國產A508-3鋼在模擬AP1000一回路水環(huán)境下的疲勞性能研究

鐘巍華，佟振峰，王成龍，魚濱濤，劉 健，鄭 全，楊 文

(中國原子能科學研究院 反應堆工程技術研究部，北京 102413)

反應堆壓力容器(RPV)是核電站不可更換的關鍵設備，其設計壽命早期一般依據空氣環(huán)境疲勞曲線制定。然而，RPV材料服役在一回路水環(huán)境下，其高溫、高壓等因素可明顯降低材料的疲勞性能。為此美國、日本以及歐洲等核能大國，均對其RPV材料開展了一回路水環(huán)境下的疲勞性能研究，為修訂其RPV在一回路水環(huán)境的疲勞設計壽命提供了技術支持[1]。我國針對A508-3鋼、A533B鋼以及國產碳鋼在高溫水環(huán)境下進行了試驗研究[2-4]，并對國產RPV材料一回路水環(huán)境疲勞設計曲線進行了分析[3,5]。AP1000是目前先進的第3代核電站，實現(xiàn)其RPV的國產化是我國引進、消化、吸收再創(chuàng)新建立國產大型先進核電站的重要目標之一。為有效評估國產AP1000壓力容器的設計壽命，需了解其材料在一回路水環(huán)境下的疲勞性能，但目前尚缺乏國產RPV鋼(A508-3鋼)在模擬AP1000一回路水環(huán)境下的疲勞數據。因此，本文擬通過開展國產A508-3鋼在模擬AP1000一回路水環(huán)境下的疲勞性能研究，以獲得疲勞性能數據，認識疲勞微觀斷裂機理，為國產大型反應堆RPV的疲勞設計提供技術支持。

1 材料和方法

1.1 材料

試驗材料取自于某反應堆實際應用的國產A508-3鋼鍛件，材料的主要成分如下：C，0.18%；Si，0.16%；Mn，1.41%；Mo，0.46%；Ni，0.75%；Cr，0.12%。鍛件的后處理工藝為正火+回火+調質+模擬焊后熱處理，其中材料模擬焊后熱處理工藝為：在300 ℃以上，加熱速率為55 ℃/h，610 ℃/620 ℃保溫30 h，冷卻速率為55 ℃/h，冷卻至300 ℃出爐空冷。材料金相組織為貝氏體(圖1)。

圖1 國產A508-3 鋼的顯微組織Fig.1 Metallography structure of domestic A508-3 steel

1.2 試驗

試驗設備為百若腐蝕疲勞試驗機，如圖2所示，由力學測試部分和高壓回路兩部分組成。力學測試部分包括控制柜、伺服電機及試驗機架；高壓回路部分包括水化學控制回路、高壓釜、線性差動變壓器(LVDT)位移測量系統(tǒng)等部件。設備具備開展模擬一回路水環(huán)境的低周疲勞試驗功能。

疲勞試驗環(huán)境為模擬AP1000一回路水環(huán)境，具體參數列于表1。水介質為添加2.2 ppm

圖2 高溫高壓腐蝕疲勞試驗系統(tǒng)Fig.2 High temperature and high pressure corrosion fatigue test system

參數數值試驗值設計值溫度,℃321280～321壓力,MPa15.515.5溶解氧5 ppb～0.1 ppm正常工況5 ppb,最高不超過0.1 ppmpH控制劑2.2 ppm LiOH+1 200 ppm H3BO32.2 ppm LiOH +1200 ppm H3BO3電導率,S/cm1～40由硼酸濃度和堿度確定,在25 ℃條件下預期為1～40pH值5～7正常運行溫度下pH>5.0

LiOH和1 200 ppm H3BO3的去離子水，室溫下pH值范圍穩(wěn)定在5～7之間，電導率為20～35 S/cm，溶解氧<0.1 ppm。疲勞試驗的加載參數如下：應變控制、應變比-1、三角波以及應變速率0.04%/s，疲勞壽命Nf為穩(wěn)定區(qū)峰值應力降低25%對應的疲勞周次。

疲勞試樣為等截面試樣，具體尺寸如圖3所示。試驗設計參考ASTM E606[6]和 GBT 15248—2008[7]，平行段長度為19 mm，直徑為6.35 mm。為直接測量平行段應變，在平行段的近端部增加用于測量應變的凸臺，試驗時通過LVDT測量2個凸臺的位移差值獲得平行段變形數據，一回路水環(huán)境下的應變測量裝置示意圖示于圖4[8]。

圖3 疲勞試樣尺寸Fig.3 Fatigue specimen size

試驗時，利用含有H2的標準氮氣將溶解氧除至<0.1 ppm，在溫度穩(wěn)定后進行正式疲勞測試。試驗過程中，根據疲勞周次調整應變幅，為得到較為全面的低周疲勞數據(Nf=102～105)，本疲勞試驗應變幅為0.2%～0.6%。試驗后，使用高頻低載荷拉-拉疲勞的方法拉斷失效樣品，利用掃描電鏡(SEM)觀察斷口形貌，并分析其斷裂機理。

1——凸臺夾持卡具；2——應變引導桿；3——LVDT 圖4 模擬一回路水環(huán)境的應變測量裝置示意圖Fig.4 Stress measurement device in simulated primary coolant environment

2 結果與分析

試驗過程中獲得的典型循環(huán)應力-應變滯回線示于圖5。由圖5可見，在0.2%～0.6%的應變幅范圍內，國產A508-3鋼滯回線基本呈梭形，且具有較好的對稱性；隨著應變幅的增大，滯回線的寬度逐漸增大，一般的疲勞應變由彈性應變和塑性應變組成，滯回線寬度的增加，說明塑性應變幅的份額增大。

0.2%～0.6%應變幅試樣的典型循環(huán)應力峰值響應曲線示于圖6。由圖6可見，循環(huán)應力峰值先隨周次的增加逐漸增大，而后又隨周次的增加逐漸減小，整個過程出現(xiàn)了循環(huán)硬化、循環(huán)軟化和疲勞失穩(wěn)3個階段，且同周期的峰值應力隨應變幅的增大而逐漸增大。疲勞循環(huán)硬化和循環(huán)軟化與位錯運動有關，在大應變幅樣品中由于塑性變形大，位錯會迅速增殖，導致位錯密度不斷增加而強化了材料，使峰值應力增大[9]，因此國產A508-3鋼在疲勞初期表現(xiàn)出明顯的疲勞硬化。但隨著循環(huán)周次的增加位錯密度也逐漸升高，一方面會導致位錯的塞積從而產生微裂紋，另一方面也可使位錯湮滅速度加快；此外，樣品表面的高應變局部區(qū)域還會逐漸出現(xiàn)駐留滑移帶，形成許多“擠出”和“侵入”，而這些“侵入”會形成尖銳的缺口，造成應力集中，并萌生疲勞微裂紋[10]，以致國產A508-3鋼出現(xiàn)循環(huán)軟化。隨著疲勞的持續(xù)進行，微裂紋將逐漸萌生、擴展、聚集并進一步產生宏觀裂紋，降低試樣的有效面積，最終造成失穩(wěn)階段的應力快速下降[11]。

圖5 0.2%～0.6%應變幅試樣 在半壽命周期的應力-應變滯回線Fig.5 Stress-strain hysteresis loop of specimen at Nf/2 and 0.2%-0.6% strain amplitude

圖6 0.2%～0.6%應變幅試樣的 峰值應力-疲勞周次關系Fig.6 Relationship between peak stress and cycle of specimen at 0.2%-0.6% strain amplitude

國產A508-3鋼在一回路水環(huán)境下的應變幅-疲勞壽命關系曲線示于圖7。由圖7可見，隨著應變幅由0.2%逐漸增加至0.6%，疲勞周次從105逐漸降低至102。依據標準[12]方法，在半壽命遲滯回線中將應變幅Δεa拆分為彈性應變幅Δεe和塑性應變幅Δεp，然后分別對Δεe與疲勞壽命Nf、Δεp與Nf的關系進行對數擬合，得到國產A508-3鋼在一回路水環(huán)境下的Mason-Coffin疲勞壽命模型：Δεa=2.26×(2Nf)-0.21+0.53×(2Nf)-0.62。

圖7 國產A508-3鋼在模擬一回路水環(huán)境下的 疲勞應變幅與壽命的關系Fig.7 Relationship between strain amplitude and fatigue life of domestic A508-3 steel under simulated primary coolant environment

3 斷裂機理分析

國產A508-3鋼在高溫、高壓水環(huán)境下的典型疲勞斷口形貌示于圖8。圖8a為斷口全貌，可見疲勞斷口主要分為表面的裂紋形核區(qū)、裂紋擴展區(qū)以及最終斷裂區(qū)；裂紋起始于表面，且具有多個起始源(箭頭所指)。裂紋擴展區(qū)的斷口粗糙不平，斷口上有多個“山脊”，這些“山脊”是不同裂紋源形成的主裂紋在相交時產生的。圖8b為裂紋源區(qū)域形貌，可見斷口有許多放射狀條紋，放射狀條紋均指向裂紋源的中心，即具有“向心性”，表明放射狀條紋與裂紋擴展方向相同；且表面有腐蝕痕跡，裂紋源處有大量的顆粒狀物塊，將框圖部位放大后可看到，有許多小的圓形或方形顆粒浮在斷口表面上。圖8c為靠近樣品邊緣的疲勞裂紋擴展區(qū)形貌，可見斷口有大量的疲勞輝紋，疲勞輝紋與裂紋擴展方向垂直，而河流狀花紋與裂紋擴展方向平行，將框圖進一步放大后同樣可看到，斷口表面存在大量的顆粒，有的大顆粒似懸浮在斷口表面上，這些顆粒尺寸從幾十nm到幾百nm甚至超過1 μm。圖8d為斷口中心處的疲勞裂紋擴展區(qū)形貌，此處仍具有疲勞輝紋形貌，但疲勞輝紋寬度有所增加；將其局部進一步放大，也可看到斷口表面有大量的顆粒。為了解顆粒的成分信息，對其進行了EDS分析，結果示于圖9，EDS元素分析結果列于表2，可見顆粒為含C、O、Fe和Ni等元素的氧化物。

圖8 模擬一回路水環(huán)境下的疲勞試樣斷口形貌Fig.8 Fracture surface morphology of fatigue specimen under simulated primary coolant environment

圖9 EDS分析的氧化物顆粒形貌Fig.9 Morphology of oxide particle analyzed by EDS

元素質量分數/%原子百分比/%C11.7624.08O33.6651.73Fe52.723.41Ni1.870.78

綜上可見，國產A508-3鋼的疲勞斷口特征為：疲勞裂紋源于樣品表面、擴展區(qū)有疲勞輝紋并覆蓋有氧化物顆粒，說明國產A508-3鋼在一回路水環(huán)境下的斷口兼具典型的金屬疲勞及腐蝕特征，這與國內外對RPV鋼在高溫水環(huán)境的疲勞研究結果[12-13]一致。

疲勞輝紋是金屬樣品發(fā)生疲勞變形的常見特征，這是由于隨著裂紋向前推進，兩個不同滑移系交替滑移，在裂紋前方出現(xiàn)雙滑移，發(fā)生拉鏈式斷裂從而形成的[20]。除疲勞輝紋外，國產A508-3鋼疲勞斷口上還出現(xiàn)了大量的腐蝕產物(圖8、9)，這與國內外的研究結果[1-2]吻合?？赏茰y，與其他RPV鋼相同，國產A508-3鋼在模擬AP1000一回路水環(huán)境中發(fā)生了環(huán)境輔助開裂(EAC)效應加速疲勞裂紋擴展。目前通常認為RPV鋼在一回路水環(huán)境下的EAC機制主要是膜破裂/滑移溶解機制[1]。該機制認為裂紋尖端在介質中形成鈍化膜，裂紋的局部塑形變形導致鈍化膜開裂，使基體重新暴露在介質中，同時基體表面又再鈍化，以上過程反復發(fā)生從而加速了疲勞裂紋擴展。以上分析綜合表明，國產A508-3鋼在高溫高壓水環(huán)境下的疲勞斷裂為典型的腐蝕疲勞斷裂機制。

4 結論

1) 國產A508-3鋼在模擬AP1000一回路水環(huán)境下的疲勞過程發(fā)生了循環(huán)硬化、循環(huán)軟化和疲勞失穩(wěn)3個階段，峰值應力隨應變幅的增大而逐漸增大；

2) 在進行應變速率為0.04%/s的應變疲勞試驗時，隨著應變幅由0.2%逐漸增加至0.6%，疲勞周次從105逐漸降低至102；

3) 國產A508-3鋼樣品在一回路水環(huán)境下的疲勞裂紋源主要來自于樣品表面的駐留滑移帶、MnS等夾雜處，裂紋擴展區(qū)有典型疲勞輝紋，輝紋上分布著腐蝕顆粒產物，具有典型的腐蝕疲勞斷裂特征。