核電用690鎳基合金的應變疲勞行為及壽命預測

鎳基合金由于具有優異的高溫強度、高蠕變強度、高耐蝕性能和高抗氧化性等特點，被廣泛應用于石油化工和核電等工業。在核電領域，鎳基合金主要應用于對內構件和蒸汽發生器傳熱管等，在運行的過程當中水和蒸汽的壓力變化，以及在反應堆啟停的過程當中，都會對其造成周期性的高應力加載，這可能會導致局部區域應力加載或發生塑性變形而產生疲勞，嚴重影響其安全使用壽命。因此，對鎳基合金的性能穩定性和疲勞性能的研究十分必要。

由于傳統的核電用600鎳基合金對高溫高壓水服役環境中的應力腐蝕破裂敏感，新建核電站趨于使用后來研發的690鎳基合金。本工作主要研究了某核電工程用690鎳基合金在室溫下不同應變幅下的疲勞壽命，在此基礎上分析其低周疲勞斷裂行為、應變-疲勞壽命關系和循環應力-應變關系，對比設計壽命進行低周疲勞壽命預測，為該類鎳基合金的疲勞設計提供有效數據和可靠的理論依據。

試驗用690鎳基合金由某核電設備有限公司提供的軋制板材，其化學成分（質量分數，%）為C0.022，Si0.2，Mn0.4，Ni62.1，Cr29.06，Mo0.03，Ti0.42，Fe7.36，N0.02，Al0.41。熱處理工藝為1050℃保溫1h水冷固溶，再720℃保溫10h空冷時效處理。將試樣表面拋光，用硫酸銅鹽酸水溶液進行侵蝕后用于金相觀察。

根據GB/T15248-2008《金屬材料軸向等幅低循環疲勞試驗方法》進行低周應變疲勞試驗。試驗采用MTSLandmark疲勞試驗機，采用軸向拉-壓等應變幅控制模式，力值加載波形為三角波，試驗均在室溫下進行。疲勞壽命周次由設備自動按最早出現下面情況之一判別：①疲勞試驗中循環應力值下降到循環應力峰值的75%時的周次，此根據為美國NRC報告信息；②試樣出現斷裂或遲滯回線的壓縮部分出現典型的拐點時的周次。試驗后用放大鏡、LeicaDM4000M光學顯微鏡、Quanta400F掃描電鏡觀察試樣的裂紋位置、裂紋形貌和疲勞斷口形貌。試驗結果表明：

（1）690鎳基合金的低循環應變疲勞裂紋主要以穿晶斷裂方式萌生于試樣的自由表面并向內部擴展。4種應變幅（0.2%、0.3%、0.45%、0.6%）控制下的應變壽命均高于美國阿貢國家試驗室（ANL）給出的設計壽命。