疲劳损伤对材料断裂韧性的影响机理和预测模型研究

Fracture toughness represents the ductile parameter to resist crack growth or brittle rupture which is a key index in the process of structure integrity assessment. Before the brittle rupture happen, the fatigue damage due to the cyclic loading has existed in the component. The experimental results show that the fatigue damage will influence the fracture toughness. For the scientific problem which is influence mechanism of fatigue damage on typical material fracture toughness, the void model of meso-damage mechanics is applied to crate the relationship between fatigue damage and fracture toughness. The microcosmic phenomenon of void and dislocation will be studied by X-CT technology when the structure subjected to cyclic loading. With the finite element method, the influences of fatigue damage are implemented into modified GTN model. The fracture toughness will be predicted by the modified GTN model. The achievement of the investigation will raise the knowledge of influence mechanism of fatigue damage on fracture toughness, supply the reference for the standard and increase the rationality of structure integrity assessment.

断裂韧性是材料抵抗裂纹扩展断裂或脆性破坏的韧性参数，是在役部件结构完整性评定中的关键指标。在实际服役过程中，循环加载引起的疲劳损伤往往在脆性断裂之前，而宏观试验结果表明这部分疲劳损伤将对材料的断裂韧性产生一定的影响。针对疲劳损伤对材料断裂韧性的影响机理这一科学问题，采用最先进的第三代同步辐射X射线CT技术，可将微孔洞或微裂纹的分辨精度提高到1μm，能覆盖不同孔洞萌生、扩展和聚合的整个演化过程，对损伤进行定量表征，获得不同疲劳损伤或不同裂纹扩展形式下材料微孔洞的分布模式，揭示材料在疲劳损伤下材料内部损伤的演化规律。结合微观演变规律，采用有限元逆向法确定GTN模型中孔洞体积分数等参数，最终建立考虑疲劳损伤的断裂韧性预测模型。本项目的成功实施，将是对疲劳损伤对断裂韧度影响机理研究的一大推进，对各国缺陷评定标准如何将疲劳损伤对断裂韧度的影响体制纳入标准体系具有参考价值，提高结构完整性评定的准确性和

设备核电设备的安全运行关键在于保证其结构完整性，其贯穿于核电设计、制造、服役及延寿全过程，核电用钢的疲劳断裂问题是核电设备安全首要解决的问题。断裂韧性是材料抵抗裂纹扩展断裂或脆性破坏的韧性参数，在各国所采用的评定标准中，断裂韧性值均是通过无加载历史和无服役条件下的“完美”试样测得。然而，对于核电设备在服役期间不可避免的承受了高温、循环载荷或辐照等的作用，材料肯定会产生不同程度损伤使得材料特性出现劣化。为了研究疲劳损伤对材料断裂韧度的影响，首先进行了国产RPV材料SA508-Ⅲ钢室温条件下的力学性能，进行了室温条件下的单轴拉伸测试、疲劳裂纹扩展和断裂韧性测试、微观性能测试。第二，为了研究疲劳裂纹尖端的局部损伤和整体疲劳预损伤对断裂韧性的影响，设计了局部疲劳裂纹和整体疲劳损伤两种损伤模式，结合宏观和微观测试的方法，利用X-μCT技术对具有疲劳加载历史和“完美”试样的断裂断口进行微空洞的表征比较，探究疲劳损伤对材料性能的影响微观变化。研究结果表明：含有局部疲劳损伤的试样相比于无疲劳加载试样其断裂韧性下降的并不明显，下降量约为3-5%。进行整体预疲劳损伤的试样其断裂韧性存在明显的下降，疲劳加载时会引起材料的循环硬化使得断裂韧性下降，随着疲劳损伤的增加，断裂韧度逐步下降，最大值可达到25%，但其量化规律还有待继续探究。利用3D X-Ray断层扫描技术分析在断裂韧性试验过程中引起的的微孔洞成核、聚合、演化的微观结构变化规律，并且确定GTN模型中的孔洞体积分数临界孔洞体积分数和材料断裂时的临界孔洞体积分数等参数，用于对对含有疲劳损伤或其它预损伤的断裂过程进行模拟。本项目的研究对核电材料疲劳损伤引起断裂韧度变化是开创性的，对其影响机理研究还有待深入，研究成果对各国缺陷评定标准如何将疲劳损伤对断裂韧度的影响体制纳入标准体系具有参考价值，提高结构完整性评定的准确性和可靠性。