CN110940580B - 一种计算钝化的应力腐蚀裂纹尖端应力强度因子的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种计算钝化的应力腐蚀裂纹尖端应力强度因子的方法，包括以下步骤：步骤1，在模拟的压水堆环境中对应力腐蚀试样进行慢拉伸试验；步骤2，将试样进行抛光处理，然后用王水腐蚀，之后将试样放入酒精中用超声清洗并烘干；步骤3，利用扫描电镜测量裂纹尖端半径，具体的首先在裂纹尖端寻找经过腐蚀产生的最大轮廊，然后在最大轮廊上取三个点来确定圆进而测量该圆的半径；步骤4，根据步骤3的测量结果，利用有限元分析软件ABAQUS获取钝化的应力腐蚀裂纹尖端的最大应力，得到σmax；步骤5，将步骤4得到的σmax代入(1)式，即得到钝化的应力腐蚀裂纹尖端的应力强度因子，进而判断应力腐蚀裂纹扩展的倾向，其中，式(1)为：
Figure DDA0001808715850000011

Description

一种计算钝化的应力腐蚀裂纹尖端应力强度因子的方法
技术领域
本发明涉及应力腐蚀技术领域，特别是涉及一种计算钝化的应力腐蚀裂纹尖端应力强度因子的方法。
背景技术
奥氏体不锈钢和镍基合金具有良好的耐腐蚀性能和力学性能而被广泛应用于核电设备的结构材料，但是这些材料在轻水反应堆的高温水环境中发生的应力腐蚀开裂却成为影响核电站长期安全运行和寿命的关键问题之一。现己证明核电材料应力腐蚀是一种发生在十分靠近裂尖断裂过程区的力学作用下电化学行为，是裂尖腐蚀环境、材料和力学共同作用的结果，因此要预测出准确的应力腐蚀裂纹扩展速率有很大的难度。目前，材料环境致裂扩展速率与应力强度因子的关系是定量评价核电关键材料和结构环境致裂行为的重要依据，同时也被用作设计曲线对核电材料与结构进行安全评价。Ford and Andresen提出了预测奥氏体不锈钢在沸水反应堆中应力腐蚀裂纹扩展速率与裂纹尖端应力强度因子之间的关系式：da/dtSCC＝7.8×10-4p3.6(4.1×10-14K4)p。其中，p＝0.7.可见影响应力腐蚀裂纹扩展速率的主要因素为裂纹尖端的应力强度因子。
腐蚀提高了空位产生、吸氢和局部溶解，从而改变了裂纹尖端的形态，导致裂纹尖端应力分布的变化。裂纹尖端有更大的应力集中，导致裂纹尖端有更高的腐蚀电位。与在惰性环境下裂纹扩展相比，随着金属原子从裂纹侧翼向裂纹尖端附近的氧化膜扩散，裂纹尖端半径不断增大。此外，在腐蚀过程中，微孔通过扩散吸附或进入裂纹尖端金属基体，使裂纹尖端疏松或不致密，也相当于增加了裂纹尖端半径。过高或过低估计材料和结构环境致裂扩展速率都将会带来巨大的经济损失或灾难性的安全问题。因此，为了精准预测奥氏体不锈钢应力腐蚀裂纹扩展速率，从力学角度给出应力腐蚀裂纹尖端应力强度因子的计算方法是很有必要的。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种计算钝化的应力腐蚀裂纹尖端应力强度因子的方法。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种计算钝化的应力腐蚀裂纹尖端应力强度因子的方法，包括以下步骤：
步骤1，在模拟的压水堆环境中对应力腐蚀试样进行慢拉伸试验；
步骤2，将步骤1得到的试样进行抛光处理，然后用王水腐蚀，之后将试样放入酒精中用超声清洗并烘干；
步骤3，利用扫描电镜测量裂纹尖端半径，具体的首先在裂纹尖端寻找经过腐蚀产生的最大轮廊，然后在最大轮廊上取三个点来确定圆进而测量该圆的半径；
步骤4，根据步骤3的测量结果，利用有限元分析软件ABAQUS获取钝化的应力腐蚀裂纹尖端的最大应力，建立裂纹尖端半径为Rtip的二维有限元模型，在裂纹两侧施加均匀的外加载荷，得到裂纹尖端应力分布，然后读出裂纹尖端应力最大单元的应力，得到σmax；
步骤5，将步骤4得到的σmax代入(1)式，即得到钝化的应力腐蚀裂纹尖端的应力强度因子，进而判断应力腐蚀裂纹扩展的倾向，其中，式(1)为：
Figure BDA0001808715830000021
在上述技术方案中，所述应力腐蚀试样的材质为奥氏体不锈钢。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种用有限元与试验相结合的方法计算钝化裂纹尖端σmax的方法，从而预测钝化的应力腐蚀裂纹的扩展倾向。
附图说明
图1钝化的裂纹尖端示意图；
图2扫描电镜测量钝化的应力腐蚀裂纹尖端半径；
图3钝化的应力腐蚀裂纹尖端网格划分方法；
图4不同半径的裂纹尖端应力分布。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂过程中，氧化膜反复发生断裂和和自我修复。当氧化膜破裂时，新鲜金属暴露在PWR环境中，导致裂纹尖端金属原子快速腐蚀，而后氧化膜自我修复。在氧化膜自我修复的过程中，应力腐蚀裂纹发生钝化，钝化的应力腐蚀裂纹的扩展倾向可以由K1(c)来反映。
当SCC(stress corrosion cracking，应力腐蚀开裂)裂纹尖端氧化膜破裂时，SCC裂纹以步长a间歇增长(图1)。对于脆性或准脆性材料，在模式I加载下，只要裂纹深度c足够大于a(c>>a)，则应力强度因子的计算公式为
Figure BDA0001808715830000031
可参考文献：A.Carpinteri,P.Cornetti,A.Sapora,Brittle failures atrounded V-notches:a finite fracture mechanics approach,Int.J.Fract.172(2011)1-8.
其中σmax是裂纹尖端的最大应力.
实施例1
步骤1，在模拟的压水堆(PWR)环境中进行应力腐蚀慢拉伸试验。具体为，利用高纯水配制试验溶液，添加2.2ppm Li(LiOH)，1200ppm B(H3BO3)。将1.7L溶液加入到3.5L高温高压釜中，将其加热至300℃，连续通入氮气(99.999％)使试验溶液氧含量保持在5ppb下，然后在该环境中做慢拉伸试验，拉伸速率为1×10-6s-1，应力腐蚀试样采用NACE TM 0171提供的标准图纸；
步骤2，对于应力腐蚀慢拉伸试验过程中产生的应力腐蚀裂纹试样，抛光后用王水腐蚀，使裂纹轮廊清晰，之后将试样放入酒精中用超声清洗机清洗并烘干；
步骤3，借助扫描电镜测量裂纹尖端半径。首先在裂纹尖端寻找经过腐蚀产生的最大轮廊，然后在最大轮廊上取三个点来确定圆进而测量该圆的半径，如图2所示；
步骤4，根据测量结果，利用有限元分析软件ABAQUS获取钝化的应力腐蚀裂纹尖端的最大应力。在模拟过程中输入材料的屈服强度，抗拉强度，泊松比，裂纹尖端半径为Rtip的二维有限元模型的1/4部分及裂纹尖端局部网格如图3所示；
步骤5，在裂纹两侧施加均匀的外加载荷，得到裂纹尖端应力分布，然后读出裂纹尖端应力最大单元的应力，即得到σmax；
步骤6，把σmax代入(1)式，即得到钝化的应力腐蚀裂纹尖端的应力强度因子，进而判断应力腐蚀裂纹扩展的倾向。
以奥氏体不锈钢CF8A为例，300℃时的屈服强度为242MPa，抗拉强度为503MPa，泊松比为0.3，计算得到在200MPa的外加应力下不同裂纹尖端半径的裂纹前沿应力与到裂纹尖端距离间的应力分布曲线如图4所示，为了使得曲线美观，选取σ/σy(σ为裂纹尖端应力，σy为屈服强度)为纵坐标。可以观察到，裂纹尖端最大应力随裂纹尖端半径Rtip的增加而减小，尤其是当Rtip＝0.02mm，最大应力σmax远远低于Rtip＝0mm时的最大应力，且裂纹尖端几乎没有应力集中。因此对钝化裂纹尖端最大应力的精准计算对裂纹扩展倾向(K1(c))的预测尤为重要。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种计算钝化的应力腐蚀裂纹尖端应力强度因子的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在模拟的压水堆环境中对应力腐蚀试样进行慢拉伸试验；
步骤2，将步骤1得到的试样进行抛光处理，然后用王水腐蚀，之后将试样放入酒精中用超声清洗并烘干；
步骤3，利用扫描电镜测量裂纹尖端半径，具体的首先在裂纹尖端寻找经过腐蚀产生的最大轮廊，然后在最大轮廊上取三个点来确定圆进而测量该圆的半径；
步骤4，根据步骤3的测量结果，利用有限元分析软件ABAQUS获取钝化的应力腐蚀裂纹尖端的最大应力，建立裂纹尖端半径为Rtip的二维有限元模型，在裂纹两侧施加均匀的外加载荷，得到裂纹尖端应力分布，然后读出裂纹尖端应力最大单元的应力，得到σmax，σmax是用有限元与试验相结合的方法计算得到的；
步骤5，将步骤4得到的σmax代入(1)式，即得到钝化的应力腐蚀裂纹尖端的应力强度因子，进而判断应力腐蚀裂纹扩展的倾向，其中，式(1)为：
Figure FDA0003559032520000011
式(1)中a为SCC裂纹间歇增长的步长，单位为mm。
2.如权利要求1所述的计算钝化的应力腐蚀裂纹尖端应力强度因子的方法，其特征在于，所述应力腐蚀试样的材质为奥氏体不锈钢。
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