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。     

考虑参数随机性的应力腐蚀裂尖力学特性分析

以高韧性的核电压力容器A508-3钢为研究对象,将影响裂纹扩展的主要物理参量作为随机变量,研究应力腐蚀裂尖力学特性的随机性问题。首先建立恒应力强度因子条件下三点弯曲试样的有限元模型,试样的网格划分采用应变减缩积分单元;为了提高有限元在结构随机性分析中的效率,基于拉丁超立方抽样技术,编制Matlab-Abaqus联合的裂尖力学特性计算程序;最后通过算例,分析了随机参数对裂纹尖端应力应变场的影响,并验证了所用方法的可行性。研究结果表明,物理参数的随机性对裂尖力学特性的影响不容忽略,在参数变异系数相同的情况下,屈服应力的随机性对裂尖应力应变场的影响最大。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

裂纹长度、焊缝宽度及强度组配对焊接接头J积分的影响

采用虚拟裂纹扩展法对焊接接头力学不均匀体的断裂参量J积分进行了数值模拟分析，考察了焊接接头J积分的守恒性以及不同的裂纹长度（a/W=0.1-0.5)，焊缝宽度（H／c=0.1-0.5)和强度组配（M＝0.6-1.4)在加载过程中对J积分的影响，计算结果表明：焊接接头裂纹尖端近场的J积分具有路径依赖性，而在远离裂尖的J积分表现出路径无关性。强度组配因子M对J积分值有很大的影响，焊缝宽度，裂纹长度对J积分值也有影响。     

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。     

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。     

CRACK INITIATION AND STEADY PROPAGATION OF ELASTIC-PLASTIC MATERIALS IN PLANE STRESS CONDITION

The crack tip stress-strain fields of the elastic-plastic cracked specimens have been analyzedusing finite element calculations.The crack initiation and steady propagation behaviours havealso been investigated by means of slip line pattern etching technique and mechanical tests.The results show that there are HRR near field and distant field in the crack tip region,andthe later depends on the specimen configuration.The crack initiation behaviour is controlledby a single parameter J.In contrast,the steady crack propagation is affected by the distantstrain field and can not be described by single parameter only.     

Crack initiation and kinking behaviours of spot welded coach peel specimens under cyclic loading

Abstract

The present study is carried out to investigate fatigue crack initiation and kinking behaviours of spot welded coach peel (CP) specimens of low carbon steel sheets subjected to cyclic loading by experimental and finite element analysis methods. Evaluations of fatigue crack growth stages were performed by crack tip plastic strains and J integral analyses and also by microhardness measurements on process zone. According to the experimental and analytical results, fatigue crack initiation and growing stages in the spot welded CP specimens can be divided to three stages. Stage I corresponds to 'gap sharpening stage' observed at the beginning steps of cyclic loading with crack growing on the interface plane between the overlapped sheets. Stage II corresponds to kinked crack initiation and propagation through the sheet thickness observed after applying a certain number of loading cycles. Stage III corresponds to crack propagation through the width of the specimens observed at the final step of the fatigue crack propagation. The FE results of the crack paths and crack locations are in good agreement with those of experimental observations.     

MORPHOLOGY OF SUB-CRITICAL GROWTH ON STRESS CORROSION CRACKING AND PLASTIC ZONE AT CRACK TIP

用抛光的恒载荷试样对40CrNiMoA和AISI4330M两种高强度钢在水介质中应力腐蚀裂纹的产生和扩展进行了金相跟踪观察,研究了裂纹亚临界扩展的形貌。结果表明:表面裂纹前端产生阴影区(塑性变形区),它的形貌随钢种不同而不同。对于40CrNiMoA,阴影区是扩展、闭合,再扩展、再闭合。而对于4330M,阴影区不闭合,近乎平行扩展。只有在刚开始加载、阴影区呈耳朵状时,它才反映了裂纹尖端的塑性区。在以后绝大部分的扩展过程中,阴影区并不代表裂纹尖端的塑性,而只反映产生剪切唇所引起的变形,且与裂纹的“突进”(Pop-in)密切有关,必须和小范围屈服断裂力学中裂纹尖端的塑性区相区别。     

The effect of potential on the high-temperature fatigue crack growth response of low alloy steels,part 2: sulfide–potential interaction

Environmentally assisted cracking (EAC) of low-alloy steels exposed to high temperature dehydrogenated water was found to be dependent on externally applied potential. EAC became active when the specimen was polarized anodically above a critical potential, which was not a function of steels sulfur. However, the plateau crack propagation rate was determined to be dependent on both overpotential and steels sulfur concentration. Hydrogen additions inhibited the ability of applied potential to activate EAC. The behavior was related to the formation of hydrogen ions on the specimen surface through hydrogen oxidation during anodic polarization. A mechanism based on the formation of hydrogen sulfide at the crack tip and hydrogen ions at the crack mouth is presented to describe the process by which sulfides and hydrogen ions affect the critical sulfide concentration at the crack tip needed to establish EAC.     

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。     

高强度结构钢的韧性启裂和稳态扩展

研究了具有一定韧度的高强度结构钢裂纹早期扩展阻力与材料的微观组织结构、应力状态、变形历史和应变特性之间的关系。结果表明:裂纹扩展阻力(指J_R阻力曲线中的J_i和dJ/da)主要决定于裂纹尖端的塑性约束程度和应力应变场中消耗的弹性能和塑性功。这与三轴应力状态函数σ_mσ~(1/2)有关。材料的流变曲线描述了形变过程中的变形历史和应变特性,有明显的阶段性,其中第Ⅱ阶段的变形历史和应变特性制约着裂纹的启裂过程,第Ⅲ阶段的变形历史和应变特性制约着裂纹的扩展过程。应变硬化率dσ/dε可以敏感地反映出材料内部的应力分布和微观断裂机制。     

裂纹尖端塑性区对304不锈钢脉冲电流止裂的影响

分别对裂纹尖端附近有塑性区和无塑性区的304不锈钢脉冲电流止裂试样进行了显微观察和纳米压痕试验。结果表明,有裂纹尖端塑性区的304不锈钢,在脉冲电流止裂后,止裂处发生了相变和再结晶,在温度场和应力场共同作用下分别形成了凝固区、细晶区和形变诱发马氏体区;而无裂纹尖端塑性区的304不锈钢,裂纹止裂处只有凝固区。纳米压痕试验表明304不锈钢的疲劳裂纹尖端处具有较大的残余应力,且残余应力随着远离裂纹尖端而迅速衰减;经过脉冲电流止裂后,裂纹尖端形变诱发马氏体的产生导致该处体积膨胀,产生相变应力,增大了裂纹止裂处周边的压应力值,这有利于抑制裂纹的二次扩展。     

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。