杜东海等：冷变形316L不锈钢在高温高压水中的应力腐蚀 ·197 子K的方法进行了研究.Andresen使用厚度为半英 1,维氏硬度见表2.为了避免开裂过程中裂纹发生偏 寸的紧凑拉伸试样，发现敏化304不锈钢在含氧200 转，在试样两侧面开深度为厚度的5%的侧槽，按照 ugL、电导率0.27μScm(H2S04)的纯水中，裂纹 ASTM E399有效厚度就定义为 扩展速率最大值出现在200℃.Jenssen和Jansson利 B=(BB)s (1) 用0.5T紧凑拉伸(CT)试样恒定K=33MPa·mP发现 式中，B为试样的未切侧槽处厚度，B…为侧槽处 敏化304不锈钢在溶解氧为0.5mg·L的高纯水中， 厚度 温度在150~288℃之间时裂纹扩展速率随温度增加 而单调上升.然而，在含硫酸的溶液中，裂纹扩展速 率在150℃时出现了最高值.Lu等网采用双悬臂梁 试样对冷变形的316L在110~288℃含氧2mgL1 和7.5mgL高纯水中的实验结果显示，材料的裂 纹扩展速率随温度的上升而升高.Andresen等使 用冷作变形的316L不锈钢在氢气除氧的水环境下 发现裂纹扩展速率在290~340℃之间随温度的升高 而升高. 目前，国外绝大多数实验裂纹扩展速率数据都是 图2316L试样金相组织 关于高碳敏化不锈钢的，国内在裂纹扩展速率测量方 Fig.2 Metallography of a 316L stainless steel specimen 面的研究还基本上属于空白.而且，利用断裂力学试 表1316L钢的化学成分（质量分数） 样准确测得低碳钢在高纯水中的裂纹扩展速率数据则 Table 1 Chemical composition of the 316L stainless steel 更少.因为在正常工况下，一回路内不同位置的材料 C Si Mn Cr Ni Mo 的工作温度不同，并且在停止和启动时也会有温度的 0.04550.43401.8070.01230.004817.2812.502.484 变化，所以本实验的目的一方面是对反应堆辅助管道 材料316L在不同温度和溶解氧下的裂纹扩展速率进 表2试样的维氏硬度 行测量，为核电厂提供准确的裂纹扩展速率数据，另一 Table 2 Vickers hardness (HV)of CT specimens kN.mm-2 方面是通过观察裂纹扩展速率根据温度的影响来研究 面 硬度 平均值 裂纹扩展机理的主要控制因素 P面 3.15,2.96,2.96,3.19,2.86,2.86 3.00 B面 2.78,2.78,2.67,2.75,2.78,2.74 2.75 1实验步骤 F面 2.67,2.67,2.64,2.64,2.64,2.69 2.66 本次实验用材料316L取自国内某核电厂采用的 首先在空气中以降载荷比R(K/K）,恒定K= 一回路辅助管道弯头，割材料并加工成半英寸厚的紧 38.5MPam2,f=0.5z的方式预制得0.9mm的疲 凑拉伸试样见图1，垂直于管道中心线的截面（图1中 劳裂纹.当K的变化约为0.1%时开始进行载荷调整， 的P面)微观结构见图2.从图2上可以很明显地看到 以维持K值恒定.预制疲劳裂纹后的试样放入高压釜 晶粒内部有因管道冷变形弯曲变形而产生的滑移线. 内，当釜内温度和压力升到目标值T=325℃，P=15.5 材料的化学成分见表1，试样硬度测量打点位置见图 MPa后，采用梯形波加载，开始疲劳开裂向应力腐蚀开 裂的过渡.该过程中载荷比R=0.7,频率逐渐降低至 f=0.OO1Hz然后在K处保持9ks,以保证裂纹穿越 由疲劳而产生的塑性区域o 使用直流电压降方法在线监测裂纹扩展，其中裂 纹长度的测量原理如图3.使用Agilent6611C直流稳 B 压电源为试样提供恒定的直流电，Agilent34420A纳伏 表测量电压，使用Agilent34970A通道进行信号转换， 使用Interactive Instruments 5K伺服电机对试样进行加 载.为了减小测量的过程中杂散信号的干扰，采用双 绞屏蔽信号线为了消除热电势的影响，电流每0.5s进 图1试样 行一次流向的反转：为降低由于温度变化裂纹长度测 Fig.1 Specimen 量的影响，实验中同时测量了参考电压降杜东海等: 冷变形 316L 不锈钢在高温高压水中的应力腐蚀 子 K 的方法进行了研究． Andresen［6］使用厚度为半英 寸的紧凑拉伸试样，发现敏化 304 不锈钢在含氧 200 μg·L － 1、电导率 0. 27 μS·cm － 1 ( H2 SO4 ) 的纯水中，裂纹 扩展速率最大值出现在 200 ℃ ． Jenssen 和 Jansson［7］利 用 0. 5T 紧凑拉伸( CT) 试样恒定 K = 33 MPa·m1 /2发现 敏化 304 不锈钢在溶解氧为 0. 5 mg·L － 1的高纯水中， 温度在 150 ～ 288 ℃ 之间时裂纹扩展速率随温度增加 而单调上升． 然而，在含硫酸的溶液中，裂纹扩展速 率在 150 ℃ 时出现了最高值． Lu 等［8］采用双悬臂梁 试样对冷变形的 316L 在 110 ～ 288 ℃ 含氧 2 mg·L － 1 和 7. 5 mg·L － 1 高纯水中的实验结果显示，材料的裂 纹扩展速率随温度的上升而升高． Andresen 等［9］使 用冷作变形的 316L 不锈钢在氢气除氧的水环境下 发现裂纹扩展速率在 290 ～ 340 ℃ 之间随温度的升高 而升高． 目前，国外绝大多数实验裂纹扩展速率数据都是 关于高碳敏化不锈钢的，国内在裂纹扩展速率测量方 面的研究还基本上属于空白． 而且，利用断裂力学试 样准确测得低碳钢在高纯水中的裂纹扩展速率数据则 更少． 因为在正常工况下，一回路内不同位置的材料 的工作温度不同，并且在停止和启动时也会有温度的 变化，所以本实验的目的一方面是对反应堆辅助管道 材料 316L 在不同温度和溶解氧下的裂纹扩展速率进 行测量，为核电厂提供准确的裂纹扩展速率数据，另一 方面是通过观察裂纹扩展速率根据温度的影响来研究 裂纹扩展机理的主要控制因素． 图 1 试样 Fig． 1 Specimen 1 实验步骤 本次实验用材料 316L 取自国内某核电厂采用的 一回路辅助管道弯头，割材料并加工成半英寸厚的紧 凑拉伸试样见图 1，垂直于管道中心线的截面( 图 1 中 的 P 面) 微观结构见图 2． 从图 2 上可以很明显地看到 晶粒内部有因管道冷变形弯曲变形而产生的滑移线． 材料的化学成分见表 1，试样硬度测量打点位置见图 1，维氏硬度见表 2． 为了避免开裂过程中裂纹发生偏 转，在试样两侧面开深度为厚度的 5% 的侧槽，按照 ASTM E399 有效厚度就定义为 Beff = ( BgrossBnet ) 0. 5 ． ( 1) 式中，Bgross 为 试样 的 未 切 侧 槽 处 厚 度，Bnet 为 侧槽 处 厚度． 图 2 316L 试样金相组织 Fig． 2 Metallography of a 316L stainless steel specimen 表 1 316L 钢的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of the 316L stainless steel % C Si Mn P S Cr Ni Mo 0. 0455 0. 4340 1. 807 0. 0123 0. 0048 17. 28 12. 50 2. 484 表 2 试样的维氏硬度 Table 2 Vickers hardness ( HV) of CT specimens kN·mm － 2 面 硬度 平均值 P 面 3. 15，2. 96，2. 96，3. 19，2. 86，2. 86 3. 00 B 面 2. 78，2. 78，2. 67，2. 75，2. 78，2. 74 2. 75 F 面 2. 67，2. 67，2. 64，2. 64，2. 64，2. 69 2. 66 首先在空气中以降载荷比 Ｒ( Kmin /Kmax ) ，恒定 K = 38. 5 MPa·m1 /2，f = 0. 5 Hz 的方式预制得 0. 9 mm 的疲 劳裂纹． 当 K 的变化约为 0. 1% 时开始进行载荷调整， 以维持 K 值恒定． 预制疲劳裂纹后的试样放入高压釜 内，当釜内温度和压力升到目标值 T = 325 ℃，P = 15. 5 MPa 后，采用梯形波加载，开始疲劳开裂向应力腐蚀开 裂的过渡． 该过程中载荷比 Ｒ = 0. 7，频率逐渐降低至 f = 0. 001 Hz 然后在 Kmax处保持 9 ks，以保证裂纹穿越 由疲劳而产生的塑性区域［10］． 使用直流电压降方法在线监测裂纹扩展，其中裂 纹长度的测量原理如图 3． 使用 Agilent 6611C 直流稳 压电源为试样提供恒定的直流电，Agilent 34420A 纳伏 表测量电压，使用 Agilent 34970A 通道进行信号转换， 使用 Interactive Instruments 5K 伺服电机对试样进行加 载． 为了减小测量的过程中杂散信号的干扰，采用双 绞屏蔽信号线为了消除热电势的影响，电流每 0. 5 s 进 行一次流向的反转; 为降低由于温度变化裂纹长度测 量的影响，实验中同时测量了参考电压降． · 791 ·