壓水堆一回路環(huán)境中304不銹鋼管的蠕變特性分析

   裂尖結(jié)構(gòu)蠕變應(yīng)變是核電結(jié)構(gòu)材料應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展的主要驅(qū)動(dòng)力之一，為了了解核電結(jié)構(gòu)材料在核電高溫水環(huán)境下的蠕變特性，本文利用高壓釜模擬核電一回路高溫高壓水環(huán)境，對(duì)核電結(jié)構(gòu)材料304不銹鋼管進(jìn)行了不同應(yīng)力下的單軸拉伸蠕變實(shí)驗(yàn)，基于時(shí)間硬化本構(gòu)模型得出了其在320℃下的蠕變本構(gòu)方程，并結(jié)合有限元分析軟件建立了高應(yīng)力下獲取蠕變的數(shù)值模擬方法。結(jié)果表明，應(yīng)力和時(shí)間對(duì)蠕變變形有著很大的影響，蠕變速率在初期很大，隨著蠕變時(shí)間的延長(zhǎng)，由于合金加工硬化現(xiàn)象的產(chǎn)生，導(dǎo)致蠕變速率逐漸減少并趨于穩(wěn)定;溫度一定時(shí)，蠕變變形和蠕變速率同樣隨著應(yīng)力的增大而增大。利用軟件分析可以有效獲取高應(yīng)力下蠕變規(guī)律的數(shù)值模擬方法，研究結(jié)果為核電結(jié)構(gòu)材料安全性評(píng)定提供了一定的參考作用。

  應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是核電一回路安全端異種金屬焊接接頭在服役過(guò)程中的一種重要失效形式。在應(yīng)力腐蝕的過(guò)程中，核電結(jié)構(gòu)材料長(zhǎng)期在高溫高壓下工作，同時(shí)由于裂尖區(qū)域高應(yīng)力區(qū)的存在，使得裂尖附近會(huì)產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象。裂尖附近的蠕變與腐蝕性介質(zhì)、力學(xué)性能不均勻性以及環(huán)境因素一起誘導(dǎo)裂尖產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂行為，其對(duì)應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率會(huì)產(chǎn)生很大的影響。由于核電一回路的水環(huán)境溫度為288～340℃，核電焊接接頭區(qū)域在實(shí)際工況下中發(fā)生的蠕變屬于“低溫”(蠕變溫度在0.3Tm以下，Tm為材料的熔點(diǎn))蠕變，而裂尖存在高應(yīng)力區(qū)，因而更易于發(fā)生“低溫”高應(yīng)力下的蠕變現(xiàn)象。實(shí)際上，在高溫高壓水環(huán)境下600合金等材料的蠕變已為試驗(yàn)所證實(shí)。因此研究核電結(jié)構(gòu)材料在“低溫”高應(yīng)力條件下的蠕變現(xiàn)象已顯得尤為重要。國(guó)外的一些學(xué)者也提出裂尖蠕變導(dǎo)致環(huán)境致裂的設(shè)想，浙江至德鋼業(yè)有限公司對(duì)合金600退火處理后進(jìn)行了337℃和360℃下的“低溫”下的蠕變?cè)囼?yàn)，提出了蠕變率可以表示為應(yīng)力的函數(shù)，并得到了不同“低溫”和應(yīng)力下的蠕變量和蠕變速率。至德鋼業(yè)對(duì)360℃下合金的蠕變裂紋擴(kuò)展特征進(jìn)行了定量表征，并估計(jì)了與裂紋擴(kuò)展速率最密切的參數(shù)的大小(描述蠕變區(qū)域比較大時(shí)的合適斷裂參量)。張樂(lè)福研究了超臨界水環(huán)境下30%冷加工不銹鋼的蠕變對(duì)SCC裂紋擴(kuò)展速率的影響，結(jié)果表明冷加工690鋼承受了對(duì)穿晶開(kāi)裂更高的敏感性，同時(shí)蠕變對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的貢獻(xiàn)達(dá)到了90%以上。利用CT試樣研究了反應(yīng)堆壓力容器用低合金鋼A508在320～420℃之間的蠕變裂紋擴(kuò)展情況。

  為了解核電焊接接頭基體金屬304不銹鋼管在核電水環(huán)境中的蠕變規(guī)律，浙江至德鋼業(yè)有限公司在高壓釜環(huán)境中對(duì)其進(jìn)行了不同應(yīng)力下的單軸拉伸蠕變實(shí)驗(yàn)，并利用最小二乘法原理對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合處理，得出了該304不銹鋼管在320℃下的蠕變本構(gòu)方程，并利用有限元軟件建立了高應(yīng)力下蠕變數(shù)值模擬的方法。

一、試驗(yàn)方法

 1.試樣及其力學(xué)性能

  使用試樣為車(chē)間批次生產(chǎn)的304不銹鋼管，熔點(diǎn)為1390℃，并進(jìn)行30分鐘的固溶處理，其化學(xué)成分見(jiàn)表，按照GB/T 2039－1997標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)卷板機(jī)將板材軋制成2mm厚的鋼板，在剪板機(jī)上裁剪成400mm×400mm，隨后利用線切割機(jī)對(duì)其進(jìn)行慢走絲線切割，最后打磨毛刺，加工后試樣的幾何形狀和尺寸如圖所示，其厚度為2mm，標(biāo)距段長(zhǎng)度20mm，寬度3mm，銷(xiāo)孔直徑8mm，總長(zhǎng)度74mm．利用慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)機(jī)得出的304不銹鋼管在320℃下的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線，并通過(guò)工程應(yīng)力應(yīng)變與真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系推導(dǎo)出真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變力學(xué)性能曲線如圖所示，該溫度下的力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表。

  2. 試驗(yàn)條件

   按照GB/T 2039－1997《金屬拉伸蠕變及持久實(shí)驗(yàn)方法》，利用矩形標(biāo)準(zhǔn)蠕變?cè)嚇?，利用慢?yīng)變速率應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行恒載荷蠕變?cè)囼?yàn)，如圖所示，該試驗(yàn)機(jī)具有溫度壓力采集系統(tǒng)、釜內(nèi)壓力檢測(cè)系統(tǒng)和雙位移傳感器測(cè)量系統(tǒng)等，可以保證釜內(nèi)的壓力保持在15MPa，依據(jù)核電一回路的環(huán)境溫度，確定高壓釜的工作溫度為320℃，施加的載荷恒定且為400，450和500MPa，拉伸起始階段采用0.5mm/min的恒應(yīng)變速率，在達(dá)到設(shè)置的載荷標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)自動(dòng)調(diào)整為恒載荷控制，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中利用2個(gè)位移傳感器自動(dòng)記錄的位移平均值作為實(shí)際位移值，釜內(nèi)為超純水環(huán)境，溫度通過(guò)熱電偶進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，釜內(nèi)壓力由背壓閥提供，數(shù)據(jù)顯示在面板上，實(shí)驗(yàn)過(guò)程實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)，每分鐘記錄1個(gè)數(shù)據(jù)。同時(shí)為了保證高溫拉伸實(shí)驗(yàn)與單軸蠕變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，所用試樣均為同一批次，本文的蠕變?cè)囼?yàn)條件見(jiàn)表。

  圖為304不銹鋼管在320℃下400，450，500MPa應(yīng)力下蠕變500小時(shí)之后的蠕變曲線，從圖可以看出，304不銹鋼管在長(zhǎng)時(shí)間恒載荷作用下，出現(xiàn)了典型的“低溫”下的蠕變現(xiàn)象，且所有的蠕變曲線都呈現(xiàn)出加速蠕變階段和穩(wěn)態(tài)蠕變階段，隨著應(yīng)力水平的增大，蠕變變形也更為明顯。蠕變時(shí)間為500小時(shí)下，應(yīng)力分別為400，450，500MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的蠕變變形量分別為: 0.121，0.146和0.174。在蠕變剛開(kāi)始時(shí)，即初期蠕變速率特別大，隨后隨著時(shí)間的增加蠕變速率逐漸減小，隨后呈現(xiàn)平穩(wěn)特征，蠕變時(shí)間越長(zhǎng)，蠕變變形越明顯，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)主要是由于溫度較高時(shí)，原子的活動(dòng)能力提高，使得產(chǎn)生塑性變形的位錯(cuò)滑移更加容易，在該過(guò)程中加工硬化也隨之產(chǎn)生［17］，從而導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)蠕變階段的蠕變速率明顯低于加速蠕變階段的速率;從表4可以看出，不同應(yīng)力下的穩(wěn)態(tài)蠕變速率也不一樣，應(yīng)力分別為400，450，500MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)蠕變速率，即隨著應(yīng)力的增大，穩(wěn)態(tài)蠕變速率也越大。通常認(rèn)為在試驗(yàn)溫度低于0.4Tm時(shí)，蠕變變形機(jī)制主要是位錯(cuò)滑移導(dǎo)致的，因此可以認(rèn)為該溫度下304不銹鋼管的蠕變也是位錯(cuò)滑移產(chǎn)生的。

  圖為通過(guò)數(shù)值模擬得到的304不銹鋼管在320℃下750，800，850MPa應(yīng)力下的蠕變曲線，其與利用蠕變冪模型外推出來(lái)的高應(yīng)力下的蠕變曲線規(guī)律一致，可以得出，通過(guò)蠕變冪率本構(gòu)模型可以準(zhǔn)確得出高應(yīng)力下的的蠕變曲線，為后續(xù)研究核電材料“低溫”高應(yīng)力蠕變提供了一種依據(jù)。通過(guò)對(duì)304不銹鋼管進(jìn)行了320℃時(shí)不同應(yīng)力下的蠕變?cè)囼?yàn)，得出主要結(jié)論如下：基于蠕變應(yīng)變和蠕變時(shí)間之間的關(guān)系，建立了基于時(shí)間硬化模型的蠕變本構(gòu)關(guān)系；應(yīng)力和時(shí)間對(duì)蠕變變形有著很大的影響，當(dāng)溫度一定時(shí)，應(yīng)力增大，蠕變變形和蠕變速率隨之增大，同時(shí)隨著時(shí)間的增加，蠕變變形也在增大；利用軟件建立了高應(yīng)力下蠕變數(shù)值模擬方法，得出了高應(yīng)力304不銹鋼管的蠕變曲線，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的可行性，同時(shí)為后續(xù)研究核電材料裂尖區(qū)域“低溫”高應(yīng)力蠕變提供了一種依據(jù)。