基于XFEM的奥氏体不锈钢裂纹萌生与扩展行为研究

作     者：殷文奇 

作者单位：南京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨森

授予年度：2021年

学科分类：0808[工学-电气工程] 080802[工学-电力系统及其自动化] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：316L不锈钢 点蚀坑 裂纹扩展 应力集中 扩展有限元 

摘      要：随着我国核电事业向着一体化、大型化和长寿化方向发展,建设安全高效的新一代核电站是我国能源行业发展的重要一环。由核电一回路系统中的反应堆压力容器应力腐蚀引发的灾难性事故引起人们的广泛关注。长期以来,人们对应力作用下的腐蚀问题进行了大量研究,但应力腐蚀是由力学与环境因素交互影响的复杂过程,迄今为止仍是一个富有挑战性的难题。本文以反应堆压力容器管道材料316L不锈钢腐蚀形成的点蚀坑为研究对象,采用实验与数值分析方法,研究了点蚀坑形貌及尺寸对点蚀坑应力分布的影响,根据应力集中位置采用XFEM(扩展有限元方法)研究了初始裂纹状态、外应力大小、双裂纹以及腐蚀次级坑对点蚀坑裂纹萌生与扩展行为的影响,主要结论如下:(1)采用腐蚀浸泡实验法研究了点蚀坑的形貌与尺寸随腐蚀时间的变化。316L不锈钢在6wt.%Fe Cl溶液中产生了半椭球形、圆锥形和圆柱形三种典型形貌点蚀坑,腐蚀时间越长点蚀坑尺寸越大,微点蚀坑的尺寸在5～40μm之间。(2)以腐蚀浸泡实验中观察到的点蚀坑为基础,采用有限元法,数值模拟了10MPa外应力作用下具有不同形貌点蚀坑的316L不锈钢钢板应力分布,得到半椭球形、圆锥形和圆柱形貌点蚀坑应力多集中在坑口与坑底,应力集中系数随深径比的增大而增大。(3)在点蚀坑的应力集中位置预制XFEM型裂纹。得到起于坑底和坑口的裂纹扩展方向基本一致。在相同的初始条件下,半椭球形点蚀坑和圆锥形点蚀坑坑口裂纹比坑底裂纹更容易发生扩展。随着外应力的增大,三种形貌点蚀坑裂纹扩展程度也逐渐增大。在半椭球形点蚀坑坑口与坑底同时添加预制裂纹,坑底裂纹比坑口裂纹率先扩展,扩展程度也更大。(4)建立了腐蚀次级坑模型,点蚀坑应力集中位置转向腐蚀次级坑坑口,在外应力作用下该处的裂纹沿着主坑表面向坑口扩展,最终贯穿材料表面。本论文研究结果对反应堆压力容器应力腐蚀开裂裂纹扩展特性研究提供了一定的理论参考与依据。