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Inconel690(TT)合金高温高纯水中腐蚀疲劳裂纹扩展行为研究

2015-04-28周红梅张子豪喻红梅邬忠萍苟国庆

电焊机 2015年10期
关键词:尖端屈服断口

周红梅,张子豪,喻红梅,邬忠萍,苟国庆

(1.成都工业学院材料工程学院,四川成都611730;2.中材成都重型机械有限公司,四川成都610100;3.西南交通大学材料科学与工程学院,四川成都610031)

Inconel690(TT)合金高温高纯水中腐蚀疲劳裂纹扩展行为研究

周红梅1,张子豪2,喻红梅1,邬忠萍1,苟国庆3

(1.成都工业学院材料工程学院,四川成都611730;2.中材成都重型机械有限公司,四川成都610100;3.西南交通大学材料科学与工程学院,四川成都610031)

690(TT)合金在压水堆实际运行工况条件下具有腐蚀疲劳断裂倾向。研究325℃饱和氧高纯水中,裂纹尖端处于小范围屈服时循环塑性区rc对其疲劳裂纹扩展行为的影响,得到以下结论:rc增大明显加快裂纹扩展速率,但对环境影响因子Fen没有明显影响,Fen保持在1.2~2.2之间;裂纹呈明显的穿晶型扩展,扩展过程中出现的分支和偏离将降低裂纹的扩展速率;断口具有典型的腐蚀疲劳特征,裂纹在三维空间中扩展,微观上疲劳台阶扩展方向并不完全一致。

690(TT)合金;腐蚀疲劳;循环塑性区

0 前言

690合金是在600合金基础上开发的新一代蒸汽发生器传热管材料,具有比600合金和奥氏体不锈钢更优异的抗应力腐蚀、晶间腐蚀等性能,被认为是目前最好的传热管材料,并已在核电中广泛应用[1]。

关于690合金的腐蚀疲劳裂纹扩展行为,国外进行了较多的研究,主要集中在环境对疲劳裂纹扩展速率的促进作用上。在高温高纯水中,高溶解氧浓度能明显促进疲劳裂纹的扩展,且这种促进作用在低速率扩展时更为明显;而在低溶解氧浓度条件下,温度变化对疲劳裂纹的扩展没有明显影响[2-4]。这些研究结果均是在保证裂纹尖端处于严格线弹性约束条件下得到的,而在压水堆实际工况条件下,裂纹尖端有可能处于弹塑形状态,特别对于传热管而言,由于其壁厚只有1~1.2 mm,裂纹尖端很可能处于弹塑性状态,因而有必要对弹塑性情况下的腐蚀疲劳裂纹扩展行为进行研究。

国内对690合金的研究主要集中显微结构、均匀腐蚀、点蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀方面,研究结果均表明,国产690合金的性能与进口690合金基本相当,某些性能甚至优于进口690合金[5]。而对于国产690合金腐蚀疲劳性能的研究,目前鲜有报道。

本研究结合国外对690合金腐蚀疲劳的研究经验和成果,参照ASTM E647疲劳裂纹扩展速率测定标准,研究了裂纹尖端处于小范围屈服条件下,循环塑性区大小对国产Inconel690(TT)合金在325℃饱和氧高纯水中的疲劳裂纹扩展行为。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

实验材料为宝银公司提供的国产Inconel690(TT)合金,其主要成分为:w(Ni)=61.03%,w(Cr)= 30.38%,w(Fe)=9.42%,w(Cu)=0.13%,w(Nb)=0.01%,w(Mo)=0.07%。合金经真空熔炼加电渣重熔精炼得到φ150 mm铸锭,随后热轧成φ25 mm的棒材。棒材经1 090℃保温1 h固溶后随即在750℃下保温15 h脱敏化处理。最终材料的室温屈服强度为270 MPa,325℃时屈服强度为220 MPa。

图1为国产690(TT)合金经10%草酸溶液电解蚀刻后的金相组织,可以明显看出,经TT处理后,国产690合金的主相为单相奥氏体,基体中分布有少量碳化物,晶粒较为均匀,平均晶粒尺寸约为30~50 μm。

1.2 实验方法

根据实验材料的实际尺寸,将试样设计为W= 16 mm的CT试样,试样主要尺寸如图2所示。

图1 国产690合金显微组织Fig.1 Microstructure of 690 alloy

图2 试样设计尺寸Fig.2 Compact tensile specimen design

裂纹尖端处于小范围屈服时,在Kmax一定的情况下,循环塑性区大小rc由应力比R决定。本研究选用Kmax=38 MPa·m1/2,R分别为0.3、0.5、0.7,对应的循环塑性区大小为0.21 mm、0.15 mm、0.04 mm;实验频率为2 Hz和0.1 Hz;加载波形为三角波。实验腐蚀环境为325℃高纯水,饱和溶解氧浓度,对比惰性环境为室温空气环境。具体实验方案如表1所示。

表1 实验方案Tab.1 Experiment scheme

实验步骤参照标准ASTM-E647进行:预制裂纹→室温空气环境中疲劳裂纹扩展实验→腐蚀环境中疲劳裂纹扩展实验样→裂纹扩展路径观察及DCPD法裂纹测量尺寸校正→断口形貌分析。

腐蚀疲劳裂纹扩展实验采用CORTEST腐蚀疲劳实验装置来完成。该装置主要包括总控制系统、高压釜系统、直流电位降裂纹尺寸测量系统、驱动伺服系统及水循环回路五部分,设计压力30 MPa,最高温度600℃,溶液流速80 mL/min。其他设备主要有OLYPUS OLS4000型共聚焦激光电子显微镜和NNS400型扫描电镜,分别用于裂纹扩展模式的观察和疲劳断口形貌观察。

1.3 参数说明

当裂纹尖端处于小范围屈服状态时,ASTME647中的K值计算公式不再适用。断裂力学理论指出,当裂纹尖端处于小范围屈服时,可将塑性区范围纳入实际裂纹长度,将其处理为线弹性状态[6]。为此,引入修正参数λ,修正ASTM-E647中计算的K值,具体公式为

式中 a为线弹性条件下裂纹长度;rp为单向塑性区大小;KSSY为小范围屈服条件下的K值;KASTM为ASTM-E647中计算的K值。

环境影响因子定义为裂纹在腐蚀环境中的扩展速率与惰性环境中裂纹扩展速率的比值,即

式中 CGRen为腐蚀环境中的裂纹扩展速率;CGRi为惰性环境中的裂纹扩展速率[4]。

裂纹尖端是否处于小范围屈服可以以rp/a值作为判据,当rp/a在0.02~0.3之间时,裂纹尖端处于小范围屈服状态[6]。在此rp为1.71 mm,a值控制在8~9 mm,计算得到rp/a处于0.19~0.23之间,满足小范围屈服条件。实验中为保证裂纹尖端rp值基本恒定,当Kmax值下降5%,需及时调整载荷。

2 实验结果

2.1 裂纹扩展速率及Fen

将设备所采集的裂纹长度计算出裂纹扩展速率da/dN,并通过式(3)计算出相应的环境影响因子Fen。图3和图4给出了不同频率下疲劳裂纹扩展速率CGR和环境影响因子Fen随循环塑性区大小rc的变化趋势。由图3可知,随着rc的增大,室温空气环境和高温高纯水环境中的CGR均随之加快。在同一rc条件下,室温空气环境中的CGR几乎相等,没有表现出频率变化带来的影响;而在高温高纯水中,频率降低,裂纹扩展速率加快。Fen则表现出不同的规律,如图4所示,频率为2 Hz时,随着rc的增大,Fen并没有明显的变化;当频率降低为0.1 Hz时,Fen随着rc的增大表现为先增大后减小的趋势,考虑到仪器测量误差和人为计算误差的存在,可以认为0.1 Hz时rc变化对Fen没有明显影响;随着频率的降低,相同rc条件下Fen增大,Fen处于1.2~2.2之间。

图3 CGR同rc的变化趋势Fig.3 Relationship between CGR and rc

图4 Fen随rc的变化趋势Fig.4 Relationship between Fenand rc

2.2 裂纹扩展路径

裂纹扩展路径通过共聚焦激光电子显微镜观察分析,结果如图5所示。由图5可知,裂纹呈明显的穿晶型扩展。在裂纹扩展过程中存在少量的分支,尤其在rc=0.11 mm、频率为0.1 Hz时,在空气环境中出现了一条较长的支裂纹。rc=0.21 mm时在腐蚀环境中裂纹扩展方向与载荷垂直方向出现了约10°的偏离,另外两种载荷条件下裂纹扩展方向与载荷垂直方向保持了较好的一致性。rc=0.21 mm和rc= 0.11 mm的两个试样由于实验结束后未及时卸载,在高压釜内冷却后因夹具热胀冷缩造成过载,裂纹尖端变形严重,因而观察到的裂纹宽度较大。

图5 裂纹扩展路径Fig.5 Crack growth path

2.3 断口形貌

将完成裂纹扩展路径观察的试样通过液氮脆断,在扫面电镜下观察疲劳断口,结果如图6、图7所示。断口为明显的穿晶型,与表面观察到的裂纹扩展路径一致。断口具有典型的腐蚀疲劳特征,可以观察到明显的河流花样和疲劳平台;随着rc的减小,断口逐渐变得粗糙,疲劳平台减少;在断口表面还可观察到部分微裂纹,见图6。在疲劳平台上可以观察到沿不同方向扩展的疲劳台阶,疲劳台阶间距均匀,疲劳台阶在扩展过程中出现汇合和合并,见图7。

图6 断口形貌Fig.6 Topography of fatigue fracture

3 分析讨论

在裂纹尖端Kmax值一定的情况下,rc的大小与ΔK成正比,其相互关系可表示为

在疲劳断裂过程中,ΔK越大,循环损伤越为严重,表现为裂纹扩展速率加快[7]。金属材料塑变理论认为,在循环损伤区域聚集着大量的位错和滑移带等缺陷,当材料处于腐蚀环境中时,这些缺陷因腐蚀电位较低,将成为微阳极而遭到腐蚀。690合金属于易钝化金属,在交变载荷作用下,由于裂纹尖端重复进行膜破-修复过程将促进裂纹扩展[8]。实验得到的Fen最大值为2.2,说明饱和氧高温高纯水对690合金疲劳裂纹扩展的促进作用并不明显,这也表明其对饱和氧高温高纯水环境具有较好的腐蚀抗力。

裂纹在扩展过程中出现分支或偏离载荷垂直方向,都将使裂纹尖端的实际载荷降低,从而表现为裂纹扩展速率的降低[9]。在裂纹扩展路径分析时,观察到裂纹在扩展过程中出现了少量的分支;而在rc=0.11 mm、f=0.1 Hz时,室温空气环境中疲劳裂纹扩展出现了一条较长的分支,这将显著降低裂纹的扩展速率,从而在Fen的计算结果中出现偏大的现象;rc=0.21 mm,裂纹在腐蚀环境中扩展时,扩展方向偏离载荷垂直方向约10°,这将使得最终的Fen计算结果偏低。在频率为0.1 Hz时,不同rc条件下Fen偏差在30%以内,因而可以认为rc的变化对Fen并没有明显的影响。

金相和断口观察均表明裂纹为穿晶型扩展,说明在饱和氧高温高纯水中,690合金的疲劳裂扩展属于机械疲劳范畴。随着rc的增大,裂纹扩展速率成倍增加,与腐蚀环境作用的时间也随之降低,断口逐渐变得平整,疲劳平台增多,显现出更多的疲劳断裂特征。在断口表面,无论是在疲劳平台区还是凸出脊上,均能观察到沿不同方向扩展的疲劳台阶,说明疲劳裂纹在三维空间中扩展,且在微观上,裂纹的局部扩展方向并不一致。

图7 断口形貌Fig.7 Topography of fatigue fracture

4 结论

(1)随rc的增大,裂纹扩展速率明显加快,而同一频率下rc的变化对Fen没有明显的影响。

(2)饱和氧高温高纯水环境促进疲劳裂纹扩展速率较空气环境中加速1.2~2.2倍。

(3)裂纹为穿晶型扩展,扩展过程中伴随有少量分支和偏折。

(4)断口呈典型的腐蚀疲劳特征,疲劳台阶在三维空间中交叉扩展。

[1]Karwoski K J,Makar G L,Yoder M G.U.S.Operating ExperienceWithThermallyTreatedAlloy690SteamGenerator Tubes[R].Washington,DC,NRC,2007.

[2] Ahluwalia K.Resistance to Primary Water Stress Corrosion Cracking of Alloy 690 in Pressurized Water Reactors(MRP -258)[R].America,EPRI,2009.

[3] Chopra O K,Soppet W K,Shack W J.Effects of Alloy Chemistry,Cold Work and Water Chemistry on Corrosion Fatigue and Stress Corrosion Cracking of Nickel Alloys and Welds[R].Washington,DC,ANL,2006.

[4] M Higuchi.Revised and new proposal of environmental fatigue life correction factor(Fen)for carbon and low-alloy steels and nickel base alloys in LWR water environments [C].ASME Pressure Vessels and PipingDivisionConference. Vancouver Canada:K.Simith,2006:51-79.

[5]王晓敏.核燃料及材料研究进展1992-2012[M].成都:四川大学出版社,2012:226-241.

[6]赵建生.断裂力学及断裂物理[M].武汉:华中科技大学出版社,2003:157-161.

[7]Sadananda K,Vasudevan A K.Fatigue crack growth mechanism sin steels[J].International Journal of Fatigne,1999,16(6):1-4.

[8]王荣.金属材料的腐蚀疲劳[M].西安:西北工业大学出版社,2001:71-88.

[9] Suresh S.Crack deflection:implications for growth of long and short fatigue crack[J].Metallurgical transaction,1983(14):324-331.

Investigate of corrosion fatigue crack growth behavior of inconel690(TT)alloy in HTP water

ZHOU Hongmei1,ZHANG Zihao2,YU Hongmei1,WU Zhongping1,GOU Guoqing3
(1.College of Materials Engineering,Chengdu Technological University,Chengdu 610031,China;2.SINOMA-Chengdu HeavyMachineryCo.,Ltd.,Chengdu610100,China;3.MaterialScienceand Engineering,SouthwestJiaotong University,Chengdu 610031,China)

690(TT)alloy has corrosion fatigue rupture tendency in PWR environment.When the crack tip is in small range yielding,the effect of cycle plastic zone(rc)size on corrosion fatigue crack growth behavior of 690 alloy in 325℃high-purity water with saturated DO is researched in this paper.The results show that the increase of rc obviously accelerates the crack growth rate(CGR)while has no obvious influence on environment effect factors(Fen)and the Fen keeps between 1.2 and 2.2;the crack shows obvious transgranular growth and some branch and buckling in growth lead to CGR decelerate;The facture has typically corrosion fatigue characteristic,and cracks grow in three-dimensional space and the growth directions of fatigue step are inconsistent.

690(TT)alloy;corrosion fatigue;cycle plastic zone

TG405

:A

:1001-2303(2015)10-0159-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.36

2015-09-29

周红梅(1986—),女,四川人,硕士,主要从事金属材料加工的研究工作。

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