基于載荷圖技術(shù)的國產(chǎn)反應(yīng)堆壓力容器材料斷裂行為表征

王榮山，彭 嘯，黃 平，劉向兵，余偉煒

(蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州 215004)

0 引言

夏比V型沖擊試驗(yàn)在反應(yīng)堆壓力容器(RPV)的壽命評(píng)估中起著至關(guān)重要的作用。美國ASME規(guī)范基于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)將斷裂韌性與夏比沖擊測(cè)得的韌脆轉(zhuǎn)變溫度(DBTT)關(guān)聯(lián)起來，建立參考斷裂韌性—溫度曲線，從而可通過夏比沖擊試驗(yàn)間接確定RPV材料的斷裂韌性，用于評(píng)價(jià)RPV材料的輻照脆化。實(shí)際中，參考斷裂韌性曲線被認(rèn)為過于保守的同時(shí)，又有試驗(yàn)數(shù)據(jù)落在曲線的下包絡(luò)線之外［1］。此外，由于缺乏相應(yīng)的物理基礎(chǔ)，各國依據(jù)經(jīng)驗(yàn)性選擇使用不同參考溫度，如 T41J，T56J，T68J，T0.9mm等，沒有達(dá)成統(tǒng)一的規(guī)定。再者，在某些情況下，這種方法在輻照脆化性能評(píng)估中并不適用。比如ODETTE等［2］發(fā)現(xiàn)，作為聚變堆候選材料之一的鐵素體/馬氏體鋼采用參考溫度方法評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性值得懷疑。文獻(xiàn)［3］也有類似情況報(bào)道。

為避免傳統(tǒng)方法的保守性，更直接地獲得準(zhǔn)確的斷裂韌性，基于主曲線方法的小試樣斷裂韌性測(cè)試技術(shù)在近十幾年得到了快速發(fā)展。主曲線方法基于WST物理模型和三參數(shù)Weibull概率分布模型，通過在下平臺(tái)區(qū)和韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)直接開展斷裂韌性測(cè)試，以獲得1T標(biāo)準(zhǔn)試樣中值斷裂韌性曲線上100 MPa·m1/2所對(duì)應(yīng)的參考溫度 T0。1997年，主曲線方法形成了標(biāo)準(zhǔn)ASTM E1921。

與之同時(shí)，基于示波沖擊的載荷圖技術(shù)(Load diagram approach)也被開發(fā)出來，用來對(duì)傳統(tǒng)方法進(jìn)行有效補(bǔ)充。比利時(shí)將載荷圖技術(shù)作為四種“先進(jìn)輻照監(jiān)督技術(shù)”之一，并開始在比利時(shí)所有核電站應(yīng)用［4］。文中先對(duì)載荷圖技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的介紹，然后對(duì)國產(chǎn)RPV材料的原始試樣、時(shí)效試樣和重組試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，根據(jù)載荷圖技術(shù)標(biāo)示各條件下的特征轉(zhuǎn)變溫度，并進(jìn)行比較，最終評(píng)價(jià)載荷圖技術(shù)在國內(nèi)核工程應(yīng)用的前景。

1 載荷圖技術(shù)的原理

在夏比V型沖擊過程中，材料的斷裂經(jīng)歷了幾個(gè)不同過程。典型夏比沖擊的示波曲線見圖1［5］，曲線上通常包含以下幾個(gè)特征載荷:

Pgy:發(fā)生全面屈服時(shí)的載荷;

Pm:最大載荷;

Pu:發(fā)生脆性失穩(wěn)斷裂時(shí)的載荷;

Pa:從解理斷裂向塑性斷裂模式轉(zhuǎn)變時(shí)出現(xiàn)的止裂載荷。

圖2示出斷裂過程中的載荷—時(shí)間曲線及其對(duì)應(yīng)的斷口表面形貌［5］。在斷裂過程中，全面屈服產(chǎn)生后，沖擊的能量用于使塑性裂紋起裂，起裂時(shí)的載荷發(fā)生在Pgy和Pm之間，這已經(jīng)被磁場(chǎng)發(fā)射系統(tǒng)證實(shí)［6］。隨后裂紋前緣開始穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展，直至失穩(wěn)點(diǎn)Pu，失穩(wěn)后載荷迅速下降至止裂載荷Pa。最后，剪切唇的形成消耗掉剩余的能量。在不同測(cè)試溫度，載荷—時(shí)間曲線也不同。比如下平臺(tái)區(qū)域附近發(fā)生低溫脆斷，斷裂模式則不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)斷裂及止裂等;而對(duì)于上平臺(tái)區(qū)域，則會(huì)發(fā)生完整的塑性斷裂，也沒有顯著的失穩(wěn)斷裂和止裂。因此，載荷時(shí)間曲線能很好地與斷口形貌特征關(guān)聯(lián)起來［5］。

圖1 沖擊試驗(yàn)的典型載荷—時(shí)間曲線

圖2 沖擊的能量積分與斷口表面形貌的關(guān)聯(lián)

根據(jù)圖1中沖擊試驗(yàn)獲得的載荷特征值，為了獲取靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的流變性能，載荷通常被轉(zhuǎn)化為應(yīng)力:

式中 σ——應(yīng)力，MPa

β——根據(jù)所選的屈服準(zhǔn)則確定的常數(shù)，如對(duì)于Tresca準(zhǔn)則，β=2;而對(duì)于 von Mises準(zhǔn)則，β =。CHAOUADI等［5］則認(rèn)為β=1.866是合適的

S——跨距，mm，S=40 mm

P——載荷，kN

Cf——與錘頭形狀相關(guān)的常數(shù)。對(duì)于ISO錘頭Cf=1.274;對(duì)于ASTM錘頭Cf=1.363［6］

W——試樣的寬度，mm，W=10 mm

a——缺口深度，mm，a=2 mm

B——試樣的厚度，mm，B=10 mm

對(duì)于使用ISO錘頭的沖擊試驗(yàn)，應(yīng)力(MPa)與載荷(kN)的轉(zhuǎn)換公式:

應(yīng)力計(jì)算后，可以將靜態(tài)拉伸和夏比沖擊試驗(yàn)的特征應(yīng)力繪制在一張圖中，其中靜態(tài)拉伸和夏比沖擊的屈服應(yīng)力擬合基于有物理意義的方程，而最大載荷處應(yīng)力和止裂載荷處應(yīng)力等則是通過經(jīng)驗(yàn)性的擬合。

1.1 流變性能

根據(jù)固體流變強(qiáng)度的相關(guān)文獻(xiàn)［5］，屈服強(qiáng)度可以視為非熱應(yīng)力 σath和熱激活應(yīng)力 σP的和。非熱應(yīng)力代表位錯(cuò)與長(zhǎng)程障礙的交互作用，而熱激活應(yīng)力則代表短程障礙對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用。

因此，屈服強(qiáng)度被描述成應(yīng)變速率與溫度的關(guān)系式:

式中 T——溫度

k——波爾茲曼常數(shù)

ε·0——材料固有的應(yīng)變速率敏感性

HC——激活能

m，m'——晶格能壘常數(shù)

同時(shí)，隨著溫度的升高彈性模量遞減，(1－αT)中的α則代表模量與溫度相關(guān)的系數(shù)。

根據(jù)拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)的應(yīng)變速率不同，可以擬合成不同的流變應(yīng)力與溫度的曲線，示例見圖 3［5］。

圖3 20MnMoNi55流變應(yīng)力與溫度的關(guān)系曲線

1.2 最大載荷處應(yīng)力

由于最大載荷不是材料的固有性能，因此一般通過在屈服強(qiáng)度關(guān)系基礎(chǔ)上加上相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)擬合式，從而確定最大載荷的關(guān)系。

1.3 止裂載荷處應(yīng)力

止裂載荷或止裂應(yīng)力與溫度同樣存在一定的相關(guān)性。

式中，λ為與材料相關(guān)的常數(shù);對(duì)于ISO錘頭，常數(shù)κ=137 MPa。Pa和 σa的單位分別為 kN和MPa，σa為止裂強(qiáng)度。零塑性溫度NDT則代表夏比沖擊止裂載荷為3 kN時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度［7］。如有材料實(shí)測(cè)的NDT，也可用實(shí)測(cè)值替代擬合值。

1.4 斷口纖維率

根據(jù)圖2中的特征參數(shù)和剪切斷口形貌的直接關(guān)系，斷口纖維率SFA(%)可以表示為特征載荷的關(guān)系式:

其中，k為比例系數(shù)。當(dāng)T＜TN時(shí)，k=0;T＞TN時(shí)，k=0.5。k=0.5對(duì)應(yīng)的則是全面屈服和最大載荷之間塑性裂紋起裂時(shí)。顯然，對(duì)于T＜T1，SFA=0;對(duì)于 T ＞T0，SFA=100%。

為證實(shí)k=0.5能對(duì)應(yīng)于塑性裂紋起裂，CHAOUADI［5］對(duì) 20MnMoNi55 和 JSPS 的彎曲試樣在25℃和290℃條件下進(jìn)行試驗(yàn)，加載到全面屈服和最大載荷中間，熱著色后在液氮中打斷，測(cè)量到的塑性裂紋長(zhǎng)度為40～50 μm。這也證明選擇k=0.5是合適的。

1.5 載荷圖繪制

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和相關(guān)擬合公式，則可以繪制出載荷圖并定義相關(guān)特征溫度，見圖4［5］。

圖4中:

T1:全面屈服發(fā)生時(shí)的溫度。Pgy和Pm之間的交叉處所對(duì)應(yīng)的溫度點(diǎn)，代表材料完全脆性(解理斷裂區(qū))的情況，SFA為0。

TN:Pm和Pu開始分離時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度點(diǎn)，代表韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)間的參考溫度。在高于該溫度時(shí)，解理斷裂在達(dá)到最大載荷后發(fā)生;而低于該溫度時(shí)，在最大載荷處發(fā)生失穩(wěn)斷裂。

T0:對(duì)應(yīng)于100%纖維斷面率的溫度點(diǎn)(上平臺(tái)起始點(diǎn))，代表材料全面塑性(韌性斷裂區(qū))的情況。

圖4 20MnMoNi55的載荷圖

圖4中還包含了靜態(tài)拉伸條件下的屈服強(qiáng)度，與沖擊試驗(yàn)確定的屈服強(qiáng)度可以判別材料的應(yīng)變速率敏感性。因此，采用T1，TN，T0反映的是材料不同物理斷裂機(jī)制所對(duì)應(yīng)的特征轉(zhuǎn)變溫度。

2 材料與試驗(yàn)

本次試驗(yàn)材料選擇國產(chǎn)RPV材料A508－3鍛件，其化學(xué)成分見表1。試驗(yàn)材料包括原始試樣、時(shí)效試樣和重組試樣。時(shí)效試樣是將A508－3鋼在700℃進(jìn)行時(shí)效36 h，隨后空冷至室溫。重組試樣則是在中間插入段兩端電子束焊接上等長(zhǎng)的支撐段材料，重新組成完整的沖擊試樣，見圖5。采用德國Zwick擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)這3種試樣進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度從－80～200℃。沖擊機(jī)沖擊能量450 J，沖擊速度約5.23 m/s。

表1 RPV鍛件化學(xué)成分%

圖5 重組試樣的加工示意

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

傳統(tǒng)方法采用沖擊試驗(yàn)可以獲得材料的韌脆轉(zhuǎn)變曲線，進(jìn)而得到T41J等特征轉(zhuǎn)變溫度。夏比沖擊功與溫度的關(guān)系曲線形狀基本呈S形，通常采用Oldfield提出的雙曲正切函數(shù)進(jìn)行擬合，趙建平等［8－9］建議采用 Boltzmann函數(shù)描述上述關(guān)系曲線。同時(shí)，Boltzmann函數(shù)與雙曲正切函數(shù)可以相互轉(zhuǎn)化。文中采用如下Boltzmann函數(shù):

式中 E——夏比沖擊功，J

A1，A2——下平臺(tái)能量、上平臺(tái)能量，J

T——試驗(yàn)溫度，℃

Tt——對(duì)應(yīng)于 E=的轉(zhuǎn)變溫度，℃

θ1——夏比沖擊功—溫度擬合曲線的參數(shù)

以原始試樣為例，圖6示出原始試樣的夏比沖擊功—溫度關(guān)系曲線。根據(jù)擬合曲線獲得T41J為－53℃。類似的，對(duì)重組試樣和時(shí)效試樣同樣進(jìn)行擬合，得到重組試樣和時(shí)效試樣的T41J分別為－61℃和－14℃。

按圖1所示，對(duì)每一個(gè)試樣的特征載荷進(jìn)行標(biāo)定，并按式(2)轉(zhuǎn)化為應(yīng)力，將同種試樣的應(yīng)力繪制在同一張圖中，并根據(jù)相應(yīng)載荷的擬合公式(3)～(5)進(jìn)行擬合，每個(gè)擬合曲線上、下還包含95%的置信曲線。圖7示出不同試樣的載荷圖，載荷圖上確定了不同的特征轉(zhuǎn)變溫度T1，TN，T0，分別代表下平臺(tái)、韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)、上平臺(tái)的特征轉(zhuǎn)變溫度。與T41J等根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取的轉(zhuǎn)變溫度不同，TN代表的載荷位移曲線特征由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂時(shí)的溫度。各試樣確定的特征轉(zhuǎn)變溫度見表2。圖8則是根據(jù)式(6)確定的斷口纖維率與溫度的關(guān)系曲線。

圖6 RPV材料原始試樣夏比沖擊功E—溫度T的關(guān)系曲線

由表2可看出，原始試樣和重組試樣由于所經(jīng)歷的熱處理相同，經(jīng)文獻(xiàn)［10］中統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)，雖然ΔT41J為8℃，但檢驗(yàn)的重組試樣的T41J與原始試樣無顯著差異。相比而言，代表韌脆轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變區(qū)參考溫度變化的ΔTN的數(shù)值差異更小，僅為1℃。而代表下平臺(tái)區(qū)和上平臺(tái)區(qū)的轉(zhuǎn)變溫度差值則要略高，為22℃和9℃。時(shí)效試樣是通過熱處理模擬RPV材料服役后發(fā)生的性能劣化，其ΔT41J為39 ℃，而 ΔTN則為 49 ℃。相對(duì)的，ΔT1和ΔT0則低于39℃?？梢钥闯?，采用載荷圖確定的特征轉(zhuǎn)變溫度能夠反映RPV材料的性能劣化，且與傳統(tǒng)方法的判定基本相近。圖8中曲線右移產(chǎn)生的溫度增量能更直觀地反映性能劣化。

圖7 不同試樣的載荷圖

表2 各類試樣特征溫度℃

圖8 不同試樣的斷口纖維率SFA—溫度T曲線

圖9示出 CHAOUADI［5］收集的不同材料載荷圖確定的轉(zhuǎn)變溫度ΔT與ΔT41J的關(guān)系比較。載荷圖確定的ΔT一般不超過(ΔT41J+15℃)的范圍內(nèi)，這與本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)(最大值高于ΔT41J10℃)也吻合。同時(shí)，相比 ΔT1和 ΔT0，代表韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)的特征溫度ΔTN(圖中的ΔT50%)與ΔT41J更為接近。

圖9 載荷圖確定的轉(zhuǎn)變溫度ΔT—ΔT41J的關(guān)系曲線

從圖9中可以看出，大多數(shù)情況下，ΔT41J的使用往往顯得更保守。可見，載荷圖技術(shù)能夠用來評(píng)價(jià)RPV材料的輻照脆化，并對(duì)傳統(tǒng)方法進(jìn)行有效的補(bǔ)充。此外，由于傳統(tǒng)方法不能有效評(píng)價(jià)聚變堆候選材料鐵素體/馬氏體鋼的輻照脆化，CHAOUADI［11］用載荷圖技術(shù)對(duì)聚變堆候選材料Eurofer－97的輻照效應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明載荷圖技術(shù)能更好地反映材料的性能。由于載荷圖技術(shù)的特征溫度均來自示波沖擊試驗(yàn)的結(jié)果，而這是輻照監(jiān)督中容易獲取的。同時(shí)，載荷圖技術(shù)能與試樣重組技術(shù)較好結(jié)合起來，在今后的輻照監(jiān)督中具有良好的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

文中先對(duì)載荷圖技術(shù)的原理進(jìn)行了詳細(xì)地介紹，隨后對(duì)國產(chǎn)RPV材料的原始試樣、重組試樣和時(shí)效試樣進(jìn)行了示波沖擊試驗(yàn)，并得到了以下結(jié)論:

(1)根據(jù)斷裂模式的不同，載荷圖技術(shù)能夠得到不同的轉(zhuǎn)變溫度 T1，TN，T0，其中 ΔTN與 ΔT41J最為接近。對(duì)于重組試樣和原始試樣，ΔTN與ΔT41J相差9℃;對(duì)于時(shí)效試樣和原始試樣，ΔTN與ΔT41J相差10℃。載荷圖技術(shù)能較好反映材料的性能變化，是對(duì)傳統(tǒng)方法的有效補(bǔ)充。

(2)在現(xiàn)有輻照監(jiān)督基礎(chǔ)上，載荷圖技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)，并且能與試樣重組技術(shù)結(jié)合起來，在核工業(yè)中有較好的應(yīng)用前景。

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