316LN不锈钢DSA敏感温区多轴低周疲劳特性及微观机理研究

近年来316LN不锈钢以其良好性能，在核反应堆容器和管道系统中得到了日益广泛的应用，其复杂、恶劣的工作环境，使疲劳破坏问题更加突出。本项研究通过在20℃和DSA敏感温区对316LN不锈钢进行单轴力学试验和多轴疲劳试验，综合考虑温度、应变率、应变比和应变幅值与应变路径的耦合作用对材料力学行为的影响，建立材料力学性能和疲劳性能数据库，为该材料的工业应用提供理论依据。在对材料疲劳断口的宏观微观观察基础上，阐明疲劳破坏机理，深入理解DSA对材料的影响，对更好利用DSA的作用改善生产工艺具有一定的指导意义。考虑法向应力对裂纹扩展的影响，重新确定临界面，进行疲劳寿命预测，并将其与实际疲劳断裂面进行比较分析。同时，依据材料的路径相关性和对DSA温区内总应力分析建立新损伤模型。本项目的研究为高温多轴非比例载荷下低周疲劳寿命预测提供理论基础。

316L不锈钢以其优良的高温抗拉伸、蠕变及疲劳等特性，在核工业、化工领域等领域得到了日益广泛的应用。针对316L薄壁圆管试件进行了不同路径及不同应变范围下的常温和600℃温度下的多轴低周疲劳试验，分析了应变路径及应变范围对循环应力应变行为的影响，结果表明，相同载荷条件下，600℃温度下的应力明显低于常温下的值，高温下材料受非比例路径的影响小于常温下的结果。圆路径下，材料表现出了明显的非比例附加强化效应，相同路径下，该效应随着应变幅值的增加而增加。比较了不同应变路径及应变范围下循环应力响应的特点。针对常温试验结果，应用等效应变法、临界面法及能量法进行寿命预测。在Garud能量方法的基础上，考虑正应力应变能量及剪切能量对疲劳寿命的影响，提出了加权的新寿命预测模型，预测结果较为满意。采用JSM-5800扫描电子显微镜对试验试件断面进行SEM观察，针对不同路径及不同范围下疲劳裂纹萌生区及疲劳裂纹扩展区的特征进行了对比分析。针对600℃温度不同应变范围单轴和圆路径下的DSA效应进行了分析，结果表明，单轴路径下，当应变范围大于等于1%时，发生DSA现象；而圆路径下，应变范围0.7%时，便可观察到DSA效应，表明了DSA效应的幅值及路径相关性。结合SEM结果，针对DSA效应的幅值及路径相关性进行了简要分析。.Mod.9Cr-1Mo钢具有良好的高温持久性能、高温蠕变强度、抗氧化性和抗高温腐蚀性能, 上世纪九十年代中期开始在我国电厂中逐渐推广。针对Mod.9Cr-1Mo钢光滑件进行了高温比例多轴低周疲劳试验。同时针对该材料3个缺口半径进行了11个路径下的常温非比例载荷下多轴疲劳，包括方形路径、菱形路径、圆路径等。采用直流电位差法测量裂纹萌生寿命。试验表明，缺口半径较大时，各路径下裂纹萌生寿命所占比例相差不大。随着缺口半径减小，裂纹萌生寿命占总寿命比例更为分散。采用Neuber律和Peterson模型进行缺口局部应力应变损伤的计算，结合Smith-Watson-Topper模型进行疲劳寿命预测，预测结果较差。基于应变路径非比例度的概念，针对Peterson模型进行修正，提出了一个新的疲劳缺口系数计算方法，结合SWT模型进行疲劳寿命预测。结果表明，该新方法改善了非比例路径下的疲劳寿命预测结果，大部分预测结果位于2倍分散带内。