樊光程，王晚霞，談建平，侍克獻(xiàn)，周伯謀，陸燕玲

(1.中國(guó)科學(xué)院 上海應(yīng)用物理研究所，上海 201800；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237；4.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，上海 200240)

0 引言

研究和開發(fā)經(jīng)濟(jì)、高效、安全的先進(jìn)核能是解決能源短缺、環(huán)境惡化等問題的關(guān)鍵途徑，鑒于釷基核能開發(fā)利用的優(yōu)勢(shì)[1]，2011年我國(guó)重啟了釷基熔鹽堆研究，計(jì)劃用20年左右的時(shí)間，在國(guó)際上首先實(shí)現(xiàn)釷基熔鹽堆的應(yīng)用[2]。熔鹽堆中核燃料由高溫熔融氟化物鹽攜帶，堆內(nèi)構(gòu)件及其材料與高溫熔融氟鹽、核燃料及裂變產(chǎn)物直接接觸，使材料處于中子輻照、高溫、受力和熔鹽腐蝕等極端環(huán)境中，能夠在這種極端環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定服役的結(jié)構(gòu)材料成為了熔鹽堆技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

20世紀(jì)五六十年代，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)研發(fā)了一種鎳基合金——UNS N10003合金(國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的材料牌號(hào)為GH3535)[3]。圍繞這種合金，研究者們?cè)谌渥儭⑷埯}腐蝕、高溫氧化、輻照和焊接等方面已經(jīng)做了很多工作[4-10]。但由于制造水平的制約，材料在制造、加工、服役的過程中勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生缺陷，在高溫服役過程中，應(yīng)力集中的缺陷部位會(huì)發(fā)生擴(kuò)展，并最終發(fā)生結(jié)構(gòu)失效[11]。對(duì)于某些材料，即使具有良好的常規(guī)力學(xué)性能，但其斷裂性能不一定能夠滿足要求[12]。而該材料的高溫裂紋擴(kuò)展性能研究報(bào)道甚少，出于核安全考慮，有必要對(duì)GH3535合金的蠕變裂紋擴(kuò)展性能進(jìn)行研究分析。本文在服役溫度650 ℃下開展GH3535合金的蠕變裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，分析蠕變裂紋擴(kuò)展規(guī)律，并對(duì)斷裂性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)材料及試樣

試驗(yàn)材料為鎳基高溫合金GH3535，其化學(xué)成分見表1。GH3535合金為單相奧氏體組織，平均晶粒尺寸為75 μm，見圖1(a)；在晶粒內(nèi)和晶界存在大量析出相(M6C型碳化物)，見圖1(b)。其高溫拉伸及蠕變性能參數(shù)見表2。

表1 GH3535合金的化學(xué)成分 %

(a)

(b)圖1 GH3535合金的組織形貌

表2 GH3535合金650 ℃性能參數(shù)

在裂紋擴(kuò)展測(cè)試中采用緊湊拉伸(CT)試樣，其寬度W=20 mm，厚度B=10 mm，初始標(biāo)稱裂紋長(zhǎng)度a0/W=0.5，見圖2。用線切割法加工1 mm寬的缺口，并在試樣表面加工20%厚度的側(cè)邊槽，有效寬度Bn=8 mm，隨后用線切割法預(yù)制0.1 mm寬的初始裂紋。

圖2 蠕變裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)CT試樣結(jié)構(gòu)示意

2 測(cè)試過程及測(cè)試數(shù)據(jù)

試驗(yàn)方法、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理按ASTM E1457—2015進(jìn)行[14]。蠕變裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)在GWT304機(jī)械式持久蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)上開展。試驗(yàn)溫度為650 ℃，在載荷3 000～4 000 N的范圍內(nèi)進(jìn)行恒載荷的裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，采用直流電位法測(cè)量裂紋的長(zhǎng)度。在不同應(yīng)力強(qiáng)度因子下進(jìn)行試驗(yàn)，試樣標(biāo)記為CT12，CT13，CT14。CT試樣尺寸及試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。最后用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣的斷口形貌。

表3 蠕變裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)參數(shù)

2.1 蠕變裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度

蠕變裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度(即裂紋增量Δa)采用DCPD直流電位法測(cè)量獲得。具體方法為在試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)記錄試樣的電勢(shì)變化，并按式(1)[14]將電勢(shì)轉(zhuǎn)化為裂紋長(zhǎng)度a。所有試驗(yàn)均在試樣未完全拉斷的情況下卸載停止試驗(yàn)，在試驗(yàn)結(jié)束后用疲勞試驗(yàn)機(jī)將試樣完全拉開，然后采用光學(xué)測(cè)量?jī)x器測(cè)得裂紋長(zhǎng)度af。

(1)

式中V——對(duì)應(yīng)于裂紋長(zhǎng)度a的瞬時(shí)電位差，mV；

V0，Vf——初始和最終電位差讀數(shù),mV。

圖3 蠕變裂紋擴(kuò)展增量Δa與時(shí)間t關(guān)系曲線

蠕變裂紋擴(kuò)展增量與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖3所示?？梢钥闯觯鸭y擴(kuò)展長(zhǎng)度隨時(shí)間增大，并且在蠕變裂紋擴(kuò)展初期存在著一個(gè)或長(zhǎng)或短的孕育階段，在此階段裂紋擴(kuò)展很慢，根據(jù)ASTM E1457，可以取蠕變裂紋擴(kuò)展增量為0.2 mm的時(shí)間作為蠕變裂紋起裂時(shí)間ti[14]。

2.2 加載線位移

加載線位移δ與時(shí)間t關(guān)系曲線見圖4。可看出，隨著時(shí)間增加，加載線位移不斷增大。載荷越大，位移變化越快，即試樣裂尖張開速率越大。

圖4 加載線位移δ與時(shí)間t關(guān)系曲線

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 蠕變裂紋擴(kuò)展速率

在蠕變延性較小的材料中，與時(shí)間相關(guān)的彈性變形和裂紋尖端局部的蠕變應(yīng)變相關(guān)，可用應(yīng)力強(qiáng)度因子K來描述彈性應(yīng)變場(chǎng)和小范圍蠕變的彈塑性應(yīng)變場(chǎng)。

K計(jì)算方法[14]如下：

(2)

其中：

f(a/W)=0.886+4.64(a/W)-13.32(a/W)2

+14.72(a/W)3-5.6(a/W)4

(3)

式中P——施加的載荷，N；

B——試樣厚度，mm；

W——試樣寬度，mm；

a——裂紋長(zhǎng)度，mm。

在蠕變延性較大的材料中，裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)容易因蠕變變形而松弛，這時(shí)應(yīng)力強(qiáng)度因子K不再適用。如圖5所示，在不同的載荷下，da/dt與Kn的關(guān)系曲線分布在一個(gè)比較寬的范圍內(nèi)。此時(shí)，參量C*與蠕變裂紋擴(kuò)展速率da/dt的關(guān)系比較集中地分布在線性范圍內(nèi)，適合關(guān)聯(lián)蠕變裂紋擴(kuò)展速率。

圖5 蠕變裂紋擴(kuò)展速率da/dt與有效應(yīng)力強(qiáng)度因子Kn的 關(guān)系曲線

C*計(jì)算公式[14]如下：

(4)

Bn——凈截面厚度，mm；

n——蠕變指數(shù);

H，η——與材料特性和試樣形狀有關(guān)的系數(shù),H=n/(n+1)，η=2.20。

(5)

在持續(xù)負(fù)荷下，裂紋體內(nèi)形成大范圍蠕變條件所需要的時(shí)間[14]為過渡時(shí)間tT：

(6)

逐一計(jì)算各數(shù)據(jù)點(diǎn)的tT，取最大值作為過渡時(shí)間tT。如果tTti，則選取過渡時(shí)間之后的數(shù)據(jù)點(diǎn)。然后采用最小二乘法擬合得到蠕變裂紋擴(kuò)展速率da/dt與C*之間的關(guān)系。計(jì)算結(jié)果表明，在650 ℃下，GH3535合金的tT

蠕變裂紋擴(kuò)展行為可以用NSW模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，NSW模型的基本形式[15]為：

(7)

式中C*——斷裂參量，N/(mm·h);

φ——常量，φ≈n/(n+1)；

(8)

在650 ℃時(shí)，GH3535合金的NSW模型為：

(9)

在650 ℃下，GH3535合金的da/dt與C*關(guān)系的NSW模型預(yù)測(cè)曲線與試驗(yàn)結(jié)果曲線如圖6所示?？梢钥闯?，不同試樣的蠕變裂紋擴(kuò)展速率da/dt與斷裂力學(xué)參量C*呈線性關(guān)系且分散性較小，所以用斷裂力學(xué)參量C*關(guān)聯(lián)蠕變裂紋擴(kuò)展速率是合適的，同時(shí)可以看到NSW模型平面應(yīng)力條件下的預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)值相近，平面應(yīng)變條件下預(yù)測(cè)結(jié)果遠(yuǎn)大于試驗(yàn)值，偏于保守。蠕變裂紋擴(kuò)展速率與斷裂力學(xué)參量C*的擬合關(guān)系為：

da/dt=0.0199C*0.942

(10)

圖6 NSW模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)照

3.2 蠕變裂紋起裂時(shí)間

蠕變裂紋起裂CCI和隨后的穩(wěn)態(tài)開裂CCG是高溫下服役的構(gòu)件的主要失效機(jī)理。對(duì)于不同的材料及結(jié)構(gòu)形式，蠕變裂紋起裂所占的比重不同，部分起裂時(shí)間甚至可占整個(gè)斷裂壽命的80%，為了獲得準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)和可靠的評(píng)估結(jié)果，蠕變裂紋的起裂時(shí)間不可忽略[16]。

圖7 蠕變裂紋起裂時(shí)間ti和有效應(yīng)力強(qiáng)度因子Kn的 關(guān)系曲線

有效應(yīng)力強(qiáng)度因子Kn和蠕變裂紋起裂時(shí)間ti的關(guān)系如圖7所示?？梢钥闯?，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，有效應(yīng)力強(qiáng)度因子Kn與蠕變裂紋起裂時(shí)間ti呈線性關(guān)系，Kn越大，ti越小，而在裂紋起裂階段，裂紋長(zhǎng)度不擴(kuò)展，裂紋尖端處于小范圍蠕變狀態(tài)，所以可用應(yīng)力強(qiáng)度因子K來描述彈性應(yīng)變場(chǎng)和小范圍蠕變的彈塑性應(yīng)變場(chǎng)。有效應(yīng)力強(qiáng)度因子Kn與蠕變裂紋起裂時(shí)間ti的擬合關(guān)系為：

(11)

通常，蠕變裂紋起裂時(shí)間ti與C*在雙對(duì)數(shù)下呈線性關(guān)系[11,16-18]，可描述為：

tiC*φ=B0

(12)

式中B0，φ——常數(shù)。

蠕變裂紋起裂時(shí)間ti與C*的關(guān)系如圖8所示，其擬合關(guān)系為：

ti=60.5564C*-0.73232

(13)

圖8 蠕變裂紋起裂時(shí)間ti與C*的關(guān)系曲線

從圖7,8的擬合結(jié)果可以看出，有效應(yīng)力強(qiáng)度因子Kn與裂紋起裂時(shí)間ti的擬合更接近于線性，所以采用Kn更適合關(guān)聯(lián)蠕變裂紋起裂時(shí)間ti。

3.3 蠕變斷裂韌性

蠕變斷裂韌性為材料抵抗蠕變裂紋擴(kuò)展的能力，其值越大，則裂紋越不易擴(kuò)展。通過蠕變斷裂韌性，可以采用高溫結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定的時(shí)間相關(guān)失效評(píng)定圖(TDFAD)法對(duì)材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)的安全評(píng)價(jià)。TDFAD法綜合考慮了蠕變機(jī)制下由于蠕變裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致結(jié)構(gòu)斷裂、含缺陷截面上的整體垮塌以及介于這兩種機(jī)制之間的失效模式，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的應(yīng)力強(qiáng)度因子和極限載荷計(jì)算，避免了復(fù)雜的高溫蠕變斷裂力學(xué)的分析[19-21]。

(14)

δc——裂紋擴(kuò)展Δa所對(duì)應(yīng)的蠕變載荷線位移,mm。

(15)

表4 GH3535合金的蠕變裂紋起裂時(shí)間及蠕變斷裂韌性數(shù)據(jù)

Ainsworth[18]采用參考應(yīng)力法估算C*公式及方程(12)，結(jié)合失效評(píng)定圖的失效判據(jù)，給出了蠕變裂紋起裂韌性估算方程：

(16)

(17)

圖9 蠕變斷裂韌性與蠕變裂紋起裂時(shí)間ti的 關(guān)系曲線

3.4 GH3535合金容限能力分析

蠕變強(qiáng)度為在一定溫度下，經(jīng)過一定時(shí)間后，蠕變量不超過一定限度的最大允許應(yīng)力。表5中的GH3535合金的蠕變強(qiáng)度為蠕變斷裂時(shí)的最大應(yīng)力，蠕變強(qiáng)度隨時(shí)間的增加不斷減小，應(yīng)力強(qiáng)度因子也是時(shí)間的函數(shù)，用時(shí)間將應(yīng)力強(qiáng)度因子與蠕變強(qiáng)度聯(lián)系起來，繪制高溫下的Ashby圖[23]，如圖10所示。圖10中，1萬h、10萬h、30萬h的數(shù)據(jù)由持久試驗(yàn)數(shù)據(jù)σ-t和裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)數(shù)據(jù)K-ti外推得到?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的增加，GH3535合金的容限能力不發(fā)生明顯的改變。數(shù)據(jù)點(diǎn)均在曲線K2/πσ2=6 mm之下，說明當(dāng)GH3535合金的缺陷尺寸小于6 mm時(shí)，裂紋的擴(kuò)展由蠕變強(qiáng)度占主導(dǎo)作用。

表5 GH3535合金的蠕變強(qiáng)度

1)外推

圖10 有效應(yīng)力強(qiáng)度因子Kn與蠕變強(qiáng)度σ的關(guān)系曲線

3.5 斷口形貌分析

GH3535合金斷口形貌的SEM圖如圖11所示。可以看出，合金是沿著晶界斷裂的。

圖11 斷口形貌的SEM圖

圖12 垂直于裂紋面的金相圖

裂紋總是沿著消耗能量最小的方向擴(kuò)展的，即在原子結(jié)合最弱處進(jìn)行裂紋擴(kuò)展，而晶界處的應(yīng)變能較高，所以只有由于某種原因使晶界結(jié)合強(qiáng)度降低才會(huì)發(fā)生沿晶斷裂，其原因大致有3種：(1)晶界處存在連續(xù)分布的脆性第二相；(2)微量有害雜質(zhì)元素在晶界上偏聚；(3)由于環(huán)境介質(zhì)的作用損害了晶界，如氫脆、應(yīng)力腐蝕、應(yīng)力和高溫的復(fù)合作用在晶界造成損傷[24]。對(duì)GH3535合金垂直于裂紋面進(jìn)行金相分析，如圖12所示?？梢钥闯?，在晶粒內(nèi)和晶界位置存在有第二相，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)裂紋沿著晶界擴(kuò)展，這是因?yàn)榈诙嗟拇嬖谑咕Ы鐝?qiáng)度降低。

4 結(jié)論

在650 ℃下，對(duì)GH3535合金的蠕變裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行研究，獲得了蠕變裂紋起裂時(shí)間、裂紋擴(kuò)展速率、蠕變斷裂韌性等數(shù)據(jù)。主要結(jié)論如下。

(1)斷裂力學(xué)參量C*更適合關(guān)聯(lián)蠕變裂紋擴(kuò)展速率，不同載荷的蠕變裂紋擴(kuò)展速率與C*參量的關(guān)系曲線呈線性分布在窄帶中。NSW模型平面應(yīng)力預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)相近，平面應(yīng)力預(yù)測(cè)結(jié)果偏于保守。

(2)采用有效應(yīng)力強(qiáng)度因子Kn更適合關(guān)聯(lián)裂紋起裂時(shí)間，該曲線在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下呈線性關(guān)系。

(4)GH3535合金雖然呈現(xiàn)沿晶斷裂機(jī)制，裂紋張開位移較小，但其容限能力較強(qiáng)。當(dāng)結(jié)構(gòu)中缺陷尺寸小于6 mm時(shí)，裂紋的擴(kuò)展由蠕變強(qiáng)度主導(dǎo)。