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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

核电压力容器600合金小裂纹应力腐蚀开裂扩展速率定量预测

小裂纹应力腐蚀开裂(SCC)在核电关键构件(NPPs)的全寿命衰减过程有重要影响。通过将薄膜滑移-溶解/氧化模型与弹塑性有限元(EPFEM)相结合,定量预测核电反应堆压力容器(RPV)中小裂纹SCC扩展速率。根据裂纹尖端力学场的分析,确定以裂纹尖端应变率来表征小裂纹的萌生和扩展,并通过距离扩展小裂纹尖端特定的r₀处的塑性应变(de_p/da)来近似表征裂纹尖端应变率。提出了基于弹塑性断裂力学的动态裂纹扩展和准静态裂纹扩展两种方法计算塑性应变(de_p/da),并进行两种计算方法比对塑性应变随裂纹长度变化的敏感性,得到两种计算方法之间差异的同时,也确定小裂纹扩展的塑性应变变化比长裂纹更为敏感。小裂纹的SCC扩展速率大于长裂纹的SCC扩展速率,距裂尖的特征距离r₀是重要的影响因子,鉴于特定距离r₀难以确定,建议通过将相同环境和相同材料下的SCC实验数据结合单边拉伸试样的有限元数值计算结果来确定。研究结果能够实现核电关键结构材料的SCC扩展速率定量预测及服役压力容器的安全评价。     

残余应力场下核电焊接接头应力腐蚀裂纹扩展特性研究

焊接残余应力是引发核电一回路安全端异种金属焊接接头应力腐蚀开裂(SCC)裂纹的主要应力来源。借助ABAQUS软件中的扩展有限元方法(XFEM),通过建立安全端焊接接头有限元模型,研究了残余应力场下裂纹的扩展规律,并利用子模型技术研究了裂纹尖端应力应变场分布规律。研究结果表明,随着裂纹的不断扩展,裂纹的长度增加,塑性变形的面积增加,裂纹偏移量增大。裂纹扩展初期,裂尖附近很大范围内存在较高的应力,随着裂纹的不断扩展,裂尖附近的应力不断减小。     

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。     

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     

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。     

奥氏体不锈钢在MgCl2介质中的应力腐蚀疲劳特征

本文研究了力学因素对0Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢在MgCl_2水溶液中应力腐蚀(SCC)和腐蚀疲劳(CF)交互作用的影响。研究了应力腐蚀疲劳(SCF)在裂纹扩展规律及断口形貌上的特征。结果表明:任何促使裂尖应变速率提高的力学变量,都有可能使SCF断口形貌发生穿晶型向沿晶型的转化。     

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。