高温对核电工程材料低循环行为的影响研究

摘要 本文对核电工程材料：钛合金T42NG与T225NG和主螺栓材料18Cr2NiWA开展了室温与350oC高温下的低周疲劳性能试验研究，获得了各材料单调R-O本构模型和M-C寿命估算模型。基于这些模型，研究了材料的循环强化与软化规律，研究了温度系数ls、lDs和lNf对钛合金静强度、循环强度和低周疲劳规律的影响效应；根据温度对寿命的影响系数lNf与应变幅De/2呈线性规律的重要发现，提出了考虑温度效应的，用于高温低周疲劳寿命估算的l-M-C模型，进而总结出一种较现行方法更简便的高温疲劳试验方法。 关键词 低周疲劳，寿命估算方法，钛合金，高温 中图分类号：TB302.3 1 引言 工程金属构件大多在循环载荷作用下工作，疲劳是构件失效的主要形式。疲劳研究领域包括高周疲劳和低周疲劳。一般认为，高周疲劳研究涉及在循环载荷作用下变形与应力为比例关系的疲劳破坏问题，低周疲劳领域则关心变形与应力之间不成比例关系的疲劳破坏问题，即在循环载荷作用下，材料危险点的循环应力—应变关系因塑性应变较大而产生明显的迟滞回环，在这种情况下应变幅值作为控制参数将按一定规律制约疲劳损伤的进程。疲劳破坏的过程事实上是材料组织结构损伤劣化的累积过程，温度是加速材料疲劳劣化的重要影响因素。在定常温度下，金属材料的单轴应变幅与疲劳寿命关系存在形式统一、常数因材料而异的非线性Manson-Coffin模型[1],但是该模型还难以反映导致材料损伤裂化的温度影响规律。本文基于室温与350oC高温下国产新材料T42NG和T225NG钛合金钢和18Cr2NiWA反应堆主螺栓材料的系列试验成果，一方面研究了材料的疲劳特性，一方面系统地研究了温度因素对材料静强度和低周疲劳规律的影响效应，提出了考虑温度效应的低周疲劳统一模型，即l-M-C模型。根据这一模型，可以大大缩短高温疲劳试验时间和减少试样数量。 2 试验条件 拉伸和疲劳试样采用等直型结构，中部等直段直径为8mm，长度为28mm；过度段半径为32mm；两端螺纹夹持段长为40mm，螺纹尺寸为M16×2。试样车制后用匹配试件过渡半径的砂轮进行精细磨制，最后用金相砂纸对试件表面作抛光处理。 试验设备为MTS809材料试验机。常温疲劳与常温拉伸试验采用常温轴向引伸计MTS632.11c-21(标距:25mm)、高温疲劳与高温拉伸试验采用高温拉扭引伸计MTS632.68-08F(标距:25mm), 高温试验采用热发生器 MTS Lepel以及温控器SHIMADEN SR53。高温引伸计和载荷传感器精度为5‰。试验控制方式为应变幅值控制，应变幅值控制的绝对误差小于0.03‰ mm/mm。Lepel温度控制精度为±1℃，试样标距范围内的温度梯度低于±5℃。采用三个热电偶测温。热电偶通过MTS点焊机焊在试样标距段的上中下三点，中点热电偶用作温度控制。其余两个热电偶用于监测温度梯度。 拉伸与疲劳应变控制波形为三角波，控制拉伸轴向变形的应变速率为0.05% /s。低周疲劳应变加载速率为0.4%/s（轴向应变/s）。采用载荷下降15%作为试样的失效判据。试验温度分别为室温和350℃。高温试验时，试样加载前温度升至规定温度后保温10分钟，然后将应变引伸计信号进行初始化调零以在测量应变中消去温度应变。