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        GH3535合金的蠕變裂紋擴展性能研究

        2020-08-12 08:22:02樊光程王晚霞談建平侍克獻周伯謀陸燕玲
        壓力容器 2020年7期
        關(guān)鍵詞:晶界合金裂紋

        樊光程,王晚霞,談建平,侍克獻,周伯謀,陸燕玲

        (1.中國科學院 上海應(yīng)用物理研究所,上海 201800;2.中國科學院大學,北京 100049;3.華東理工大學 機械與動力工程學院,上海 200237;4.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責任公司,上海 200240)

        0 引言

        研究和開發(fā)經(jīng)濟、高效、安全的先進核能是解決能源短缺、環(huán)境惡化等問題的關(guān)鍵途徑,鑒于釷基核能開發(fā)利用的優(yōu)勢[1],2011年我國重啟了釷基熔鹽堆研究,計劃用20年左右的時間,在國際上首先實現(xiàn)釷基熔鹽堆的應(yīng)用[2]。熔鹽堆中核燃料由高溫熔融氟化物鹽攜帶,堆內(nèi)構(gòu)件及其材料與高溫熔融氟鹽、核燃料及裂變產(chǎn)物直接接觸,使材料處于中子輻照、高溫、受力和熔鹽腐蝕等極端環(huán)境中,能夠在這種極端環(huán)境中長期穩(wěn)定服役的結(jié)構(gòu)材料成為了熔鹽堆技術(shù)實現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

        20世紀五六十年代,美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)研發(fā)了一種鎳基合金——UNS N10003合金(國內(nèi)生產(chǎn)的材料牌號為GH3535)[3]。圍繞這種合金,研究者們在蠕變、熔鹽腐蝕、高溫氧化、輻照和焊接等方面已經(jīng)做了很多工作[4-10]。但由于制造水平的制約,材料在制造、加工、服役的過程中勢必會產(chǎn)生缺陷,在高溫服役過程中,應(yīng)力集中的缺陷部位會發(fā)生擴展,并最終發(fā)生結(jié)構(gòu)失效[11]。對于某些材料,即使具有良好的常規(guī)力學性能,但其斷裂性能不一定能夠滿足要求[12]。而該材料的高溫裂紋擴展性能研究報道甚少,出于核安全考慮,有必要對GH3535合金的蠕變裂紋擴展性能進行研究分析。本文在服役溫度650 ℃下開展GH3535合金的蠕變裂紋擴展試驗,分析蠕變裂紋擴展規(guī)律,并對斷裂性能進行評價。

        1 試驗材料及試樣

        試驗材料為鎳基高溫合金GH3535,其化學成分見表1。GH3535合金為單相奧氏體組織,平均晶粒尺寸為75 μm,見圖1(a);在晶粒內(nèi)和晶界存在大量析出相(M6C型碳化物),見圖1(b)。其高溫拉伸及蠕變性能參數(shù)見表2。

        表1 GH3535合金的化學成分 %

        (a)

        (b)圖1 GH3535合金的組織形貌

        表2 GH3535合金650 ℃性能參數(shù)

        在裂紋擴展測試中采用緊湊拉伸(CT)試樣,其寬度W=20 mm,厚度B=10 mm,初始標稱裂紋長度a0/W=0.5,見圖2。用線切割法加工1 mm寬的缺口,并在試樣表面加工20%厚度的側(cè)邊槽,有效寬度Bn=8 mm,隨后用線切割法預(yù)制0.1 mm寬的初始裂紋。

        圖2 蠕變裂紋擴展速率試驗CT試樣結(jié)構(gòu)示意

        2 測試過程及測試數(shù)據(jù)

        試驗方法、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理按ASTM E1457—2015進行[14]。蠕變裂紋擴展速率試驗在GWT304機械式持久蠕變試驗機上開展。試驗溫度為650 ℃,在載荷3 000~4 000 N的范圍內(nèi)進行恒載荷的裂紋擴展試驗,采用直流電位法測量裂紋的長度。在不同應(yīng)力強度因子下進行試驗,試樣標記為CT12,CT13,CT14。CT試樣尺寸及試驗數(shù)據(jù)見表3。最后用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣的斷口形貌。

        表3 蠕變裂紋擴展試驗參數(shù)

        2.1 蠕變裂紋擴展長度

        蠕變裂紋擴展長度(即裂紋增量Δa)采用DCPD直流電位法測量獲得。具體方法為在試驗過程中實時記錄試樣的電勢變化,并按式(1)[14]將電勢轉(zhuǎn)化為裂紋長度a。所有試驗均在試樣未完全拉斷的情況下卸載停止試驗,在試驗結(jié)束后用疲勞試驗機將試樣完全拉開,然后采用光學測量儀器測得裂紋長度af。

        (1)

        式中V——對應(yīng)于裂紋長度a的瞬時電位差,mV;

        V0,Vf——初始和最終電位差讀數(shù),mV。

        圖3 蠕變裂紋擴展增量Δa與時間t關(guān)系曲線

        蠕變裂紋擴展增量與時間的關(guān)系曲線如圖3所示??梢钥闯?,裂紋擴展長度隨時間增大,并且在蠕變裂紋擴展初期存在著一個或長或短的孕育階段,在此階段裂紋擴展很慢,根據(jù)ASTM E1457,可以取蠕變裂紋擴展增量為0.2 mm的時間作為蠕變裂紋起裂時間ti[14]。

        2.2 加載線位移

        加載線位移δ與時間t關(guān)系曲線見圖4??煽闯觯S著時間增加,加載線位移不斷增大。載荷越大,位移變化越快,即試樣裂尖張開速率越大。

        圖4 加載線位移δ與時間t關(guān)系曲線

        3 試驗結(jié)果分析

        3.1 蠕變裂紋擴展速率

        在蠕變延性較小的材料中,與時間相關(guān)的彈性變形和裂紋尖端局部的蠕變應(yīng)變相關(guān),可用應(yīng)力強度因子K來描述彈性應(yīng)變場和小范圍蠕變的彈塑性應(yīng)變場。

        K計算方法[14]如下:

        (2)

        其中:

        f(a/W)=0.886+4.64(a/W)-13.32(a/W)2

        +14.72(a/W)3-5.6(a/W)4

        (3)

        式中P——施加的載荷,N;

        B——試樣厚度,mm;

        W——試樣寬度,mm;

        a——裂紋長度,mm。

        在蠕變延性較大的材料中,裂紋尖端的應(yīng)力場容易因蠕變變形而松弛,這時應(yīng)力強度因子K不再適用。如圖5所示,在不同的載荷下,da/dt與Kn的關(guān)系曲線分布在一個比較寬的范圍內(nèi)。此時,參量C*與蠕變裂紋擴展速率da/dt的關(guān)系比較集中地分布在線性范圍內(nèi),適合關(guān)聯(lián)蠕變裂紋擴展速率。

        圖5 蠕變裂紋擴展速率da/dt與有效應(yīng)力強度因子Kn的 關(guān)系曲線

        C*計算公式[14]如下:

        (4)

        Bn——凈截面厚度,mm;

        n——蠕變指數(shù);

        H,η——與材料特性和試樣形狀有關(guān)的系數(shù),H=n/(n+1),η=2.20。

        (5)

        在持續(xù)負荷下,裂紋體內(nèi)形成大范圍蠕變條件所需要的時間[14]為過渡時間tT:

        (6)

        逐一計算各數(shù)據(jù)點的tT,取最大值作為過渡時間tT。如果tTti,則選取過渡時間之后的數(shù)據(jù)點。然后采用最小二乘法擬合得到蠕變裂紋擴展速率da/dt與C*之間的關(guān)系。計算結(jié)果表明,在650 ℃下,GH3535合金的tT

        蠕變裂紋擴展行為可以用NSW模型進行預(yù)測,NSW模型的基本形式[15]為:

        (7)

        式中C*——斷裂參量,N/(mm·h);

        φ——常量,φ≈n/(n+1);

        (8)

        在650 ℃時,GH3535合金的NSW模型為:

        (9)

        在650 ℃下,GH3535合金的da/dt與C*關(guān)系的NSW模型預(yù)測曲線與試驗結(jié)果曲線如圖6所示??梢钥闯?,不同試樣的蠕變裂紋擴展速率da/dt與斷裂力學參量C*呈線性關(guān)系且分散性較小,所以用斷裂力學參量C*關(guān)聯(lián)蠕變裂紋擴展速率是合適的,同時可以看到NSW模型平面應(yīng)力條件下的預(yù)測結(jié)果與試驗值相近,平面應(yīng)變條件下預(yù)測結(jié)果遠大于試驗值,偏于保守。蠕變裂紋擴展速率與斷裂力學參量C*的擬合關(guān)系為:

        da/dt=0.0199C*0.942

        (10)

        圖6 NSW模型預(yù)測值與試驗結(jié)果對照

        3.2 蠕變裂紋起裂時間

        蠕變裂紋起裂CCI和隨后的穩(wěn)態(tài)開裂CCG是高溫下服役的構(gòu)件的主要失效機理。對于不同的材料及結(jié)構(gòu)形式,蠕變裂紋起裂所占的比重不同,部分起裂時間甚至可占整個斷裂壽命的80%,為了獲得準確的設(shè)計和可靠的評估結(jié)果,蠕變裂紋的起裂時間不可忽略[16]。

        圖7 蠕變裂紋起裂時間ti和有效應(yīng)力強度因子Kn的 關(guān)系曲線

        有效應(yīng)力強度因子Kn和蠕變裂紋起裂時間ti的關(guān)系如圖7所示??梢钥闯?,在對數(shù)坐標下,有效應(yīng)力強度因子Kn與蠕變裂紋起裂時間ti呈線性關(guān)系,Kn越大,ti越小,而在裂紋起裂階段,裂紋長度不擴展,裂紋尖端處于小范圍蠕變狀態(tài),所以可用應(yīng)力強度因子K來描述彈性應(yīng)變場和小范圍蠕變的彈塑性應(yīng)變場。有效應(yīng)力強度因子Kn與蠕變裂紋起裂時間ti的擬合關(guān)系為:

        (11)

        通常,蠕變裂紋起裂時間ti與C*在雙對數(shù)下呈線性關(guān)系[11,16-18],可描述為:

        tiC*φ=B0

        (12)

        式中B0,φ——常數(shù)。

        蠕變裂紋起裂時間ti與C*的關(guān)系如圖8所示,其擬合關(guān)系為:

        ti=60.5564C*-0.73232

        (13)

        圖8 蠕變裂紋起裂時間ti與C*的關(guān)系曲線

        從圖7,8的擬合結(jié)果可以看出,有效應(yīng)力強度因子Kn與裂紋起裂時間ti的擬合更接近于線性,所以采用Kn更適合關(guān)聯(lián)蠕變裂紋起裂時間ti。

        3.3 蠕變斷裂韌性

        蠕變斷裂韌性為材料抵抗蠕變裂紋擴展的能力,其值越大,則裂紋越不易擴展。通過蠕變斷裂韌性,可以采用高溫結(jié)構(gòu)完整性評定的時間相關(guān)失效評定圖(TDFAD)法對材料進行結(jié)構(gòu)的安全評價。TDFAD法綜合考慮了蠕變機制下由于蠕變裂紋擴展導致結(jié)構(gòu)斷裂、含缺陷截面上的整體垮塌以及介于這兩種機制之間的失效模式,只需要進行簡單的應(yīng)力強度因子和極限載荷計算,避免了復(fù)雜的高溫蠕變斷裂力學的分析[19-21]。

        (14)

        δc——裂紋擴展Δa所對應(yīng)的蠕變載荷線位移,mm。

        (15)

        表4 GH3535合金的蠕變裂紋起裂時間及蠕變斷裂韌性數(shù)據(jù)

        Ainsworth[18]采用參考應(yīng)力法估算C*公式及方程(12),結(jié)合失效評定圖的失效判據(jù),給出了蠕變裂紋起裂韌性估算方程:

        (16)

        (17)

        圖9 蠕變斷裂韌性與蠕變裂紋起裂時間ti的 關(guān)系曲線

        3.4 GH3535合金容限能力分析

        蠕變強度為在一定溫度下,經(jīng)過一定時間后,蠕變量不超過一定限度的最大允許應(yīng)力。表5中的GH3535合金的蠕變強度為蠕變斷裂時的最大應(yīng)力,蠕變強度隨時間的增加不斷減小,應(yīng)力強度因子也是時間的函數(shù),用時間將應(yīng)力強度因子與蠕變強度聯(lián)系起來,繪制高溫下的Ashby圖[23],如圖10所示。圖10中,1萬h、10萬h、30萬h的數(shù)據(jù)由持久試驗數(shù)據(jù)σ-t和裂紋擴展試驗數(shù)據(jù)K-ti外推得到??梢园l(fā)現(xiàn)隨著時間的增加,GH3535合金的容限能力不發(fā)生明顯的改變。數(shù)據(jù)點均在曲線K2/πσ2=6 mm之下,說明當GH3535合金的缺陷尺寸小于6 mm時,裂紋的擴展由蠕變強度占主導作用。

        表5 GH3535合金的蠕變強度

        1)外推

        圖10 有效應(yīng)力強度因子Kn與蠕變強度σ的關(guān)系曲線

        3.5 斷口形貌分析

        GH3535合金斷口形貌的SEM圖如圖11所示。可以看出,合金是沿著晶界斷裂的。

        圖11 斷口形貌的SEM圖

        圖12 垂直于裂紋面的金相圖

        裂紋總是沿著消耗能量最小的方向擴展的,即在原子結(jié)合最弱處進行裂紋擴展,而晶界處的應(yīng)變能較高,所以只有由于某種原因使晶界結(jié)合強度降低才會發(fā)生沿晶斷裂,其原因大致有3種:(1)晶界處存在連續(xù)分布的脆性第二相;(2)微量有害雜質(zhì)元素在晶界上偏聚;(3)由于環(huán)境介質(zhì)的作用損害了晶界,如氫脆、應(yīng)力腐蝕、應(yīng)力和高溫的復(fù)合作用在晶界造成損傷[24]。對GH3535合金垂直于裂紋面進行金相分析,如圖12所示。可以看出,在晶粒內(nèi)和晶界位置存在有第二相,同時可以發(fā)現(xiàn)裂紋沿著晶界擴展,這是因為第二相的存在使晶界強度降低。

        4 結(jié)論

        在650 ℃下,對GH3535合金的蠕變裂紋擴展行為進行研究,獲得了蠕變裂紋起裂時間、裂紋擴展速率、蠕變斷裂韌性等數(shù)據(jù)。主要結(jié)論如下。

        (1)斷裂力學參量C*更適合關(guān)聯(lián)蠕變裂紋擴展速率,不同載荷的蠕變裂紋擴展速率與C*參量的關(guān)系曲線呈線性分布在窄帶中。NSW模型平面應(yīng)力預(yù)測結(jié)果與試驗相近,平面應(yīng)力預(yù)測結(jié)果偏于保守。

        (2)采用有效應(yīng)力強度因子Kn更適合關(guān)聯(lián)裂紋起裂時間,該曲線在雙對數(shù)坐標下呈線性關(guān)系。

        (4)GH3535合金雖然呈現(xiàn)沿晶斷裂機制,裂紋張開位移較小,但其容限能力較強。當結(jié)構(gòu)中缺陷尺寸小于6 mm時,裂紋的擴展由蠕變強度主導。

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