核电异种金属焊接接头材料界面区的局部断裂行为研究

发布时间：2020-08-08 16:56

【摘要】：在核电主设备一回路系统中,存在许多连接核压力容器接管嘴与安全端的异种金属焊接接头。核电站运行历史表明,这种多材料构成的焊接接头中的材料界面区是发生应力腐蚀和断裂失效的薄弱环节,因而属于核安全重点关注部位。当材料界面区在制造和服役中产生裂纹缺陷时,由于裂纹两侧材料存在强度、硬化性能及本质韧性的差异,即力学性能的失配,使裂尖前塑性变形、应力场和应力状态存在复杂性,从而使其断裂阻力和裂纹扩展路径发生复杂变化,给接头结构完整性的设计和评定带来困难。为了准确评价这种接头的界面区裂纹对结构完整性的影响,需要对力学性能失配及其引起的材料拘束效应对界面区裂纹的起裂/扩展行为的影响及进而对断裂阻力的影响进行系统深入的单因素研究,以掌握其规律性,探寻所有因素耦合在一起时的主要影响因素。本文中作者以新一代核电压力容器接管-安全端镍基Alloy52M异种金属焊接接头材料界面区为研究对象,采用数值模拟、试验与理论分析相结合的方法对上述问题进行了研究,研究工作及得到的主要结论如下:(1)采用基于GTN损伤力学模型的有限元法,研究了硬化失配和材料本质韧性失配对双金属材料界面断裂行为的影响。结果表明,界面两种材料硬化性能之间的失配所引起的材料拘束效应会使界面裂纹的断裂阻力降低。随着硬化失配程度的增加,断裂阻力降低的程度增加。本质韧性失配对双金属材料界面裂纹断裂行为的影响与强度失配水平有关。当界面处于高强度失配与低韧性失配时,裂纹的扩展路径和断裂行为主要受强度失配的控制;当界面处于低强度失配与高韧性失配时,界面裂纹的扩展路径与断裂行为主要受韧性失配的控制。(2)对不同几何与材料复合拘束水平下双金属材料界面裂纹的扩展行为进行了研究。结果表明,材料拘束对双金属材料界面裂纹试样断裂行为的影响与该试样的几何拘束水平有关。当试样几何拘束水平较低,材料拘束对双金属材料界面的断裂阻力的影响不明显;当试样几何拘束处于中等水平时,材料拘束对界面断裂阻力的影响十分明显;随着试样几何拘束水平的进一步增加,界面的断裂阻力逐渐由几何拘束水平主导,材料拘束的影响作用逐渐变弱,并且此时的裂纹扩展路径偏移程度也逐渐降低。(3)对核电安全端异种金属焊接接头材料界面区中不同位置裂纹的断裂行为及其影响因素进行了模拟研究。结果表明,对于裂纹两侧材料本质韧性差异较小的裂纹,断裂阻力和裂纹扩展路径主要由局部强度和硬化失配控制,裂纹扩展路径通常偏向强度较低、硬化性能较低的材料区。对于裂纹两侧材料本质韧性差异明显的裂纹,裂纹扩展路径和断裂阻力主要受局部力学(强度和硬化性能)失配和本质韧性的交互作用控制,裂纹通常偏向强度和本质韧性较低的材料区扩展。此外,界面区力学性能的不均匀性会造成断裂韧度更大的变化幅度及尺度范围。(4)对核电安全端异种金属焊接接头中两个界面区不同位置的裂纹计算了拘束参数Ap,研究了该参数表征界面区材料拘束的能力。结果表明,当裂尖等效塑性应变εp等值线所包围的绝大多数区域分布在裂纹所处材料内时,参数Ap可以表征异种金属焊接接头界面区由裂纹初始位置所引起的材料拘束效应。基于参数Ap,可以建立异种金属焊接界面区断裂韧度与材料拘束的关联线,其可以用来获得界面区裂纹的拘束相关的断裂韧度。(5)通过小尺寸平板试样拉伸试验和单边缺口弯曲试样断裂试验,测定了两种不同制造工艺下的异种金属焊接接头(含隔离层和无隔离层)及其挖槽补焊接头不同位置的局部力学性能、断裂韧度和裂纹扩展阻力。研究表明,在不同的安全端接头设计、焊接制造和挖槽补焊工艺条件下,所得到的接头母材和焊缝的宏观力学性能、接头局部区的强度、塑性和断裂韧度的差别不大。表明无隔离层的安全端接头的简化制造工艺及两种接头的挖槽补焊对接头的力学性能和断裂韧度影响不大,在实际制造中是可行的。(6)模拟研究了两种核电安全端异种金属焊接结构(含隔离层和无隔离层结构)的变形、承载能力和断裂行为。结果表明,两种焊接结构的塑性垮塌和整体屈服极限弯矩主要由低屈服强度的316L材料的整体屈服控制,而与裂纹位置无关。此外,当裂纹位于安全端焊接结构中高屈服强度材料内时,宏观材料强度失配对于结构裂纹扩展阻力与承载能力的提高具有有利影响;当裂纹位于安全端焊接结构中低屈服强度材料内时,宏观材料强度失配具有不利影响。两种异种金属焊接结构的强度基本相同,低屈服强度的316L安全端管及其焊接区是结构最为薄弱的区域。进一步的研究表明,对于无隔离层的安全端焊接结构,焊缝宽度主要影响焊缝区裂纹的承载能力和断裂阻力,对结构中最为薄弱的Alloy52Mw/316L界面裂纹几乎没有影响。
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM623.4
【图文】：

延性损伤,断裂机理

，失配同时存在，此时总体拘束参数价可定义为：逡逑Ｐｔ＝Ｐ？，－＾邋＋邋Ｐ，逦（１－８）逡逑其中ａ为裂纹长度，２／？为焊缝宽度。逡逑近期本课题组Ｙａｎｇ等人研究发现拘束参数禹不仅可以针对均质材料表征面内与面逡逑外拘束，还可以表征异种金Ｍ焊接接头界面区特定位置裂纹的材料拘束［７６，７７１。然而，实逡逑际焊接接头界面区中裂纹的产生位置是随机的。拘束参数４表征不同位置裂纹几何与逡逑材料复合拘束的能力和有效性以及它是否和焊接接头局部断裂韧度可以建立统一关联逡逑还需要进一步研究。逡逑１．２．４局部法延性损伤模型逡逑由于传统断裂力学的宏观方法（Ｇｌｏｂａｌ邋Ａｐｐｒｏａｃｈ）存在局限性，基于断裂物理力学逡逑描述的细观损伤力学方法得到了发展，即为断裂局部法（ＬｏｃａｌＡｐｐｒｏａｃｈｔｏＦｒａｃｔｕｒｅ）逡逑局部法基于裂纹尖端前真实的应力／应变分布，直接描述裂尖前过程区中材料的逡逑局部损伤和断裂，其自然纳入了几何与材料拘束对裂尖场和材料损伤断裂行为的影响，逡逑是研究焊接接头复杂拘束问题的好方法。逡逑

曲线,临界状态,裂纹,外加载荷

第１０页逦华东理工大学博士学位论文逡逑程》＿等。上述规范中所采用的评定方法大致可以分为两类：裂纹驱动力（ＣＤＦ）法和逡逑失效评定图（ＦＡＤ）法。逡逑（ａ）裂纹驱动力（ＣＤＦ）法逡逑裂纹驱动力法的评定原理为：当待评定结构裂纹尖端的断裂力学参量达到该材料的逡逑断裂梞度时，断裂失效发生。ＳＩＮＴＡＰ评定规范中有关ＣＤＦ法的评定过程如图１．３所示逡逑［６】。首先得到含缺陷结构材料的断裂幵度（Ｊｍａｔ或ｃ５ｍａｔ）或裂纹扩展阻力曲线（Ｊ－ｉ？或＜５－／？逡逑曲线），再针对待评定缺陷计算断裂参量Ｊ邋（或５）或裂纹驱动力线，当Ｊ邋＝邋Ｊｍａｔ或８邋＝邋５＿逡逑时表示结构发生断裂。裂纹驱动力线与阻力线的相切点对应裂纹开始失稳扩展。裂纹驱逡逑动力？／积分或裂尖张开位移ＣＴＯＤ通过下式得到：逡逑Ｊ邋＝邋＊Ｖ［ｆ（Ａ）ｒ邋0ｒ邋６邋＝邋８ｅ－［ｆ（ｌｒ）ｒ２逦（１－１６）逡逑其中义＝＾２／￡和＆邋＝邋＾２／（￡（＾）均为线弹性阶段的裂纹驱动力。ｆ（Ｉ0为修正项，Ｌｒ为逡逑接近梞带整体屈服的载荷参数：逡逑４邋＝邋Ｆ／ＦＹ＝ａｒｅｆ／ａＹ逦（１－１７）逡逑其中Ｆ和ＦＹ分别为外加载荷和极限载荷。ｏｗ为外加载荷下的参考应力，ｏｙ为材料逡逑屈服应力。逡逑

失效评定图,断裂韧度,临界状态

华东理工大学博士学位论文逦第１１页逡逑着Ｊ积分理论的提出与发展，以ＣＯＤ为理论依据的失效评定图逐渐被以Ｊ积分为理论逡逑依据的失效评定图所取代。１９８６年ＣＥＧＢ颁布了邋Ｒ６第三次修订版，考虑了材料的硬化逡逑效应，并以Ｊ积分为理论依据，给出了建立失效评定曲线的三种选择。随着近些年断裂逡逑力学评定技术的发展，ＣＥＧＢ吸收世界各国研究进展，对Ｒ６进行了全面修订，于２００１逡逑年颁布了第四次修订版ｆ９Ｓ］。逡逑失效评定图法的评定原理如图１．４所示Ｗ。首先在失效评定图（横坐标为＆、纵坐逡逑标为Ａ）中建立失效评定曲线（ＦＡＣ）然后根据实际待评定缺陷的应力状态、逡逑尺寸和外加载荷计算确定评定点Ｏ邋（Ｌｒ，邋／Ｇ）。当评定点位于ＦＡＣ下方和截断线（Ｌｒ邋＝逡逑Ｚｒ＿）左侧的重叠区域时，表示缺陷是可以接受的，？当其位于这一区域以外时，表示缺逡逑陷是不可接受的；当评定点位于ＦＡＣ上，表示裂纹刚达到起裂的临界状态。逡逑ｐｏｔｅｎｔｉａｌｌｙ邋ｕｎｓａｆｅ逦⑷逦ｐｏｔｅｎｔｉａｌｌｙ邋ｕｎｓａｆｅ逦（ｂ）逡逑

【参考文献】