高温合金材料的蠕变行为研究

高温金属材料的形变与蠕变研究

随着现代工业的快速发展，汽车、飞机等各种交通工具的质量需求越来越高，对于结构材料的要求也越来越高。高温金属材料是一类主要用于高温环境下工作的结构材料，广泛应用于航空、能源、化工、核工业等领域。在高温环境下，高温金属材料会发生不同形式的变形，其中形变和蠕变是影响高温金属材料性能的关键问题。因此，了解高温金属材料的形变和蠕变研究，对于提高高温金属材料的性能、优化结构设计和延长使用寿命具有非常重要的意义。

一、高温金属材料的形变

高温金属材料的形变是指在高温环境下，由于外来作用或内部应力导致材料形状发生变化。高温环境下，热膨胀系数变大，使得材料的热膨胀迅速增大，而普通环境下的材料对应变量只有1/20左右。因此在高温有时候会出现不同寻常的形变行为，比如膨胀和热变形。

1.1 高温金属材料的线膨胀行为

线膨胀行为是指材料在高温条件下因温度变化引起的形变行为。如何减缓这种膨胀行为是目前许多科研工作者所关注的问题。目前，解决这个问题的主要方法是添加具有高温稳定性的晶体近邻和强粒界材料，以及在材料中添加铝和钨等元素，提高材料的热膨胀系数。

1.2 高温金属材料的热变形行为

热变形行为是指材料在高温下，由于温度的变化引起的形变。高温状态下，材料的分子会变得非常活跃，分子之间的空间也变得非常大，而不同材料的变形形式也是不一样的，例如单轴拉伸、压缩、扭转、剪切、所谓轴向疲劳等等。不同的变形形式都会对高温金属材料的性能产生影响。因此，研究和分析高温金属材料的热变形行为，对于提高高温金属材料的性能具有非常重要的意义。 二.高温金属材料的蠕变研究

蠕变是指在高温条件下，由于外来作用或内部应力引起的材料渐进性变形现象，是高温金属材料的另一种形变模式。蠕变变形是材料经过多次循环，缓慢变形到一定程度后出现的一种渐进性变形现象。高温稳定性较好的材料可以在较长时间内保持稳定的力学性能，但也会在连续的应力下出现多次蠕变。高温金属材料的蠕变行为受到多种因素的影响，如温度、应力、时间等。因此，定量描述高温金属材料的蠕变行为，是优化结构设计、改善高温金属材料性能的重要手段。

２０１１年第２期　ＮＯ．２．２０１１　

严重事故下反应堆压力容器　

材料高温蠕变研究进展　

武志玮，宁　冬，姚伟达　

（上海核工程研究设计院，上海２００２３３）　核安全　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｓａｆｅｔｙ　

摘　要：介绍了近年来在假想堆芯熔化严重事故下国内外反应堆压力容器材料高温　蠕变行为的研究进展及现状，着重阐述了在材料高温蠕变试验、缩比模型试验和数值模　

拟等方面取得的成果，并提出了目前存在的问题及未来的发展方向。　

关键词：反应堆压力容器；堆芯熔化；高温蠕变　

１　前言　

自２Ｏ世纪８０年代以来，三哩岛核电厂发　

一生堆芯熔化严重事故后，对严重事故研究一直　是核安全领域的重点课题。如何降低现役和新　

建核电厂发生严重事故的可能性，如何提高核　电厂预防和缓解严重事故的能力，是核电发展　所面临和亟待解决的问题。近年来，随着大量　压水堆核电厂的投运，各国政府和公众越来越　

关注核电厂的安全问题。　虽然核电厂发生严重事故的概率极低，但　

一旦发生堆芯燃料棒破损和熔化事故，堆芯熔　

融物可能坍塌到反应堆压力容器（ＲＰＶ）下封　

头，导致ＲＰＶ因局部过热而熔穿，使堆芯熔　融物流入堆腔混凝土底部，不仅对安全壳第三　

道屏障的结构完整性造成威胁，而且可能造成　放射性裂变产物向周围环境释放，甚至对环境　

产生放射性污染。近期日本福岛第一核电厂发　生的严重事故，主要是因为超设计基准的地震　

与海啸的叠加造成长时间的全厂断电和部分堆　

芯冷却系统失去功能，使堆芯长期得不到冷　却，最终导致了燃料棒部分熔化和垮塌的严重　

事故发生。由于早期设计认为轻水堆堆芯极不　

可能熔化，更未考虑堆芯熔融物穿透压力容器　壁的严重后果。第三代核电厂ＡＰ１０００的堆　熔化物堆内包容（ＩＶＲ）是重要的缓解严重事　

故的安全措施之一。当发生堆芯融化初期，冷　

却水由ＲＰＶ外面的金属保温层底部进人ＲＰＶ　和金属保温层之间通道内，冷却ＲＰＶ外壁，　通过沸腾换热带走ＲＰＶ下封头内熔融物产生　

的衰变热，从而使熔融物包容在ＲＰＶ内，而　

新型抗蠕变镁合金研究(doc 9页)

系，提高高温性能，研制新型抗蠕变镁合金。

1 镁合金蠕变特点

1.1 镁合金蠕变机理

蠕变是一个高温条件下缓慢的塑性变形过程，与常温拉伸过程相比，在微观机制上不仅滑移系增移而且还有晶界滑移。根据Von Mises准则，多晶体材料产生塑性变形并在晶界上仍保持其完整性，每个晶粒必须至少有五个独立的滑移系。镁合金是密排六方晶体，只有四个独立的滑移系，但在蠕变过程中晶界滑移将提供另外两个有效的滑移系。此时满足Von Mises准则。由于镁合金滑移系很少，因此残留的晶界位错将有很大的Buregrs矢量，在晶界处的应变水平将很高，在高温应力作用下镁合金比铝合金更容易产生晶界滑移[2]。镁合金的蠕变机理分为两个阶段，低温下以位错攀移为主，高温条件下以晶界滑移为主[3]。据Mihriban O.

Pekguleryuz等研究，镁合金蠕变的机理如图1所示。

图1 镁合金蠕变机理示意图

1.2 镁合金蠕变性能的提高途径

根据镁合金的蠕变特点和机理，提高镁合金蠕变性能的途径主要有基体强化和晶界强化[2，6]。

1.2.1 基体强化

提高镁合金基体高温蠕变性能的主要途径有固溶强化、析出强化和弥散强化。固溶强化是通过在合金中加入溶质元素提高其均匀化温度和弹性模量，减慢扩散和自扩散过程，降低了位错攀移的速率，因而合金的高温蠕变性能提高。析出时效强化是在时效过程中合金元素的固溶度而降低时形成散布的析出相，析出相与滑移位错之间的交互作用导致了合金的屈服强度提高。由于镁原子较大，通常形成与镁基体非共格的复杂析出相。这些相的界面能很高，在高温下易粗化，难以对晶界起有效的钉扎作用。因此，提高镁合金耐热性的关键是改善析出相的晶体结构以降低它与镁基体点阵常数错配度并提高其熔点以降低其扩散性。

弥散强化因弥散相具有很高的熔点并在基体中溶解度很小，其强化温度大大提高。据报道加拿大的ITM已在实验室中开发了两种弥散强化的镁合金[2]。

在多轴应力下产生的高温蠕变寿命有限元分析方法研究

 为正确预测在多轴应力状态下高温部件蠕变寿命提供了理论依据，对于评估高温构件的安全性和经济性具有十分重要的应用价值。

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前言

由于蠕变试验费时费力，而且不能体现设备运行的各种工况。因此,有限元数值模拟具有简单、快速、经济等特点，在工程中得到广泛的应用。ANSYS在模拟金属材料的蠕变时，对蠕变的第一阶段和第二阶段可获得令人满意的结果，而对蠕变的第三阶段模拟尚未有合适的模型。ANSYS用户编程特性(UPFs)，能满足用户的特殊需要，允许用户将自己的FORTRAN程序连接到ANSYS中，是ANSYS的非标准应用。本文运用ANSYS 5.7的二次开发功能，将含有损伤的蠕变模型写入ANSYS，模拟了单轴与多轴应力状态下P91钢的蠕变全过程，对高温金属蠕变进行研究，并对多轴应力状态下弯头发生蠕变变形进行分析，指出蠕变效应对弯头部位应力变化的影响，通过对骨点应力(Skeletal Point Stress)的分析，指出弯头部件蠕变损耗的变化情况。为正确预测在多轴应力状态下高温部件蠕变寿命提供了理论依据，对于评估高温构件的安全性和经济性具有十分重要的应用价值。

2 蠕变方程

经过大量实验研究表明，金属材料在蠕变过程中，会发生硬化和弱化现象，根据文献[1,2]，建构损伤-硬化蠕变模型，并假定材料的损伤是产生在蠕变的第三阶段。该蠕变模型由两部分构成：一是材料的硬化部分，二是材料的损伤部分。蠕变损伤-硬化模型形式如下：

(1)

式中， εc为蠕变应变;σ为应力;t为蠕变时间;tR为蠕变断裂时间; T为绝对温度;c1、c2、c3、c6为材料常数;c4、c5、tR为应力σ的函数。

应用式(1)本构方程对文献[3]中P91钢的实验数据进行数值模拟验证。图1为单轴应力状态下的公式计算和模拟结果，图2 为多轴应力状态下的模拟结果。由单轴及多轴蠕变模拟结果可知，通过UPFs用损伤-硬化蠕变模型可以模拟多轴应力状态下蠕变全过程。