自動(dòng)球壓頭壓入試驗(yàn)法測(cè)算核容器鋼斷裂韌度的研究.pdf

1、核能作為一種清潔能源，已得到許多國(guó)家的開發(fā)和利用。然而核能在使用過(guò)程中存在危險(xiǎn)性，一旦出現(xiàn)事故便會(huì)造成很大損失。核反應(yīng)堆是核電站的核心，確保核反應(yīng)堆壓力容器安全服役是整個(gè)核電站的重中之重。斷裂韌度作為材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，是核反應(yīng)堆壓力容器在服役過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注的力學(xué)性能指標(biāo)。如何實(shí)現(xiàn)無(wú)損測(cè)量在役核反應(yīng)堆壓力容器斷裂韌度成為近些年的研究熱點(diǎn)。
　　自動(dòng)球壓頭壓入試驗(yàn)法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)在役核容器斷裂韌度等力學(xué)性能的測(cè)算。作者對(duì)自動(dòng)球壓

2、頭壓入試驗(yàn)法測(cè)算金屬材料斷裂韌度相關(guān)理論的起源和方法進(jìn)行回溯和分析。利用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)自動(dòng)球壓頭壓入試驗(yàn)和常規(guī)斷裂試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行模擬，分別對(duì)壓頭下方區(qū)域和裂尖區(qū)域材料的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行了分析，分析發(fā)現(xiàn)雖然壓頭下方區(qū)域材料主要為壓應(yīng)力場(chǎng)，裂尖區(qū)域材料主要為拉應(yīng)力場(chǎng)，但是兩個(gè)區(qū)域材料所處的狀態(tài)仍然具有一定相似性，特別是壓頭下方與加載方向呈45°位置上的剪應(yīng)力與裂尖的剪應(yīng)力在數(shù)值和變化規(guī)律上都具有一定的相似性，剪應(yīng)力可以促進(jìn)延性金屬

3、材料發(fā)生韌窩斷裂。因此，在壓頭下方區(qū)域存在與裂尖區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)相似的特征區(qū)，為利用自動(dòng)球壓頭壓入試驗(yàn)法測(cè)算材料斷裂韌度提供一定支持。
　　作者以核容器常用鋼SA508-3、SA516Gr70和SA533B為研究對(duì)象，分別進(jìn)行常溫下的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)、常規(guī)斷裂試驗(yàn)和自動(dòng)球壓頭壓入試驗(yàn)，獲得材料的載荷-壓入深度曲線，分別利用HFTM（Haggag Fracture Toughness Method，簡(jiǎn)稱HFTM）模型和CIE(Critica

4、l IndentationEnergy，簡(jiǎn)稱CIE)模型對(duì)壓入試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到材料斷裂韌度。通過(guò)對(duì)比常規(guī)斷裂試驗(yàn)和自動(dòng)球壓頭壓入試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)同種材料采用自動(dòng)球壓頭壓入試驗(yàn)法的測(cè)算結(jié)果與常規(guī)斷裂試驗(yàn)結(jié)果存在偏差，自動(dòng)球壓頭壓入試驗(yàn)法測(cè)算斷裂韌度的理論仍需修正。
　　利用掃描電鏡對(duì)自動(dòng)球壓頭壓入試樣殘余凹坑截面進(jìn)行觀察。觀察結(jié)果表明自動(dòng)球壓頭壓入試驗(yàn)過(guò)程會(huì)使壓頭下方材料產(chǎn)生孔洞損傷，隨著壓頭壓入深度的增加，截面中的孔洞數(shù)量和尺

5、寸不斷增加，孔洞大多集中在與壓頭加載方向成45°的位置。對(duì)上述三種材料分別進(jìn)行反復(fù)加卸載拉伸試驗(yàn)，基于連續(xù)損傷力學(xué)相關(guān)理論，得出自動(dòng)球壓頭壓入試驗(yàn)CIE模型中對(duì)應(yīng)于壓頭臨界壓入深度的臨界孔洞率分別為f*=0.221、0.247和0.229。
　　利用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡對(duì)自動(dòng)球壓頭壓入試樣殘余凹坑邊緣進(jìn)行觀察。觀察發(fā)現(xiàn)凹坑邊緣處發(fā)生明顯的塑性變形，存在明顯的“堆積”現(xiàn)象。利用有限元分析軟件ABAQUS研究了凹坑邊緣的“堆積”和“沉

6、陷”現(xiàn)象，結(jié)合量綱分析理論，定性研究了壓頭壓入深度比h/D、材料應(yīng)變硬化指數(shù)n及屈服應(yīng)變?chǔ)?對(duì)堆積系數(shù)c2的影響，總結(jié)出堆積系數(shù)c2與三個(gè)變量間的關(guān)系式，為修正“堆積”和“沉陷”現(xiàn)象對(duì)于壓痕投影面積的影響提供支持。
　　基于上述研究，對(duì)CIE模型進(jìn)行了一定修正。利用有限元仿真得到的堆積系數(shù)的關(guān)系式修正“堆積”現(xiàn)象對(duì)于壓痕投影面積的影響;對(duì)臨界孔洞率的修正分別采用三種鋼各自臨界孔洞率f*=0.221、0.247和0.229及其平均值

7、f*=0.232，將CIE模型修正前后測(cè)算得到的斷裂韌度值與常規(guī)斷裂試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)CIE模型修正后的測(cè)算結(jié)果與常規(guī)斷裂試驗(yàn)結(jié)果的偏差明顯小于修正前的偏差，其中采用各自臨界孔洞率修正后的CIE模型結(jié)果和常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果偏差在14％以內(nèi)，而采用平均值f*=0.232修正后的結(jié)果和常規(guī)試驗(yàn)偏差在22％以內(nèi)。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)采用各自臨界孔洞率修正后的CIE模型精度更高，但是使用平均臨界孔洞率f*=0.232代替三種鋼各自臨界孔洞率測(cè)算核容器鋼斷裂韌