樊光程,王晚霞,談建平,侍克獻(xiàn),周伯謀,陸燕玲
(1.中國科學(xué)院 上海應(yīng)用物理研究所,上海 201800;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049;3.華東理工大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院,上海 200237;4.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,上海 200240)
研究和開發(fā)經(jīng)濟(jì)、高效、安全的先進(jìn)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(jì)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(kuò)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(xué)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(kuò)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(kuò)展性能進(jìn)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(kuò)展試驗,分析蠕變裂紋擴(kuò)展規(guī)律,并對斷裂性能進(jìn)行評價。
試驗材料為鎳基高溫合金GH3535,其化學(xué)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(xué)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(kuò)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(biāo)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(kuò)展速率試驗CT試樣結(jié)構(gòu)示意
試驗方法、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理按ASTM E1457—2015進(jìn)行[14]。蠕變裂紋擴(kuò)展速率試驗在GWT304機(jī)械式持久蠕變試驗機(jī)上開展。試驗溫度為650 ℃,在載荷3 000~4 000 N的范圍內(nèi)進(jìn)行恒載荷的裂紋擴(kuò)展試驗,采用直流電位法測量裂紋的長度。在不同應(yīng)力強(qiáng)度因子下進(jìn)行試驗,試樣標(biāo)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(kuò)展試驗參數(shù)
蠕變裂紋擴(kuò)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(jī)將試樣完全拉開,然后采用光學(xué)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(kuò)展增量Δa與時間t關(guān)系曲線
蠕變裂紋擴(kuò)展增量與時間的關(guān)系曲線如圖3所示。可以看出,裂紋擴(kuò)展長度隨時間增大,并且在蠕變裂紋擴(kuò)展初期存在著一個或長或短的孕育階段,在此階段裂紋擴(kuò)展很慢,根據(jù)ASTM E1457,可以取蠕變裂紋擴(kuò)展增量為0.2 mm的時間作為蠕變裂紋起裂時間ti[14]。
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
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(qiáng)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(qiáng)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(kuò)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(kuò)展速率。
圖5 蠕變裂紋擴(kuò)展速率da/dt與有效應(yīng)力強(qiáng)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(fù)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tT 蠕變裂紋擴(kuò)展行為可以用NSW模型進(jìn)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。可以看出,不同試樣的蠕變裂紋擴(kuò)展速率da/dt與斷裂力學(xué)參量C*呈線性關(guān)系且分散性較小,所以用斷裂力學(xué)參量C*關(guān)聯(lián)蠕變裂紋擴(kuò)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(yuǎn)大于試驗值,偏于保守。蠕變裂紋擴(kuò)展速率與斷裂力學(xué)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 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(jī)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(zhǔn)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(qiáng)度因子Kn的 關(guān)系曲線 有效應(yīng)力強(qiáng)度因子Kn和蠕變裂紋起裂時間ti的關(guān)系如圖7所示??梢钥闯觯趯?shù)坐標(biāo)下,有效應(yīng)力強(qiáng)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(kuò)展,裂紋尖端處于小范圍蠕變狀態(tài),所以可用應(yīng)力強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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。 蠕變斷裂韌性為材料抵抗蠕變裂紋擴(kuò)展的能力,其值越大,則裂紋越不易擴(kuò)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(jìn)行結(jié)構(gòu)的安全評價。TDFAD法綜合考慮了蠕變機(jī)制下由于蠕變裂紋擴(kuò)展導(dǎo)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(jī)制之間的失效模式,只需要進(jìn)行簡單的應(yīng)力強(qiáng)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(xué)的分析[19-21]。 (14) δc——裂紋擴(kuò)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 蠕變強(qiáng)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(qiáng)度為蠕變斷裂時的最大應(yīng)力,蠕變強(qiáng)度隨時間的增加不斷減小,應(yīng)力強(qiáng)度因子也是時間的函數(shù),用時間將應(yīng)力強(qiáng)度因子與蠕變強(qiáng)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(kuò)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(dāng)GH3535合金的缺陷尺寸小于6 mm時,裂紋的擴(kuò)展由蠕變強(qiáng)度占主導(dǎo)作用。 表5 GH3535合金的蠕變強(qiáng)度 1)外推 圖10 有效應(yīng)力強(qiáng)度因子Kn與蠕變強(qiáng)度σ的關(guān)系曲線 GH3535合金斷口形貌的SEM圖如圖11所示??梢钥闯?,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(kuò)展的,即在原子結(jié)合最弱處進(jìn)行裂紋擴(kuò)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(qiáng)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(jìn)行金相分析,如圖12所示??梢钥闯?,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(kuò)展,這是因為第二相的存在使晶界強(qiáng)度降低。 在650 ℃下,對GH3535合金的蠕變裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行研究,獲得了蠕變裂紋起裂時間、裂紋擴(kuò)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(xué)參量C*更適合關(guān)聯(lián)蠕變裂紋擴(kuò)展速率,不同載荷的蠕變裂紋擴(kuò)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(qiáng)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(biāo)下呈線性關(guān)系。 (4)GH3535合金雖然呈現(xiàn)沿晶斷裂機(jī)制,裂紋張開位移較小,但其容限能力較強(qiáng)。當(dāng)結(jié)構(gòu)中缺陷尺寸小于6 mm時,裂紋的擴(kuò)展由蠕變強(qiáng)度主導(dǎo)。3.2 蠕變裂紋起裂時間
3.3 蠕變斷裂韌性
3.4 GH3535合金容限能力分析
3.5 斷口形貌分析
4 結(jié)論