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，基于時間硬化本構(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)力和時間對蠕變變形有著很大的影響，蠕變速率在初期很大，隨著蠕變時間的延長，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，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)材料安全性評定提供了一定的參考作用。

  應(yīng)力腐蝕開裂是核電一回路安全端異種金屬焊接接頭在服役過程中的一種重要失效形式。在應(yīng)力腐蝕的過程中，核電結(jié)構(gòu)材料長期在高溫高壓下工作，同時由于裂尖區(qū)域高應(yīng)力區(qū)的存在，使得裂尖附近會產(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)力腐蝕開裂行為，其對應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率會產(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)有限公司對合金600退火處理后進(jìn)行了337℃和360℃下的“低溫”下的蠕變試驗，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)域比較大時的合適斷裂參量)。張樂福研究了超臨界水環(huán)境下30%冷加工不銹鋼的蠕變對SCC裂紋擴(kuò)展速率的影響，結(jié)果表明冷加工690鋼承受了對穿晶開裂更高的敏感性，同時蠕變對應(yīng)力腐蝕開裂的貢獻(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)境中對其進(jìn)行了不同應(yīng)力下的單軸拉伸蠕變實(shí)驗，并利用最小二乘法原理對實(shí)驗數(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、試驗方法

 1.試樣及其力學(xué)性能

  使用試樣為車間批次生產(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)成分見表，按照GB/T 2039－1997標(biāo)準(zhǔn)，通過卷板機(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)距段長度20mm，寬度3mm，銷孔直徑8mm，總長度74mm．利用慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕試驗機(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)見表。

  2. 試驗條件

   按照GB/T 2039－1997《金屬拉伸蠕變及持久實(shí)驗方法》，利用矩形標(biāo)準(zhǔn)蠕變試樣，利用慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕試驗機(jī)進(jìn)行恒載荷蠕變試驗，如圖所示，該試驗機(jī)具有溫度壓力采集系統(tǒng)、釜內(nèi)壓力檢測系統(tǒng)和雙位移傳感器測量系統(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)值時自動調(diào)整為恒載荷控制，實(shí)驗過程中利用2個位移傳感器自動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，溫度通過熱電偶進(jìn)行準(zhǔn)確測量，釜內(nèi)壓力由背壓閥提供，數(shù)據(jù)顯示在面板上，實(shí)驗過程實(shí)時記錄數(shù)據(jù)，每分鐘記錄1個數(shù)據(jù)。同時為了保證高溫拉伸實(shí)驗與單軸蠕變實(shí)驗數(shù)據(jù)的可靠性，所用試樣均為同一批次，本文的蠕變試驗條件見表。

  圖為304不銹鋼管在320℃下400，450，500MPa應(yīng)力下蠕變500小時之后的蠕變曲線，從圖可以看出，304不銹鋼管在長時間恒載荷作用下，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。蠕變時間為500小時下，應(yīng)力分別為400，450，500MPa時對應(yīng)的蠕變變形量分別為: 0.121，0.146和0.174。在蠕變剛開始時，即初期蠕變速率特別大，隨后隨著時間的增加蠕變速率逐漸減小，隨后呈現(xiàn)平穩(wěn)特征，蠕變時間越長，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，原子的活動能力提高，使得產(chǎn)生塑性變形的位錯滑移更加容易，在該過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時對應(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)為在試驗溫度低于0.4Tm時，蠕變變形機(jī)制主要是位錯滑移導(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滑移產(chǎn)生的。

  圖為通過數(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的高應(yīng)力下的蠕變曲線規(guī)律一致，可以得出，通過蠕變冪率本構(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)。通過對304不銹鋼管進(jìn)行了320℃時不同應(yīng)力下的蠕變試驗，得出主要結(jié)論如下：基于蠕變應(yīng)變和蠕變時間之間的關(guān)系，建立了基于時間硬化模型的蠕變本構(gòu)關(guān)系；應(yīng)力和時間對蠕變變形有著很大的影響，當(dāng)溫度一定時，應(yīng)力增大，蠕變變形和蠕變速率隨之增大，同時隨著時間的增加，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，驗證了數(shù)值模擬方法的可行性，同時為后續(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)。