應力強度因子對鎳基合金應力腐蝕開裂裂尖力學特性的影響

李永強,趙凌燕

(1. 西安科技大學 機械工程學院，西安 710054； 2. 西安科技大學 理學院，西安 710054)

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應力強度因子對鎳基合金應力腐蝕開裂裂尖力學特性的影響

李永強1,趙凌燕2

(1. 西安科技大學 機械工程學院，西安 710054； 2. 西安科技大學 理學院，西安 710054)

摘要：以緊湊拉伸試樣為研究對象，通過加載不同大小的應力強度因子KI，用有限元方法研究了不同狀態下SCC裂尖氧化膜和基體金屬的應力分布規律。結果表明:裂尖區域氧化膜和基體金屬對裂尖應力強度因子KI的變化敏感度不同；隨著KI的增大，氧化膜破裂前和破裂后應力應變在裂尖區域的分布規律均發生了變化，該變化對裂紋擴展有一定的促進作用。

關鍵詞：鎳基合金;氧化膜;應力腐蝕開裂;應力強度因子;有限元法

由于具有很好的高溫耐腐蝕性能和力學性能，鎳基合金和奧氏體不銹鋼被廣泛應用于核電一回路壓力容器及管道中，特別是焊接結構中，而核電一回路高溫高壓水環境中鎳基合金和奧氏體不銹鋼的應力腐蝕開裂(SCC)卻是影響核電安全的重要因素之一[1-4]。由于SCC機理復雜，目前還是以試驗測試為主要研究手段，由于試驗設備十分昂貴，試驗周期較長等原因，如何準確預測鎳基合金和奧氏體不銹鋼在高溫高壓水環境中的應力腐蝕開裂速率，仍然是核電結構材料合余使用壽命研究領域的一個難題。機理和預測模型的研究是有效提高SCC裂紋擴展速率預測精度和提高試驗數據分析質量的重要方法[5-8]。

研究表明，核電站高溫高壓水環境中鎳基合金和奧氏體不銹鋼的SCC是一個裂尖氧化膜破裂和再生成的過程。鎳基合金和奧氏體不銹鋼基體金屬表面有一層致密的氧化膜，在裂紋向基體金屬擴展過程中，在腐蝕介質和高應力應變的共同作用下，裂尖氧化膜破裂，對于仍有氧化膜覆蓋的表面來說，裸露表面成為陽極，有大量的金屬離子析出，裂尖被腐蝕,形成溝形裂紋，同時裸露的基體表面會形成新的氧化膜，這種循環過程是裂紋不斷擴展，最終導致核電結構失效[1,9]。本工作將根據氧化膜破裂理論，分析不同載荷和不同氧化膜材料性能下裂尖區域的微觀力學特性，為提高定量預測高溫高壓水環境中鎳基合金SCC擴展速率精度提供參考。

1有限元模型建立

1.1幾何模型與網格

以緊湊拉伸試樣(1T-CT)為研究對象，試樣幾何尺寸，如圖1所示，其中W=50 mm，a=0.5W。

圖1　緊湊拉伸試樣的幾何尺寸Fig. 1　Geometric size of 1T-CT specimen

模擬設定高溫水環境中應力腐蝕形成的氧化膜厚度為2 μm，一般溝形裂紋長度為1~3 μm，故取溝形裂紋長度為2 μm的裂尖模型進行計算分析[1,9]。裂尖區域取3條應力觀測路徑,如圖2所示，分別為在氧化膜表面的路徑1，氧化膜靠近基體內側的路徑2，基體靠近氧化膜一側的路徑3。

圖2　SCC裂尖觀測路徑示意圖Fig. 2　Schematic of measured path at SCC tip

有限元網格采用二次平面應變四邊形單元(CPE8)，在氧化膜和基體金屬交界處會出現很大的應力梯度，因此在裂尖區域進行了網格細化(如圖3所示)，使裂尖區域網格過渡平滑，網格單元共15 421個。初始加載裂尖應力強度因子KI分別取5,10,20,30 MPa·m1/2，以分析在裂尖加載不同應力強度因子對裂紋裂尖應力分布的影響。

圖3　裂尖有限元網格劃分Fig. 3　Finite element mesh nearby the crack tip

1.2材料模型

假設基體金屬鎳基合金600本構關系符合Ramberg-Osgood材料模型，模型中基體金屬的材料參數：楊氏模量190 GPa，泊松比0.3，屈服強度436 MPa，硬化指數5.29，硬化系數1[10]。氧化膜為脆性材料，假設其符合線彈性材料模型，其泊松比為0.3，楊氏模量為19 GP[1,10]。

2結果與討論

氧化膜破裂前裂尖區域的應力分布規律如圖4所示。隨著裂紋裂尖應力強度因子KI的增大，裂尖區域的應力均不斷增大，在裂紋擴展方向路徑1上的最大應力總是大于其他路徑上的，裂紋擴展方向為圖4中的0°方向;同時，基體和氧化膜邊界上,應力在氧化膜中的增長速度大于在基體中的。當KI小于20 MPa·m1/2時氧化膜和基體中的應力相差不大; 而當KI大于20 MPa·m1/2時氧化膜中的應力均大于基體中的應力。由此可見,氧化膜對裂尖應力強度因子KI的增大比基體金屬更敏感，隨著KI的增大，氧化膜中的應力變化更快。

隨著裂紋裂尖應力強度因子KI的增大，裂尖區域基體金屬中裂紋擴展方向兩側的應力分布增大，而擴展方向的應力分布減小，這促使氧化膜中的應變增大，使氧化膜更易在裂紋擴展方向上發生脆性斷裂。

氧化膜破裂后原裂尖區域的應力分布規律如圖5所示。原裂尖區域氧化膜和基體中的應力均迅速減小，初始裂尖應力強度因子KI越大，氧化膜中的應力更多分布在裂紋擴展方向兩側，而擴展方向上的應力分布減少，這使得氧化膜破裂后的溝形裂紋張開角度增大，使帶有電化學物質的高溫高壓水與新裂尖充分接觸，有利于新裂尖金屬離子的析出和新氧化膜的形成。

3結論

(1) 裂尖區域氧化膜材料比基體金屬對裂尖應力強度因子KI的變化更敏感，隨著KI的增大，氧化膜中的應力比基體金屬中的應力增速更快。

(a)　5 MPa·m1/2 (b)　10 MPa·m1/2

(c)　20 MPa·m1/2 (d)　30 MPa·m1/2圖4　氧化膜破裂前不同KI時各路徑上的應力Fig. 4　Stress at crack tip in a series of KI before oxide film rupture

(a)　5 MPa·m1/2 (b)　10 MPa·m1/2

(c)　20 MPa·m1/2 (d)　30 MPa·m1/2圖5　氧化膜破裂后不同KI時各路徑上的應力Fig. 5　Stress at crack tip in a series of KI after oxide film rupture

(2) 氧化膜破裂前,隨著KI的增大，裂尖區域基體金屬中裂紋擴展方向兩側上的應力分布更多，該區域的高應力應變增大了氧化膜中的應變，使氧化膜在裂紋擴展方向上更易發生斷裂。

(3) 氧化膜破裂后,隨著KI的增大，原裂尖氧化膜中的應力更多分布在裂紋擴展方向兩側，這使得氧化膜破裂后的溝形裂紋張開角度更大，利于新裂尖金屬離子的析出和新氧化膜的形成。

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Impact of Stress Intensity Factor on Mechanical State at the Tip of Stress Corrosion Cracking in Nickel-based Alloys

LI Yong-qiang, ZHAO Ling-yan

(1. College of Mechanical Engineering, Xi′an University of Science and Technology, Xi′an 710054, China；2. College of Science, Xi′an University of Science and Technology, Xi′an 710054, China)

Abstract：The stress distribution law in the base metal and the oxide film at the tip of SCC was studied by finite element simulation of CT samples loaded with stress intensity factor KI in different values, The results show that the oxide film and base metal are different in the sensitivity to KI at the SCC tip. And the regularity of stress and strain distribution is changed at crack tip before and after oxide film rupture, with the increase of KI, the change plays a promoting role on crack growth.

Key words：nickel-based alloys; oxide film; stress corrosion cracking; stress intensity factors; finite element method

中圖分類號：TG174.3

文獻標志碼：A

文章編號：1005-748X(2016)02-0128-03

通信作者：趙凌燕(1978-),博士,從事裂紋應力腐蝕，13619255391，819920365@qq.com

基金項目：國家自然科學基金(11502195); 西安科技大學博士啟動基金(2015QDJ041)

收稿日期：2015-03-24

DOI:10.11973/fsyfh-201602008