基于载荷图技术的国产反应堆压力容器材料断裂行为表征

王荣山，彭 啸，黄 平，刘向兵，余伟炜

(苏州热工研究院有限公司，江苏苏州 215004)

0 引言

夏比V型冲击试验在反应堆压力容器(RPV)的寿命评估中起着至关重要的作用。美国ASME规范基于大量试验数据将断裂韧性与夏比冲击测得的韧脆转变温度(DBTT)关联起来，建立参考断裂韧性—温度曲线，从而可通过夏比冲击试验间接确定RPV材料的断裂韧性，用于评价RPV材料的辐照脆化。实际中，参考断裂韧性曲线被认为过于保守的同时，又有试验数据落在曲线的下包络线之外［1］。此外，由于缺乏相应的物理基础，各国依据经验性选择使用不同参考温度，如 T41J，T56J，T68J，T0.9mm等，没有达成统一的规定。再者，在某些情况下，这种方法在辐照脆化性能评估中并不适用。比如ODETTE等［2］发现，作为聚变堆候选材料之一的铁素体/马氏体钢采用参考温度方法评价的准确性值得怀疑。文献［3］也有类似情况报道。

为避免传统方法的保守性，更直接地获得准确的断裂韧性，基于主曲线方法的小试样断裂韧性测试技术在近十几年得到了快速发展。主曲线方法基于WST物理模型和三参数Weibull概率分布模型，通过在下平台区和韧脆转变区直接开展断裂韧性测试，以获得1T标准试样中值断裂韧性曲线上100 MPa·m1/2所对应的参考温度 T0。1997年，主曲线方法形成了标准ASTM E1921。

与之同时，基于示波冲击的载荷图技术(Load diagram approach)也被开发出来，用来对传统方法进行有效补充。比利时将载荷图技术作为四种“先进辐照监督技术”之一，并开始在比利时所有核电站应用［4］。文中先对载荷图技术进行详细的介绍，然后对国产RPV材料的原始试样、时效试样和重组试样进行冲击试验，根据载荷图技术标示各条件下的特征转变温度，并进行比较，最终评价载荷图技术在国内核工程应用的前景。

1 载荷图技术的原理

在夏比V型冲击过程中，材料的断裂经历了几个不同过程。典型夏比冲击的示波曲线见图1［5］，曲线上通常包含以下几个特征载荷:

Pgy:发生全面屈服时的载荷;

Pm:最大载荷;

Pu:发生脆性失稳断裂时的载荷;

Pa:从解理断裂向塑性断裂模式转变时出现的止裂载荷。

图2示出断裂过程中的载荷—时间曲线及其对应的断口表面形貌［5］。在断裂过程中，全面屈服产生后，冲击的能量用于使塑性裂纹起裂，起裂时的载荷发生在Pgy和Pm之间，这已经被磁场发射系统证实［6］。随后裂纹前缘开始稳态扩展，直至失稳点Pu，失稳后载荷迅速下降至止裂载荷Pa。最后，剪切唇的形成消耗掉剩余的能量。在不同测试温度，载荷—时间曲线也不同。比如下平台区域附近发生低温脆断，断裂模式则不会出现失稳断裂及止裂等;而对于上平台区域，则会发生完整的塑性断裂，也没有显著的失稳断裂和止裂。因此，载荷时间曲线能很好地与断口形貌特征关联起来［5］。

图1 冲击试验的典型载荷—时间曲线

图2 冲击的能量积分与断口表面形貌的关联

根据图1中冲击试验获得的载荷特征值，为了获取静态和动态的流变性能，载荷通常被转化为应力:

式中 σ——应力，MPa

β——根据所选的屈服准则确定的常数，如对于Tresca准则，β=2;而对于 von Mises准则，β =。CHAOUADI等［5］则认为β=1.866是合适的

S——跨距，mm，S=40 mm

P——载荷，kN

Cf——与锤头形状相关的常数。对于ISO锤头Cf=1.274;对于ASTM锤头Cf=1.363［6］

W——试样的宽度，mm，W=10 mm

a——缺口深度，mm，a=2 mm

B——试样的厚度，mm，B=10 mm

对于使用ISO锤头的冲击试验，应力(MPa)与载荷(kN)的转换公式:

应力计算后，可以将静态拉伸和夏比冲击试验的特征应力绘制在一张图中，其中静态拉伸和夏比冲击的屈服应力拟合基于有物理意义的方程，而最大载荷处应力和止裂载荷处应力等则是通过经验性的拟合。

1.1 流变性能

根据固体流变强度的相关文献［5］，屈服强度可以视为非热应力 σath和热激活应力 σP的和。非热应力代表位错与长程障碍的交互作用，而热激活应力则代表短程障碍对位错的阻碍作用。

因此，屈服强度被描述成应变速率与温度的关系式:

式中 T——温度

k——波尔兹曼常数

ε·0——材料固有的应变速率敏感性

HC——激活能

m，m'——晶格能垒常数

同时，随着温度的升高弹性模量递减，(1－αT)中的α则代表模量与温度相关的系数。

根据拉伸试验和冲击试验的应变速率不同，可以拟合成不同的流变应力与温度的曲线，示例见图 3［5］。

图3 20MnMoNi55流变应力与温度的关系曲线

1.2 最大载荷处应力

由于最大载荷不是材料的固有性能，因此一般通过在屈服强度关系基础上加上相应的经验拟合式，从而确定最大载荷的关系。

1.3 止裂载荷处应力

止裂载荷或止裂应力与温度同样存在一定的相关性。

式中，λ为与材料相关的常数;对于ISO锤头，常数κ=137 MPa。Pa和 σa的单位分别为 kN和MPa，σa为止裂强度。零塑性温度NDT则代表夏比冲击止裂载荷为3 kN时对应的温度［7］。如有材料实测的NDT，也可用实测值替代拟合值。

1.4 断口纤维率

根据图2中的特征参数和剪切断口形貌的直接关系，断口纤维率SFA(%)可以表示为特征载荷的关系式:

其中，k为比例系数。当T＜TN时，k=0;T＞TN时，k=0.5。k=0.5对应的则是全面屈服和最大载荷之间塑性裂纹起裂时。显然，对于T＜T1，SFA=0;对于 T ＞T0，SFA=100%。

为证实k=0.5能对应于塑性裂纹起裂，CHAOUADI［5］对 20MnMoNi55 和 JSPS 的弯曲试样在25℃和290℃条件下进行试验，加载到全面屈服和最大载荷中间，热着色后在液氮中打断，测量到的塑性裂纹长度为40～50 μm。这也证明选择k=0.5是合适的。

1.5 载荷图绘制

根据试验数据和相关拟合公式，则可以绘制出载荷图并定义相关特征温度，见图4［5］。

图4中:

T1:全面屈服发生时的温度。Pgy和Pm之间的交叉处所对应的温度点，代表材料完全脆性(解理断裂区)的情况，SFA为0。

TN:Pm和Pu开始分离时所对应的温度点，代表韧脆转变区间的参考温度。在高于该温度时，解理断裂在达到最大载荷后发生;而低于该温度时，在最大载荷处发生失稳断裂。

T0:对应于100%纤维断面率的温度点(上平台起始点)，代表材料全面塑性(韧性断裂区)的情况。

图4 20MnMoNi55的载荷图

图4中还包含了静态拉伸条件下的屈服强度，与冲击试验确定的屈服强度可以判别材料的应变速率敏感性。因此，采用T1，TN，T0反映的是材料不同物理断裂机制所对应的特征转变温度。

2 材料与试验

本次试验材料选择国产RPV材料A508－3锻件，其化学成分见表1。试验材料包括原始试样、时效试样和重组试样。时效试样是将A508－3钢在700℃进行时效36 h，随后空冷至室温。重组试样则是在中间插入段两端电子束焊接上等长的支撑段材料，重新组成完整的冲击试样，见图5。采用德国Zwick摆锤冲击试验机分别对这3种试样进行试验，试验温度从－80～200℃。冲击机冲击能量450 J，冲击速度约5.23 m/s。

表1 RPV锻件化学成分%

图5 重组试样的加工示意

3 试验结果与分析

传统方法采用冲击试验可以获得材料的韧脆转变曲线，进而得到T41J等特征转变温度。夏比冲击功与温度的关系曲线形状基本呈S形，通常采用Oldfield提出的双曲正切函数进行拟合，赵建平等［8－9］建议采用 Boltzmann函数描述上述关系曲线。同时，Boltzmann函数与双曲正切函数可以相互转化。文中采用如下Boltzmann函数:

式中 E——夏比冲击功，J

A1，A2——下平台能量、上平台能量，J

T——试验温度，℃

Tt——对应于 E=的转变温度，℃

θ1——夏比冲击功—温度拟合曲线的参数

以原始试样为例，图6示出原始试样的夏比冲击功—温度关系曲线。根据拟合曲线获得T41J为－53℃。类似的，对重组试样和时效试样同样进行拟合，得到重组试样和时效试样的T41J分别为－61℃和－14℃。

按图1所示，对每一个试样的特征载荷进行标定，并按式(2)转化为应力，将同种试样的应力绘制在同一张图中，并根据相应载荷的拟合公式(3)～(5)进行拟合，每个拟合曲线上、下还包含95%的置信曲线。图7示出不同试样的载荷图，载荷图上确定了不同的特征转变温度T1，TN，T0，分别代表下平台、韧脆转变区、上平台的特征转变温度。与T41J等根据经验选取的转变温度不同，TN代表的载荷位移曲线特征由脆性断裂转变为韧性断裂时的温度。各试样确定的特征转变温度见表2。图8则是根据式(6)确定的断口纤维率与温度的关系曲线。

图6 RPV材料原始试样夏比冲击功E—温度T的关系曲线

由表2可看出，原始试样和重组试样由于所经历的热处理相同，经文献［10］中统计学检验，虽然ΔT41J为8℃，但检验的重组试样的T41J与原始试样无显著差异。相比而言，代表韧脆转变转变区参考温度变化的ΔTN的数值差异更小，仅为1℃。而代表下平台区和上平台区的转变温度差值则要略高，为22℃和9℃。时效试样是通过热处理模拟RPV材料服役后发生的性能劣化，其ΔT41J为39 ℃，而 ΔTN则为 49 ℃。相对的，ΔT1和ΔT0则低于39℃。可以看出，采用载荷图确定的特征转变温度能够反映RPV材料的性能劣化，且与传统方法的判定基本相近。图8中曲线右移产生的温度增量能更直观地反映性能劣化。

图7 不同试样的载荷图

表2 各类试样特征温度℃

图8 不同试样的断口纤维率SFA—温度T曲线

图9示出 CHAOUADI［5］收集的不同材料载荷图确定的转变温度ΔT与ΔT41J的关系比较。载荷图确定的ΔT一般不超过(ΔT41J+15℃)的范围内，这与本次试验数据(最大值高于ΔT41J10℃)也吻合。同时，相比 ΔT1和 ΔT0，代表韧脆转变区的特征温度ΔTN(图中的ΔT50%)与ΔT41J更为接近。

图9 载荷图确定的转变温度ΔT—ΔT41J的关系曲线

从图9中可以看出，大多数情况下，ΔT41J的使用往往显得更保守。可见，载荷图技术能够用来评价RPV材料的辐照脆化，并对传统方法进行有效的补充。此外，由于传统方法不能有效评价聚变堆候选材料铁素体/马氏体钢的辐照脆化，CHAOUADI［11］用载荷图技术对聚变堆候选材料Eurofer－97的辐照效应进行评价，结果表明载荷图技术能更好地反映材料的性能。由于载荷图技术的特征温度均来自示波冲击试验的结果，而这是辐照监督中容易获取的。同时，载荷图技术能与试样重组技术较好结合起来，在今后的辐照监督中具有良好的应用前景。

4 结论

文中先对载荷图技术的原理进行了详细地介绍，随后对国产RPV材料的原始试样、重组试样和时效试样进行了示波冲击试验，并得到了以下结论:

(1)根据断裂模式的不同，载荷图技术能够得到不同的转变温度 T1，TN，T0，其中 ΔTN与 ΔT41J最为接近。对于重组试样和原始试样，ΔTN与ΔT41J相差9℃;对于时效试样和原始试样，ΔTN与ΔT41J相差10℃。载荷图技术能较好反映材料的性能变化，是对传统方法的有效补充。

(2)在现有辐照监督基础上，载荷图技术易于实现，并且能与试样重组技术结合起来，在核工业中有较好的应用前景。

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