冷加工對316L不銹鋼裂尖力學(xué)特性的影響

楊宏亮，薛 河，倪陳強(qiáng)

(1.西安科技大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引 言

應(yīng)力、材料的敏感性和腐蝕環(huán)境是應(yīng)力腐蝕開裂發(fā)生的3個條件[1]。核電壓力容器在穩(wěn)態(tài)工作時一般承受壓力應(yīng)力、熱負(fù)荷應(yīng)力和殘余應(yīng)力，其中殘余應(yīng)力是3種應(yīng)力中最有害的一種，是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的重要因素。殘余應(yīng)力往往是制造過程中冷加工產(chǎn)生的，例如冷軋、冷彎、焊接、裝配、脹管等，并往往能達(dá)到屈服強(qiáng)度[2-4]。冷加工是核電結(jié)構(gòu)材料制造過程中不可缺少的環(huán)節(jié)，其產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和塑性變形會對材料的力學(xué)性能產(chǎn)生較大的影響[5-6]。當(dāng)材料內(nèi)部殘余應(yīng)力超過一定范圍時，就會引起應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象，材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力提高，則會加劇材料的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性[7]。殘余應(yīng)力通過在材料內(nèi)部作用，改變材料的微觀組織，使其敏感性增加，從而降低材料的穩(wěn)定性，核電設(shè)備在制造過程中，不可避免的存在各種冷加工變形，是產(chǎn)生殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變的最主要因素，促進(jìn)應(yīng)力腐蝕開裂發(fā)生，加速裂紋擴(kuò)展。冷加工所導(dǎo)致奧氏體不銹鋼表面層上的殘余拉應(yīng)力，現(xiàn)在被認(rèn)為是開裂的主要原因之一[8-9]。在壓水反應(yīng)堆核電站系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)主回路元件許多應(yīng)力腐蝕開裂與冷加工相關(guān)[10-11]。Ilevbare等人報告表明，53%的壓水堆組件故障與材料加工中的冷加工有關(guān)[12]。試驗(yàn)測試也證實(shí)冷加工奧氏體不銹鋼比退火材料具有更高的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性[13-14]。

美國的Andresen等人對蒸汽發(fā)生器使用材料鎳基合金和不銹鋼等進(jìn)行研究表明，冷加工是促進(jìn)和加速材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的重要原因之一[15-16]。相同條件下，冷軋不銹鋼發(fā)生沿晶和穿晶應(yīng)力腐蝕開裂，而拉伸不銹鋼則發(fā)生沿晶應(yīng)力腐蝕開裂[17]。大量的研究表明，隨變形程度的增加，材料的屈服強(qiáng)度、加工硬化增加，材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力和應(yīng)變也隨之增加，在一定范圍內(nèi)，開裂敏感性和裂紋擴(kuò)展速率也隨著冷加工程度的增加而增加[16，18]。日本Kamaya等人為了解冷加工對316不銹鋼斷裂強(qiáng)度的影響，分析了冷加工和屈服極限、屈服強(qiáng)度、應(yīng)力應(yīng)變、斷裂韌性的關(guān)系。研究出了不同冷加工程度不銹鋼試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線[19-21]。

因此，冷加工對應(yīng)力腐蝕開裂的影響成為研究的熱點(diǎn)，分析不同冷加工程度下，微裂紋裂尖力學(xué)狀態(tài)具有重要的實(shí)際意義。為了解冷加工316L不銹鋼裂尖力學(xué)狀態(tài)，利用ABAQUS仿真軟件，對應(yīng)力腐蝕裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場進(jìn)行分析，以期獲得冷加工對316L不銹鋼應(yīng)力腐蝕裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場的影響規(guī)律。

1 有限元建模

1.1 幾何模型

以緊湊拉伸試樣(1T-CT)為研究對象，試樣幾何尺寸和實(shí)驗(yàn)過程符合ASTME399-90標(biāo)準(zhǔn)[22]，試樣的幾何尺寸如圖1所示，其中W=50 mm，a=25 mm，c=2 mm.在有限元模擬計(jì)算過程中，取應(yīng)力強(qiáng)度因子K=30 MPa·m0.5[23].

圖1 試樣幾何尺寸(單位：mm)Fig.1 Specimen geometry(unit:mm)

1.2 材料模型

材料為316L不銹鋼，材料力學(xué)性能符合R-O關(guān)系[24-25]。

(1)

式中α為偏移系數(shù)；n為硬化指數(shù)；σ0為屈服強(qiáng)度；E為楊氏模量；σ，ε分別為真實(shí)應(yīng)力和真實(shí)應(yīng)變。

316L不銹鋼的力學(xué)參數(shù)[19-20]為：屈服強(qiáng)度σ0=258 MPa，楊氏模量E=205 GPa，硬化指數(shù)n=2.43，偏移系數(shù)α=9.56，泊松比v=0.3.冷加工方式為常溫冷軋，冷軋量分別為5%，10%和20%.

1.3 有限元模型

對于核電管道，軸向相對于其他兩個方向在空間很長，軸向的應(yīng)變可以忽略不計(jì)，但是軸向的應(yīng)力不一定為零，屬于“平面應(yīng)變”問題，因此，有限元模型采用平面應(yīng)變模型，利用ABAQUS中子模型技術(shù)計(jì)算應(yīng)力腐蝕裂紋尖端區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，并采用8節(jié)點(diǎn)2次平面應(yīng)變單元[26]。對緊湊拉伸試樣裂紋進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分，為提高計(jì)算精度，對裂尖區(qū)域再次進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，以獲得較準(zhǔn)確的裂尖應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)[27]。

2 力學(xué)特性分析

2.1 316L冷加工力學(xué)特性分析

316L不銹鋼冷加工后的力學(xué)性能[19-20]如圖2和圖3所示。由圖2可知，材料的屈服強(qiáng)度隨著冷加工量的增加而增加，楊氏模量隨著冷加工量的增加而減小。材料出現(xiàn)了冷加工硬化現(xiàn)象，應(yīng)力應(yīng)變曲線在屈服點(diǎn)以前斜率有所減小，但屈服點(diǎn)有所增高。

圖2 不同冷加工屈服強(qiáng)度和楊氏模量分布Fig.2 Distribution of yield strength and Young’s modulus at different cold working degree

圖3 不同冷加工硬化指數(shù)和偏移系數(shù)分布Fig.3 Distribution of hardening exponent and deviation coefficient at different cold working degree

由圖3可知，冷加工量越大，316L不銹鋼硬化指數(shù)越大，而偏移系數(shù)隨著冷加工量的增加而減小。

2.2 冷加工對應(yīng)力腐蝕裂尖Mises應(yīng)力的影響

冷加工對316L不銹鋼應(yīng)力腐蝕裂尖Mises應(yīng)力的影響如圖4所示。

圖4 Mises應(yīng)力分布Fig.4 Mises stress distribution

由圖4可以看出，距離裂尖越近，Mises應(yīng)力越大，最大Mises應(yīng)力集中在裂尖正前方；同時，在裂尖周向上，Mises應(yīng)力沿兩側(cè)逐漸減小。冷加工量越大，316L不銹鋼裂紋尖端Mises應(yīng)力越大。由圖2可知，冷加工程度越高，材料的加工硬化程度也越高，材料的屈服強(qiáng)度也越大，在施加的應(yīng)力強(qiáng)度因子K相同時，材料不易達(dá)到屈服，內(nèi)部的Mises應(yīng)力相對較大。

2.3 冷加工對裂尖等效塑性應(yīng)變的影響

不同拉伸變形量的裂尖等效塑性應(yīng)變分布云圖如圖5所示，由圖可知，316L不銹鋼應(yīng)力腐蝕裂紋尖端等效塑性應(yīng)變隨著冷加工量的增大而減小。裂尖等效塑性應(yīng)變的最大值出現(xiàn)在裂尖正前方，離裂尖越遠(yuǎn)，等效塑性應(yīng)變越小；在沿裂尖圓周方向上，等效塑性應(yīng)變向兩側(cè)逐漸減小。冷加工量增大時，316L不銹鋼硬化的程度也增大，材料在一定程度上難以發(fā)生應(yīng)變，裂尖的等效塑性應(yīng)變會隨著冷加工量的增加有所減小。

圖5 等效塑性應(yīng)變分布Fig.5 Equivalent plastic strain distribution

2.4 冷加工對裂尖拉伸應(yīng)力的影響

圖6所示為不同冷加工程度對316L不銹鋼應(yīng)力腐蝕裂紋尖端拉伸應(yīng)力的影響。由圖6可以看出，裂紋尖端拉伸應(yīng)力隨著冷加工量的增大而增大。最大拉伸應(yīng)力出現(xiàn)在裂紋尖端正前方，在沿裂尖圓周方向上，拉伸應(yīng)力沿兩側(cè)減小，減小程度比較劇烈，拉伸應(yīng)力最大值主要集中在裂尖正前方。因此，裂尖正前方是應(yīng)力腐蝕開裂發(fā)生的主要區(qū)域。

圖6 拉伸應(yīng)力分布Fig.6 Tensile stress distribution

2.5 冷加工對裂尖拉伸應(yīng)變的影響

冷加工變形對應(yīng)力腐蝕裂紋尖端拉伸應(yīng)變的影響如圖7所示。由圖7可知，拉伸應(yīng)變隨著316L不銹鋼冷加工程度的增大而減小。拉伸應(yīng)變的最大值也出現(xiàn)在裂尖正前方，在沿裂尖圓周方向上，拉伸應(yīng)變沿圓周方向向兩側(cè)逐漸減小。

圖7 拉伸應(yīng)變分布Fig.7 Tensile strain distribution

2.6 裂尖J積分分析

圖8所示為冷加工對316L不銹鋼裂紋尖端J積分分布的影響。

圖8 冷加工對J積分的影響Fig.8 Effect of working degree on J integral

模擬過程中應(yīng)力強(qiáng)度因子K=30 MPa·m0.5保持不變，可得J積分的分布如圖8所示，可以看出，J積分隨著材料冷加工量的增加而增大，說明冷加工量越大，材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂越明顯。

在斷裂力學(xué)中，不考慮J積分的彈性部分，主要考慮材料的塑性變形部分，則J積分的計(jì)算公式

(2)

式中E′=E/(1-v2).

帶入可得

(3)

由公式(3)可知，在裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子K一定的情況下，裂尖J積分的大小和材料的楊氏模量及泊松比有關(guān)系，冷加工引起了材料的楊氏模量發(fā)生變化，其裂尖的J積分分布也發(fā)生了改變。由圖2可知，楊氏模量隨著冷加工量的增加而減小，因此J積分隨著冷加工量的增加而增加，此現(xiàn)象可由公式(3)解釋。

核電結(jié)構(gòu)材料316L不銹鋼在制造及裝配過程中，會產(chǎn)生一定程度的冷加工，冷加工量會對316L不銹鋼的裂尖力學(xué)狀態(tài)和應(yīng)力腐蝕速率產(chǎn)生影響，Andresen和shoji等人對不銹鋼和鎳基合金冷加工后應(yīng)力腐蝕開裂行為進(jìn)行研究的結(jié)果表明，材料加工過程中引入的冷加工變形是促進(jìn)和加速材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的主要因素，冷軋后的鎳基合金和不銹鋼裂紋擴(kuò)展速率比鑄態(tài)合金高100倍以上[15-16]。法國的EDF公司的壓水堆核電運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，沒有明顯冷加工的部件未發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象，冷加工是產(chǎn)生SCC的主要因素之一[28]。采用ABAQUS有限元仿真對冷加工316L不銹鋼裂尖的力學(xué)特性結(jié)果也表明，冷加工導(dǎo)致裂尖應(yīng)力和J積分增大，在一定程度上加劇應(yīng)力腐蝕開裂。

3 結(jié) 論

1)冷加工使材料的力學(xué)性能發(fā)生變化，冷加工程度越高，316L不銹鋼的屈服強(qiáng)度和硬化指數(shù)越高，楊氏模量和偏移系數(shù)越低；

2)由于材料力學(xué)性能的變化，應(yīng)力腐蝕裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變分布狀態(tài)也發(fā)生變化，應(yīng)力腐蝕裂紋裂尖Mises應(yīng)力和拉伸應(yīng)力隨著冷加工量的增加而增加，等效塑性應(yīng)變和拉伸應(yīng)變隨著冷加工量的增加而減??；

3)當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子一定時，裂尖J積分隨著316L不銹鋼冷加工量的增加而增加。不同冷加工方式和冷加工程度都會導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕裂紋尖端斷裂參量的變化，從而引起裂紋擴(kuò)展規(guī)律的變化，因此研究復(fù)合冷加工方式下裂尖力學(xué)狀態(tài)分布也將會成為研究熱點(diǎn)。

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