奥氏体不锈钢的应力腐蚀与裂纹扩展数值模拟文献综述

 2022-11-25 16:40:12

文 献 综 述

1 引言

随着奧氏体不诱钢材料在承压设备中的广泛应用,应力腐蚀开裂事故频繁发生。因应力腐蚀开裂引起的断裂属于低应力脆性破坏,常在设备没有任何先兆的情况下造成灾难性后果,严重威胁着人民生命和财产安全。受环境、应力及材料等因素的影响,应力腐蚀机理和过程颇为复杂,应力腐蚀失效具有很大的不确定性,虽然研究人员己对应力腐蚀机理、影响因素化及裂纹扩展等进行了大量研究,但仍有许多问题需要解决。

同时,面对传统资源短缺和环境污染的双重压力,我国大力发展核电事业。反应堆压力容器(RPV)是主回路冷却剂压力边界屏障中的一个重要设备,为核安全一级设备,在核电厂服役期内不可更换,其寿命决定了整个核电厂的服役年限。对材料进行寿命预测,尤其是定量预测应力腐蚀裂纹扩展速率,对实际应用有着十分重要的意义。

本课题借助数值模拟方法,采用有限元软件ABAQUS建立RPV管的宏观全局模型和裂纹断裂过程区的微观子模型,重点研究奥氏体不锈钢RPV管的应力分布状态以及初始裂纹位置对裂纹扩展速率的影响,有效研究核电材料应力腐蚀裂纹扩展行为。

2 应力腐蚀概论

受应力的材料在特定环境下引起裂纹形核,扩展而发生滞后断裂(或开裂)的现象称为应力腐蚀(SCC)。不存在应力时,腐蚀非常轻微,应力超过某一临界值后,金属或构件会在腐蚀并不严重的情况下发生低应力脆断。发生应力腐蚀开裂的三要素包括特定的材料、特定的环境介质及拉应力,三者并不是简单的叠加而是相互促进。对每种金属或合金,只有在特别的介质中才能发生应力腐蚀。只有存在应力时(特别是拉应力),才能产应力腐蚀裂纹。应力腐蚀是一种与时间有关的滞后破坏,裂纹形核需要孕育期,扩展速率也比较慢。它也是一种低应力脆性断裂,在低的服役应力下,应力腐蚀就会导致无先兆的灾难性事故,造成巨大的经济损失。[1]

3 点蚀

3.1 点蚀的定义

材料在特定环境介质下,经过一段时间以后,其表面大部分区域不发生或者只发生轻微的腐蚀,而在局部地区出现一些麻点或腐蚀小孔,这种腐蚀现象称为点蚀。[2]点蚀一般发生在有钝化膜的金属或合金表面,比如不锈钢、耐热钢、铝及铝合金[3]、钛合金[4]等。在侵蚀性阴离子溶液中,钝性金属中存在的夹杂物、合金相、位错露头、空穴等缺陷常形成点蚀的起源。而非钝性金属由于表面不存在钝化膜,表面产生腐蚀的几率均等,形成均匀腐蚀。可见,材料发生点蚀必须具备3个条件:(1)钝性金属材料;(2)由金属基本中的夹杂物、位错等缺陷引起钝化膜局部弱化;(3)特定的腐蚀介质。不锈钢表面有一层致密的具有保护作用的钝化膜,属于典型的钝性金属。不锈钢中存在的硫化物(如 MnS)、位错等缺陷,在侵蚀性溶液中易成为不锈钢点蚀的形核点,促使点蚀的发生[5,6]。不锈钢发生点蚀后,最基本的特征是点蚀坑弥散分布,且点蚀坑横截面形貌呈现口小腔大的特征。

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