楊帆， 孫劍偉， 張文娟

(1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安 710089；2.西安科技大學(xué)，西安 710054)

0 前言

應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)是核電結(jié)構(gòu)材料在高溫高壓水環(huán)境下的重要失效形式之一[1-2]，它是由裂尖局部區(qū)域力學(xué)、腐蝕環(huán)境和材料共同作用下的裂紋緩慢擴展過程[3]。核電結(jié)構(gòu)材料不銹鋼的表面形成一層致密的氧化膜，其主要成分為Cr2O3[4-5]，美國GE公司Ford和Andresen提出的氧化膜破裂理論是目前結(jié)構(gòu)材料SCC擴展速率預(yù)測中最重要模型之一，被稱為F-A模型[6]。該模型指出，SCC擴展過程是在裂尖力學(xué)、腐蝕環(huán)境和材料共同作用下氧化膜破裂-裂尖電化學(xué)陽極反應(yīng)-氧化膜形成的一個反復(fù)過程，該模型能夠描述裂紋萌生-小裂紋擴展-裂紋加速擴展的不同時期[7]。

小裂紋擴展階段[8]占據(jù)了SCC裂紋擴展的主要時間，在表面劃痕時期，外載對SCC反應(yīng)區(qū)域的力學(xué)影響很小，但試驗表明在此階段SCC裂紋仍在緩慢增長。在無外加載荷的作用下，裂尖表面的氧化膜會對裂尖形成楔入作用，所產(chǎn)生的裂尖應(yīng)力造成氧化膜破裂和裂紋進一步擴展，這種無應(yīng)力腐蝕開裂也可以稱為“氧化膜應(yīng)力”開裂[9]。相關(guān)試驗表明304不銹鋼光滑試樣表面產(chǎn)生的膜致應(yīng)力大小在30 MPa左右[10-13]。李美栓等人發(fā)現(xiàn)高溫水環(huán)境中的氧化膜生長和溫度變化分別產(chǎn)生了生長應(yīng)力和熱應(yīng)力，該應(yīng)力足以使氧化膜發(fā)生開裂并向基體擴展，可以看出氧化膜應(yīng)力在萌生裂裂紋中起到很大的作用。

針對氧化膜應(yīng)力對應(yīng)力腐蝕開裂裂尖力學(xué)場的影響，該文建立了SCC裂紋擴展的有限元模型，研究了氧化膜應(yīng)力對不同裂紋擴展階段裂尖Mises應(yīng)力、法向拉伸應(yīng)力及應(yīng)力強度因子的影響。

1 SCC壽命周期有限元模型的建立

1.1 幾何模型

采用含單邊裂紋的有限寬板拉伸試樣來進行模擬，圖1為裂尖區(qū)域幾何模型示意圖。實際焊接接頭管道厚度為83.5 mm，將其簡化為平面應(yīng)變單元，試樣的幾何尺寸和試驗過程符合ASTM 399標準，試樣寬度W=83.5 mm，長度L=160 mm，a為裂紋長度，a取值從表面劃痕開始到50 μm，0.2 mm和2 mm，分別代表從表面劃痕、到微小裂紋的萌生，小裂紋和后期的長裂紋的生長，如圖1a所示，裂尖區(qū)域子模型及觀測路徑選擇如圖1b所示。

圖1 幾何模型及子模型

1.2 材料模型

目前核電結(jié)構(gòu)材料大量使用的奧氏體不銹鋼和鎳基合金屬于冪硬化材料，通常采用Ramberg-Osgood來描述其塑性力學(xué)性能，如式(1)所示。

(1)

式中：ε為總應(yīng)變，包含彈性和塑性應(yīng)變；σ為總應(yīng)力；ε0和σ0分別為屈服應(yīng)變和屈服應(yīng)力；α和n分別為材料的偏移系數(shù)和硬化指數(shù)。600合金在高溫高壓水環(huán)境中(288 ℃)力學(xué)性能見表1。

表1 600合金在高溫高壓水環(huán)境中(288 ℃)力學(xué)性能

1.3 材料模型

SCC壽命周期是結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)生表面缺陷開始，直至應(yīng)力腐蝕開裂，再到裂紋長度逐漸增大的過程，通過使用子模型技術(shù)選取該范圍內(nèi)的不同長度裂紋作為研究氧化膜應(yīng)力在SCC壽命周期中起到的作用規(guī)律，按照數(shù)量級遞增的方式，分別選擇了5種應(yīng)力腐蝕開裂尺寸；從表面缺陷到裂紋尺寸為5 μm，50 μm，0.2 mm和2 mm，需要指出的是5 μm級別的裂紋長度已經(jīng)處于SCC裂紋的萌生初期，是由表面缺陷誘發(fā)的應(yīng)力腐蝕開裂，網(wǎng)格采用CPE8單元。由于在氧化膜與鎳基合金基體界面附近區(qū)域會出現(xiàn)較大的應(yīng)力梯度，為提高計算精度，采用子模型技術(shù)對裂尖附近區(qū)域的氧化膜和基體金屬進行網(wǎng)格細化，全局模型網(wǎng)格數(shù)為3 424個，圖2為SCC壽命周期示意圖。

圖2 SCC壽命周期示意圖

1.4 邊界條件與載荷

針對基體金屬和氧化膜的熱膨脹系數(shù)不同，在沒有外加載荷的情況下引入一定的熱力場，用熱應(yīng)力代表氧化膜應(yīng)力，通過改變溫度來實現(xiàn)不同的氧化膜應(yīng)力[14]，從而分析氧化膜應(yīng)力對基體金屬裂尖力學(xué)場帶來的影響。

2 計算結(jié)果及分析

2.1 氧化膜應(yīng)力對裂尖Mises應(yīng)力的影響

為了消除裂尖氧化膜的厚度對氧化膜應(yīng)力造成的影響，統(tǒng)一設(shè)定氧化膜厚度為1 μm，研究氧化膜應(yīng)力對不同時期裂紋尖端產(chǎn)生的影響。

圖3和圖4分別為不同應(yīng)力腐蝕開裂時期基體金屬Mises應(yīng)力沿水平和軸向的應(yīng)力變化曲線圖。通過對裂尖前方的Mises應(yīng)力分析，可以看出離裂尖越遠，應(yīng)力值逐漸下降，最終趨于零。表面劃痕時期裂尖Mises應(yīng)力具有最大的應(yīng)力值，達到320 MPa以上，從a=5 μm到a=2 mm，基體金屬最大應(yīng)力數(shù)值明顯減小，可以看出膜致應(yīng)力對微小裂紋的作用效果十分顯著；同時也可以發(fā)現(xiàn)膜致應(yīng)力在表面劃痕時期對基體金屬的作用范圍較小。

圖3 氧化膜應(yīng)力對路徑1上Mises的影響

圖4 氧化膜應(yīng)力對路徑2上Mises的影響

2.2 氧化膜應(yīng)力對裂尖法向拉伸應(yīng)力S22的影響

圖5和圖6分別為不同應(yīng)力腐蝕開裂時期基體金屬法向拉伸應(yīng)力S22沿水平方向和周向的應(yīng)力變化曲線圖。

從圖5中可以看出膜致應(yīng)力裂尖拉伸應(yīng)力的影響和Mises應(yīng)力相似，表面劃痕時期對裂尖拉伸應(yīng)力區(qū)域最大達到250 MPa，隨著裂紋的生長，拉伸應(yīng)力在裂尖前方的作用范圍減小。

從圖6中可以看出在a=2 mm和0.2 mm的小裂紋時期，S22沿裂尖圓弧上的應(yīng)力值變化不大，而當(dāng)a=50 μm及表面劃痕的小裂紋時期，應(yīng)力急劇增大，同時可以看出拉伸應(yīng)力主要作用在距離裂尖水平方向±30°的范圍內(nèi)降低。

圖5 氧化膜應(yīng)力對路徑1上S22的影響

圖6 氧化膜應(yīng)力對裂尖路徑2上S22的影響

2.3 氧化膜應(yīng)力對裂尖應(yīng)力強度因子的影響

圖7為不同時期裂紋對基體金屬裂尖應(yīng)力強度因子K的影響，由圖7可以看出，應(yīng)力強度因子K隨著裂紋擴展的增大而減小，因此在表面劃痕時期膜致應(yīng)力對基體金屬的作用應(yīng)力最大，越易于發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

圖7 氧化膜應(yīng)力對裂尖應(yīng)力強度因子的影響

3 結(jié)論

(1)在表面劃痕階段，膜致應(yīng)力對裂尖Mises應(yīng)力和裂紋法向拉伸應(yīng)力的影響最大，且高應(yīng)力應(yīng)變區(qū)集中在裂尖前端的微小區(qū)域，膜致應(yīng)力的影響范圍較小。

(2)隨著裂紋的不斷擴展，膜致應(yīng)力對應(yīng)力腐蝕裂尖的影響越來越小。

(3)應(yīng)力強度因子K隨著裂紋長度的增加而減??；表面劃痕時期，越容易產(chǎn)生SCC裂紋，并誘發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂。