应力强度因子对镍基合金应力腐蚀开裂裂尖力学特性的影响

李永强,赵凌燕

(1. 西安科技大学 机械工程学院，西安 710054； 2. 西安科技大学 理学院，西安 710054)



应力强度因子对镍基合金应力腐蚀开裂裂尖力学特性的影响

李永强1,赵凌燕2

(1. 西安科技大学 机械工程学院，西安 710054； 2. 西安科技大学 理学院，西安 710054)

摘要：以紧凑拉伸试样为研究对象，通过加载不同大小的应力强度因子KI，用有限元方法研究了不同状态下SCC裂尖氧化膜和基体金属的应力分布规律。结果表明:裂尖区域氧化膜和基体金属对裂尖应力强度因子KI的变化敏感度不同；随着KI的增大，氧化膜破裂前和破裂后应力应变在裂尖区域的分布规律均发生了变化，该变化对裂纹扩展有一定的促进作用。

关键词：镍基合金;氧化膜;应力腐蚀开裂;应力强度因子;有限元法

由于具有很好的高温耐腐蚀性能和力学性能，镍基合金和奥氏体不锈钢被广泛应用于核电一回路压力容器及管道中，特别是焊接结构中，而核电一回路高温高压水环境中镍基合金和奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂(SCC)却是影响核电安全的重要因素之一[1-4]。由于SCC机理复杂，目前还是以试验测试为主要研究手段，由于试验设备十分昂贵，试验周期较长等原因，如何准确预测镍基合金和奥氏体不锈钢在高温高压水环境中的应力腐蚀开裂速率，仍然是核电结构材料合余使用寿命研究领域的一个难题。机理和预测模型的研究是有效提高SCC裂纹扩展速率预测精度和提高试验数据分析质量的重要方法[5-8]。

研究表明，核电站高温高压水环境中镍基合金和奥氏体不锈钢的SCC是一个裂尖氧化膜破裂和再生成的过程。镍基合金和奥氏体不锈钢基体金属表面有一层致密的氧化膜，在裂纹向基体金属扩展过程中，在腐蚀介质和高应力应变的共同作用下，裂尖氧化膜破裂，对于仍有氧化膜覆盖的表面来说，裸露表面成为阳极，有大量的金属离子析出，裂尖被腐蚀,形成沟形裂纹，同时裸露的基体表面会形成新的氧化膜，这种循环过程是裂纹不断扩展，最终导致核电结构失效[1,9]。本工作将根据氧化膜破裂理论，分析不同载荷和不同氧化膜材料性能下裂尖区域的微观力学特性，为提高定量预测高温高压水环境中镍基合金SCC扩展速率精度提供参考。

1有限元模型建立

1.1几何模型与网格

以紧凑拉伸试样(1T-CT)为研究对象，试样几何尺寸，如图1所示，其中W=50 mm，a=0.5W。

图1　紧凑拉伸试样的几何尺寸Fig. 1　Geometric size of 1T-CT specimen

模拟设定高温水环境中应力腐蚀形成的氧化膜厚度为2 μm，一般沟形裂纹长度为1~3 μm，故取沟形裂纹长度为2 μm的裂尖模型进行计算分析[1,9]。裂尖区域取3条应力观测路径,如图2所示，分别为在氧化膜表面的路径1，氧化膜靠近基体内侧的路径2，基体靠近氧化膜一侧的路径3。

图2　SCC裂尖观测路径示意图Fig. 2　Schematic of measured path at SCC tip

有限元网格采用二次平面应变四边形单元(CPE8)，在氧化膜和基体金属交界处会出现很大的应力梯度，因此在裂尖区域进行了网格细化(如图3所示)，使裂尖区域网格过渡平滑，网格单元共15 421个。初始加载裂尖应力强度因子KI分别取5,10,20,30 MPa·m1/2，以分析在裂尖加载不同应力强度因子对裂纹裂尖应力分布的影响。

图3　裂尖有限元网格划分Fig. 3　Finite element mesh nearby the crack tip

1.2材料模型

假设基体金属镍基合金600本构关系符合Ramberg-Osgood材料模型，模型中基体金属的材料参数：杨氏模量190 GPa，泊松比0.3，屈服强度436 MPa，硬化指数5.29，硬化系数1[10]。氧化膜为脆性材料，假设其符合线弹性材料模型，其泊松比为0.3，杨氏模量为19 GP[1,10]。

2结果与讨论

氧化膜破裂前裂尖区域的应力分布规律如图4所示。随着裂纹裂尖应力强度因子KI的增大，裂尖区域的应力均不断增大，在裂纹扩展方向路径1上的最大应力总是大于其他路径上的，裂纹扩展方向为图4中的0°方向;同时，基体和氧化膜边界上,应力在氧化膜中的增长速度大于在基体中的。当KI小于20 MPa·m1/2时氧化膜和基体中的应力相差不大; 而当KI大于20 MPa·m1/2时氧化膜中的应力均大于基体中的应力。由此可见,氧化膜对裂尖应力强度因子KI的增大比基体金属更敏感，随着KI的增大，氧化膜中的应力变化更快。

随着裂纹裂尖应力强度因子KI的增大，裂尖区域基体金属中裂纹扩展方向两侧的应力分布增大，而扩展方向的应力分布减小，这促使氧化膜中的应变增大，使氧化膜更易在裂纹扩展方向上发生脆性断裂。

氧化膜破裂后原裂尖区域的应力分布规律如图5所示。原裂尖区域氧化膜和基体中的应力均迅速减小，初始裂尖应力强度因子KI越大，氧化膜中的应力更多分布在裂纹扩展方向两侧，而扩展方向上的应力分布减少，这使得氧化膜破裂后的沟形裂纹张开角度增大，使带有电化学物质的高温高压水与新裂尖充分接触，有利于新裂尖金属离子的析出和新氧化膜的形成。

3结论

(1) 裂尖区域氧化膜材料比基体金属对裂尖应力强度因子KI的变化更敏感，随着KI的增大，氧化膜中的应力比基体金属中的应力增速更快。

(a)　5 MPa·m1/2 (b)　10 MPa·m1/2

(c)　20 MPa·m1/2 (d)　30 MPa·m1/2图4　氧化膜破裂前不同KI时各路径上的应力Fig. 4　Stress at crack tip in a series of KI before oxide film rupture

(a)　5 MPa·m1/2 (b)　10 MPa·m1/2

(c)　20 MPa·m1/2 (d)　30 MPa·m1/2图5　氧化膜破裂后不同KI时各路径上的应力Fig. 5　Stress at crack tip in a series of KI after oxide film rupture

(2) 氧化膜破裂前,随着KI的增大，裂尖区域基体金属中裂纹扩展方向两侧上的应力分布更多，该区域的高应力应变增大了氧化膜中的应变，使氧化膜在裂纹扩展方向上更易发生断裂。

(3) 氧化膜破裂后,随着KI的增大，原裂尖氧化膜中的应力更多分布在裂纹扩展方向两侧，这使得氧化膜破裂后的沟形裂纹张开角度更大，利于新裂尖金属离子的析出和新氧化膜的形成。

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Impact of Stress Intensity Factor on Mechanical State at the Tip of Stress Corrosion Cracking in Nickel-based Alloys

LI Yong-qiang, ZHAO Ling-yan

(1. College of Mechanical Engineering, Xi′an University of Science and Technology, Xi′an 710054, China；2. College of Science, Xi′an University of Science and Technology, Xi′an 710054, China)

Abstract：The stress distribution law in the base metal and the oxide film at the tip of SCC was studied by finite element simulation of CT samples loaded with stress intensity factor KI in different values, The results show that the oxide film and base metal are different in the sensitivity to KI at the SCC tip. And the regularity of stress and strain distribution is changed at crack tip before and after oxide film rupture, with the increase of KI, the change plays a promoting role on crack growth.

Key words：nickel-based alloys; oxide film; stress corrosion cracking; stress intensity factors; finite element method

中图分类号：TG174.3

文献标志码：A

文章编号：1005-748X(2016)02-0128-03

通信作者：赵凌燕(1978-),博士,从事裂纹应力腐蚀，13619255391，819920365@qq.com

基金项目：国家自然科学基金(11502195); 西安科技大学博士启动基金(2015QDJ041)

收稿日期：2015-03-24

DOI:10.11973/fsyfh-201602008