核主管道斷裂韌性J積分試驗及失效評定研究

，，

(浙江工業(yè)大學 機械工程學院，浙江 杭州 310014)

材料斷裂韌性的試驗測試研究對理論研究和工程應用都有著重大的意義，一直是研究的熱點問題[1-2].在壓力容器安全評價中，對含缺陷結構的塑性材料屈服、裂紋的起裂、穩(wěn)定擴展、失穩(wěn)擴展直至斷裂的過程分析，斷裂特征參量J積分被廣泛運用[3-5].而作為斷裂韌性的特征值JIC和J—R阻力曲線也伴隨彈塑性斷裂力學的發(fā)展被深入研究[6-7]，從中發(fā)展起來的失效評定方法被用于材料的彈塑性斷裂分析[8].而斷裂韌性分析精確程度更直接關系到對含缺陷結構安全評定結果的可靠性.基于壓水堆主管道材料是我國核電廠用量較大、服役環(huán)境復雜、安全要求較高的核一級部件之一[9]，且材料的質量直接關系到核電站的安全運行，其斷裂韌性對于管道裂紋的穩(wěn)定性判斷至關重要，是破前漏(LBB)技術應用分析論證工作的重要環(huán)節(jié)與核心工作內容之一等情況.因此，對主管道材料的斷裂韌性及其失效評定曲線進行試驗研究具有重要的工程意義.

1 試驗方法及材料

1.1 試驗原理及標準

1968年Rice提出了圍繞裂紋尖端與積分路徑無關的線積分，稱為J積分.J積分是表征材料應力應變場強度變化的定量指標，其理論廣泛適用于彈塑性斷裂力學[10].目前，對于J積分法的試驗研究主要分為三點彎曲及緊湊拉伸(CT)型試驗，而用緊湊拉伸來測定J積分試驗中，又可分為單試樣法與多試樣法.目前，試驗研究主要采取單試樣法進行，所謂的單試樣法是指使用單個試樣在不同的加載條件下進行卸載并根據(jù)卸載曲線得到裂紋擴展量a與J關系，繪制J—R阻力曲線的試驗方法.試驗中，裂紋長度的測量采用柔度法[11]，并按照GB/T 21143“金屬材料準靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗方法”進行.

對于標準緊湊拉伸試樣，各載荷點的裂紋長度ai和Δai為

(1)

式中：ULL=1/((BECiLL)0.5+1)；CiLL為第i次卸載時測得的彈性柔度系數(shù)，mm/kN；B為試樣厚度；W為試樣寬度；Δai為裂紋擴展量，Δai=ai-a0，mm；ai為第i次裂紋長度；a0為初始裂紋長度.

(2)

(3)

得到J—R曲線及有效的特征值JIC后按照GB/T 21143—2007對J積分的有效性進行判斷.

1.2 試驗材料及尺寸

核主管道材料化學成分見表1，取樣下料后，按照GB/T 21143[11]標準的要求，加工成標準CT試樣進行試驗.加工后試樣的實際尺寸見圖1，經(jīng)線切割的裂紋尺寸即疲勞引發(fā)裂紋尺寸為a0.

圖1 核主管道JIC試樣圖

表1 化學成分及ASME規(guī)范要求

2 試驗過程及數(shù)據(jù)分析

2.1 預制疲勞裂紋

預制疲勞裂紋是采用恒應力強度因子ΔK變化幅，同時要求預制疲勞裂紋時保持:ΔK/E≤0.005 mm并且載荷比0.6≤R=Pmin/Pmax≤1.0的方法完成疲勞裂紋的擴展.根據(jù)GB/T 21143標準要求，應控制最大預制裂紋載荷P不能大于0.5PL，對CT試樣預制裂紋載荷核算，即

(4)

式中：b0=W0-a0；σ0=σy+σu為材料的流變應力.

若用CT標準試樣計算應力強度因子K的方法求預制裂紋載荷則按下面兩式進行計算，計算結果所得的載荷值小于0.5PL，滿足要求，所得的P值與式(4)相同：

經(jīng)預制后，裂紋擴展到a0=24.74 mm時停止，累計共擴展了2.14 mm.此時，Δa/a0已大于0.05，Δa也大于1.3 mm，達到標準要求.

2.2 JIC的試驗測定過程

試樣的測試過程中，第一次加載設置為Δa=0.2 mm時估算試樣的柔度系數(shù)和初始裂紋長度，結果與預期的裂紋長度a0=24.72 mm一致.此后，載荷按2 kN或裂紋張開位移按0.02 mm遞增，并以兩者中先達到者進行卸載.每次卸載2 kN左右，共卸載60次，張開位移達到引伸計的最大量程時停止，得到張開位移Δa和載荷P曲線見圖2.試驗停止后，繼續(xù)在最大載荷為20 kN條件下進行200 000次疲勞試驗，使最終裂紋前緣形成明顯的勾線，最后拉斷試樣，圖3為拉斷后的試樣.

圖2 JIC試驗載荷-裂紋曲線

圖3 JIC斷后試樣

2.3 試驗結果的分析整理

試驗完成后，按單試樣測定法整理試驗結果.在試驗機的處理中(圖2)卸載線上舍去上、下各10%的線段，取其中間的80%線段按其斜率整理計算其柔度系數(shù)和裂紋長度.用式(1)求得各載荷點的裂紋長度ai和Δai，將各數(shù)據(jù)標在J—Δa直角坐標圖中，見圖4.同時，試驗原始數(shù)據(jù)按照所得的鈍化線方程及左界限進行有效點的選擇[12-13].鈍化線方程為J=3.75RmΔa，左界限方程為J=3.75RmΔa+0.15，其中Rm為材料的抗拉強度.

圖4 JIC試驗有效數(shù)據(jù)圖

按照左界限整理試驗數(shù)據(jù)后，在該線右側的數(shù)據(jù)點均為無效點.因此，共獲得12個有效數(shù)據(jù)點，見表2，對有限點進行擬合得到J—R阻力曲線式為

JR=-259.65+810.76(Δa)0.36

(5)

其擬合曲線見圖5.

過Δa=0.20 mm的點作鈍化線的平行線,與式(5)JR曲線相交點即為JIC=291.38 kJ/m2.

表2 有效原始數(shù)據(jù)

圖5 J—R試驗的阻力曲線

2.4 試驗數(shù)據(jù)的有效性分析

通過對試驗數(shù)據(jù)的分析及處理，得到了J—R阻力曲線及JIC的值.在J積分測試中，只有當試樣尺寸滿足有效性條件及平面應變條件，測得的JIC才可以作為材料的屬性.因此，所得的結果是否有效需要進行評定.J判據(jù)的有效性條件，目前還不能從理論上得到證明，但是，若能在某些特定的條件下獲得其穩(wěn)定值，也就反映該材料的延性斷裂屬性，這些特定的條件就是現(xiàn)階段所能確定的J判據(jù)有效性條件[14]，作為工程近似，這樣的條件只能由試驗給出.Landes和Begley根據(jù)試驗得出：a=25時，JIC值不再隨著試樣尺寸變化并確定作為檢驗規(guī)則.在Landes和Begley有效性分析中，尺寸滿足公式：

(dJ/d(Δa))Q<σ0

b0=W0-a0>25JQ/σ0

B>25JQ/σ0

通過對所得的J—R阻力曲線進行上述有效性分析，結果表明：試樣所得到的試驗結果是有效的，J—R阻力曲線也是可靠的，JIC也是合理的.

3 斷裂分析圖(FAD)的繪制

為了能對含缺陷核主管道進行安全評定，根據(jù)英國BS7910—1999(Guide on methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures)和R6(Assessment of the Integrity of structures containing defects, R/H/R6-Revision 3, Nuclear electric confidential, 2001)的規(guī)定，可以使用以材料的特性繪制斷裂分析圖(FAD)的方法進行.斷裂分析圖(FAD)的橫坐標是以外加載荷與塑性屈服載荷的比值Lr來表示，縱坐標是以外加載荷在含缺陷結構上的應力強度因子與材料的斷裂韌度的比值Kr來表示.根據(jù)BS7910和R6的規(guī)定，由材料的拉伸曲線特性可以在FAD圖上繪制出相應的斷裂評定曲線[15].

通過主管道材料進行常溫拉伸得到其拉伸曲線，見圖6，其相應的性能參數(shù)見表3，并且擬合得到其短時拉伸方程為

ε=5.95×10-6σ+1.14×10-11σ4.41

式中：σ為拉伸應力；ε為拉伸應變.

圖6 靜態(tài)拉伸曲線

表3 主管道材料靜態(tài)拉伸試驗結果

對于一含缺陷主管道材料，根據(jù)其缺陷尺寸和外加載荷的實際情況可以計算其Kr與Lr值，從而獲得一評定點.若該評定點落在斷裂評定曲線的內側，則結構屬安全，反之則不安全.現(xiàn)根據(jù)主管道不銹鋼材料的試驗結果，繪制其斷裂評定曲線即材料特性評價曲線和通用曲線方程為

(6)

(7)

(8)

Lmax=(σy+σb)/2σy

(9)

式中：Lmax為斷裂分析圖中Lr的最大值；σy為材料的屈服強度；σb為材料的抗拉強度；E為彈性模量；σ，ε分別為材料拉伸曲線中相應的應力與應變量.

按照以上結果及方程式(6—9)，整理得主管道材料在常溫條件下的FAD圖，如圖7所示.

圖7 R6失效評定曲線

對比分析發(fā)現(xiàn)：對主管道材料來說，認為通用曲線1是保守的，而實驗結果并非如此.從圖7中可以看出：材料的特性曲線相對通用曲線更加保守；但是，材料的特性曲線過于保守，而通用曲線則相對寬松的.對于核電主管道材料這樣要求較高并且工作環(huán)境相對復雜、安全要求較高的核一級部件之一，選擇曲線2評定其含裂紋結構是最適合的.

4 結 論

采用緊湊拉伸試樣及單試樣卸載柔度法進行核主管道材料J積分法斷裂韌性試驗研究，獲得了該材料的斷裂韌性J—R阻力曲線方程：JR=-259.65+810.76(Δa)0.36及核主管道材料斷裂韌度值JIC為291.38 kJ/m2，表明主管道材料的韌性較好；通過所得的J—R阻力曲線對試樣有效性的要求分析的結果表明，試樣所得到的試驗結果是有效的，J—R阻力曲線是可靠的，JIC也是合理的；另外，對要求較高的主管道材料來說，材料的特性曲線相對通用曲線更加保守，其可作為材料的失效評定曲線，從而為工程運用提供依據(jù)，為材料斷裂韌度的測試研究提供指導.

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