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考虑速率和几何约束影响的反应堆压力容器钢动态断裂行为研究

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考虑速率和几何约束影响的反应堆压力容器钢动态断裂行为研究

作者：崔光顺西南交通大学

学位级别：硕士

反应堆压力容器(Reactor Pressure Vessel,RPV)是核电站、核潜艇等核设施最重要的部件,因其长期服役于高温、高压、腐蚀以及辐照等恶劣环境,也可能遭受外部冲击载荷作用,其结构安全对核设施的服役及安全运行起着至关重要的作用。反应堆... 详细信息

反应堆压力容器(Reactor Pressure Vessel,RPV)是核电站、核潜艇等核设施最重要的部件,因其长期服役于高温、高压、腐蚀以及辐照等恶劣环境,也可能遭受外部冲击载荷作用,其结构安全对核设施的服役及安全运行起着至关重要的作用。反应堆一旦发生核泄漏事故,将会对人类和环境造成严重的灾难。RPV材料的断裂失效评估直接关系到反应堆压力-温度曲线等关键运行参数的设计和调整,是保障反应堆压力容器安全可靠运行的重要技术支撑。RPV材料在动态荷载条件下的断裂行为与准静态荷载下具有显著差异。加载速率和几何约束的改变,都会使RPV材料从韧性断裂向脆性断裂转变,对反应堆的结构安全产生重要的影响。单一影响因素下RPV材料的断裂失效行为研究已取得了较多进展,但同时考虑速率与几何约束作用的RPV材料断裂失效行为的研究非常有限。因此,开展速率与几何约束影响下的RPV材料动态断裂行为研究具有重要的理论意义和工程应用价值。本文以国产RPV用钢A508-Ⅲ为研究对象,采用试验与有限元数值模拟相结合的方法,研究了速率和几何约束作用下的材料动态断裂行为。论文主要工作和结论如下:(1)开展了国产A508-Ⅲ钢在不同应变率下的拉伸试验,研究了应变率对国产A508-Ⅲ钢力学性能的影响。试验结果表明,国产A508-Ⅲ钢具有明显的应变率敏感性,其屈服强度与抗拉强度随着应变率的增加而增大;基于不同应变率下的拉伸试验,建立了国产A508-Ⅲ钢的Johnson-Cook本构模型,通过与试验结果比较,对模型进行了修正,获得了能够良好描述国产A508-Ⅲ钢中低应变率下应力-应变关系的Johnson-Cook本构修正模型;开展了不同缺口尺寸圆棒试样的准静态拉伸试验和有限元模拟,获得了国产A508-Ⅲ钢的Johnson-Cook失效模型参数。(2)开展了不同加载速率与几何尺寸条件下的国产A508-Ⅲ钢SEB试样的动态断裂试验,由载荷-位移曲线获得了冲击吸收能和J-△a阻力曲线。研究结果表明,国产A508-Ⅲ钢具有良好的抗冲击韧性,随着加载速率的提高,试样的总冲击吸收能基本保持恒定,裂纹萌生吸收能呈缓慢上升趋势,而裂纹扩展吸收能呈下降趋势。随着加载速率的提高,试样从韧性断裂转向韧-脆-韧混合断裂,呈现出典型的速率诱导韧脆转变现象。加载速率和初始裂纹尺寸会对国产A508-Ⅲ钢的J-△a阻力曲线产生明显的影响。相同初始裂纹尺寸下,加载速率越高,其J-△a阻力曲线也越高。相同加载速率下,初始裂纹尺寸越小,其J-△a阻力曲线越高。相比加载速率的影响,初始裂纹尺寸对J-△a阻力曲线的影响更加显著。(3)基于Johnson-Cook本构修正模型和失效模型,采用有限元软件ABAQUS实现了国产A508-Ⅲ钢SEB试样的动态断裂行为模拟,研究了初始裂纹尺寸a/W=0.4的SEB试样在不同加载速率下的动态断裂行为。(4)基于宏微观断口观察,对国产A508-Ⅲ钢的动态断裂失效机理进行了分析。研究结果发现,韧-脆-韧混合断裂模式下的脆性止裂并不是因加载速率衰减引起的,而是材料本身的固有属性。相比于韧-脆-韧混合断裂模式,韧性断裂试样断口表面含有更多的韧窝,而韧窝的存在可以吸收更多的能量,增加了材料的冲击吸收能。(5)条件起裂韧性J受速率和试样几何尺寸等因素的综合影响。相同规格试样的条件起裂韧性J随着加载速率的增加而增大。相同试样厚度B下,SEB试样的宽度W越大,其条件起裂韧性J越高;而当宽度W固定时,试样厚度B越大,其条件起裂韧性J越低。初始裂纹尺寸(面内几何约束)对条件起裂韧性J的影响相比试样宽度W、厚度B(面外几何约束)和加载速率更加明显。面内几何约束越低,条件起裂韧性J值越大。对于韧-脆-韧混合断裂失效的试样,产生脆性起裂时对应的J值与ln(△a)呈现出良好线性关系,J随ln(△a)的增加呈线性趋势增大。面内几何约束越低,对应的J值越大。面外几何约束对J值产生混合影响。相同面内几何约束条件下,J随试样面外几何约束的降低而不断增大。(6)鉴于国产A508-Ⅲ钢在不同速率和几何约束耦合作用下的断裂模式多样性以及断裂韧性规律的复杂性,传统基于J积分的断裂性能评估手段不再适用,从而提出了基于冲击吸收能的国产A508-Ⅲ钢动态断裂性能评估方法。

关键词：反应堆压力容器国产A508-Ⅲ钢动态断裂速率几何约束 Johnson-Cook本构模型和失效模型冲击吸收能

中国固态包层模块单轴热扩散焊接实验初步研究

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核聚变与等离子体物理 2012年第1期32卷 51-55页

作者：赵周陈茂爱王平怀冯开明张国书核工业西南物理研究院成都610041 山东大学材料学院济南250061

利用单轴热扩散焊设备对中国固态包层模块结构材料CLF-1钢进行了初步的实验研究。实验结果表明,在焊缝界面结合率达到一定程度时,焊件接头的拉伸强度与塑性性能可以达到母材的水平;但焊件接头的冲击韧性则很敏感,其中最好的实验测试值... 详细信息

利用单轴热扩散焊设备对中国固态包层模块结构材料CLF-1钢进行了初步的实验研究。实验结果表明,在焊缝界面结合率达到一定程度时,焊件接头的拉伸强度与塑性性能可以达到母材的水平;但焊件接头的冲击韧性则很敏感,其中最好的实验测试值只达到了母材相应值的48%,这与焊缝界面上残留污染物所导致的接头空隙缺陷有关。

关键词：中国固态包层模块 CLF-1钢单轴热扩散焊结合率冲击吸收能

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试样重组技术的可行性研究

机械强度 2012年第2期34卷 312-316页

作者：王荣山翁立奎万强茂吕峰黄平苏州热工研究院有限公司苏州215004

从冷态夏比冲击破断试样上截取三种不同长度的插入段进行电子束焊接重组,通过对重组前后试样冲击吸收功对比以及重组后焊接接头处的显微组织观察,对试样重组技术可行性进行初步研究。结果表明,焊缝与热影响区的宽度较小,未对V型缺口附... 详细信息

从冷态夏比冲击破断试样上截取三种不同长度的插入段进行电子束焊接重组,通过对重组前后试样冲击吸收功对比以及重组后焊接接头处的显微组织观察,对试样重组技术可行性进行初步研究。结果表明,焊缝与热影响区的宽度较小,未对V型缺口附近的母材组织产生影响;重组前后试样的夏比试验数据具有较好一致性,重组试样可以再现原始试样的试验结果。

关键词：夏比冲击试样重组冲击吸收能显微组织

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钻机井架底座用高强钢性能研究

金属热处理 2019年第S1期44卷 541-544页

作者：李方坡中国石油集团石油管工程技术研究院陕西西安710077 石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室陕西西安710077

井架底座作为石油钻机的核心装备构件之一,也是最主要的重量构件。井架底座主体材料既要有较高的强度指标,又要有良好的塑性、韧性和焊接性。本文试验研究了我国生产制造的Q550和Q690两种典型低合金高强度钢板材料的化学成分、微观组织... 详细信息

井架底座作为石油钻机的核心装备构件之一,也是最主要的重量构件。井架底座主体材料既要有较高的强度指标,又要有良好的塑性、韧性和焊接性。本文试验研究了我国生产制造的Q550和Q690两种典型低合金高强度钢板材料的化学成分、微观组织、拉伸性能、冲击性能及硬度等性能指标,对其用于钻机制造的可行性进行了分析。试验研究结果表明,热机械轧制的Q550和Q690高强度钢板材料的性能明显高于国家标准要求,非金属夹杂物含量较少,主体组织均为贝氏体组织,材料具有良好的塑性和韧性,焊接成型良好,而且国内生产制造技术较为成熟,可以适应钻机井架底座设计制造要求。建议将钻机设计、钢板材料及尺寸规格的选择有机结合,优化设计,减轻重量,保障钻机整体服役安全,推动我国钻机制造技术进步。

关键词：井架底座高强钢拉伸性能冲击吸收能组织