【摘要】：在核電主設(shè)備一回路系統(tǒng)中,存在許多連接核壓力容器接管嘴與安全端的異種金屬焊接接頭。核電站運(yùn)行歷史表明,這種多材料構(gòu)成的焊接接頭中的材料界面區(qū)是發(fā)生應(yīng)力腐蝕和斷裂失效的薄弱環(huán)節(jié),因而屬于核安全重點(diǎn)關(guān)注部位。當(dāng)材料界面區(qū)在制造和服役中產(chǎn)生裂紋缺陷時(shí),由于裂紋兩側(cè)材料存在強(qiáng)度、硬化性能及本質(zhì)韌性的差異,即力學(xué)性能的失配,使裂尖前塑性變形、應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)力狀態(tài)存在復(fù)雜性,從而使其斷裂阻力和裂紋擴(kuò)展路徑發(fā)生復(fù)雜變化,給接頭結(jié)構(gòu)完整性的設(shè)計(jì)和評(píng)定帶來困難。為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)這種接頭的界面區(qū)裂紋對(duì)結(jié)構(gòu)完整性的影響,需要對(duì)力學(xué)性能失配及其引起的材料拘束效應(yīng)對(duì)界面區(qū)裂紋的起裂/擴(kuò)展行為的影響及進(jìn)而對(duì)斷裂阻力的影響進(jìn)行系統(tǒng)深入的單因素研究,以掌握其規(guī)律性,探尋所有因素耦合在一起時(shí)的主要影響因素。本文中作者以新一代核電壓力容器接管-安全端鎳基Alloy52M異種金屬焊接接頭材料界面區(qū)為研究對(duì)象,采用數(shù)值模擬、試驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的方法對(duì)上述問題進(jìn)行了研究,研究工作及得到的主要結(jié)論如下:(1)采用基于GTN損傷力學(xué)模型的有限元法,研究了硬化失配和材料本質(zhì)韌性失配對(duì)雙金屬材料界面斷裂行為的影響。結(jié)果表明,界面兩種材料硬化性能之間的失配所引起的材料拘束效應(yīng)會(huì)使界面裂紋的斷裂阻力降低。隨著硬化失配程度的增加,斷裂阻力降低的程度增加。本質(zhì)韌性失配對(duì)雙金屬材料界面裂紋斷裂行為的影響與強(qiáng)度失配水平有關(guān)。當(dāng)界面處于高強(qiáng)度失配與低韌性失配時(shí),裂紋的擴(kuò)展路徑和斷裂行為主要受強(qiáng)度失配的控制;當(dāng)界面處于低強(qiáng)度失配與高韌性失配時(shí),界面裂紋的擴(kuò)展路徑與斷裂行為主要受韌性失配的控制。(2)對(duì)不同幾何與材料復(fù)合拘束水平下雙金屬材料界面裂紋的擴(kuò)展行為進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,材料拘束對(duì)雙金屬材料界面裂紋試樣斷裂行為的影響與該試樣的幾何拘束水平有關(guān)。當(dāng)試樣幾何拘束水平較低,材料拘束對(duì)雙金屬材料界面的斷裂阻力的影響不明顯;當(dāng)試樣幾何拘束處于中等水平時(shí),材料拘束對(duì)界面斷裂阻力的影響十分明顯;隨著試樣幾何拘束水平的進(jìn)一步增加,界面的斷裂阻力逐漸由幾何拘束水平主導(dǎo),材料拘束的影響作用逐漸變?nèi)?并且此時(shí)的裂紋擴(kuò)展路徑偏移程度也逐漸降低。(3)對(duì)核電安全端異種金屬焊接接頭材料界面區(qū)中不同位置裂紋的斷裂行為及其影響因素進(jìn)行了模擬研究。結(jié)果表明,對(duì)于裂紋兩側(cè)材料本質(zhì)韌性差異較小的裂紋,斷裂阻力和裂紋擴(kuò)展路徑主要由局部強(qiáng)度和硬化失配控制,裂紋擴(kuò)展路徑通常偏向強(qiáng)度較低、硬化性能較低的材料區(qū)。對(duì)于裂紋兩側(cè)材料本質(zhì)韌性差異明顯的裂紋,裂紋擴(kuò)展路徑和斷裂阻力主要受局部力學(xué)(強(qiáng)度和硬化性能)失配和本質(zhì)韌性的交互作用控制,裂紋通常偏向強(qiáng)度和本質(zhì)韌性較低的材料區(qū)擴(kuò)展。此外,界面區(qū)力學(xué)性能的不均勻性會(huì)造成斷裂韌度更大的變化幅度及尺度范圍。(4)對(duì)核電安全端異種金屬焊接接頭中兩個(gè)界面區(qū)不同位置的裂紋計(jì)算了拘束參數(shù)Ap,研究了該參數(shù)表征界面區(qū)材料拘束的能力。結(jié)果表明,當(dāng)裂尖等效塑性應(yīng)變?chǔ)舙等值線所包圍的絕大多數(shù)區(qū)域分布在裂紋所處材料內(nèi)時(shí),參數(shù)Ap可以表征異種金屬焊接接頭界面區(qū)由裂紋初始位置所引起的材料拘束效應(yīng)�；趨�(shù)Ap,可以建立異種金屬焊接界面區(qū)斷裂韌度與材料拘束的關(guān)聯(lián)線,其可以用來獲得界面區(qū)裂紋的拘束相關(guān)的斷裂韌度。(5)通過小尺寸平板試樣拉伸試驗(yàn)和單邊缺口彎曲試樣斷裂試驗(yàn),測(cè)定了兩種不同制造工藝下的異種金屬焊接接頭(含隔離層和無隔離層)及其挖槽補(bǔ)焊接頭不同位置的局部力學(xué)性能、斷裂韌度和裂紋擴(kuò)展阻力。研究表明,在不同的安全端接頭設(shè)計(jì)、焊接制造和挖槽補(bǔ)焊工藝條件下,所得到的接頭母材和焊縫的宏觀力學(xué)性能、接頭局部區(qū)的強(qiáng)度、塑性和斷裂韌度的差別不大。表明無隔離層的安全端接頭的簡(jiǎn)化制造工藝及兩種接頭的挖槽補(bǔ)焊對(duì)接頭的力學(xué)性能和斷裂韌度影響不大,在實(shí)際制造中是可行的。(6)模擬研究了兩種核電安全端異種金屬焊接結(jié)構(gòu)(含隔離層和無隔離層結(jié)構(gòu))的變形、承載能力和斷裂行為。結(jié)果表明,兩種焊接結(jié)構(gòu)的塑性垮塌和整體屈服極限彎矩主要由低屈服強(qiáng)度的316L材料的整體屈服控制,而與裂紋位置無關(guān)。此外,當(dāng)裂紋位于安全端焊接結(jié)構(gòu)中高屈服強(qiáng)度材料內(nèi)時(shí),宏觀材料強(qiáng)度失配對(duì)于結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展阻力與承載能力的提高具有有利影響;當(dāng)裂紋位于安全端焊接結(jié)構(gòu)中低屈服強(qiáng)度材料內(nèi)時(shí),宏觀材料強(qiáng)度失配具有不利影響。兩種異種金屬焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度基本相同,低屈服強(qiáng)度的316L安全端管及其焊接區(qū)是結(jié)構(gòu)最為薄弱的區(qū)域。進(jìn)一步的研究表明,對(duì)于無隔離層的安全端焊接結(jié)構(gòu),焊縫寬度主要影響焊縫區(qū)裂紋的承載能力和斷裂阻力,對(duì)結(jié)構(gòu)中最為薄弱的Alloy52Mw/316L界面裂紋幾乎沒有影響。
【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM623.4
【圖文】：

，失配同時(shí)存在，此時(shí)總體拘束參數(shù)價(jià)可定義為：逡逑Ｐｔ＝Ｐ？，－＾邋＋邋Ｐ，邐（１－８）逡逑其中ａ為裂紋長(zhǎng)度，２／？為焊縫寬度。逡逑近期本課題組Ｙａｎｇ等人研究發(fā)現(xiàn)拘束參數(shù)禹不僅可以針對(duì)均質(zhì)材料表征面內(nèi)與面逡逑外拘束，還可以表征異種金Ｍ焊接接頭界面區(qū)特定位置裂紋的材料拘束［７６，７７１。然而，實(shí)逡逑際焊接接頭界面區(qū)中裂紋的產(chǎn)生位置是隨機(jī)的。拘束參數(shù)４表征不同位置裂紋幾何與逡逑材料復(fù)合拘束的能力和有效性以及它是否和焊接接頭局部斷裂韌度可以建立統(tǒng)一關(guān)聯(lián)逡逑還需要進(jìn)一步研究。逡逑１．２．４局部法延性損傷模型逡逑由于傳統(tǒng)斷裂力學(xué)的宏觀方法（Ｇｌｏｂａｌ邋Ａｐｐｒｏａｃｈ）存在局限性，基于斷裂物理力學(xué)逡逑描述的細(xì)觀損傷力學(xué)方法得到了發(fā)展，即為斷裂局部法（ＬｏｃａｌＡｐｐｒｏａｃｈｔｏＦｒａｃｔｕｒｅ）逡逑局部法基于裂紋尖端前真實(shí)的應(yīng)力／應(yīng)變分布，直接描述裂尖前過程區(qū)中材料的逡逑局部損傷和斷裂，其自然納入了幾何與材料拘束對(duì)裂尖場(chǎng)和材料損傷斷裂行為的影響，逡逑是研究焊接接頭復(fù)雜拘束問題的好方法。逡逑

第１０頁(yè)邐華東理工大學(xué)博士學(xué)位論文逡逑程》＿等。上述規(guī)范中所采用的評(píng)定方法大致可以分為兩類：裂紋驅(qū)動(dòng)力（ＣＤＦ）法和逡逑失效評(píng)定圖（ＦＡＤ）法。逡逑（ａ）裂紋驅(qū)動(dòng)力（ＣＤＦ）法逡逑裂紋驅(qū)動(dòng)力法的評(píng)定原理為：當(dāng)待評(píng)定結(jié)構(gòu)裂紋尖端的斷裂力學(xué)參量達(dá)到該材料的逡逑斷裂梞度時(shí)，斷裂失效發(fā)生。ＳＩＮＴＡＰ評(píng)定規(guī)范中有關(guān)ＣＤＦ法的評(píng)定過程如圖１．３所示逡逑［６】。首先得到含缺陷結(jié)構(gòu)材料的斷裂幵度（Ｊｍａｔ或ｃ５ｍａｔ）或裂紋擴(kuò)展阻力曲線（Ｊ－ｉ？或＜５－／？逡逑曲線），再針對(duì)待評(píng)定缺陷計(jì)算斷裂參量Ｊ邋（或５）或裂紋驅(qū)動(dòng)力線，當(dāng)Ｊ邋＝邋Ｊｍａｔ或８邋＝邋５＿逡逑時(shí)表示結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂。裂紋驅(qū)動(dòng)力線與阻力線的相切點(diǎn)對(duì)應(yīng)裂紋開始失穩(wěn)擴(kuò)展。裂紋驅(qū)逡逑動(dòng)力？／積分或裂尖張開位移ＣＴＯＤ通過下式得到：逡逑Ｊ邋＝邋＊Ｖ［ｆ（Ａ）ｒ邋0ｒ邋６邋＝邋８ｅ－［ｆ（ｌｒ）ｒ２邐（１－１６）逡逑其中義＝＾２／￡和＆邋＝邋＾２／（￡（＾）均為線彈性階段的裂紋驅(qū)動(dòng)力。ｆ（Ｉ0為修正項(xiàng)，Ｌｒ?yàn)殄义辖咏鼦m帶整體屈服的載荷參數(shù)：逡逑４邋＝邋Ｆ／ＦＹ＝ａｒｅｆ／ａＹ邐（１－１７）逡逑其中Ｆ和ＦＹ分別為外加載荷和極限載荷。ｏｗ為外加載荷下的參考應(yīng)力，ｏｙ為材料逡逑屈服應(yīng)力。逡逑

華東理工大學(xué)博士學(xué)位論文邐第１１頁(yè)逡逑著Ｊ積分理論的提出與發(fā)展，以ＣＯＤ為理論依據(jù)的失效評(píng)定圖逐漸被以Ｊ積分為理論逡逑依據(jù)的失效評(píng)定圖所取代。１９８６年ＣＥＧＢ頒布了邋Ｒ６第三次修訂版，考慮了材料的硬化逡逑效應(yīng)，并以Ｊ積分為理論依據(jù)，給出了建立失效評(píng)定曲線的三種選擇。隨著近些年斷裂逡逑力學(xué)評(píng)定技術(shù)的發(fā)展，ＣＥＧＢ吸收世界各國(guó)研究進(jìn)展，對(duì)Ｒ６進(jìn)行了全面修訂，于２００１逡逑年頒布了第四次修訂版ｆ９Ｓ］。逡逑失效評(píng)定圖法的評(píng)定原理如圖１．４所示Ｗ。首先在失效評(píng)定圖（橫坐標(biāo)為＆、縱坐逡逑標(biāo)為Ａ）中建立失效評(píng)定曲線（ＦＡＣ）然后根據(jù)實(shí)際待評(píng)定缺陷的應(yīng)力狀態(tài)、逡逑尺寸和外加載荷計(jì)算確定評(píng)定點(diǎn)Ｏ邋（Ｌｒ，邋／Ｇ）。當(dāng)評(píng)定點(diǎn)位于ＦＡＣ下方和截?cái)嗑�（Ｌｒ邋＝逡逑Ｚｒ＿）左側(cè)的重疊區(qū)域時(shí)，表示缺陷是可以接受的，？當(dāng)其位于這一區(qū)域以外時(shí)，表示缺逡逑陷是不可接受的；當(dāng)評(píng)定點(diǎn)位于ＦＡＣ上，表示裂紋剛達(dá)到起裂的臨界狀態(tài)。逡逑ｐｏｔｅｎｔｉａｌｌｙ邋ｕｎｓａｆｅ邐⑷邐ｐｏｔｅｎｔｉａｌｌｙ邋ｕｎｓａｆｅ邐（ｂ）逡逑

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 黃本生;黃龍鵬;李慧;;異種金屬焊接研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J];材料導(dǎo)報(bào);2011年23期

2 王國(guó)珍;張賀全;蒲吉斌;軒福貞;;GTN損傷模型對(duì)C-Mn鋼缺口拉伸試樣延性斷裂的預(yù)測(cè)[J];機(jī)械強(qiáng)度;2008年04期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 王海濤;核電安全端異種金屬焊接接頭的局部力學(xué)性能及斷裂行為[D];華東理工大學(xué);2013年

本文編號(hào)：2785838