【摘 要】
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核能作为一种优质的清洁能源,将在未来能源消费结构中发挥重要作用,优先发展核电技术已被列入我国能源中长期发展战略。316LN不锈钢因其优良的高温力学性能已被广泛应用于第三代压水堆和第四代钠冷快堆核电站中。核电结构在长期服役过程中会同时承受交变的机械载荷和因大量热瞬态导致的循环热应力,热机械疲劳失效已经成为威胁核电结构完整性的重要原因之一。本文基于自主研发的拉-扭多轴热机械疲劳试验系统,对国产核级高氮
【基金项目】
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多轴载荷下热机疲劳失效机制及寿命预测方法研究,国家自然科学基金面上项目,11772219； 压水堆一回路管道棘轮变形失效机理及设计理论,国家自然科学基金重点项目,51435012；
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核能作为一种优质的清洁能源,将在未来能源消费结构中发挥重要作用,优先发展核电技术已被列入我国能源中长期发展战略。316LN不锈钢因其优良的高温力学性能已被广泛应用于第三代压水堆和第四代钠冷快堆核电站中。核电结构在长期服役过程中会同时承受交变的机械载荷和因大量热瞬态导致的循环热应力,热机械疲劳失效已经成为威胁核电结构完整性的重要原因之一。本文基于自主研发的拉-扭多轴热机械疲劳试验系统,对国产核级高氮316LN不锈钢的单轴/多轴高温疲劳及热机械疲劳性能开展了全面系统的研究。提出具有物理意义的可定量化评价动态应变时效（DSA）作用强度的参数,应力锯齿个数及锯齿的最大应力降。系统地研究了高温疲劳加载下全寿命周期内高氮316LN不锈钢的DSA演化行为,发现其作用强度具有明显的加载方向和加载历史依赖性并揭示了其微观作用机理。利用Cottrell滞环分解思路的Kuhlmann-Wilsdorf-Laird方法,从内应力分量的角度解释了高温疲劳加载下316LN不锈钢的循环硬化、软化及持续硬化行为,并综合利用光镜、扫描电镜、电子背散射衍射及透射电镜等表征技术为基于应力分解的材料循环硬化-软化行为分析提供了充分的微观机理证据。主导损伤机理的改变导致了不同应变幅值范围内550℃恒温疲劳（IF-550℃）与350℃-550℃温度范围内热机疲劳（TMF）寿命间关系的不同。应变幅值较高（＞0.4%）时DSA是主导损伤机理,TMF寿命约为IF-550℃寿命的2倍。应变幅值较小（≤0.4%）时,高温氧化是主导损伤机理,IF-550℃寿命与TMF寿命相近。当应变幅值足够低时（＜0.2%）,TMF寿命会出现低于IF-550℃寿命的情况。确定了N含量0.112%的国产核级316LN不锈钢在550℃的疲劳设计曲线,指出利用该材料进行第四代钠冷快堆结构设计时若直接采用ASME-NH及RCCMRx中提供的疲劳设计曲线极有可能出现不保守的结果。提出了“剪切损伤权重系数”以合理评价多轴疲劳损伤中的剪切损伤贡献度,用其修正后的CXH-tension模型可同时对单轴/多轴恒温疲劳及热机械疲劳实现满意的寿命预测,数据点分别落在1.5倍及2倍分散带内且预测结果在保守侧,满足工程应用的需要。
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