發(fā)布時(shí)間：2020-11-16 04:13

　　 壓痕技術(shù)也稱深度敏感壓痕技術(shù),是一種應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境下的較為先進(jìn)的力學(xué)性能檢測(cè)技術(shù),能夠在不影響關(guān)鍵零部件服役的情況下,在微納米級(jí)尺度下檢測(cè)出不同的力學(xué)性能參數(shù),具有十分廣闊的應(yīng)用前景。本文主要針對(duì)核電焊接接頭局部力學(xué)性能難以獲取的現(xiàn)狀,采用理論分析、物理試驗(yàn)和有限元反演分析三者相結(jié)合的方法建立了適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型,并將該模型應(yīng)用于核電結(jié)構(gòu)安全端焊接接頭的力學(xué)性能檢測(cè)。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)對(duì)于核電結(jié)構(gòu)中常用金屬材料的本構(gòu)關(guān)系和壓痕試驗(yàn)計(jì)算材料力學(xué)性能參數(shù)的理論方法進(jìn)行研究。首先采用Oliver-Pharr方法通過(guò)載荷-深度曲線計(jì)算材料的彈性模量和壓痕硬度,其次運(yùn)用能量法和自相似理論計(jì)算材料屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和硬化指數(shù)。(2)將電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)改造成壓痕試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái),并對(duì)其進(jìn)行調(diào)試。研究了不同試驗(yàn)因素對(duì)壓痕試驗(yàn)結(jié)果的影響,在優(yōu)化試驗(yàn)條件下,使得壓痕試驗(yàn)?zāi)軌驕?zhǔn)確得反映真實(shí)壓痕響應(yīng)。通過(guò)載荷深度曲線得到了不同預(yù)變形率下核級(jí)奧氏體不銹鋼316L的力學(xué)性能參數(shù),并使用單軸拉伸試驗(yàn)對(duì)壓痕試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。(3)利用ABAQUS進(jìn)行有限元反演分析,建立了彈塑性材料下的壓痕試驗(yàn)?zāi)Ｐ?對(duì)不同球形壓頭半徑下的二維、三維球壓痕試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬,通過(guò)與物理試驗(yàn)對(duì)比分析,驗(yàn)證了有限元模型結(jié)果的有效性。分析了不同力學(xué)參數(shù)下壓痕仿真試驗(yàn)的壓痕形貌,并對(duì)不同凸起量與力學(xué)性能參數(shù)的規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)。(4)以核電一回路中壓力容器安全端異種金屬焊接接頭為例,基于其結(jié)構(gòu)分析在焊接接頭不同位置進(jìn)行均勻的壓痕試驗(yàn),通過(guò)載荷深度曲線確定了焊接接頭的熱影響區(qū)范圍,預(yù)測(cè)了不同位置的各種力學(xué)性能參數(shù)。
【學(xué)位單位】：西安科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TM623;TG407
【部分圖文】：

1緒論11緒論1.1研究背景及意義據(jù)《2050中國(guó)能源和碳排放報(bào)告》，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度增快，導(dǎo)致我國(guó)的電力需求量呈上升趨勢(shì)，因此大力發(fā)展核電行業(yè)對(duì)于我國(guó)的電力發(fā)展有著極大的促進(jìn)作用[1-3]。在核電事業(yè)發(fā)展的過(guò)程中，核安全隱患是最重要的問(wèn)題，服役設(shè)備的安全性評(píng)價(jià)對(duì)于核安全至關(guān)重要，而服役設(shè)備主要包括壓力容器和管道。這些設(shè)備在長(zhǎng)期高溫高壓的環(huán)境下進(jìn)行工作，易造成材料的老化以及裂紋的產(chǎn)生，尤其是SCC(應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂)[4-8]。在核電結(jié)構(gòu)中，存在著大量的安全端焊接接頭，如圖1.1所示，安全端中的大量焊接接頭會(huì)由于材料不均勻性在長(zhǎng)期服役過(guò)程中會(huì)有裂紋萌生，而裂紋萌生的起始階段均在焊接接頭的熔合區(qū)附近，這樣對(duì)于焊接接頭中力學(xué)性能分析和檢測(cè)就顯得尤為重要。根據(jù)核電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)研究表明，一回路中異種焊接接頭處是環(huán)境致裂的高發(fā)區(qū)，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)以SCC為代表的裂紋擴(kuò)展等缺陷[9]。而根據(jù)研究顯示，高溫高壓水環(huán)境中的SCC是由于材料在力學(xué)性能、環(huán)境以及外力三者共同作用下產(chǎn)生的，而其中材料力學(xué)性能對(duì)于SCC的產(chǎn)生起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)樵诤附舆^(guò)程中，安全端的焊縫區(qū)材料會(huì)發(fā)生熱脹冷縮現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致材料的力學(xué)性能發(fā)生嚴(yán)重的變化，其中塑性性能嚴(yán)重降低，脆性性能會(huì)增強(qiáng)，這樣就會(huì)加速SCC的產(chǎn)生，因此焊接結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能檢測(cè)是核電關(guān)鍵零部件完整性評(píng)價(jià)的重要組成部分。反應(yīng)堆冷卻泵增壓器蒸汽發(fā)生器主回路噴嘴SCC焊接SCC包層裂紋壓力容器接管安全端控制棒控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)殼圖1.1壓水堆一回路焊接接頭應(yīng)力腐蝕裂紋分布在以往測(cè)量關(guān)鍵設(shè)備的零部件的力學(xué)性能的時(shí)候，主要使用的是破壞性的試驗(yàn)，通

dTechnologyCorporation)公司和韓國(guó)的Frontics公司，基于馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的方式，推出103N量級(jí)的臺(tái)式和便攜宏觀壓入儀。2001年，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所的張?zhí)┤A等人開(kāi)始系統(tǒng)地研制宏觀壓入試驗(yàn)設(shè)備。首先，基于Instron5848Microtester材料測(cè)試機(jī)為驅(qū)動(dòng)和載荷測(cè)量裝置，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的壓痕深度測(cè)量部件和試樣安裝夾具[28-31]。證實(shí)納米壓入測(cè)量原理可以應(yīng)用于顯微和宏觀壓入范圍的測(cè)量。以此為基礎(chǔ)，分別研制基于電磁驅(qū)動(dòng)的臺(tái)式壓入儀[32]和便攜式壓入儀[33]。目前國(guó)外已有針對(duì)此類壓入儀的研究及應(yīng)用，對(duì)于核電站中焊接接頭的壓痕試驗(yàn)如圖1.2和圖1.3。圖1.2核電站冷卻水管線焊接接頭部位機(jī)械性能評(píng)估圖1.3母材/熱影響區(qū)/焊材區(qū)壓痕試驗(yàn)Meyer在壓痕試驗(yàn)測(cè)試力學(xué)性能中有著舉足輕重的作用，最先提出壓痕載荷及壓痕接觸面積與屈服強(qiáng)度的數(shù)學(xué)關(guān)系式，用來(lái)預(yù)測(cè)不同金屬材料的強(qiáng)度，為后續(xù)的研究奠定了一定的基礎(chǔ)[34]。Tabor對(duì)于球形壓頭塑性區(qū)的表征應(yīng)變進(jìn)行了研究，并得到了系列經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，對(duì)于后續(xù)研究壓痕法表征應(yīng)力應(yīng)變起到了至關(guān)重要的作用[35]。美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家試驗(yàn)室的Haggag從壓痕硬度的角度來(lái)研究金屬材料力學(xué)性能參量時(shí)，發(fā)現(xiàn)進(jìn)行壓痕試驗(yàn)得到的材料的本構(gòu)關(guān)系與單軸拉伸試驗(yàn)得到的本構(gòu)關(guān)系之間的誤差較小，說(shuō)明壓痕試驗(yàn)對(duì)于測(cè)量金屬材料的本構(gòu)關(guān)系有一定的可靠性[36]。由于壓痕試驗(yàn)對(duì)于試驗(yàn)條件的要求較高，不能保證每次得到的載荷深度曲線能夠完全吻合。Haggag建議只對(duì)于被測(cè)材料的試樣的同一位置進(jìn)行單次或者多次加載卸載，得到同一材料的力學(xué)性能，并對(duì)于不同金屬材料做了大量的試驗(yàn)研究[37-43]。Haggag將此項(xiàng)技術(shù)命名為自動(dòng)球壓痕技術(shù)

logyCorporation)公司和韓國(guó)的Frontics公司，基于馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的方式，推出103N量級(jí)的臺(tái)式和便攜宏觀壓入儀。2001年，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所的張?zhí)┤A等人開(kāi)始系統(tǒng)地研制宏觀壓入試驗(yàn)設(shè)備。首先，基于Instron5848Microtester材料測(cè)試機(jī)為驅(qū)動(dòng)和載荷測(cè)量裝置，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的壓痕深度測(cè)量部件和試樣安裝夾具[28-31]。證實(shí)納米壓入測(cè)量原理可以應(yīng)用于顯微和宏觀壓入范圍的測(cè)量。以此為基礎(chǔ)，分別研制基于電磁驅(qū)動(dòng)的臺(tái)式壓入儀[32]和便攜式壓入儀[33]。目前國(guó)外已有針對(duì)此類壓入儀的研究及應(yīng)用，對(duì)于核電站中焊接接頭的壓痕試驗(yàn)如圖1.2和圖1.3。圖1.2核電站冷卻水管線焊接接頭部位機(jī)械性能評(píng)估圖1.3母材/熱影響區(qū)/焊材區(qū)壓痕試驗(yàn)Meyer在壓痕試驗(yàn)測(cè)試力學(xué)性能中有著舉足輕重的作用，最先提出壓痕載荷及壓痕接觸面積與屈服強(qiáng)度的數(shù)學(xué)關(guān)系式，用來(lái)預(yù)測(cè)不同金屬材料的強(qiáng)度，為后續(xù)的研究奠定了一定的基礎(chǔ)[34]。Tabor對(duì)于球形壓頭塑性區(qū)的表征應(yīng)變進(jìn)行了研究，并得到了系列經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，對(duì)于后續(xù)研究壓痕法表征應(yīng)力應(yīng)變起到了至關(guān)重要的作用[35]。美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家試驗(yàn)室的Haggag從壓痕硬度的角度來(lái)研究金屬材料力學(xué)性能參量時(shí)，發(fā)現(xiàn)進(jìn)行壓痕試驗(yàn)得到的材料的本構(gòu)關(guān)系與單軸拉伸試驗(yàn)得到的本構(gòu)關(guān)系之間的誤差較小，說(shuō)明壓痕試驗(yàn)對(duì)于測(cè)量金屬材料的本構(gòu)關(guān)系有一定的可靠性[36]。由于壓痕試驗(yàn)對(duì)于試驗(yàn)條件的要求較高，不能保證每次得到的載荷深度曲線能夠完全吻合。Haggag建議只對(duì)于被測(cè)材料的試樣的同一位置進(jìn)行單次或者多次加載卸載，得到同一材料的力學(xué)性能，并對(duì)于不同金屬材料做了大量的試驗(yàn)研究[37-43]。Haggag將此項(xiàng)技術(shù)命名為自動(dòng)球壓痕技術(shù)
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2885606