巫元俊 徐習凱 包 陳 蔡力勛

(西南交通大學力學與航天工程學院,應用力學與結(jié)構(gòu)安全四川省重點實驗室,成都 610031)

引言

反應堆壓力容器(reactor pressure vessel,RPV)是核電站的一道重要的安全屏障,容納著高溫、高壓和強放射性的堆芯且運行時間長,要求其全壽期內(nèi)破漏零風險.RPV 用鋼為鐵素體鋼,具有明顯的韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象和中子輻照脆化效應,在壓水堆運行環(huán)境下會出現(xiàn)斷裂性能下降,韌脆轉(zhuǎn)變溫度上升的現(xiàn)象,增大了RPV 失效破壞的風險.為了防止反應堆壓力容器在役期間,尤其是在壽命終期材料受到較大劑量的中子輻照脆化后發(fā)生脆性斷裂,通常在反應堆中隨堆放入輻照監(jiān)督試樣[1],以定期取出檢驗分析,了解材料受輻照后的性能變化,保證反應堆的安全運行.受輻照監(jiān)督管空間的限制,RPV 鋼監(jiān)督樣品的尺寸和數(shù)量有限,致使基于大尺寸試樣的斷裂性能評價面臨極大困難.小試樣測試技術(shù)[2-9]可有效緩解輻照樣品不足的問題.用于輻照監(jiān)督測試的小尺寸試樣相比標準大尺寸試樣的幾何約束明顯降低,使得RPV 材料趨于延性破壞.溫度、幾何約束、輻照等多因素耦合作用使 RPV 材料的斷裂失效行為變得更為復雜.

為了得到反應堆壓力容器材料輻照前后在韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)的斷裂韌性,在斷裂力學興起之前,通常用從低溫到高溫系列溫度下的夏比沖擊試驗得到?jīng)_擊功-溫度曲線、纖維斷面率-溫度曲線和側(cè)向膨脹量-溫度曲線來表征材料的韌脆轉(zhuǎn)變行為.然而,依據(jù)夏比沖擊試驗得到的相關(guān)參量與裂尖應力應變場不具直接相關(guān)性,無法建立缺陷尺寸與斷裂外載之間的關(guān)系,用于反應堆壓力容器的完整性評定的經(jīng)驗成分較大,且具有一定的危險性.為了滿足RPV 安全評估的需求,自斷裂力學發(fā)展起來后,美國曾開展了大量輻照前后RPV 材料在不同溫度下的斷裂韌性實驗,建立了基于參考無延性轉(zhuǎn)變溫度RTNDT的斷裂失效評估曲線[10].該曲線是半經(jīng)驗性的,用于反應堆壓力容器鋼的韌脆轉(zhuǎn)變行為評價偏于保守,且斷裂韌性試驗的平面應變要求和數(shù)據(jù)分散性使得試驗所需試樣尺寸較大,數(shù)量較多,輻照監(jiān)督試樣很難滿足試驗需求.鑒于輻照監(jiān)督管空間限制和材料性能的分散性現(xiàn)象,參照脆性轉(zhuǎn)變溫度的斷裂韌性-參考溫度曲線方法在應用上有很大的限制,采用少量試件得到韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)斷裂韌性的方法受到了大量關(guān)注,其中,Wallin 提出的主曲線法得到了廣泛的認可,并被ASTM 標準推薦.

Wallin[11-16]研究發(fā)現(xiàn)鐵素體鋼在韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)的臨界應力強度因子KJC的概率分布滿足如下式所示的Weibull 模型

式中,Pf表示當K≤KJC時的累積斷裂失效概率,B為測試試樣厚度,B0為設計參考試樣厚度,KI為應力強度因子,K0為Weibull 分布尺度參數(shù),對應于累積失效概率為63.2%的斷裂韌性,Kmin是KI門檻值,推薦取為20 MPa·m1/2.由于鐵素體鋼的韌脆轉(zhuǎn)變行為,其KIC與試驗溫度T關(guān)系與斷裂失效評估曲線[10]類似.因此,Wallin 認為K0值也符合類似的模型,并且通過對多種鐵素體鋼試驗結(jié)果的分析得到K0-T關(guān)系曲線

式中,T為試驗溫度,T0表示韌脆轉(zhuǎn)變參考溫度.上述斷裂韌性的分布規(guī)律均是基于2.54 cm (1 inch)標準厚度試樣建立起來的.鑒于輻照監(jiān)督試樣難以滿足KIC測試的標準試樣尺寸要求,對于非標準試樣,Wallin 提出了其斷裂韌性與標準厚度試樣斷裂韌性換算的公式

式中,KI(1T)為測試試樣對應的標準1T (即2.54 cm厚度)試樣斷裂韌性值,B1T表示2.54 cm 厚度,Bt為測試試樣的實際厚度,KI(t)為測試試樣的斷裂韌性值.將式(2)代入式(1)即得到不同失效概率Pf下的KI-T關(guān)系方程

綜上,Wallin[17]提出了可一定程度考慮斷裂韌性數(shù)據(jù)分散性、尺寸效應和溫度依賴性的主曲線法,并對主曲線法所得結(jié)果的有效性進行了探討.該方法已被列入ASTM E1921 標準[17]并廣泛用于測定RPV 鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度[18-23],大幅減少了試驗成本,提高了斷裂韌性下限值評估的準確性.然而,主曲線法也有其局限性,其所用試樣需滿足高拘束度條件,否則測得參考溫度T0偏低.張新平等[24]研究發(fā)現(xiàn)采用雙邊帶側(cè)槽的小尺寸R-CT 試樣的斷裂韌性值比相同側(cè)槽深度的夏比尺寸試樣的測試值更加接近有效的斷裂韌性值.鄧彩艷等[25]研究了面外拘束對韌脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間的影響并分析了其變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)鋼材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線可以用Boltzmann函數(shù)來描述,且發(fā)現(xiàn)試樣厚度越大,韌脆轉(zhuǎn)變溫度越高,斷裂性能下降的規(guī)律.林赟等[26]基于主曲線法研究了國產(chǎn)反應堆壓力容器鋼的輻照韌性,發(fā)現(xiàn)中子注量至1020cm-2后,其表現(xiàn)出較明顯的脆化行為.鐘巍華等[27]總結(jié)了國內(nèi)外小試樣力學性能研究的進展,并對小沖桿測試技術(shù)進行了探索.Zheng 等[28]對韌脆轉(zhuǎn)變溫度與約束參數(shù)之間的關(guān)系進行研究,發(fā)現(xiàn)兩者間存在線性關(guān)系.

Beremin 等[29]研究表明斷裂過程區(qū)的微裂紋服從Weibull 分布,并以Weibull 應力為驅(qū)動力,通過Weibull 應力可以預測材料的斷裂失效概率.Margolin等[30-32]認為解理斷裂失效應考慮微裂紋形核和微裂紋失穩(wěn)兩方面因素,提出了Prometey 局部斷裂模型.Hohe 等[33]則認為累積等效塑性應變、局部應力三軸度、最大主應力三者為控制斷裂失效的主要參量并提出了相應的斷裂韌性預測模型.該系列斷裂失效局部法模型的原理相近,復雜程度不同,且均需要借助復雜的有限元分析來實現(xiàn),在工程應用上有一定的難度.

本研究將以RPV 鋼為對象,開展不同溫度和幾何尺寸條件下的斷裂行為試驗,然后以單溫度法及多溫度主曲線法對試驗結(jié)果進行分析,并結(jié)合斷口微觀組織特征討論溫度及幾何尺寸對RPV 鋼斷裂韌性的影響,為反應堆安全運行及延壽評估提供數(shù)據(jù)參考.

1 材料與試驗

采用RPV 所用SA-508 鋼開展拉伸試驗和斷裂韌性試驗.拉伸試驗采用標準圓棒試樣,試樣工作段直徑6 mm,標距段長度為30 mm.采用圖1 所示的不同尺寸CT 和SEB 試樣完成不同溫度下的斷裂韌性試驗.圖中B為厚度,a為機加工裂紋長度,所有SEB試樣的S與W之比設為4.如表1 所示,本文設計了8 類不同構(gòu)形和尺寸試樣以考察試樣幾何約束對SA-508 鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響.參照ASTM E1921標準采用1T CT 試樣(表1 中的H 類試樣)完成-60 °C下的斷裂試驗,采用單溫度法分析得到其韌脆轉(zhuǎn)變溫度.對于表1 中的其他類型試樣,以試樣實際斷裂形式為依據(jù)開展不同溫度下的斷裂試驗,以獲得各類試樣的實際韌脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間.

圖1 試樣構(gòu)型Fig.1 Specimen configuration

低溫試驗均在低溫環(huán)境箱中進行,通過液氮空冷實現(xiàn)低溫加載,溫度控制誤差低于 ±3 °C.由于試驗空間和試驗需求不同,拉伸試樣、mini-SEB 試樣、SEB 及CT 試樣所用環(huán)境箱、試驗機有所不同,其中mini-SEB 試樣的斷裂韌性試驗在如圖2(a)所示的DL-DFT5k 電子式疲勞試驗機上完成,其余試樣在如圖2(b)所示的MTS809 電液伺服材料試驗機完成.圖3 給出了低溫下拉伸試驗及斷裂試驗的試驗照片.

圖2 低溫環(huán)境系統(tǒng)及試驗機Fig.2 Low temperature environment system and testing machine

圖3 低溫試驗Fig.3 Low temperature tests

當試樣為脆性斷裂時,采用ASTM E1921[17]規(guī)定的方法確定啟裂韌度.對于韌性斷裂的試樣,其啟裂韌度可以通過ASTM E1820[34]規(guī)定的方法確定.對于裂紋擴展后脆斷的試樣,其臨界斷裂韌性JC取脆斷時的J積分值.在獲得臨界J積分JC后,斷裂韌性KJC可由下式得到

式中,E為彈性模量,ν為泊松比.

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸試驗結(jié)果

SA-508 鋼在不同溫度下拉伸應力-應變試驗曲線如圖4 所示.圖5 分別展示了彈性模量、屈服強度和抗拉強度隨溫度變化的情況.從圖中可以看出,隨溫度降低屈服強度和抗拉強度逐漸增大,而溫度對彈性模量的影響不大.

圖4 不同溫度下拉伸應力-應變曲線Fig.4 Tensile stress-strain curves at different temperature

2.2 斷裂試驗結(jié)果

圖6～圖8 展示了不同類別試樣在不同溫度下的載荷P與位移V之間的關(guān)系.從圖中可以看出,隨著溫度的降低,不同幾何尺寸的試樣均表現(xiàn)出由韌轉(zhuǎn)脆的特征,試樣破壞的載荷上升.表2～表9 給出了不同構(gòu)形試樣在不同試驗溫度下的斷裂韌性KJC和斷裂形式.可以看到,隨著溫度的升高,試樣呈現(xiàn)脆性斷裂向延性破壞轉(zhuǎn)變的趨勢.在韌脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間內(nèi),脆性斷裂與延性破壞相互競爭.試驗溫度處于韌脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)下平臺時,斷裂試樣均表現(xiàn)為幾乎無延性的脆性斷裂.當溫度升到韌脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)上平臺時,斷裂試樣均表現(xiàn)為韌性斷裂.在同一溫度下,不同構(gòu)形試樣的斷裂形式也可能不同,大尺寸試樣發(fā)生脆斷時小尺寸試樣可能表現(xiàn)為韌性斷裂,幾何尺寸對于材料的斷裂行為有著不可忽視的影響.

表2 A 類試樣的斷裂結(jié)果Table 2 Fracture results of class A

表3 B 類試樣的斷裂結(jié)果Table 3 Fracture results of class B

表4 C 類試樣的斷裂結(jié)果Table 4 Fracture results of class C

表5 D 類試樣的斷裂結(jié)果Table 5 Fracture results of class D

表6 E 類試樣的斷裂結(jié)果Table 6 Fracture results of class E

表7 F 類試樣的斷裂結(jié)果Table 7 Fracture results of class F

表8 G 類試樣的斷裂結(jié)果Table 8 Fracture results of class G

表9 H 類試樣的斷裂結(jié)果Table 9 Fracture results of class H

圖6 mini-SEB 試樣的載荷-位移曲線Fig.6 P-V curve of mini-SEB specimens

圖7 SEB 試樣的載荷-位移曲線圖Fig.7 P-V curve of SEB specimens

圖8 CT 試樣的載荷-位移曲線圖Fig.8 P-V curve of CT specimens

斷裂韌性KJC與試驗溫度T之間的關(guān)系如圖9所示.對比分析可知,在其他條件一致的情況下,SA-508 鋼的斷裂韌性值KJC隨寬度W增大而逐漸減小,隨溫度T降低而逐漸增大,隨裂紋長度比a/W的增大而逐漸減小,即高約束度(即裂紋越長)和低溫都會使SA-508 鋼表現(xiàn)出更低的斷裂韌性.

圖9 基于所有試樣的主曲線圖Fig.9 Master curve based on all specimens

參照ASTM E1921 的單溫度法對1T CT 試樣(H 類)-60 °C 下的斷裂韌性進行分析得到主曲線圖和韌脆轉(zhuǎn)變參考溫度,分別如圖9 和表10 所示.同時采用ASTM E1921 的多溫度法對各類試樣在不同溫度下的斷裂韌性進行分析可以得到相應的韌脆轉(zhuǎn)變參考溫度T0,結(jié)果見表10.進一步地,采用多溫度法對所有試樣的斷裂韌性進行分析得到主曲線圖和韌脆轉(zhuǎn)變參考溫度,分別如圖9 和表10 所示.可以看到,標準厚度試樣所得韌脆轉(zhuǎn)變溫度明顯高于其他小尺寸試樣結(jié)果.標準厚度試樣得到的韌脆轉(zhuǎn)變溫度與其實際韌脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間較為接近,而由其他小尺寸試樣得到韌脆轉(zhuǎn)變溫度與其實際韌脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間相差較大.從表10 結(jié)果可以看到,主曲線法對于標準厚度試樣的韌脆轉(zhuǎn)變溫度預測具有良好的精度,但其用于小尺寸試樣的韌脆轉(zhuǎn)變溫度預測精度非常有限.

表10 各構(gòu)型試樣的韌脆轉(zhuǎn)變參考溫度(單位: °C)Table 10 Ductile-to-brittle transition temperature of specimens with various configuration (unit: °C)

2.3 試樣斷口宏微觀組織特征

圖10 給出了幾個典型溫度下E 類斷裂試樣的斷口照片,其中圖10(a)為典型韌性斷裂斷口,圖10(b)在裂紋發(fā)生一定程度延性擴展后脆斷,圖10(c)在產(chǎn)生一定的塑性變形后脆斷,而圖10(d)為完全脆性斷裂斷口.其余試樣相同斷裂類型下均呈現(xiàn)出此類特征.通過宏觀觀察可以發(fā)現(xiàn): 隨著溫度的降低,試樣的塑性變形不斷減小,即由韌性逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈?

圖10 部分典型E 類斷裂試樣的斷口掃描電鏡圖Fig.10 Sem images of some typical class E fracture specimens

如圖10 所示,對幾個特定溫度下E 類斷裂試樣的斷口進行電鏡掃描后可發(fā)現(xiàn)試樣斷口和裂紋尖端存在撕裂帶和較深的韌窩,且塑性纖維帶和韌窩沿鈍化的裂紋尖端分布.圖10(c)可看到,試樣在-40 °C時的斷口存在少量韌窩與解理斷裂交界面,圖10(d)則顯示了試樣在-80 °C 時的脆斷斷口上出現(xiàn)明顯的舌花狀解理斷裂特征.當試驗溫度處于韌脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間下平臺,幾乎沒有延性擴展區(qū),試樣表現(xiàn)出明顯的脆性斷裂,隨著溫度增高,試樣斷口處的延性擴展區(qū)逐漸變大,試樣逐漸表現(xiàn)出韌性斷裂的特征,直至完全韌性斷裂.

圖11 給出了脆斷試樣的啟裂點和啟裂方向示意圖.通過電鏡掃描試樣斷口可以量出不同試樣在不同溫度下的啟裂點位置(與斷口邊緣的距離).

通過測量部分試樣啟裂點與斷口邊緣的垂直距離,得到了其啟裂點位置y與啟裂韌度KJC的關(guān)系曲線,如圖12 所示.結(jié)果表明隨著啟裂韌度的降低,試樣啟裂點位置逐漸接近裂尖,且呈現(xiàn)出一定的非線性規(guī)律.

圖12 試樣啟裂點位置與啟裂韌度關(guān)系Fig.12 Relationship between crack initiation point and crack initiation toughness

3 結(jié)論

(1)SA-508 鋼在不同溫度下的拉伸試驗結(jié)果表明,屈服強度和抗拉強度隨溫度降低逐漸增大,而溫度變化對彈性模量的影響較小.

(2)不同尺寸SEB 和CT 試樣在不同溫度下的斷裂試驗結(jié)果表明,在其他條件一致的情況下,SA-508 鋼的斷裂韌性KJC隨尺寸增大而逐漸減小,隨溫度降低而逐漸減小.通過主曲線法得到了各尺寸試樣的韌脆轉(zhuǎn)變參考溫度T0.標準厚度試樣所得韌脆轉(zhuǎn)變溫度明顯高于其他小尺寸試樣結(jié)果.主曲線法對于標準厚度試樣的韌脆轉(zhuǎn)變溫度預測具有良好的精度,但其用于小尺寸試樣的韌脆轉(zhuǎn)變溫度預測精度非常有限.

(3)對試驗后的試樣斷口進行了宏微觀分析,結(jié)果表明,隨著溫度的降低,脆性斷裂試樣的啟裂點位置逐漸靠近斷口邊緣,且啟裂點位置與斷裂韌性KJC呈現(xiàn)出一定的非線性規(guī)律.