球压痕试验获取核电焊接结构局部力学性能的研究

发布时间：2020-11-16 04:13

　　 压痕技术也称深度敏感压痕技术,是一种应用于复杂环境下的较为先进的力学性能检测技术,能够在不影响关键零部件服役的情况下,在微纳米级尺度下检测出不同的力学性能参数,具有十分广阔的应用前景。本文主要针对核电焊接接头局部力学性能难以获取的现状,采用理论分析、物理试验和有限元反演分析三者相结合的方法建立了适当的数学模型,并将该模型应用于核电结构安全端焊接接头的力学性能检测。本文的主要研究内容如下:(1)对于核电结构中常用金属材料的本构关系和压痕试验计算材料力学性能参数的理论方法进行研究。首先采用Oliver-Pharr方法通过载荷-深度曲线计算材料的弹性模量和压痕硬度,其次运用能量法和自相似理论计算材料屈服强度、抗拉强度和硬化指数。(2)将电子万能试验机改造成压痕试验测试平台,并对其进行调试。研究了不同试验因素对压痕试验结果的影响,在优化试验条件下,使得压痕试验能够准确得反映真实压痕响应。通过载荷深度曲线得到了不同预变形率下核级奥氏体不锈钢316L的力学性能参数,并使用单轴拉伸试验对压痕试验结果进行了验证。(3)利用ABAQUS进行有限元反演分析,建立了弹塑性材料下的压痕试验模型,对不同球形压头半径下的二维、三维球压痕试验进行了数值模拟,通过与物理试验对比分析,验证了有限元模型结果的有效性。分析了不同力学参数下压痕仿真试验的压痕形貌,并对不同凸起量与力学性能参数的规律进行了总结。(4)以核电一回路中压力容器安全端异种金属焊接接头为例,基于其结构分析在焊接接头不同位置进行均匀的压痕试验,通过载荷深度曲线确定了焊接接头的热影响区范围,预测了不同位置的各种力学性能参数。
【学位单位】：西安科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TM623;TG407
【部分图文】：

1绪论11绪论1.1研究背景及意义据《2050中国能源和碳排放报告》，随着我国经济发展速度增快，导致我国的电力需求量呈上升趋势，因此大力发展核电行业对于我国的电力发展有着极大的促进作用[1-3]。在核电事业发展的过程中，核安全隐患是最重要的问题，服役设备的安全性评价对于核安全至关重要，而服役设备主要包括压力容器和管道。这些设备在长期高温高压的环境下进行工作，易造成材料的老化以及裂纹的产生，尤其是SCC(应力腐蚀开裂)[4-8]。在核电结构中，存在着大量的安全端焊接接头，如图1.1所示，安全端中的大量焊接接头会由于材料不均匀性在长期服役过程中会有裂纹萌生，而裂纹萌生的起始阶段均在焊接接头的熔合区附近，这样对于焊接接头中力学性能分析和检测就显得尤为重要。根据核电站运行经验研究表明，一回路中异种焊接接头处是环境致裂的高发区，会经常出现以SCC为代表的裂纹扩展等缺陷[9]。而根据研究显示，高温高压水环境中的SCC是由于材料在力学性能、环境以及外力三者共同作用下产生的，而其中材料力学性能对于SCC的产生起着至关重要的作用，因为在焊接过程中，安全端的焊缝区材料会发生热胀冷缩现象，会导致材料的力学性能发生严重的变化，其中塑性性能严重降低，脆性性能会增强，这样就会加速SCC的产生，因此焊接结构的力学性能检测是核电关键零部件完整性评价的重要组成部分。反应堆冷却泵增压器蒸汽发生器主回路喷嘴SCC焊接SCC包层裂纹压力容器接管安全端控制棒控制棒驱动机构壳图1.1压水堆一回路焊接接头应力腐蚀裂纹分布在以往测量关键设备的零部件的力学性能的时候，主要使用的是破坏性的试验，通

dTechnologyCorporation)公司和韩国的Frontics公司，基于马达驱动的方式，推出103N量级的台式和便携宏观压入仪。2001年，中国科学院力学研究所的张泰华等人开始系统地研制宏观压入试验设备。首先，基于Instron5848Microtester材料测试机为驱动和载荷测量装置，开发了相应的压痕深度测量部件和试样安装夹具[28-31]。证实纳米压入测量原理可以应用于显微和宏观压入范围的测量。以此为基础，分别研制基于电磁驱动的台式压入仪[32]和便携式压入仪[33]。目前国外已有针对此类压入仪的研究及应用，对于核电站中焊接接头的压痕试验如图1.2和图1.3。图1.2核电站冷却水管线焊接接头部位机械性能评估图1.3母材/热影响区/焊材区压痕试验Meyer在压痕试验测试力学性能中有着举足轻重的作用，最先提出压痕载荷及压痕接触面积与屈服强度的数学关系式，用来预测不同金属材料的强度，为后续的研究奠定了一定的基础[34]。Tabor对于球形压头塑性区的表征应变进行了研究，并得到了系列经验关系式，对于后续研究压痕法表征应力应变起到了至关重要的作用[35]。美国橡树岭国家试验室的Haggag从压痕硬度的角度来研究金属材料力学性能参量时，发现进行压痕试验得到的材料的本构关系与单轴拉伸试验得到的本构关系之间的误差较小，说明压痕试验对于测量金属材料的本构关系有一定的可靠性[36]。由于压痕试验对于试验条件的要求较高，不能保证每次得到的载荷深度曲线能够完全吻合。Haggag建议只对于被测材料的试样的同一位置进行单次或者多次加载卸载，得到同一材料的力学性能，并对于不同金属材料做了大量的试验研究[37-43]。Haggag将此项技术命名为自动球压痕技术

logyCorporation)公司和韩国的Frontics公司，基于马达驱动的方式，推出103N量级的台式和便携宏观压入仪。2001年，中国科学院力学研究所的张泰华等人开始系统地研制宏观压入试验设备。首先，基于Instron5848Microtester材料测试机为驱动和载荷测量装置，开发了相应的压痕深度测量部件和试样安装夹具[28-31]。证实纳米压入测量原理可以应用于显微和宏观压入范围的测量。以此为基础，分别研制基于电磁驱动的台式压入仪[32]和便携式压入仪[33]。目前国外已有针对此类压入仪的研究及应用，对于核电站中焊接接头的压痕试验如图1.2和图1.3。图1.2核电站冷却水管线焊接接头部位机械性能评估图1.3母材/热影响区/焊材区压痕试验Meyer在压痕试验测试力学性能中有着举足轻重的作用，最先提出压痕载荷及压痕接触面积与屈服强度的数学关系式，用来预测不同金属材料的强度，为后续的研究奠定了一定的基础[34]。Tabor对于球形压头塑性区的表征应变进行了研究，并得到了系列经验关系式，对于后续研究压痕法表征应力应变起到了至关重要的作用[35]。美国橡树岭国家试验室的Haggag从压痕硬度的角度来研究金属材料力学性能参量时，发现进行压痕试验得到的材料的本构关系与单轴拉伸试验得到的本构关系之间的误差较小，说明压痕试验对于测量金属材料的本构关系有一定的可靠性[36]。由于压痕试验对于试验条件的要求较高，不能保证每次得到的载荷深度曲线能够完全吻合。Haggag建议只对于被测材料的试样的同一位置进行单次或者多次加载卸载，得到同一材料的力学性能，并对于不同金属材料做了大量的试验研究[37-43]。Haggag将此项技术命名为自动球压痕技术
【参考文献】

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2 刘东旭;张泰华;郇勇;;宏观深度测量压入仪器的研制[J];力学学报;2007年03期

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本文编号：2885606