加工硬化对316L不锈钢环境致裂扩展驱动力影响的研究
发布时间：2021-07-22 15:04
环境致裂（EAC）裂纹扩展可看作是裂尖微观区域力学、材料和腐蚀环境交互作用的氧化膜破裂和再生成的缓慢过程,是在役核电关键结构材料失效的一种重要形式。核电结构材料制造过程中的冷弯、装配误差引起的弯曲、焊缝冷却收缩引起热影响区材料的拉伸变形均会使材料产生不同程度的塑性变形,导致材料产生加工硬化现象。加工硬化会影响EAC裂纹扩展速率,而EAC裂纹扩展速率又受到裂纹扩展驱动力的影响,为了研究加工硬化对EAC裂纹扩展速率的影响,采用理论、实验和有限元模拟相结合的方法分析加工硬化对316L不锈钢EAC裂纹扩展驱动力的影响,完成的主要工作如下:（1）实验获取不同加工硬化程度下316L不锈钢的力学参量,并测量不同加工硬化程度对应的316L不锈钢的维氏硬度,建立316L不锈钢硬度和力学参量之间的关系;通过实验获得持续拉伸过程中材料维氏硬度和应力应变之间的对应关系,建立316L不锈钢维氏硬度和应力应变之间的经验关系式;实验获得缺口维氏硬度分布规律,并把所建立的力学关系式应用到缺口试样中,获得缺口不均匀硬化下力学参量的分布规律;把所建经验关系式和有限元模拟相结合,获得缺口维氏硬度的分布规律,和实验结果进行对...
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：160 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
核电结构材料发生的EAC现象[7]
纹扩展速率的影响，将加工硬化后的材料力学参量变化导致EAC裂纹扩展的机理同公认裂纹扩展模型相结合，研究加工硬化下核电结构材料的力学因素对EAC裂纹扩展驱动力及裂纹扩展速率的影响，对核电结构材料的安全性评价和残余寿命预测具有重要的工程实际意义。1.2国内外研究现状1.2.1环境致裂研究现状为建造轻水反应堆，提出了奥氏体不锈钢、镍基合金、低合金钢等标准结构材料，虽然这些材料具有优良的力学特性，但经加工硬化的不锈钢抗EAC能力降低[9]。EAC的发生是由敏感性材料、应力和腐蚀环境共同作用的，影响EAC的因素如图1.2所示。在压水反应堆(PWR)核电站系统，发现主回路元件大量EAC与加工硬化[10-12]和局部水化学环境[13-14]相关。Ilevbare等人[13]报告说，53%的压水堆组件故障与材料加工过程中所产生的加工硬化有关，83%的事件与水化学的异常化学条件有关。试验测试[15-17]也证实加工硬化后的奥氏体不锈钢比退火后的材料具有更高的EAC敏感性。因此，环境致裂是多种因素共同作用的结果，要研究环境致裂裂纹扩展驱动力分布规律，就应分析清楚其主要影响因素对环境致裂的影响。图1.2EAC影响因素
西安科技大学博士学位论文8图1.3加工硬化对屈服和极限强度的影响[65]图1.4不同加工硬化应力应变曲线[65]日本Kamaya等人[68]也研究了316不锈钢由于冷弯情况下裂纹断裂强度的变化，其中研究了屈服强度和极限强度、应力应变曲线和断裂韧性等力学参数值在冷弯过程中的变化规律，成功地推导出在弯曲变形条件下316L不锈钢的断裂强度变化，发现即使材料出现40%弯曲变形，而断裂强度并没有明显变化，但失效由塑性破坏转变成弹塑性破坏。加工硬化可使材料断裂韧性下降，根据应力-应变曲线的变化，也可以利用有限元通过材料的屈服强度和抗拉强度计算出材料弯曲时的力学参量。弯曲效应对弯曲厚壁的屈服强度影响较大，其影响程度与板件的宽厚比关系明显，弯曲薄壁(壁厚t≤6mm)角部的屈服强度可提高50%以上[69]。加工硬化会应影响材料力学性能，加工硬化提高材料屈服强度和极限拉伸强度[70-74]。因此，加工硬化提高材料屈服强度已被大量的证实。印度很多学者在不同环境中对加工硬化材料的力学性能进行了大量的研究工作，研究发现随着氮含量和加工硬化程度的增加，材料硬度、屈服强度、抗拉强度呈线性增加，伸长率下降。硬化系数随着加工变形量的增加而减小，材料硬化指数随着加工程度的增大而增大[75]。在加工硬化对奥氏体不锈钢低温敏化处理对核电反应堆开裂的研究发现，弯曲不产生马氏体，是一种较好的模拟焊接热影响区的方法，由于加工残余应变，弯曲并在500℃下保持11天会导致其他氧化物含量的变化[76-77]。韩国Chang等人[78]模拟了加工硬化后316L不锈钢力学性能，发现屈服强度、抗拉强度和延伸率与应变率对数函数近似呈线性变化。研究发现材料的屈服强度随着加工硬化程度的增大而增加，再次沿原方向加载时，材料的屈服强度也会增加，?
【参考文献】：
期刊论文
[1]20号管道钢力学性能的微压痕法检测探讨[J]. 饶德林,Sanjooram Paddea,李荣锋,侯晓东,张放,张书彦. 物理测试. 2019(06)
[2]304不锈钢冷加工过程中应力-应变本构方程的建立与验证[J]. 李凯,薛河,崔英浩,王帅,王婷. 塑性工程学报. 2019(02)
[3]冷加工过程中316L奥氏体不锈钢硬度压痕尺寸效应分析[J]. 薛河,李凯,王帅,赵宽. 中国机械工程. 2019(01)
[4]冷加工对316L不锈钢裂尖力学特性的影响[J]. 杨宏亮,薛河,倪陈强. 西安科技大学学报. 2018(03)
[5]压水堆一回路环境中304不锈钢的蠕变特性分析[J]. 薛河,崔英浩,赵凌燕,唐伟,倪陈强. 西安科技大学学报. 2018(01)
[6]膜致应力对应力腐蚀裂尖力学特性的影响（英文）[J]. 杨宏亮,薛河,杨富强,赵凌燕. 稀有金属材料与工程. 2017(12)
[7]材料力学性能对高温水环境中镍基合金裂尖应力分布的影响[J]. 杨宏亮,薛河,崔英浩. 热加工工艺. 2016(24)
[8]氧化膜形状对镍基合金应力腐蚀裂尖应力应变的影响[J]. 杨宏亮,薛河,赵凌燕,郭瑞. 热加工工艺. 2016(20)
[9]核电异种金属焊接接头的应力腐蚀裂纹扩展行为研究进展[J]. 朱若林,张志明,王俭秋,韩恩厚. 中国腐蚀与防护学报. 2015(03)
[10]核电结构材料应力腐蚀开裂的研究现状与进展[J]. 马成,彭群家,韩恩厚,柯伟. 中国腐蚀与防护学报. 2014(01)
硕士论文
[1]异种金属焊接件SA508-52M-316L在模拟压水堆一回路水环境中的性能研究[D]. 李冠军.机械科学研究总院 2011
本文编号：3297376
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：160 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
核电结构材料发生的EAC现象[7]
纹扩展速率的影响，将加工硬化后的材料力学参量变化导致EAC裂纹扩展的机理同公认裂纹扩展模型相结合，研究加工硬化下核电结构材料的力学因素对EAC裂纹扩展驱动力及裂纹扩展速率的影响，对核电结构材料的安全性评价和残余寿命预测具有重要的工程实际意义。1.2国内外研究现状1.2.1环境致裂研究现状为建造轻水反应堆，提出了奥氏体不锈钢、镍基合金、低合金钢等标准结构材料，虽然这些材料具有优良的力学特性，但经加工硬化的不锈钢抗EAC能力降低[9]。EAC的发生是由敏感性材料、应力和腐蚀环境共同作用的，影响EAC的因素如图1.2所示。在压水反应堆(PWR)核电站系统，发现主回路元件大量EAC与加工硬化[10-12]和局部水化学环境[13-14]相关。Ilevbare等人[13]报告说，53%的压水堆组件故障与材料加工过程中所产生的加工硬化有关，83%的事件与水化学的异常化学条件有关。试验测试[15-17]也证实加工硬化后的奥氏体不锈钢比退火后的材料具有更高的EAC敏感性。因此，环境致裂是多种因素共同作用的结果，要研究环境致裂裂纹扩展驱动力分布规律，就应分析清楚其主要影响因素对环境致裂的影响。图1.2EAC影响因素
西安科技大学博士学位论文8图1.3加工硬化对屈服和极限强度的影响[65]图1.4不同加工硬化应力应变曲线[65]日本Kamaya等人[68]也研究了316不锈钢由于冷弯情况下裂纹断裂强度的变化，其中研究了屈服强度和极限强度、应力应变曲线和断裂韧性等力学参数值在冷弯过程中的变化规律，成功地推导出在弯曲变形条件下316L不锈钢的断裂强度变化，发现即使材料出现40%弯曲变形，而断裂强度并没有明显变化，但失效由塑性破坏转变成弹塑性破坏。加工硬化可使材料断裂韧性下降，根据应力-应变曲线的变化，也可以利用有限元通过材料的屈服强度和抗拉强度计算出材料弯曲时的力学参量。弯曲效应对弯曲厚壁的屈服强度影响较大，其影响程度与板件的宽厚比关系明显，弯曲薄壁(壁厚t≤6mm)角部的屈服强度可提高50%以上[69]。加工硬化会应影响材料力学性能，加工硬化提高材料屈服强度和极限拉伸强度[70-74]。因此，加工硬化提高材料屈服强度已被大量的证实。印度很多学者在不同环境中对加工硬化材料的力学性能进行了大量的研究工作，研究发现随着氮含量和加工硬化程度的增加，材料硬度、屈服强度、抗拉强度呈线性增加，伸长率下降。硬化系数随着加工变形量的增加而减小，材料硬化指数随着加工程度的增大而增大[75]。在加工硬化对奥氏体不锈钢低温敏化处理对核电反应堆开裂的研究发现，弯曲不产生马氏体，是一种较好的模拟焊接热影响区的方法，由于加工残余应变，弯曲并在500℃下保持11天会导致其他氧化物含量的变化[76-77]。韩国Chang等人[78]模拟了加工硬化后316L不锈钢力学性能，发现屈服强度、抗拉强度和延伸率与应变率对数函数近似呈线性变化。研究发现材料的屈服强度随着加工硬化程度的增大而增加，再次沿原方向加载时，材料的屈服强度也会增加，?
【参考文献】：
期刊论文
[1]20号管道钢力学性能的微压痕法检测探讨[J]. 饶德林,Sanjooram Paddea,李荣锋,侯晓东,张放,张书彦. 物理测试. 2019(06)
[2]304不锈钢冷加工过程中应力-应变本构方程的建立与验证[J]. 李凯,薛河,崔英浩,王帅,王婷. 塑性工程学报. 2019(02)
[3]冷加工过程中316L奥氏体不锈钢硬度压痕尺寸效应分析[J]. 薛河,李凯,王帅,赵宽. 中国机械工程. 2019(01)
[4]冷加工对316L不锈钢裂尖力学特性的影响[J]. 杨宏亮,薛河,倪陈强. 西安科技大学学报. 2018(03)
[5]压水堆一回路环境中304不锈钢的蠕变特性分析[J]. 薛河,崔英浩,赵凌燕,唐伟,倪陈强. 西安科技大学学报. 2018(01)
[6]膜致应力对应力腐蚀裂尖力学特性的影响（英文）[J]. 杨宏亮,薛河,杨富强,赵凌燕. 稀有金属材料与工程. 2017(12)
[7]材料力学性能对高温水环境中镍基合金裂尖应力分布的影响[J]. 杨宏亮,薛河,崔英浩. 热加工工艺. 2016(24)
[8]氧化膜形状对镍基合金应力腐蚀裂尖应力应变的影响[J]. 杨宏亮,薛河,赵凌燕,郭瑞. 热加工工艺. 2016(20)
[9]核电异种金属焊接接头的应力腐蚀裂纹扩展行为研究进展[J]. 朱若林,张志明,王俭秋,韩恩厚. 中国腐蚀与防护学报. 2015(03)
[10]核电结构材料应力腐蚀开裂的研究现状与进展[J]. 马成,彭群家,韩恩厚,柯伟. 中国腐蚀与防护学报. 2014(01)
硕士论文
[1]异种金属焊接件SA508-52M-316L在模拟压水堆一回路水环境中的性能研究[D]. 李冠军.机械科学研究总院 2011
本文编号：3297376
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