自動球壓頭壓入試驗法測算核容器鋼斷裂韌度的研究.pdf

1、核能作為一種清潔能源，已得到許多國家的開發(fā)和利用。然而核能在使用過程中存在危險性，一旦出現(xiàn)事故便會造成很大損失。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核電站的重中之重。斷裂韌度作為材料抵抗裂紋擴展的能力，是核反應(yīng)堆壓力容器在服役過程中需要重點關(guān)注的力學性能指標。如何實現(xiàn)無損測量在役核反應(yīng)堆壓力容器斷裂韌度成為近些年的研究熱點。
　　自動球壓頭壓入試驗法可以實現(xiàn)對在役核容器斷裂韌度等力學性能的測算。作者對自動球壓

2、頭壓入試驗法測算金屬材料斷裂韌度相關(guān)理論的起源和方法進行回溯和分析。利用有限元分析軟件ABAQUS對自動球壓頭壓入試驗和常規(guī)斷裂試驗過程進行模擬，分別對壓頭下方區(qū)域和裂尖區(qū)域材料的應(yīng)力應(yīng)變場進行了分析，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，裂尖區(qū)域材料主要為拉應(yīng)力場，但是兩個區(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)，為利用自動球壓頭壓入試驗法測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為研究對象，分別進行常溫下的標準拉伸試驗、常規(guī)斷裂試驗和自動球壓頭壓入試驗，獲得材料的載荷-壓入深度曲線，分別利用HFTM（Haggag Fracture Toughness Method，簡稱HFTM）模型和CIE(Critica

4、l IndentationEnergy，簡稱CIE)模型對壓入試驗數(shù)據(jù)進行處理得到材料斷裂韌度。通過對比常規(guī)斷裂試驗和自動球壓頭壓入試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對同種材料采用自動球壓頭壓入試驗法的測算結(jié)果與常規(guī)斷裂試驗結(jié)果存在偏差，自動球壓頭壓入試驗法測算斷裂韌度的理論仍需修正。
　　利用掃描電鏡對自動球壓頭壓入試樣殘余凹坑截面進行觀察。觀察結(jié)果表明自動球壓頭壓入試驗過程會使壓頭下方材料產(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。對上述三種材料分別進行反復(fù)加卸載拉伸試驗，基于連續(xù)損傷力學相關(guān)理論，得出自動球壓頭壓入試驗CIE模型中對應(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。
　　利用光學顯微鏡和掃描電鏡對自動球壓頭壓入試樣殘余凹坑邊緣進行觀察。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ε0對堆積系數(shù)c2的影響，總結(jié)出堆積系數(shù)c2與三個變量間的關(guān)系式，為修正“堆積”和“沉陷”現(xiàn)象對于壓痕投影面積的影響提供支持。
　　基于上述研究，對CIE模型進行了一定修正。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)象對于壓痕投影面積的影響;對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模型修正前后測算得到的斷裂韌度值與常規(guī)斷裂試驗結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)CIE模型修正后的測算結(jié)果與常規(guī)斷裂試驗結(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)試驗偏差在22％以內(nèi)。通過比較發(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算核容器鋼斷裂韌