壓痕技術(shù)也稱深度敏感壓痕技術(shù),是一種應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境下的較為先進的力學(xué)性能檢測技術(shù),能夠在不影響關(guān)鍵零部件服役的情況下,在微納米級尺度下檢測出不同的力學(xué)性能參數(shù),具有十分廣闊的應(yīng)用前景。本文主要針對核電焊接接頭局部力學(xué)性能難以獲取的現(xiàn)狀,采用理論分析、物理試驗和有限元反演分析三者相結(jié)合的方法建立了適當?shù)臄?shù)學(xué)模型,并將該模型應(yīng)用于核電結(jié)構(gòu)安全端焊接接頭的力學(xué)性能檢測。本文的主要研究內(nèi)容如下:(1)對于核電結(jié)構(gòu)中常用金屬材料的本構(gòu)關(guān)系和壓痕試驗計算材料力學(xué)性能參數(shù)的理論方法進行研究。首先采用Oliver-Pharr方法通過載荷-深度曲線計算材料的彈性模量和壓痕硬度,其次運用能量法和自相似理論計算材料屈服強度、抗拉強度和硬化指數(shù)。(2)將電子萬能試驗機改造成壓痕試驗測試平臺,并對其進行調(diào)試。研究了不同試驗因素對壓痕試驗結(jié)果的影響,在優(yōu)化試驗條件下,使得壓痕試驗?zāi)軌驕蚀_得反映真實壓痕響應(yīng)。通過載荷深度曲線得到了不同預(yù)變形率下核級奧氏體不銹鋼316L的力學(xué)性能參數(shù),并使用單軸拉伸試驗對壓痕試驗結(jié)果進行了驗證。(3)利用ABAQUS進行有限元反演分析,建立了彈塑性材料下的壓痕試驗?zāi)Ｐ?對不同球形壓頭半徑下的二維、三維球壓痕試驗進行了數(shù)值模擬,通過與物理試驗對比分析,驗證了有限元模型結(jié)果的有效性。分析了不同力學(xué)參數(shù)下壓痕仿真試驗的壓痕形貌,并對不同凸起量與力學(xué)性能參數(shù)的規(guī)律進行了總結(jié)。(4)以核電一回路中壓力容器安全端異種金屬焊接接頭為例,基于其結(jié)構(gòu)分析在焊接接頭不同位置進行均勻的壓痕試驗,通過載荷深度曲線確定了焊接接頭的熱影響區(qū)范圍,預(yù)測了不同位置的各種力學(xué)性能參數(shù)。
【學(xué)位單位】：西安科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TM623;TG407
【部分圖文】：

1緒論11緒論1.1研究背景及意義據(jù)《2050中國能源和碳排放報告》，隨著我國經(jīng)濟發(fā)展速度增快，導(dǎo)致我國的電力需求量呈上升趨勢，因此大力發(fā)展核電行業(yè)對于我國的電力發(fā)展有著極大的促進作用[1-3]。在核電事業(yè)發(fā)展的過程中，核安全隱患是最重要的問題，服役設(shè)備的安全性評價對于核安全至關(guān)重要，而服役設(shè)備主要包括壓力容器和管道。這些設(shè)備在長期高溫高壓的環(huán)境下進行工作，易造成材料的老化以及裂紋的產(chǎn)生，尤其是SCC(應(yīng)力腐蝕開裂)[4-8]。在核電結(jié)構(gòu)中，存在著大量的安全端焊接接頭，如圖1.1所示，安全端中的大量焊接接頭會由于材料不均勻性在長期服役過程中會有裂紋萌生，而裂紋萌生的起始階段均在焊接接頭的熔合區(qū)附近，這樣對于焊接接頭中力學(xué)性能分析和檢測就顯得尤為重要。根據(jù)核電站運行經(jīng)驗研究表明，一回路中異種焊接接頭處是環(huán)境致裂的高發(fā)區(qū)，會經(jīng)常出現(xiàn)以SCC為代表的裂紋擴展等缺陷[9]。而根據(jù)研究顯示，高溫高壓水環(huán)境中的SCC是由于材料在力學(xué)性能、環(huán)境以及外力三者共同作用下產(chǎn)生的，而其中材料力學(xué)性能對于SCC的產(chǎn)生起著至關(guān)重要的作用，因為在焊接過程中，安全端的焊縫區(qū)材料會發(fā)生熱脹冷縮現(xiàn)象，會導(dǎo)致材料的力學(xué)性能發(fā)生嚴重的變化，其中塑性性能嚴重降低，脆性性能會增強，這樣就會加速SCC的產(chǎn)生，因此焊接結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能檢測是核電關(guān)鍵零部件完整性評價的重要組成部分。反應(yīng)堆冷卻泵增壓器蒸汽發(fā)生器主回路噴嘴SCC焊接SCC包層裂紋壓力容器接管安全端控制棒控制棒驅(qū)動機構(gòu)殼圖1.1壓水堆一回路焊接接頭應(yīng)力腐蝕裂紋分布在以往測量關(guān)鍵設(shè)備的零部件的力學(xué)性能的時候，主要使用的是破壞性的試驗，通

dTechnologyCorporation)公司和韓國的Frontics公司，基于馬達驅(qū)動的方式，推出103N量級的臺式和便攜宏觀壓入儀。2001年，中國科學(xué)院力學(xué)研究所的張?zhí)┤A等人開始系統(tǒng)地研制宏觀壓入試驗設(shè)備。首先，基于Instron5848Microtester材料測試機為驅(qū)動和載荷測量裝置，開發(fā)了相應(yīng)的壓痕深度測量部件和試樣安裝夾具[28-31]。證實納米壓入測量原理可以應(yīng)用于顯微和宏觀壓入范圍的測量。以此為基礎(chǔ)，分別研制基于電磁驅(qū)動的臺式壓入儀[32]和便攜式壓入儀[33]。目前國外已有針對此類壓入儀的研究及應(yīng)用，對于核電站中焊接接頭的壓痕試驗如圖1.2和圖1.3。圖1.2核電站冷卻水管線焊接接頭部位機械性能評估圖1.3母材/熱影響區(qū)/焊材區(qū)壓痕試驗Meyer在壓痕試驗測試力學(xué)性能中有著舉足輕重的作用，最先提出壓痕載荷及壓痕接觸面積與屈服強度的數(shù)學(xué)關(guān)系式，用來預(yù)測不同金屬材料的強度，為后續(xù)的研究奠定了一定的基礎(chǔ)[34]。Tabor對于球形壓頭塑性區(qū)的表征應(yīng)變進行了研究，并得到了系列經(jīng)驗關(guān)系式，對于后續(xù)研究壓痕法表征應(yīng)力應(yīng)變起到了至關(guān)重要的作用[35]。美國橡樹嶺國家試驗室的Haggag從壓痕硬度的角度來研究金屬材料力學(xué)性能參量時，發(fā)現(xiàn)進行壓痕試驗得到的材料的本構(gòu)關(guān)系與單軸拉伸試驗得到的本構(gòu)關(guān)系之間的誤差較小，說明壓痕試驗對于測量金屬材料的本構(gòu)關(guān)系有一定的可靠性[36]。由于壓痕試驗對于試驗條件的要求較高，不能保證每次得到的載荷深度曲線能夠完全吻合。Haggag建議只對于被測材料的試樣的同一位置進行單次或者多次加載卸載，得到同一材料的力學(xué)性能，并對于不同金屬材料做了大量的試驗研究[37-43]。Haggag將此項技術(shù)命名為自動球壓痕技術(shù)

logyCorporation)公司和韓國的Frontics公司，基于馬達驅(qū)動的方式，推出103N量級的臺式和便攜宏觀壓入儀。2001年，中國科學(xué)院力學(xué)研究所的張?zhí)┤A等人開始系統(tǒng)地研制宏觀壓入試驗設(shè)備。首先，基于Instron5848Microtester材料測試機為驅(qū)動和載荷測量裝置，開發(fā)了相應(yīng)的壓痕深度測量部件和試樣安裝夾具[28-31]。證實納米壓入測量原理可以應(yīng)用于顯微和宏觀壓入范圍的測量。以此為基礎(chǔ)，分別研制基于電磁驅(qū)動的臺式壓入儀[32]和便攜式壓入儀[33]。目前國外已有針對此類壓入儀的研究及應(yīng)用，對于核電站中焊接接頭的壓痕試驗如圖1.2和圖1.3。圖1.2核電站冷卻水管線焊接接頭部位機械性能評估圖1.3母材/熱影響區(qū)/焊材區(qū)壓痕試驗Meyer在壓痕試驗測試力學(xué)性能中有著舉足輕重的作用，最先提出壓痕載荷及壓痕接觸面積與屈服強度的數(shù)學(xué)關(guān)系式，用來預(yù)測不同金屬材料的強度，為后續(xù)的研究奠定了一定的基礎(chǔ)[34]。Tabor對于球形壓頭塑性區(qū)的表征應(yīng)變進行了研究，并得到了系列經(jīng)驗關(guān)系式，對于后續(xù)研究壓痕法表征應(yīng)力應(yīng)變起到了至關(guān)重要的作用[35]。美國橡樹嶺國家試驗室的Haggag從壓痕硬度的角度來研究金屬材料力學(xué)性能參量時，發(fā)現(xiàn)進行壓痕試驗得到的材料的本構(gòu)關(guān)系與單軸拉伸試驗得到的本構(gòu)關(guān)系之間的誤差較小，說明壓痕試驗對于測量金屬材料的本構(gòu)關(guān)系有一定的可靠性[36]。由于壓痕試驗對于試驗條件的要求較高，不能保證每次得到的載荷深度曲線能夠完全吻合。Haggag建議只對于被測材料的試樣的同一位置進行單次或者多次加載卸載，得到同一材料的力學(xué)性能，并對于不同金屬材料做了大量的試驗研究[37-43]。Haggag將此項技術(shù)命名為自動球壓痕技術(shù)
【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前3條

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本文編號：2885606