腐蝕疲勞是核電材料服役時的潛在失效形式之一。研究表明，在輕水堆（LWR） 服役高溫高壓水環境中材料的疲勞壽命顯著下降。當前，國內外針對LWR材料在高溫高壓水中腐蝕疲勞性能的研究主要集中在溫度、溶解氧（DO）、應變速率、應變幅、夾雜物等影響因素。然而，LWR核電站實際構件中不可避免地存在幾何不連續處，如壓力容器螺栓表面的螺紋牙、焊接件表面的焊接不連續等，會造成構件局部應力集中，而疲勞裂紋往往又萌生于這些應力集中區域。幾何不連續性導致的缺口效應將會影響核電材料的腐蝕疲勞性能，因此在研究核電材料腐蝕疲勞性能影響因素時必須考慮缺口效應。

    1 核電材料高溫高壓水缺口疲勞問題研究現狀

    自20 世紀50 年代至今，關于缺口疲勞問題的研究從未間斷。國內外專家學者提出過一些處理材料缺口疲勞問題的模型和方法：如Kuhn 等和Peterson引入疲勞缺口系數，提出了缺口的平均應力模型；Manson和Coffin利用Manson-Coffin 公式，并采用等效應變法對缺口疲勞壽命進行估算；Neuber提出運用局部應力應變法預測缺口疲勞壽命的Neuber 法則；Molski 和Glinka提出模擬缺口應力-應變歷程的等效應變能密度法等。近幾年，國內同行對材料缺口疲勞問題的研究也逐漸深入。劉麗君研究了鋼網架螺栓球節點用高強螺栓的缺口效應；奚蔚等提出了一種考慮尺寸效應的缺口疲勞壽命預測方法；馮先鋒等研究了潮濕空氣環境下鋁合金的缺口疲勞強度等。與此同時，隨著計算機模擬軟件的普及，實驗分析和模擬計算的結合為缺口疲勞問題的研究提供了新的思路。這些理論和方法的提出在一定程度上促進了缺口疲勞性能的研究，為缺口問題的解決提供了理論指導和依據。

    表1 列出了LWR核電站出現幾何不連續的典型部位及服役材料。可見，核電站材料不可避免地會出現不同形式的幾何不連續，這些部位將產生應力集中并極大地促進疲勞裂紋的萌生，最終導致疲勞壽命的大幅下降。

    當前，受限于實驗設備和實驗方法，材料缺口疲勞的實驗研究局限于室溫空氣和高溫空氣環境中，對于核電高溫高壓水環境中服役材料的缺口疲勞性能研究極少，僅有Sakaguchi 等研究了缺口效應對核電材料在模擬沸水堆（BWR） 環境中腐蝕疲勞性能的影響。相關研究的重點在于高溫水環境中缺口疲勞壽命的預測，利用有限元方法（FEA） 計算得到缺口尖端的應變速率和環境疲勞校正因子（Fen），結合修正的速率近似方法對缺口試樣的環境疲勞壽命進行預測，并將預測得到的缺口試樣環境疲勞壽命與光滑試樣環境疲勞壽命進行對比，分析得到預測方法的準確性及可行性。但是，上述研究僅針對缺口環境疲勞壽命進行定量分析，對缺口環境疲勞壽命的變化機理及相應的組織結構演變規律缺乏深入的研究。

    近年來，中國核電發展迅速，系統研究國產材料高溫高壓水中缺口疲勞性能將進一步豐富國產核電材料腐蝕疲勞基礎數據，深化人們對材料腐蝕疲勞損傷機理的認識，促進核電材料國產化，同時也為我國核電站的長期安全穩定運行提供重要的技術支撐，對保障現役核電站安全運行及新電站的安全設計有重要的理論和實際意義。

    2 傳統缺口疲勞問題的特點

    研究材料力學行為時，通常引入3 種不同幾何狀態的試樣：光滑試樣、帶裂紋試樣和缺口試樣。針對缺口試樣，當缺口根部半徑趨于無窮大時，缺口試樣轉化為光滑試樣；當缺口根部半徑趨于無窮小時，缺口試樣則轉化為帶裂紋試樣。因此可以將缺口試樣看成是光滑試樣與帶裂紋試樣之間的一個中間狀態，其疲勞失效問題仍然是裂紋體的斷裂問題。

    關于光滑試樣和帶裂紋試樣的疲勞問題已有系統研究，但缺口試樣疲勞問題的研究有待深入開展。疲勞過程中，與光滑試樣對比，缺口的存在會導致試樣的應力應變狀態發生改變：缺口前方的應力狀態將由單軸應力變為三軸應力，同時缺口平面的應力應變水平從缺口尖端到試樣心部呈現梯度下降特征，缺口根部的局部應力和局部應變顯著高于試樣心部。帶缺口試樣的應力應變狀態的改變將對材料的疲勞性能產生影響，進而影響缺口試樣的疲勞壽命。與光滑試樣對比，缺口試樣的疲勞問題有幾大特征因素：缺口類型、缺口張開角度、缺口深度和缺口尖端半徑等，對這些因素的全面分析將有利于后續特殊環境中的缺口疲勞實驗技術開發和缺口疲勞機理研究。

    2.1 缺口類型

    研究表明，缺口類型，如銳缺口和鈍缺口、U型缺口和V型缺口，影響著實驗材料的斷裂行為。不同類型缺口的應力強度因子和缺口敏感性不同，最終導致缺口應力集中系數算法的差異。Lazzarin等系統地研究了不同缺口類型與應力強度因子間的關系和不同缺口類型對材料斷裂行為的影響。針對不同的研究目的和研究背景，缺口類型的選取不同。V型銳態缺口主要用于解決由微裂紋引起的應力集中問題，而多數工程構件的缺口均以鈍態形式呈現，故多采用鈍態缺口。U型缺口與V型缺口的選取沒有明確限定，但U型缺口可用張開角度為30o的V型缺口加以替代。因此，為便于系統研究缺口幾何形狀對材料疲勞性能的影響，針對材料缺口疲勞性能的研究普遍采用V型鈍態缺口試樣。

    2.2 缺口深度

    由疲勞裂紋擴展行為的Paris 公式可知，疲勞裂紋的擴展速率與試樣應力強度因子有關。Lazzarin等研究認為，缺口試樣的應力強度因子與缺口深度呈正相關關系，在計算裂紋擴展速率時把缺口深度納入裂紋長度項。其次，針對缺口試樣的疲勞實驗，因缺口根部的應變無法精確獲取，部分實驗采用應力控制，當載荷大小不變時，缺口深度的增加勢必導致缺口截面名義應力幅的增大，相應的缺口尖端應變幅也將發生改變。

    2.3 缺口張開角度

    研究表明，對于V型鈍態缺口，不同缺口張開角度對應不同的缺口應力強度因子，并最終導致缺口尖端到心部應力應變梯度的差異。隨著缺口張開角度的增大，缺口尖端到試樣心部的應力應變梯度逐漸減小。然而，對于V型鈍態缺口，多數人認為當缺口深度和缺口尖端半徑一定時，缺口張開角度對材料疲勞性能的影響很小，大多數情況下可以忽略，以至于將V型鈍態缺口與U型缺口等效。為了消除影響，可采用恒定缺口張開角度的V型鈍態缺口用于缺口疲勞性能研究。

    2.4 缺口尖端

    半徑當前，缺口疲勞實驗普遍采用給定缺口張開角度和深度但改變缺口尖端半徑的缺口試樣。在LWR核電站高溫高壓水環境下，實驗可變參數眾多，如果對缺口幾何變化參數考慮過多將會導致缺口疲勞行為過于復雜，后續的結果分析也將缺乏針對性。Peterson 圖表表明，缺口尖端半徑大小對試樣應力集中系數影響很大，半徑越小，缺口的應力集中系數越大。Boukharouba 等[34]認為，相同名義應力條件下，缺口尖端半徑越小，缺口根部的應力強度因子越大，越易促進疲勞裂紋的萌生。同樣，Sakane等用不同缺口尖端半徑得到不同應力集中系數的疲勞試樣開展實驗，結果表明，不同應力集中系數對疲勞裂紋起始壽命影響很大，但對疲勞裂紋擴展壽命影響很小。

    3 LWR 核電站水環境中缺口疲勞問題的特點

    前已述及傳統缺口疲勞實驗的特點。相比之下，LWR核電站高溫高壓水環境中的缺口疲勞實驗既具有傳統缺口疲勞實驗的特點也具有自身特點。

    表2 給出了LWR核電站高溫水環境中和室溫空氣中缺口疲勞性能的主要影響因素。

    對于LWR核電站水環境中缺口試樣的腐蝕疲勞失效問題，涉及材料、缺口幾何、交變應力和環境四大因素。材料因素主要包括成分、組織狀態、夾雜物和表面狀態等；缺口幾何主要指缺口張開角度、缺口深度和缺口尖端半徑等；應力因素主要指應力幅、加載速率和波形等；而高溫高壓水環境作為LWR核電站材料腐蝕疲勞特有的影響因素，主要是指溫度、壓力、pH 值、DO和溶解氫（DH） 含量等。以上四部分因素的交互作用影響缺口試樣腐蝕疲勞裂紋的萌生與擴展，并最終影響材料的疲勞壽命。

    在LWR核電站高溫高壓水環境中，核電材料的疲勞壽命相比于空氣中有不同程度的下降，表現出環境促進疲勞（EAF） 作用。因此，對于LWR水環境中的缺口疲勞行為研究，缺口幾何因素、環境因素及其交互作用是需要研究的重點。下面重點分析高溫高壓水環境中核電材料缺口疲勞裂紋萌生及裂紋擴展的可能機理。

    4 缺口試樣腐蝕疲勞裂紋的萌生與擴展

    缺口試樣的疲勞斷裂也是裂紋體的斷裂問題，因此其腐蝕疲勞失效也可分為裂紋萌生和擴展兩部分。對于缺口疲勞試樣，疲勞壽命是指試樣最終斷裂所經歷的載荷循環數，其中裂紋長度約0.1 mm之前的階段定義為裂紋的萌生階段，該階段壽命定義為疲勞裂紋萌生壽命；之后為裂紋擴展階段，壽命定義為疲勞裂紋擴展壽命。

    光滑試樣的疲勞裂紋萌生壽命在整個疲勞壽命中占主要比重，高于50%。引入缺口大大地降低了疲勞裂紋萌生壽命，裂紋擴展成為疲勞斷裂的主要部分。盡管疲勞壽命的相對組成發生了變化，但裂紋萌生和擴展作為缺口疲勞斷裂的基本組成部分，都需要仔細研究，這樣才能系統地理解缺口疲勞裂紋的萌生和擴展行為，進一步分析材料的環境缺口效應。

    4.1 缺口試樣腐蝕疲勞裂紋的萌生

    通常用于研究缺口試樣腐蝕疲勞裂紋萌生的模型有Kim裂紋起始模型[26]和位錯偶極子模型。其中Kim 裂紋起始模型基于局部塑性應變累積準則，認為循環應力條件下，缺口尖端表面存在奇異點，其局部位移隨載荷循環而不斷累積，當局部位移累積達到臨界尺寸時，裂紋開始萌生。Hirose 等[44]依據高強鋼缺口試樣腐蝕疲勞實驗結果，提出了計算疲勞萌生壽命的位錯偶極子模型，認為腐蝕疲勞裂紋的萌生與氫致開裂有關，缺口尖端因循環應力產生大量位錯偶極子，造成氫原子的加速擴散與富集，使尖端區域材料脆化。位錯偶極子模型還給出了應力集中系數與缺口疲勞裂紋萌生壽命的關系。

    LWR核電站高溫高壓水環境中，缺口試樣疲勞裂紋萌生壽命可用直流電位降（DCPD） 和缺口尖端位移測量（NRD） 兩種方法通過實驗直接得到。DCPD 法是施加恒定的直流電流于試樣兩端，觀測缺口邊緣的電位突變來確定疲勞裂紋萌生壽命，該方法也可用于觀察疲勞裂紋的擴展行為。NRD法則是針對缺口幾何計算出裂紋萌生對應的缺口尖端張開位移，在實驗中標定即可得到疲勞裂紋的萌生壽命。

    4.2 缺口試樣腐蝕疲勞裂紋的擴展

    Umeda等的結果表明，缺口試樣的應力集中系數大于1 （光滑試樣的等于1），在不同應力集中系數條件下開展同參數的缺口疲勞實驗，缺口的裂紋萌生壽命隨應力集中系數的增大而急劇下降，而缺口的裂紋擴展壽命只有輕微變化。這說明缺口幾何形狀顯著影響疲勞裂紋萌生壽命，一旦裂紋萌生，疲勞裂紋擴展壽命與缺口幾何形狀無關。因此，在分析LWR核電站水環境中缺口疲勞裂紋擴展行為時，可借鑒光滑試樣的疲勞裂紋擴展機制。

    高溫高壓水中公認的腐蝕疲勞裂紋擴展機制有兩種，分別是氫致開裂機制和膜破裂/滑移溶解機制。兩種機制都與氧化膜的破裂速度、鈍化速度和離子擴散速度等因素有關，同時對于不同的實驗材料和實驗參數，裂紋擴展的機制也有差異。兩種裂紋擴展機制最直接的區分方法就是裂紋狀態和斷口形貌：氫致開裂的宏觀裂紋彎曲、開叉、裂紋間橋接，疲勞斷口凹凸不平、呈準解理、扇形河流狀、梯田臺階狀花樣；膜破裂/滑移溶解機制產生的宏觀裂紋表現為完全平直的表面裂紋形貌，并且斷口上可觀察到裂紋被捕獲的痕跡。

    相對于光滑試樣，缺口試樣的疲勞裂紋擴展仍有其獨特規律。光滑試樣的疲勞裂紋擴展傳統上分為3 個階段：低擴展速率區、中等擴展速率區（Paris區） 和高擴展速率區，裂紋擴展速率呈曲線加速增大。但對于缺口試樣，Sakane 等研究認為整個疲勞斷裂過程中裂紋的擴展速率基本保持不變，僅在裂紋擴展的中后期缺口試樣的裂紋擴展行為才與光滑試樣趨于一致。他們認為缺口的存在導致其尖端應力集中，大量裂紋萌生于缺口根部，相互連接，宏觀上以一個環形裂紋由缺口尖端向試樣心部擴展；而對于光滑試樣，通常2、3 條或多條裂紋在試樣表面萌生，呈半圓形或半橢圓形擴展，其中一條裂紋發展成主裂紋，導致試樣疲勞失效。因此，研究LWR核電站水環境中缺口疲勞裂紋擴展行為時，不能完全遵從光滑試樣腐蝕疲勞裂紋擴展機制。

    5 存在的問題與展望

    當前，材料缺口疲勞性能研究主要集中在常溫及高溫空氣環境中，鮮有LWR服役環境中結構材料的缺口疲勞性能報道，缺乏缺口環境疲勞基礎數據。因此，需要開發用于高溫高壓水環境下的缺口疲勞實驗技術，開展核級低合金鋼、不銹鋼、鎳基合金等的缺口試樣在模擬核電高溫高壓水中的缺口疲勞實驗，獲得材料的缺口疲勞強度實驗數據。因缺口試樣與光滑試樣存在應力應變狀態差異，光滑試樣的腐蝕疲勞裂紋萌生和擴展機理無法直接用于缺口試樣，需要結合環境效應與缺口效應深入分析高溫高壓水中缺口試樣的腐蝕疲勞失效機理，定量評價缺口效應、環境效應以及兩者的交互作用對核電材料缺口疲勞性能的影響，進而建立國產核電材料缺口疲勞壽命預測模型，為國產核電材料的設計開發與安全評價提供數據支撐。

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責任編輯：王元

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