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核电安全端异种金属焊接接头的局部力学性能及断裂行为

王海涛  
【摘要】:在核电一回路系统中,存在许多连接核压力容器接管嘴与安全端的异种金属焊接接头。由于设计及使用的要求,这种焊接接头一般是在低合金高强钢管嘴焊接坡口面上预堆焊多层镍基合金后,再用镍基合金焊材将之与奥氏体不锈钢安全端焊接在一起而得到的。核电站运行历史表明,这种多材料构成的焊接接头是发生失效的薄弱环节,因而属于核安全重点关注的部位。为发展适合于这种复杂多材料接头的完整性设计和评价的先进技术,需要对接头局部力学性能和微观组织,不同位置与不同尺寸裂纹的局部断裂行为进行深入系统的研究及理解。本文以新一代压水堆核电站系统中的Alloy52M异种金属焊接接头为研究对象,对这些问题开展了研究,所做工作和得到的主要结论如下: (1)通过微观组织观察和小尺寸平板试样拉伸试验,表征了Alloy52M异种金属焊接接头区不同位置的微观组织和局部力学性能(强度、塑性、应力-应变行为,硬度)。研究表明,在异种金属焊接接头多材料组合的界面区域,存在复杂的微观组织及急剧的力学性能变化。由焊接过程中的热流动和元素迁移导致了这些复杂组织及局部力学性能分布。非均匀的力学性能分布造成接头局部位置的性能失配,这将影响裂尖断裂力学参数、塑性变形行为、局部断裂阻力和裂纹扩展行为,需要在结构完整性评定中予以考虑。 (2)采用含GTN模型的有限元法,数值模拟研究了简化四材料异种金属焊接接头不同位置及不同深度裂纹的三点弯曲试样的延性扩展行为。结果显示,初始裂纹位于异种金属焊接接头不同位置时,得到的裂纹扩展阻力及裂纹扩展路径不同。当初始裂纹位于焊缝及隔离层中心时,裂纹尖端塑性及损伤区基本是对称的,裂纹扩展路径基本沿着初始裂纹面向前扩展。当初始裂纹位于不同材料的界面或近界面区,裂尖塑性和损伤区是非对称的,裂纹扩展路径有显著偏转现象。裂纹倾向于向界面两侧低屈服应力一侧材料扩展。异种金属焊接接头不同初始裂纹位置、不同裂纹深度及不同材料间的强度失配影响裂纹尖端三轴应力及塑性应变的分布,导致不同的延性裂纹扩展阻力及扩展路径。 (3)采用原位观察拉伸试验,研究了异种金属焊接接头微单边缺口拉伸试样的裂纹起裂及扩展过程。结果显示,异种金属焊接接头缺口尖端一般经历大范围塑性变形,主导性的断裂机制为局部孔洞型延性断裂,在个别位置出现局部脆断现象。裂纹通常在低屈服强度材料内起裂并扩展。初始缺口位于异种金属焊接接头的不同位置时,试样呈现不同的承载能力及表观韧性。这主要由缺口尖端局部力学性能、强度失配及材料裂纹扩展阻力不同导致。 (4)通过Alloy52M异种金属焊接接头三点弯曲试样的断裂试验,研究了十三个局部位置的裂纹扩展行为。确定了局部断裂阻力曲线及裂纹扩展路径,标定得到了十三个位置的GTN损伤参数,分析了局部强度失配对局部断裂阻力、裂纹扩展路径及结构完整性评定的影响。结果进一步表明,裂纹总是向低屈服强度材料一侧偏转,裂纹扩展路径主要由强度失配控制,而非韧性失配控制。具有较大裂纹路径偏转的裂纹扩展阻力曲线反映沿裂纹扩展区域的表观断裂阻力,而非初始裂纹尖端区域材料的本质断裂阻力。如不考虑热影响区、界面区及近界面区的局部断裂阻力,使用母材或焊材的裂纹扩展阻力去评价异种金属焊接接头局部位置缺陷的安全性,将不可避免的得到非保守(危险)或保守的评定结果。且大多数情况下,评价结果为潜在的非安全。 (5)通过断裂试验及微观组织观察,研究了Alloy52M异种金属焊接接头的断裂机制,分析了局部断裂机制与局部断裂阻力的关系。得出,母材A508和316L区及316L热影响区的断裂是典型的微孔洞形核、生长及聚合为特征的延性断裂,三个区域不同的裂纹扩展阻力与局部微观组织有关。具有板条马氏体组织的A508热影响区及A508/52Mb界面区呈现延性和脆性混合的断裂模式,具有低的裂纹扩展阻力。相对于主裂纹扩展方向,奥氏体柱状晶位向显著影响隔离层Alloy52Mb和焊缝Alloy52Mw的断裂机制和断裂阻力。隔离层Alloy52Mb中的裂纹扩展跨过柱状晶,产生高的裂纹扩展阻力。焊缝Alloy52Mw中的裂纹沿着薄弱的柱状晶界扩展,呈现脆性断裂模式,形成低的裂纹扩展阻力。 (6)局部力学性能及其失配显著影响裂纹尖端塑性变形行为、局部断裂阻力、裂纹扩展路径及断裂机制。对于异种金属焊接接头中显著的局部失配情况,需要得到局部力学性能及断裂阻力,并用于其完整性评定。并且也需要发展基于局部损伤和断裂模型的异种金金焊接接头完整性评定新方法。


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