摘要：本文从材料的微动磨损和微动疲劳机理的研究分析出发，总结了微动疲劳
与普通疲劳的主要差别，进而分析了案例核电厂辐照监督管的损伤原因，得到了辐照监督
管材料微动疲劳与普通疲劳的半定量关系，为结构改进和原结构失效原因分析提供了有
参考价值的依据。

      关键词：核电厂；辐照监督管；微动磨损；微动疲劳；失效分析

      1前言

      在本文选用的核电厂案例中，原结构设计的辐照监督管与定位套筒联接支承处可能会发生严重磨损与支承弹簧失效，在分析失效原因的基础上，改进了辐照监督管与定位结构的设计。
在设计改造的同时分析了辐照监督管损坏失效的原因，以确保改造结构的可接受性。本文从材料的微动磨损与微动疲劳机理研究分析出发，得到微动磨损对疲劳强度的影响，为结构改进和判断原结构可能失效的原因提供有参考价值的依据。

      2微动磨损与微动疲劳机理分析［1-4］

      微动磨损是指两个构件在接触表面上很小的、反复的相对滑动造成构件表面的机械损伤。微动磨损最小表面相对滑动只有0．1μm，最大滑动距离的限值为300μm，或者认为是250μm或200μm。

      微动磨损机理主要包括两个阶段：初始阶段和稳定阶段。初始阶段主要是粘着磨损。两接触表面在一定法向力的作用下微动，使金属的表面氧化膜破坏，产生金属与金 属的直接接触，形成冷焊点。随着微动，冷焊点疲劳断裂，接触面积增大，粘着力增加。这一过程相互促进，磨屑逐渐增多，持续一段时间后粘着减弱进入稳定阶 段。稳定阶段的特点包括接触面间的磨屑厚度恒定；总磨损量与循环次数或与时间成线性关系等。

      微动疲劳是在原有结构疲劳问题中进一步考虑微动损伤的影响，是对结构疲劳更深入的研究。

      由于微动磨损造成构件表面损伤，微动表面可能出现微裂纹和扩展性裂纹，即产生微动疲劳。裂纹萌生的动力是微动力，包括表面摩擦产生的切向力，在构件体内产生的拉应力和剪切应力，其次是接触压力产生的拉应力和剪应力。

      裂纹扩展推动力的定量公式是：

      ōff=ōf-2μp0(1-e-s/k)(1)
式 中，几是接触压力(P0)，μ是接触表面摩擦系数，S是微动的滑动量幅值(m)，K是具有长度量纲(m)的公式常数。试件产生疲劳裂纹所需的应力为ōf， 试件产生疲劳裂纹所需的外载应力为ōff0和ōf看成是有微动和无微动时构件的疲劳强度。从此公式中可以看出有微动构件的疲劳强度要小于无微动时构件的疲 劳强度，而两者的差值取决于Po，μ和S。

      裂纹扩展规律遵循线弹性断裂力学原理和方法，引用Paris公式：

      dl／dnf=c'(△K)m(2)

      式中1为裂纹深度；nf为循环次数；c′为常数；AK为应力强度因子范围，AK=乙—K晒。裂纹扩展的第一阶段，除I型应力强度外，还有H型(剪切型)应力 强度因子起作用，微动力或II型应力强度因子通过c′的修正来估计。裂纹扩展的第二阶段，Ⅱ型应力强度因子已不起作用，即微动力已不再起作用，此时的曲线 与普通疲劳裂纹扩展速率曲线相同。可见，微动疲劳与普通疲劳的区别是裂纹扩展包含微动力与外载共同作用的第一阶段，而普通疲劳裂纹扩展只有外载作用的扩展 阶段，见图1和图2。

      3微动疲劳的断裂力学分析[5]

      采用断裂力学分析微动疲劳问题，仍沿用应力强度因子的概念。裂纹前缘应力强度因子由三部分构成。第一部分是构件体内的交变应力，第二部分是作用在表面上的交变摩擦力，第三部分是来自产生微动作用的接触构件的垂直压力。

      工作构件体内的交变应力，交变摩擦力和垂直压力三个因素引起的总的应力强度因子的交变分量为Ka，平均应力强度因子为Km，应力强度因子的最大值为 Kmax=Km+Ka，最小值为Kmin=Km-Ka。当Kmin≥0时，△K=2K，；当Kmin<0时，取△K=Kmax。

      在变幅循环载荷．时，各个载荷段应力强度因子也不同，每个载荷段造成的损伤可以用概率来加权作线性累积。从以上分析可见，辐照监督管处在堆内各种工况条件下所受的是交互变化的复杂的载荷，其微动疲劳问题的应力强度因子的计算也就极其复杂。

      计算出应力强度因子后，就可通过计算和实验两种方法得到疲劳寿命，绘制Sr-N曲线，用来表示材料的微动疲劳性能，其中Sr为疲劳应力；N为疲劳寿命。

      图3为有微动和无微动所做实验绘制的Sr-N曲线。从图中可看出，没有微动作用时，初始裂纹长度(图中标注的数值，mm)对疲劳寿命的影响较大；有微动作用 时，初始裂纹长度对寿命的影响较小。无微动作用时，疲劳寿命明显高于有微动作用时的疲劳寿命，且疲劳强度极限也较高。

      4辐照监督管材料的微动磨损对疲劳强度的影响

      4．1辐照监督管微动损伤原因分析

      在分析辐照监督管与定位套筒联接支承处发生严重磨损与支承弹簧失效原因时，认为辐照监督管与定位套筒联接支承处虽不是紧固联接，但其支承弹簧紧贴在定位套筒 内表面上，在反应堆运行工况由流体流动引起的流致振动(nV)下，可引起联接处接触表面产生持续的微幅振动，即微动，产生微动磨损。FIV经历一次循环， 微动就经历一个周期，所引起的微动磨损也经历一个周期。所发现的部件严重磨损和失效即是由于接触表面存在微动磨损引起的。微动磨损引起的损伤还可使材料疲 劳强度大幅度下降，从而加速了疲劳损伤，使本不应破坏的部件产生了破坏，严重影响辐照监督管的可靠性。

      4．1．1辐照监督管微动磨损过程

      辐照监督管与保护套管内表面接触在流致振动产生的交变应力作用下开始产生微动磨损，在堆内运行环境中接触表面会产生氧化膜，在接触压力作用下的微动过程中 (接触压力大到一定程度)氧化膜破裂，辐照监督管不锈钢与保护套管材料直接接触，形成接触表面的各处冷焊点，接触表面之间存在着粘着力。不锈钢金属间冷焊 点的实际接触面积增大，粘着力也增大。持续不断的流致振动产生不停的微动会使冷焊点疲劳断裂，产生磨屑使粘着加强，两者相互促进此时磨损率较高。微动导致 的冷焊点断裂易诱发微裂纹的产生。随磨屑逐渐增加粘着逐渐减弱而达到微动磨损的稳定阶段。在稳定阶段随循环次数的增加，辐照监督管与保护套管内表面间的微 动磨损产生的各处冷焊点会发生断裂，可能并易诱发表面微裂纹的产生，进而形成扩展性裂纹或非扩展性裂纹。扩展性裂纹若继续发展，在扩展到一定程度时就会引 起构件的断裂，此时即是产生了微动疲劳过程。

      4．1．2辐照监督管微动磨损推动力

      辐照监督管在保护 套管内受到流体作用产生交变载荷力从而使辐照监督管的定位片与保护套管槽口之间产生静态和动态的接触压力，以及切向的交变载荷力一摩擦力，这几种力的存在 使定位片与槽口之间产生微动磨损，形成微动损伤并进而造成微动疲劳，裂纹形成并扩展引起加速磨损直至断裂。

      4．2辐照监督管的微动疲劳

      疲劳断裂部位在受微动损伤部位时，认为是微动疲劳破坏。

      辐照监督管裂纹产生和扩展的推动力

      辐照监督管的微动疲劳是指辐照监督管与保护套管相接触，因微动磨损造成的损伤可能在接触表面产生裂纹，并在受堆内流体的交变载荷和与保护套管的接触压力作用下，裂纹扩展并最终导致接触部件断裂失效的过程。这一过程中微动力和微动磨损造成的损伤起关键作用。

      (1) 微动时作用在辐照监督管与保护套管之间表面的切向力一摩擦力产生平行于接触面的剪切应力与垂直于接触面的剪切应力。两剪切应力分别产生平行和垂直于接触面 的裂纹并沿原方向扩展。平行扩展裂纹会使辐照监督管材料脱层脱落，形成微动磨损磨屑。垂直扩展裂纹则可能最终使产生微动疲劳的接触部件疲劳断裂。

      (2)保护套管对辐照监督管表面的接触压力，可在辐照监督管内产生剪应力和拉应力，促进裂纹的产生和扩展。

      (3)辐照监督管和保护套管在反应堆堆内工作时所受载荷情况很复杂。在工作工况下承受堆内流致振动的载荷，在平行于接触面和垂直于表面的截面上及45°截面上产生拉应力或剪应力，也是裂纹萌生和扩展的推动力。

      4．2．2辐照监督管裂纹产生的部位

      辐照监督管材料在微动磨损过程中在裂纹产生推动力的作用下微裂纹会在构件的一定部位产生，即在局部部位应力集中的地方萌生。

      辐照监督管产生微裂纹的应力集中部位包括：微动磨损中磨损严重的地方，形成凹坑成为应力集中点；微动粘着阶段，冷焊点被撕开，形成的凹坑成为应力集中点；微 动表面的凸峰点断裂或在表面的犁沟成为应力集中点；辐照监督管材料在微动区域的微观及加工处理缺陷处成为应力集中点等。

      4．2．3辐照监督管疲劳裂纹产生及其扩展

      (1) 辐照监督管与保护套管、定位片的微动疲劳是在受保护套管及堆内流体工况复杂的外载和介质环境下产生的。首先形成接触构件上的微裂纹，在堆内交变载荷与微动 力作用下微裂纹扩展后少部分继续向材料纵深发展的裂纹，即为疲劳裂纹。辐照监督管的疲劳裂纹是由原有微裂纹进一步扩展的结果。扩展性的疲劳裂纹易在微动区 (辐照监督管与保护套管接触部位)的宏观应力场高应力区处形成；非扩展性的疲劳裂纹则在辐照监督管与保护套管微动区的任何部位形成。

      (2) 辐照监督管在微动区形成疲劳裂纹后在微动力和交变外载的共同作用下继续向构件材料的深处扩展。在疲劳裂纹扩展的初始阶段，是微动切向力和流致交变应力(外 载)共同作用的结果。当疲劳裂纹扩展到一定深度时，只有外载作用，微动切向力不再起作用。辐照监督管疲劳裂纹的扩展同样遵循断裂力学原理，扩展初期I型应 力强度因子与Ⅱ型应力强度因子同时起作用；裂纹扩展到一定深度后，Ⅱ型应力强度因子会不起作用，只有I型应力强度因子，之后裂纹加速扩展直至产生断裂。

      另外，影响辐照监督管与保护套管微动疲劳的因素也较多，如两构件处于堆内氧化环境下，可促进微动疲劳裂纹的扩展，辐照监督管与保护套管在堆内所受载荷情况很复杂等等，都需考虑。

      需要特别提到的是，在堆内流体流动引起的振动下，微动可能在辐照监督管接触表面不是单一地沿切向方向，而是一种复合运动，产生的法向力在某些阶段的循环过程 中可能会振荡到使接触表面脱离接触的程度，对接触表面产生冲击作用，称作冲击微动。在这种情况下，法向振动与切向振动之间的相位关系是一个很重要的影响因 素，两运动之间的相位差应予考虑，同时循环过程中表面相互接触的时间也很重要。冲击与微动联合作用比单独微动的危险更大。因此在堆内流体环境下辐照监督管 可能更易损伤。

      辐照监督管微动疲劳强度与普通疲劳半定量关系

      图4为实验获得的具有代表性的S-N曲线[6]，从图中可见，微动使疲劳强度下降较大，一般下降30％-50％，最严重的可下降至低一个数量级。

      图5为资料中所记载的另一微动疲劳与普通疲劳性能的对比曲线[6]。图中的AB是普通疲劳性能的S-N曲线，A'B'则是微动疲劳曲线。由于疲劳强度由A点 降至A'点，这表明微动作用对裂纹的萌生有影响，因为在普通疲劳试验时，A点以下交变应力水平不足以形成断裂裂纹，而微动疲劳则在A与A'间的任何历程水 平均能使试样断裂。另一方面，在同一水平下，疲劳寿命从B点缩短到B'点，这就表明微动作用同样影响到裂纹扩展，使其加快。如果A与A'在N=107条件 下分别为普通及微动的疲劳强度SA和SA'有疲劳强度减弱因子SRF=SA／SA'，用以表示微动作用对疲劳强度的影响。有些材料的SRF略大于1，有的 却大于4，甚至有更大的。这就说明微动作用使材料的疲劳性能大幅下降。例如，用以制造斜拉桥索的高强钢丝，其抗拉强度σb高达1800MPa左右，但实验 室的数据表明，其微动疲劳强度只有260Mpa，仅为σb的15％左右。通过计算得出，此高强钢丝微动疲劳强度值约为无微动的普通疲劳强度的 30-40％。据此和前述机理推断，辐照监督管所使用的321不锈钢作为非高强度材料，同时又在高温下使用，水介质的存在促进了氧化作用，高温氧化使得微 动磨损量下降，所以微动磨损后的微动疲劳强度值与无微动时的疲劳强度比值不会小于30％(≥30％)，也就是说SRF值不会大于3。可见保守地将30％普 通疲劳强度作为321奥氏体不锈钢微动损伤后的微动疲劳强度下降的最低限值是合理的。因此，在力学计算时保守地取疲劳强度限值可按S+。／S+：30％计 算。

      5结论

      (1)通过对机械构件的微动磨损和微动疲劳的机理分析可得出：

      a，构件在接触压力和交变外载作用下发生微动磨损，微动磨损过程包括初始阶段和稳定阶段。微动磨损和微动力促使微裂纹在构件接触表面萌生和扩展，即引起了微动疲劳。

      b．微动疲劳裂纹扩展规律遵循断裂力学原理，采用断裂力学分析微动疲劳问题，仍沿用计算应力强度因子概念。绘制Sr-N曲线表示材料的微动疲劳性能。

      (2)微动疲劳与普通疲劳的主要差别在于：

      a．微动疲劳是构件在交变循环的外载荷及构件接触处接触载荷共同作用下的疲劳，而普通疲劳仅是交变外载作用下的疲劳。

      b．微动疲劳的疲劳裂纹扩展初始阶段存在I型应力强度因子和Ⅱ型(剪切型)应力强度因子共同作用，与普通疲劳相比其裂纹扩展速率高得多。在裂纹扩展的第二阶段与普通疲劳相同，此时只存在I型应力强度因子。普通疲劳只有I型应力强度因子。

      c．在相同外载交变循环作用下材料的微动疲劳强度远比普通疲劳强度低得多。

      (3)微动疲劳强度比普通疲劳强度低，采用疲劳减弱因子SRF来表示。辐照监督管使用的奥氏体不锈钢321材料的微动疲劳强度值SA'与普通疲劳强度值S，的最低比值可认为30％。

      (4) 辐照监督管由于受到堆内冷却介质流动所致长期振动造成上部结构定位片(或初始结构中圆柱销)与保护套管支承槽之间的接触面交变载荷，以及接触面间存在的正 压力和摩擦力，引起微动磨损。由于微动磨损产生微动疲劳，使接触面材料的疲劳强度大幅下降，产生部件失效，微动疲劳又加剧了微动损伤，周而复始，造成部件 接触表面的磨损损伤严重。

      参考文献：

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