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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

膜致应力对应力腐蚀裂尖力学特性的影响（英文）

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(环境致裂)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。     

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，给出了裂纹张开位移及裂展变的影响规律。结果表明：由于裂纹闭合和残余应力的存在，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。一旦裂纹安全张开，裂尖应变迅速增加，对裂尖应力－应变状态的     

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。     

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。     

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。     

不同疲劳载荷下工业纯钛再结晶热处理对疲劳裂纹扩展行为影响

本文开展热处理后工业纯钛TA2不同载荷水平下疲劳裂纹扩展实验,考虑裂尖塑性变形程度,研究疲劳裂纹扩展规律以及热处理状态对疲劳裂纹扩展不同阶段的适应性。结果表明,不同疲劳载荷下热处理对疲劳扩展速率产生不同的影响。A类加载热处理后的疲劳裂纹扩展速率下降是由于近门槛区有效载荷的降低,以及近门槛值的提高。B类加载下热处理对有效载荷以及裂尖塑性变形几乎没有什么影响。C类与D类加载下热处理后裂尖塑性变形受到限制,而导致疲劳裂纹扩展速率下降。     

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。     

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。     

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。     

小幅载荷在A537钢疲劳裂纹扩展过程中作用的研究

采用Ａ５３７钢单边缺口试样，研究了以不同方式叠加在主载荷△Ｐ上的小幅载荷在疲劳裂纹扩展过程中的作用，并采用激光散斑技术测量了循环加载过程中的裂纹闭合效应。结果表明：３０％△Ｐ以下的小幅载荷叠加在主载荷底部时，对由主载荷引起的裂纹扩展速率ｄａ／ｄＮ几乎没有影响，３０％△Ｐ以上的小幅载荷可使裂纹扩展速率增加。叠加在主载荷顶部的各小幅载荷均可使裂纹扩展速率加大。通过对加载条件下裂纹闭合效应的测量，并结合裂尖的应力应变状态的变化进行分析认为：小幅载荷对裂纹扩展速率的影响受裂纹闭合程度的制约，其损伤作用只体现在裂尖材料产生不可逆塑性形变的外加载荷范围内。     

残余应力与外加载荷共同作用对裂尖前端应力场的影响

用机械预压缩法在裂纹前端引入残余应力,模拟了残余应力与外加载荷共同作用下CT试样裂尖前端的应力场,对比分析了外加载荷、刚体压缩位置和缺口半径对裂尖前端残余应力重新分布的影响。结果表明,随着外加载荷的增大,残余应力拉压应力峰值均有远离缺口前端的趋势,外加载荷和刚体压缩位置的改变对裂纹尖端周向张开应力几乎没有影响。小的缺口半径会产生更大的张开应力,更容易导致裂纹的起裂和扩展。     

考虑塑性的钢轨表面疲劳微裂纹分析

目的 研究塑性条件下受重复轮轨荷载的钢轨表面的初始疲劳裂纹行为。方法 建立含表面微裂纹的钢轨二维有限元模型,通过耦合裂纹面对应节点达到无裂纹的效果。经过几次循环加载后取消节点耦合设置,达到出现裂纹的效果。分析随着轮轨循环加载钢轨的响应,计算残余应力强度因子,并利用渐进状态（随着循环次数的增加,裂纹尖端区新产生的塑性越来越小,裂尖小范围内塑性不再增加）下的应力强度因子计算初始疲劳裂纹扩展速率。结果 有限元模拟中,轮轨荷载循环加载在钢轨上表面,使其产生拉伸残余应力,且随着深度增加,拉伸残余应力越来越小。裂纹萌生后,不同角度的裂纹残余（KI）都随循环次数的增加而减小,但残余（KII）都随循环次数的增加而增大。受残余应力的影响,渐进状态下的钢轨表面初始微裂纹应力强度因子随裂纹角度（θ）的增加而增加。结论 钢轨表面的残余应力加快了初始微裂纹的扩展速率,降低了钢轨的使用寿命。