论文部分内容阅读
聚变能被认为是人类能源问题的终极解决方案之一,聚变堆包层结构材料是否能够长期安全服役是聚变堆能否安全运行的重要因素。目前,中国抗辐照低活化马氏体钢(CLAM)已经被选作ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)中国实验包层模块(Test Blanket Module)的首选结构材料。聚变堆包层需要在高温和载荷耦合作用下长期服役,包层结构材料在服役过程中会发生蠕变现象。此外,在包层的加工制造过程中很有可能会引入各种微缺陷,同时在服役过程中也会有微缺陷的产生。微缺陷的存在将会加速蠕变孔洞的形核与长大并会引起包层部件中蠕变微裂纹的产生。在高温和复杂载荷的耦合作用下,蠕变微裂纹会逐渐扩展,从而可能引起材料的失效,缩短包层部件服役寿命,影响聚变堆包层的安全服役。传统的高温部件设计方法中主要考虑预防部件的蠕变失效,忽略了蠕变裂纹扩展对部件结构完整性的影响。为了确保聚变堆包层部件的安全服役,开展聚变堆包层结构材料蠕变裂纹扩展行为研究与寿命预测就成为目前急需研究的课题之一。本文根据聚变堆包层的服役工况,开展了CLAM钢单轴拉伸蠕变试验和蠕变裂纹扩展研究工作,分析了温度、应力和初始载荷等因素对CLAM钢蠕变及蠕变裂纹扩展行为的影响机理,同时获得CLAM钢蠕变裂纹扩展速率。首先,开展了5000C、550℃及600℃下初始载荷在3650-6050N范围内的CLAM钢蠕变裂纹扩展实验,研究了不同实验条件下的蠕变裂纹扩展行为。研究表明,温度和初始载荷对CLAM钢蠕变裂纹扩展行为有显著影响,温度越高、初始载荷越大,蠕变裂纹扩展孕育期越短,蠕变裂纹扩展速率越小：其中,蠕变裂纹扩展孕育期及稳态蠕变裂纹扩展速率与初始载荷之间存在着幂律关系。另外,分析了C*参量、应力强度因子K和净截面应力σnet与CLAM钢蠕变裂纹扩展速率的关联关系；分析表明C*参量更适合用来关联蠕变裂纹扩展速率,拟合得到的蠕变裂纹扩展速率与C*参量之间的关系为：da/dt=3×(C*/1000)0.9。显微组织分析结果表明,在试验过程中的高温及载荷作用下,试样中会产生明显的蠕变损伤,主要以蠕变孔洞为主。蠕变裂纹通过与蠕变孔洞的连接而逐渐扩展。其次,为了建立CLAM钢蠕变裂纹扩展速率模型,开展了5000C、550℃及600℃下应力在170-230MPa范围内的单轴拉伸蠕变试验,分析了CLAM钢的单轴拉伸蠕变规律。研究结果表明,温度越高、应力越大,CLAM钢蠕变寿命越低,稳态蠕变应变速率越大；其中,稳态蠕变应变速率与试验应力的关系符合诺顿幂律方程。利用得到的CLAM钢蠕变本构方程,建立了不同温度下蠕变裂纹扩展速率模型。分析表明,平面应变条件下预测得到的蠕变裂纹扩展速率约为平面应力条件的预测得到的50倍。与试验结果对照表明,平面应力状态下的NSW模型能够较好的预测材料的蠕变裂纹扩展行为,并且有一定的保守性。