氧化膜對不同時期應力腐蝕裂尖力學場的影響

楊帆， 孫劍偉， 張文娟

(1.西安航空職業技術學院，西安 710089；2.西安科技大學，西安 710054)

0 前言

應力腐蝕開裂(SCC)是核電結構材料在高溫高壓水環境下的重要失效形式之一[1-2]，它是由裂尖局部區域力學、腐蝕環境和材料共同作用下的裂紋緩慢擴展過程[3]。核電結構材料不銹鋼的表面形成一層致密的氧化膜，其主要成分為Cr2O3[4-5]，美國GE公司Ford和Andresen提出的氧化膜破裂理論是目前結構材料SCC擴展速率預測中最重要模型之一，被稱為F-A模型[6]。該模型指出，SCC擴展過程是在裂尖力學、腐蝕環境和材料共同作用下氧化膜破裂-裂尖電化學陽極反應-氧化膜形成的一個反復過程，該模型能夠描述裂紋萌生-小裂紋擴展-裂紋加速擴展的不同時期[7]。

小裂紋擴展階段[8]占據了SCC裂紋擴展的主要時間，在表面劃痕時期，外載對SCC反應區域的力學影響很小，但試驗表明在此階段SCC裂紋仍在緩慢增長。在無外加載荷的作用下，裂尖表面的氧化膜會對裂尖形成楔入作用，所產生的裂尖應力造成氧化膜破裂和裂紋進一步擴展，這種無應力腐蝕開裂也可以稱為“氧化膜應力”開裂[9]。相關試驗表明304不銹鋼光滑試樣表面產生的膜致應力大小在30 MPa左右[10-13]。李美栓等人發現高溫水環境中的氧化膜生長和溫度變化分別產生了生長應力和熱應力，該應力足以使氧化膜發生開裂并向基體擴展，可以看出氧化膜應力在萌生裂裂紋中起到很大的作用。

針對氧化膜應力對應力腐蝕開裂裂尖力學場的影響，該文建立了SCC裂紋擴展的有限元模型，研究了氧化膜應力對不同裂紋擴展階段裂尖Mises應力、法向拉伸應力及應力強度因子的影響。

1 SCC壽命周期有限元模型的建立

1.1 幾何模型

采用含單邊裂紋的有限寬板拉伸試樣來進行模擬，圖1為裂尖區域幾何模型示意圖。實際焊接接頭管道厚度為83.5 mm，將其簡化為平面應變單元，試樣的幾何尺寸和試驗過程符合ASTM 399標準，試樣寬度W=83.5 mm，長度L=160 mm，a為裂紋長度，a取值從表面劃痕開始到50 μm，0.2 mm和2 mm，分別代表從表面劃痕、到微小裂紋的萌生，小裂紋和后期的長裂紋的生長，如圖1a所示，裂尖區域子模型及觀測路徑選擇如圖1b所示。

圖1 幾何模型及子模型

1.2 材料模型

目前核電結構材料大量使用的奧氏體不銹鋼和鎳基合金屬于冪硬化材料，通常采用Ramberg-Osgood來描述其塑性力學性能，如式(1)所示。

(1)

式中：ε為總應變，包含彈性和塑性應變；σ為總應力；ε0和σ0分別為屈服應變和屈服應力；α和n分別為材料的偏移系數和硬化指數。600合金在高溫高壓水環境中(288 ℃)力學性能見表1。

表1 600合金在高溫高壓水環境中(288 ℃)力學性能

1.3 材料模型

SCC壽命周期是結構材料產生表面缺陷開始，直至應力腐蝕開裂，再到裂紋長度逐漸增大的過程，通過使用子模型技術選取該范圍內的不同長度裂紋作為研究氧化膜應力在SCC壽命周期中起到的作用規律，按照數量級遞增的方式，分別選擇了5種應力腐蝕開裂尺寸；從表面缺陷到裂紋尺寸為5 μm，50 μm，0.2 mm和2 mm，需要指出的是5 μm級別的裂紋長度已經處于SCC裂紋的萌生初期，是由表面缺陷誘發的應力腐蝕開裂，網格采用CPE8單元。由于在氧化膜與鎳基合金基體界面附近區域會出現較大的應力梯度，為提高計算精度，采用子模型技術對裂尖附近區域的氧化膜和基體金屬進行網格細化，全局模型網格數為3 424個，圖2為SCC壽命周期示意圖。

圖2 SCC壽命周期示意圖

1.4 邊界條件與載荷

針對基體金屬和氧化膜的熱膨脹系數不同，在沒有外加載荷的情況下引入一定的熱力場，用熱應力代表氧化膜應力，通過改變溫度來實現不同的氧化膜應力[14]，從而分析氧化膜應力對基體金屬裂尖力學場帶來的影響。

2 計算結果及分析

2.1 氧化膜應力對裂尖Mises應力的影響

為了消除裂尖氧化膜的厚度對氧化膜應力造成的影響，統一設定氧化膜厚度為1 μm，研究氧化膜應力對不同時期裂紋尖端產生的影響。

圖3和圖4分別為不同應力腐蝕開裂時期基體金屬Mises應力沿水平和軸向的應力變化曲線圖。通過對裂尖前方的Mises應力分析，可以看出離裂尖越遠，應力值逐漸下降，最終趨于零。表面劃痕時期裂尖Mises應力具有最大的應力值，達到320 MPa以上，從a=5 μm到a=2 mm，基體金屬最大應力數值明顯減小，可以看出膜致應力對微小裂紋的作用效果十分顯著；同時也可以發現膜致應力在表面劃痕時期對基體金屬的作用范圍較小。

圖3 氧化膜應力對路徑1上Mises的影響

圖4 氧化膜應力對路徑2上Mises的影響

2.2 氧化膜應力對裂尖法向拉伸應力S22的影響

圖5和圖6分別為不同應力腐蝕開裂時期基體金屬法向拉伸應力S22沿水平方向和周向的應力變化曲線圖。

從圖5中可以看出膜致應力裂尖拉伸應力的影響和Mises應力相似，表面劃痕時期對裂尖拉伸應力區域最大達到250 MPa，隨著裂紋的生長，拉伸應力在裂尖前方的作用范圍減小。

從圖6中可以看出在a=2 mm和0.2 mm的小裂紋時期，S22沿裂尖圓弧上的應力值變化不大，而當a=50 μm及表面劃痕的小裂紋時期，應力急劇增大，同時可以看出拉伸應力主要作用在距離裂尖水平方向±30°的范圍內降低。

圖5 氧化膜應力對路徑1上S22的影響

圖6 氧化膜應力對裂尖路徑2上S22的影響

2.3 氧化膜應力對裂尖應力強度因子的影響

圖7為不同時期裂紋對基體金屬裂尖應力強度因子K的影響，由圖7可以看出，應力強度因子K隨著裂紋擴展的增大而減小，因此在表面劃痕時期膜致應力對基體金屬的作用應力最大，越易于發生應力腐蝕開裂。

圖7 氧化膜應力對裂尖應力強度因子的影響

3 結論

(1)在表面劃痕階段，膜致應力對裂尖Mises應力和裂紋法向拉伸應力的影響最大，且高應力應變區集中在裂尖前端的微小區域，膜致應力的影響范圍較小。

(2)隨著裂紋的不斷擴展，膜致應力對應力腐蝕裂尖的影響越來越小。

(3)應力強度因子K隨著裂紋長度的增加而減??；表面劃痕時期，越容易產生SCC裂紋，并誘發應力腐蝕開裂。