核電用接管安全端308L焊縫金屬高溫低周疲勞性能研究

王儀美，肖青山,徐 柱，胡苧尹，肖調(diào)兵

(中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司,武漢 430223)

0 引言

壓水堆核電站反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器等主設(shè)備的接管安全端位于一回路壓力邊界，主要為低合金鋼和不銹鋼異種焊接結(jié)構(gòu)。在反應(yīng)堆運(yùn)行期間，該部件承受堆功率波動及冷卻劑流動引起的循環(huán)載荷作用，導(dǎo)致部件材料發(fā)生塑性變形，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，累積的變形可能使部件發(fā)生疲勞損傷斷裂，從而威脅一回路壓力邊界的完整性[1]。

目前，針對接管安全端308L焊縫金屬疲勞性能的研究主要為疲勞裂紋擴(kuò)展的研究[2-4]，研究結(jié)果表明，高溫環(huán)境下308L中的δ鐵素體會轉(zhuǎn)變成碳化物和σ相等脆性相，進(jìn)而降低材料的疲勞抗性，使其疲勞裂紋擴(kuò)展速率增加。Rao等[2]發(fā)現(xiàn)，在550～650 ℃高溫空氣環(huán)境中，308不銹鋼焊縫金屬在疲勞載荷作用下會出現(xiàn)循環(huán)軟化行為，其疲勞壽命相比于304母材在相同載荷條件下會降低。研究接管安全端焊縫金屬在反應(yīng)堆功率運(yùn)行溫度下的低周疲勞性能，確定焊縫金屬的低周疲勞特性及疲勞壽命曲線，可以為核電站對安全接管端部件的疲勞分析提供理論依據(jù)。

本文以核電用接管安全端308L焊縫金屬材料為對象進(jìn)行應(yīng)變控制的低周疲勞(LCF)試驗(yàn)，分析其疲勞循環(huán)特性，使用Manson-Coffin關(guān)系式對應(yīng)變-壽命曲線進(jìn)行分析，并與ASME疲勞設(shè)計曲線進(jìn)行對比，最后利用三維超景深顯微鏡、帶能譜分析儀(EDS)的掃描電鏡(SEM)表征疲勞斷口，分析308L焊縫金屬的失效機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)取樣為某公司制造的低合金鋼16MND5和Z2CND18-12控氮不銹鋼平板對接焊件的308L不銹鋼焊縫區(qū)域，該焊縫的焊接工藝為多層手工埋弧焊，焊后沒有進(jìn)行熱處理[5]。試驗(yàn)材料照片見圖1，LCF試樣沿焊縫長度方向取材，取樣位置示意圖見圖2，308L焊縫金屬的化學(xué)成分如表1所示。LCF試樣尺寸如圖3所示，標(biāo)距段表面粗糙度Ra<0.2 μm。試驗(yàn)材料依據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》[6]和GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定——標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)方法》[7]在倒置金相顯微鏡進(jìn)行金相組織分析，顯微鏡型號為奧林巴斯GX71。

圖1 試樣照片

圖2 取樣位置示意

表1 308L焊縫金屬的化學(xué)成分 %

圖3 疲勞試樣結(jié)構(gòu)尺寸

1.2 疲勞試驗(yàn)方法

在帶有高溫環(huán)境箱的Instron 8802液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行308L焊縫金屬的LCF試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)最大載荷能力為±100 kN，高溫箱最高工作溫度為350 ℃。試驗(yàn)依據(jù)ASTM E606/E606M-12標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行[8]，加載波形為三角波，應(yīng)變比為R=-1，采用應(yīng)變控制，加載速率為0.04 %·s-1。選取的應(yīng)變幅值范圍為0.3%～1.0%，使用的引伸計為Epsilon 7642-0125M-025M。為降低試驗(yàn)誤差,在每級應(yīng)變幅水平下測試了最少3個疲勞試樣，并記錄應(yīng)力-應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)和疲勞壽命Nf。

1.3 斷口分析

選取典型的疲勞失效斷口在三維超景深顯微鏡、帶EDS的SEM進(jìn)行形貌和成分分析，型號分別為Keyence VHX-1000C，F(xiàn)EI Quanta650 FEG。

2 結(jié)果與討論

2.1 金相分析結(jié)果

圖4(a)為在倒置金相顯微鏡下放大100倍后的徑向夾雜物照片，圖4(b)，(c)分別為放大200倍和500倍時軸向微觀組織的金相照片。根據(jù)判定，試樣的顯微組織為奧氏體+δ鐵素體；試樣的平均晶粒度為5.0；試樣中含有2.5級(粒徑3～8 μm)環(huán)狀氧化物夾雜和1級(粒徑19 μm)單顆粒球狀夾雜。

圖4 試樣金相分析照片

2.2 滯回環(huán)

LCF試樣在5級應(yīng)變幅水平下的滯后迴線如圖5所示。

圖5 LCF試樣在5級應(yīng)變幅水平下的滯回環(huán)及對比

每級應(yīng)變幅水平下選取一件代表性試樣描述應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，每個試樣分別選取了初始循環(huán)(第5和20循環(huán))、中間循環(huán)和接近失效時的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，圖5(f)中為5級應(yīng)變幅水平下中間循環(huán)時的穩(wěn)定滯迴線對比。在疲勞加載和卸載的過程中滯回環(huán)近似對稱，隨著應(yīng)變幅值由1.0%減小到0.3%，滯迴線變窄、變矮、面積減小。在每級應(yīng)變幅水平下，隨著疲勞循環(huán)數(shù)的增加，試樣從初始循環(huán)到穩(wěn)定循環(huán)，直至接近失效的過程中表現(xiàn)出循環(huán)軟化的特征。

2.3 循環(huán)響應(yīng)

應(yīng)變控制下疲勞試樣在各級應(yīng)變幅水平時應(yīng)力峰值、谷值隨疲勞循環(huán)數(shù)的變化如圖6所示，峰值和谷值的變化表現(xiàn)出了幾乎相同趨勢。在應(yīng)變幅水平較低(0.3%)時，隨著循環(huán)數(shù)的增加，應(yīng)力峰、谷值緩慢降低，試樣表現(xiàn)出循環(huán)軟化特征；隨著應(yīng)變幅值增加(>0.3%)，在初始前約5個循環(huán)時，隨著循環(huán)數(shù)的增加，應(yīng)力峰、谷值緩慢增加，試樣表現(xiàn)出循環(huán)硬化特征，大約5個循環(huán)之后直至試樣斷裂的過程中表現(xiàn)出循環(huán)軟化的特征，且沒有表現(xiàn)出穩(wěn)定的循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)。隨著應(yīng)變幅水平的增加，初始循環(huán)硬化和后期循環(huán)軟化的程度也都在增加。

圖6 應(yīng)力峰值和應(yīng)力谷值隨疲勞循環(huán)數(shù)的變化曲線

2.4 彈性模量

圖7示出三級應(yīng)變幅值水平下(1.0%，0.6%和0.3%)循環(huán)彈性模量隨疲勞循環(huán)數(shù)的變化關(guān)系，其中循環(huán)彈性模量為拉伸加載階段彈性模量和壓縮加載階段彈性模量的平均值，N/Nf為當(dāng)前循環(huán)周次與總疲勞壽命之間的比值。從圖7可以看出應(yīng)變幅值較大(1.0%和0.6%)時在疲勞初始階段循環(huán)彈性模量會緩慢下降，0.1Nf后下降趨于平緩，在疲勞過程中大部分階段幾乎保持穩(wěn)定；而應(yīng)變幅值為0.3%時，循環(huán)彈性模量大部分階段都保持穩(wěn)定。不論在何種應(yīng)變幅值條件下，0.9Nf階段后模量值急劇降低。疲勞過程中彈性模量的損傷特性與疲勞裂紋萌生階段、擴(kuò)展階段的關(guān)聯(lián)研究表明，彈性模量急劇降低的點(diǎn)可以作為疲勞裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展和失穩(wěn)擴(kuò)展的分界點(diǎn)[9-10]。

圖7 不同應(yīng)變幅水平下循環(huán)彈性模量隨N/Nf的

2.5 疲勞壽命曲線

2.5.1 Manson-Coffin曲線

彈性應(yīng)變幅Δεe/2和疲勞壽命Nf的關(guān)系可以由Basquin關(guān)系[11-12]進(jìn)行描述：

(1)

式中σ′f——疲勞強(qiáng)度系數(shù)；

E——彈性模量，GPa；

b——疲勞強(qiáng)度指數(shù)。

塑性應(yīng)變幅Δεp/2和疲勞壽命Nf的關(guān)系可以由Manson-Coffin經(jīng)驗(yàn)式[13]進(jìn)行描述：

(2)

式中ε′f——疲勞強(qiáng)度延性系數(shù)；

c——疲勞強(qiáng)度延性指數(shù)。

上述兩式描述的總應(yīng)變幅和疲勞壽命的關(guān)系式如下：

(3)

總應(yīng)變幅-壽命、彈性應(yīng)變幅-壽命和塑性應(yīng)變幅-壽命曲線如圖8所示,彈性應(yīng)變幅-壽命曲線和塑性應(yīng)變幅-壽命曲線的交點(diǎn)處疲勞壽命為Nf=15 000周次，當(dāng)Nf<15 000周次時，塑性應(yīng)變占主導(dǎo)，抗疲勞變形主要由延性控制；當(dāng)Nf>15 000周次時，彈性應(yīng)變占主導(dǎo)，抗疲勞變形主要由強(qiáng)度控制。

圖8 總應(yīng)變幅、彈性應(yīng)變幅和塑性應(yīng)變幅與疲勞壽命關(guān)系曲線

2.5.2 ASME疲勞設(shè)計曲線

圖9示出試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)和ASME規(guī)范奧氏體不銹鋼疲勞平均曲線和設(shè)計曲線的對比結(jié)果?？梢钥闯觯?08L焊縫金屬的在不同應(yīng)變幅值下疲勞壽命高于ASME考慮安全裕度的設(shè)計曲線，隨著應(yīng)變幅值降低，疲勞壽命接近ASME規(guī)范未考慮安全裕度的平均曲線。所以在設(shè)計和分析不銹鋼異種焊縫金屬的疲勞壽命時，采用ASME規(guī)范設(shè)計曲線是保守和合適的，能夠保證異種金屬接管-安全端結(jié)構(gòu)的安全[14]。

圖9 308L焊縫金屬疲勞壽命曲線與ASME平均曲線和設(shè)計曲線對比

另外，將試驗(yàn)獲得的疲勞壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到了308L焊縫金屬在0.3%～1.0%應(yīng)變幅值范圍內(nèi)應(yīng)變-壽命曲線(即疲勞壽命曲線)，擬合度因子大于0.98，說明擬合度很好。該曲線的表達(dá)式為：

(4)

該曲線可以用于判斷308L焊縫金屬在300 ℃條件下0.3%～1.0%應(yīng)變幅值范圍內(nèi)的疲勞壽命。

2.6 疲勞斷口分析

2.6.1 體視顯微分析

圖10示出了應(yīng)變幅值為0.8%,0.6%和0.4%條件下308L焊縫金屬疲勞失效后樣品的斷口超景深三維顯微鏡照片，其中圖10(a)～(c)為3個應(yīng)變幅值條件下的裂紋萌生區(qū)的形貌圖，圖10(d)為0.8%應(yīng)變幅值條件下的裂紋擴(kuò)展區(qū)的形貌圖(圖中箭頭所指方向?yàn)榱鸭y擴(kuò)展方向)。

從圖10中可以看出，無論高應(yīng)變幅值還是低應(yīng)變幅值條件下，疲勞斷口主要包括萌生區(qū)和擴(kuò)展區(qū)。疲勞裂紋都是從樣品表面開始萌生，這主要是由于試樣表面不可避免地會有劃痕、凹坑等缺陷，缺陷位置是潛在的裂紋萌生源[15]；在高應(yīng)變幅值條件下，應(yīng)變幅值為1.0%時明顯的裂紋萌生源僅1處，而在應(yīng)變幅值為0.6%時，裂紋萌生源變?yōu)?處，應(yīng)變幅值為0.4%時，裂紋萌生源為3處。隨著應(yīng)變幅值降低，裂紋萌生處數(shù)量增多，這說明當(dāng)承受高應(yīng)變幅值的部件一旦產(chǎn)生裂紋，該裂紋快速擴(kuò)展導(dǎo)致部件失效；而承受低應(yīng)變幅值的部件傾向于產(chǎn)生更多的裂紋萌生源，可以減緩部件的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。另外，從圖10(d)可以看出在裂紋擴(kuò)展區(qū)有典型的疲勞條紋。

(a)

(b)

(c)

(d)

圖10 不同應(yīng)變幅值條件下疲勞斷口3D超景深顯微鏡形貌圖

2.6.2 SEM分析

圖11是疲勞失效后樣品的SEM照片。從圖11(a)可以看出，隨著疲勞裂紋擴(kuò)展，疲勞條紋間距增加；金相分析結(jié)果顯示308L焊縫金屬中存在粒徑小于10 μm的顆粒夾雜物；從圖11(b)，(c)看出，這些顆粒夾雜物可以成為新的疲勞裂紋萌生源；從圖11(d)可以看出，在疲勞裂紋擴(kuò)展過程中出現(xiàn)了解理臺階，即典型脆性疲勞斷裂特征；圖11(f)是圖11(e)中畫框位置的放大圖，可以看出在疲勞條紋之間出現(xiàn)了大量二次條紋。

圖11 高溫低周疲勞斷口的SEM照片

圖12 不同應(yīng)變幅值條件下疲勞條紋對比

圖12是0.8%和0.3%應(yīng)變幅值下疲勞斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)的SEM照片。通常認(rèn)為，兩條疲勞條紋間距表示裂紋擴(kuò)展一周的距離。從圖中可以看出，高應(yīng)變幅值是疲勞條紋間距大約10 μm，低應(yīng)變幅值時大約為5 μm，表明高應(yīng)變幅值條件下疲勞裂紋擴(kuò)展速率比低應(yīng)變幅值時大。

3 結(jié)論

(1)核級308L焊縫金屬的在不同應(yīng)變幅值下疲勞壽命低于ASME規(guī)范不考慮安全裕度的平均曲線，高于ASME規(guī)范考慮安全裕度的設(shè)計曲線，應(yīng)變幅值越低、越接近平均曲線。

(2)疲勞裂紋都是從試樣表面開始萌生；隨著應(yīng)變幅值降低，裂紋萌生源的數(shù)量增多。

(3)隨著應(yīng)變幅值降低，疲勞條紋間距減?。?08L焊縫金屬中存在少量未融化的顆粒，這些顆?？梢猿蔀樾碌钠诹鸭y萌生源；在疲勞裂紋擴(kuò)展過程中出現(xiàn)典型脆性疲勞斷裂特征；在疲勞條紋之間出現(xiàn)大量二次條紋。