应力腐蚀破裂裂尖微观力学场的数值模拟与分析

论文摘要

应力腐蚀破裂（SCC）问题是影响核电设备长期安全运行的关键问题之一,也是核电安全研究领域的热点问题之一。由于应力腐蚀破裂是发生在裂纹尖端（断裂过程区）力学作用下的一种电化学行为,受到裂尖区域腐蚀环境、材料和力学的共同影响和作用,是多学科多尺度相交叉的复杂问题,单从某一尺度或单个学科进行研究是无法完全展示出其破坏过程的。针对目前相关研究多是直接基于宏观尺度或纳观尺度,而对微观尺度上的应力腐蚀开裂研究不足。为此,本论文将重点放在微观尺度上应力腐蚀开裂裂尖的力学特性分析上。本论文通过将数值模拟与理论计算结果对比,验证了利用ABAQUS计算紧凑拉伸试样（1T-CT试样）相关断裂参量的有效性,建立了宏观尺度下裂纹扩展的全局模型和裂尖区域的子模型。全局模型的计算结果为子模型提供边界条件,而子模型的计算为详细了解应力腐蚀破裂裂尖微观力学场提供了保证。本论文在基于应力腐蚀破裂裂尖存在沟形裂纹这一基本观点的基础上,建立了微观尺度下沟形裂纹模型和裂尖分叉裂纹模型,并利用子模型技术建立了微观尺度下沟形裂纹有限元模型和裂尖分叉裂纹有限元模型,分析了微观尺度下应力腐蚀破裂裂尖沟形裂纹长度和分叉裂纹对裂尖氧化膜和基体金属应力应变场的影响。论文研究结果表明,SCC裂尖氧化膜前端沟形裂纹和裂尖分叉裂纹的存在,会造成氧化膜和基体金属中应力应变的变化,且随着沟形裂纹的长度增加,这种变化越发明显。另一方面,与应力相比,等效塑性应变对裂尖长度变化更加敏感,从一个侧面说明,裂尖等效塑性应变是研究SCC裂尖氧化膜和基体金属比较理想的力学参量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 研究的主要内容
• 1.4 技术路线
• 2 SCC裂纹尖端形貌特征与基本分析方法
• 2.1 微观应力腐蚀断裂力学概述
• 2.2 沟形裂纹的提出
• 2.3 分析方法
• 2.4 本章小结
• 3 断裂试样模型的建立
• 3.1 1T-CT试样模型的建立
• 3.1.1 试样选取
• 3.1.2 模型假设
• 3.2 材料模型的确定
• 3.2.1 宏观尺度材料参数的确定
• 3.2.2 微观尺度材料参数的确定
• 3.3 宏观尺度全局网格模型的建立
• 3.3.1 网格划分
• 3.3.2 载荷及边界条件
• 3.3.3 网格模型的建立
• 3.4 微观尺度沟形裂纹子模型的建立
• 3.4.1 几何模型
• 3.4.2 网格划分
• 3.4.3 边界条件
• 3.5 微观尺度裂尖分叉裂纹子模型的建立
• 3.5.1 几何模型
• 3.5.2 网格划分及边界条件
• 3.6 本章小结
• 4 微观尺度下裂尖不同沟形裂纹长度对计算结果的影响
• 4.1 微观尺度下裂纹长度对计算结果的影响
• 4.1.1 对氧化膜应力应变的影响
• 4.1.2 对基体应力应变的影响
• 4.2 本章小结
• 5 微观尺度下裂尖分叉裂纹对计算结果的影响
• 5.1 微观尺度下裂纹长度对计算结果的影响
• 5.1.1 对氧化膜应力应变的影响
• 5.1.2 对基体应力应变的影响
• 5.2 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录