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核電安全端異種金屬焊接接頭的局部力學性能及斷裂行為

來源:0 2017/3/10 21:42:31

摘要:

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核電安全端異種金屬焊接接頭的局部力學性能及斷裂行為

在核電一回路系統中,存在許多連接核壓力容器接管嘴與安全端的異種金屬焊接接頭。由于設計及使用的要求,這種焊接接頭一般是在低合金高強鋼管嘴焊接坡口面上預堆焊多層鎳基合金后,再用鎳基合金焊材將之與奧氏體不銹鋼安全端焊接在一起而得到的。核電站運行歷史表明,這種多材料構成的焊接接頭是發生失效的薄弱環節,因而屬于核安全重點關注的部位。為發展適合于這種復雜多材料接頭的完整性設計和評價的先進技術,需要對接頭局部力學性能和微觀組織,不同位置與不同尺寸裂紋的局部斷裂行為進行深入系統的研究及理解。本文以新一代壓水堆核電站系統中的Alloy52M異種金屬焊接接頭為研究對象,對這些問題開展了研究,所做工作和得到的主要結論如下:

(1)通過微觀組織觀察和小尺寸平板試樣拉伸試驗,表征了Alloy52M異種金屬焊接接頭區不同位置的微觀組織和局部力學性能(強度、塑性、應力-應變行為,硬度)。研究表明,在異種金屬焊接接頭多材料組合的界面區域,存在復雜的微觀組織及急劇的力學性能變化。由焊接過程中的熱流動和元素遷移導致了這些復雜組織及局部力學性能分布。非均勻的力學性能分布造成接頭局部位置的性能失配,這將影響裂尖斷裂力學參數、塑性變形行為、局部斷裂阻力和裂紋擴展行為,需要在結構完整性評定中予以考慮。

(2)采用含GTN模型的有限元法,數值模擬研究了簡化四材料異種金屬焊接接頭不同位置及不同深度裂紋的三點彎曲試樣的延性擴展行為。結果顯示,初始裂紋位于異種金屬焊接接頭不同位置時,得到的裂紋擴展阻力及裂紋擴展路徑不同。當初始裂紋位于焊縫及隔離層中心時,裂紋尖端塑性及損傷區基本是對稱的,裂紋擴展路徑基本沿著初始裂紋面向前擴展。當初始裂紋位于不同材料的界面或近界面區,裂尖塑性和損傷區是非對稱的,裂紋擴展路徑有顯著偏轉現象。裂紋傾向于向界面兩側低屈服應力一側材料擴展。異種金屬焊接接頭不同初始裂紋位置、不同裂紋深度及不同材料間的強度失配影響裂紋尖端三軸應力及塑性應變的分布,導致不同的延性裂紋擴展阻力及擴展路徑。

(3)采用原位觀察拉伸試驗,研究了異種金屬焊接接頭微單邊缺口拉伸試樣的裂紋起裂及擴展過程。結果顯示,異種金屬焊接接頭缺口尖端一般經歷大范圍塑性變形,主導性的斷裂機制為局部孔洞型延性斷裂,在個別位置出現局部脆斷現象。裂紋通常在低屈服強度材料內起裂并擴展。初始缺口位于異種金屬焊接接頭的不同位置時,試樣呈現不同的承載能力及表觀韌性。這主要由缺口尖端局部力學性能、強度失配及材料裂紋擴展阻力不同導致。

(4)通過Alloy52M異種金屬焊接接頭三點彎曲試樣的斷裂試驗,研究了十三個局部位置的裂紋擴展行為。確定了局部斷裂阻力曲線及裂紋擴展路徑,標定得到了十三個位置的GTN損傷參數,分析了局部強度失配對局部斷裂阻力、裂紋擴展路徑及結構完整性評定的影響。結果進一步表明,裂紋總是向低屈服強度材料一側偏轉,裂紋擴展路徑主要由強度失配控制,而非韌性失配控制。具有較大裂紋路徑偏轉的裂紋擴展阻力曲線反映沿裂紋擴展區域的表觀斷裂阻力,而非初始裂紋尖端區域材料的本質斷裂阻力。如不考慮熱影響區、界面區及近界面區的局部斷裂阻力,使用母材或焊材的裂紋擴展阻力去評價異種金屬焊接接頭局部位置缺陷的安全性,將不可避免的得到非保守(危險)或保守的評定結果。且大多數情況下,評價結果為潛在的非安全。

(5)通過斷裂試驗及微觀組織觀察,研究了Alloy52M異種金屬焊接接頭的斷裂機制,分析了局部斷裂機制與局部斷裂阻力的關系。得出,母材A508316L區及316L熱影響區的斷裂是典型的微孔洞形核、生長及聚合為特征的延性斷裂,三個區域不同的裂紋擴展阻力與局部微觀組織有關。具有板條馬氏體組織的A508熱影響區及A508/52Mb界面區呈現延性和脆性混合的斷裂模式,具有低的裂紋擴展阻力。相對于主裂紋擴展方向,奧氏體柱狀晶位向顯著影響隔離層Alloy52Mb和焊縫Alloy52Mw的斷裂機制和斷裂阻力。隔離層Alloy52Mb中的裂紋擴展跨過柱狀晶,產生高的裂紋擴展阻力。焊縫Alloy52Mw中的裂紋沿著薄弱的柱狀晶界擴展,呈現脆性斷裂模式,形成低的裂紋擴展阻力。

(6)局部力學性能及其失配顯著影響裂紋尖端塑性變形行為、局部斷裂阻力、裂紋擴展路徑及斷裂機制。對于異種金屬焊接接頭中顯著的局部失配情況,需要得到局部力學性能及斷裂阻力,并用于其完整性評定。并且也需要發展基于局部損傷和斷裂模型的異種金屬焊接接頭完整性評定新方法。


者:王海濤

學科專業:動力工程及工程熱物理

授予學位:博士

學位授予單位:華東理工大學

導師姓名:王國珍

學位年度:2013

研究方向:

種:chi

分類號:TG407 TM623

關鍵詞:核電安全焊接接頭力學性能斷裂行為微觀組織

機標分類號:

機標關鍵詞:核電安全異種金屬焊接接頭局部力學性能裂紋擴展阻力斷裂機制裂紋擴展路徑微觀組織初始裂紋不同位置材料

基金項目:



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