材料焊接接头的裂尖应力、应变场进行了分析,得出裂尖在超载后产生的力学变化。结果表明:超载使材料发生屈服,产生残余压缩应力;随着超载系数增大,裂尖残余压缩应力值变大;对于此种双材料焊接接头,裂尖最大应变值出现在裂尖前方-45°和45°方向。     

镍基合金环境致裂稳态小裂纹裂尖力学场特殊性的研究

裂纹长度是影响裂纹尖端力学特性及裂纹扩展速率的重要因素,但现有环境致裂研究中的裂纹类型主要为长裂纹而忽略了小裂纹。本文采用有限元数值计算的方法,研究高温水环境下具有单边裂纹的镍基合金试样环境致裂过程中小裂纹裂尖力学特征。结果表明小裂纹裂尖具有比长裂纹更高的应力和应变,并使小裂纹具有更高的裂纹扩展趋势。文中给出了计算小裂纹裂尖塑性区尺寸的修正方法,J 积分计算的Irwin修正方法适用于长裂纹,但计算小裂纹条件下的J积分时会产生误差。提出在缺乏成熟理论指导下应采用弹塑性有限元数值计算的方法获取准确的小裂纹裂尖J积分。基于小裂纹与长裂纹裂尖力学特征的明显不同,建议在分析核电结构材料环境致裂时,将裂纹扩展分为小裂纹扩展及长裂纹扩展阶段分别研究。     

镍基合金环境致裂稳态小裂纹裂尖力学场特殊性研究（英文）

裂纹长度是影响裂纹尖端力学特性及裂纹扩展速率的重要因素,但现有环境致裂研究中的裂纹类型主要为长裂纹而忽略了小裂纹。本工作采用有限元数值计算的方法,研究高温水环境下具有单边裂纹的镍基合金试样环境致裂过程中小裂纹裂尖力学特征。结果表明小裂纹裂尖具有比长裂纹更高的应力和应变,并使小裂纹具有更高的裂纹扩展趋势。研究中给出了计算小裂纹裂尖塑性区尺寸的修正方法,J积分计算的Irwin修正方法适用于长裂纹,但计算小裂纹条件下的J积分时会产生误差。提出在缺乏成熟理论指导下应采用弹塑性有限元数值计算的方法获取准确的小裂纹裂尖J积分。基于小裂纹与长裂纹裂尖力学特征的明显不同,建议在分析核电结构材料环境致裂时,将裂纹扩展分为小裂纹扩展及长裂纹扩展阶段分别研究。     

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。     

预压缩量对裂尖蠕变特性的影响

针对核电管道在高温高压环境下工作会产生残余应力和发生蠕变,并造成裂尖力学场的变化,最终对裂纹扩展产生影响。利用ABAQUS有限元分析软件采用预压缩的方法将残余应力引入裂尖区域,在不同的预压缩量下对裂尖处蠕变应力、应变场和蠕变率进行分析。结果表明:随预压缩量增大,裂尖区域的应力、应变、蠕变率都增大,高蠕变区主要集中在裂纹扩展方向上。本文的研究结果可对核电结构材料安全评价和寿命预测提供新思路与依据。     

紧凑拉伸铍试样裂纹尖端应力分布研究

为了评估应力作用下铍试样裂纹尖端的微观断裂特性，设计了平面应变状态下铍的紧凑拉伸试样，采用X3000应力分析仪测试了不同载荷下铍试样裂纹尖端的应力分布，并对加载过程中铍试样内的应力应变进行了有限元计算。结果表明，离铍试样裂尖较远区域，有限元计算和实测值吻合较好，靠近裂尖区域，有限元计算高于实测值。根据铍试样拉伸时裂纹扩展的临界载荷，计算获得了铍试样裂纹尖端的最大应力、塑性区半径以及断裂强度因子。     

平面应力条件下弹塑性材料的起裂与裂纹稳态扩展

根据有限元计算分析的弹塑性裂纹体在平面应力条件下的裂纹尖端应力应变场,采用滑移线浸蚀以及断裂力学的试验方法,研究了该条件下的起裂和稳态扩展现象。结果表明,在裂纹尖端存在着HRR近程场以及取决于试样几何类型的远程场。起裂由单参数J控制,而稳态扩展行为则受远程应变场影响,不能由单参数描述。     

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。     

冷加工316L不锈钢裂尖力学分析

为了研究冷加工对316L不锈钢裂尖力学特性的影响,采用有限元模拟分析了单轴拉伸和冷轧-拉伸不锈钢应力腐蚀裂尖应力-应变状态。结果表明:随着拉伸变形量的增加,单轴拉伸和冷轧-拉伸裂尖Mises应力、等效塑性应变、拉伸应力和拉伸应变均有不同程度的增大。预冷轧改变了316 L钢的力学参量,因而影响了裂尖应力-应变状态,拉伸变形量相同时,冷轧-拉伸裂尖应力应变均不同程度地大于单轴拉伸裂尖应力、应变,但随着拉伸变形量的增加,冷轧-拉伸和单轴拉伸裂尖应力差逐渐减小,应变差有所增加。     

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。     

几何拘束对镍基合金裂纹扩展速率影响的有限元分析

裂尖拘束效应对镍基合金应力腐蚀裂纹(SCC)扩展速率有很大影响。为提高在役核电焊接接头SCC裂纹扩展速率(CGR)的预测精度,对不同拘束状态下的裂纹尖端微观力学场和表征SCC裂纹扩展速率的主要参量进行了研究,分析了试样厚度和裂纹长度这两种几何拘束条件对CGR的影响。结果表明:厚试样的SCC裂纹扩展速率更大,低载荷水平条件下,试样厚度引起的裂尖拘束效应对CGR的影响较明显;而高载荷水平条件下,不同厚度试样的裂尖拘束度趋于一致;对于两种不同的拘束条件,试样厚度引起的拘束效应对CGR的影响大于裂纹长度对其的影响。     

循环载荷下裂尖形变规律的实验研究

应用散斑干涉技术，在常幅载荷下对疲劳裂纹扩展过程中的一个循环周期内，不同加载阶段的裂尖应变、裂纹张开位移进行了原位测量，给出了裂纹闭合对裂纹张开位移及裂尖形变的影响规律。结果表明：由于裂纹闭合和残余压应力的存在，疲劳裂尖应变与外加载荷的平方并不成正比，在加载初期，裂纹处于闭合状态，裂尖应变无明显变化，随着载荷的增加，裂纹逐渐由远离裂尖处张开并向裂尖发展，一旦裂纹完全张开，裂尖应变迅速增加，对裂尖应力-应变状态的分析表明，裂尖材料的应力-应变关系类似于光滑试样低周拉压疲劳应力-应变滞后关系。     

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。     

用柔度法和数值法确定疲劳裂纹的闭合效应SCIEI

用柔度法中的裂尖应变法测定了车轴钢缺口裂纹的张开载荷。根据车轴钢的循环应力应变曲线,利用ADINA非线性有限元程序分析了裂尖附近的应力应变场。计算了缺口裂纹的张开载荷。柔度法和数值法的结果吻合。本文提出敏感点的概念,实测张开载荷的关键在于将应变片布置在敏感点上。实测和有限元计算证实敏感点是裂尖前方应变线性最佳而应变值又较大的位置。     

高温水环境中镍基合金力学性能对裂尖力学化学效应的影响（英文）

力学与化学相互作用引起的力学化学效应会加速核电站中镍基合金的应力腐蚀开裂行为。焊接接头材料力学性能的不均匀性,将间接影响材料的力学化学效应。采用标准紧凑拉伸试样和有限元方法,研究得到了高温水环境中600合金屈服强度和硬化指数对裂纹尖端表面力学化学效应的影响,分析了弹性和塑性变形对裂纹尖端力学化学效应的作用。结果表明,600合金裂尖表面的力学化学效应受到屈服强度变化的影响,但硬化指数对裂尖表面力学化学效应的影响不明显。     

高温水环境中镍基合金力学性能对裂尖力学化学效应的影响

力学与化学相互作用引起的力学化学效应会加速核电站中镍基合金的应力腐蚀开裂行为。焊接接头材料力学性能的不均匀性,将间接影响材料的力学化学效应。本文采用标准紧凑拉伸试样和有限元方法,研究得到了高温水环境中600合金屈服强度和硬化指数对裂纹尖端表面力学化学效应的影响,分析了弹性和塑性变形对裂纹尖端力学化学效应的作用。结果表明600合金裂尖表面的力学化学效应受到屈服强度的变化的影响,但硬化指数对裂尖表面力学化学效应的影响不明显。