《Annals of Nuclear Energy》：The multiscale microstructural and nonlinear ultrasonic characterization of fatigue damage in nuclear-grade 316 L stainless steel welds
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早期评估核级316L焊接件疲劳损伤对核电站结构完整性至关重要。本研究建立非线性超声与多尺度微观结构联动的无损检测框架，通过疲劳循环观察到晶粒尺寸、位错密度和次生相沉淀的演变，并关联非线性系数β、超声衰减α和速度v的变化趋势。β值在裂纹萌生处达峰值后下降，α值随散射增强而上升，v值单调降低反映刚度损失。这些参数联合分析可有效监测焊接件早期疲劳损伤。
明杜|关林峰|范阳| Jun Tu| 周启来
武汉工业大学材料科学与工程学院，中国武汉 430070
摘要
对核级316L焊缝的疲劳损伤进行早期评估对于核电站一次回路管道及其他压力边界部件的结构完整性至关重要。本研究建立了一个定量的、无损的评估框架，将非线性超声技术与多尺度微观结构指标相结合。焊接的316L样品经历了不同的疲劳循环，以达到不同的疲劳损伤程度。通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察了微观结构的变化，包括晶粒尺寸、位错密度和次生相析出。这些变化与非线性系数β（基于二次谐波）、超声衰减α和超声速度v相关联。疲劳寿命被标准化为N/Nf，从而能够对整个寿命过程进行分阶段分析。研究发现，β值随着位错密度的增加和晶粒尺寸的减小而增大，在裂纹起始位置达到峰值，随后由于微裂纹界面处的接触非线性效应占主导而减小。α值最初较低，随后随着散射和耗散的加剧而增加。v值呈单调递减趋势，反映了刚度的逐渐损失。超声参数的综合变化趋势反映了位错密度的变化以及裂纹的萌生。因此，非线性超声技术可以用于监测核电站中焊接316L部件的早期疲劳损伤。
引言
316L奥氏体不锈钢因其耐腐蚀性、机械强度和微观结构稳定性而被广泛用于核电站的压力边界部件，包括一次回路管道、阀门、小直径仪表管线和选定的容器内部构件（Faure和Leggatt，1996；Hong和Lee，2005）。在运行过程中，这些部件承受着内部压力、热瞬变和流动诱导载荷的共同作用。它们的焊接接头通常被视为压力边界中的薄弱环节。特别是在高压冷却剂流动下，管道和其他部件的持续振动会导致焊缝金属的退化。从材料角度来看，焊缝的疲劳损伤是压力容器和管道设计、评估和在役检查的关键问题。在循环载荷和热应力作用下，焊缝金属和热影响区会逐渐发生微观结构退化，如位错形成、滑移带产生、次生相析出和微裂纹萌生，这可能会加速性能下降并导致过早失效（Silva等人，2025；Li等人，2020）。
最近关于奥氏体不锈钢的研究阐明了多种尺度上的疲劳损伤机制。位错结构与碳化物和其他次生相相互作用，这种相互作用影响疲劳寿命（Wang等人，2024；Amina等人，2022）。透射电子显微镜（TEM）和电子背散射衍射（EBSD）的证据表明，微裂纹倾向于在亚结构的交点以及次生相富集区域形成（Obrtlík等人，1994）。其他研究还指出，焊缝金属和热影响区的详细变形机制控制着不同载荷路径下的局部断裂（Yang等人，2024）。然而，大多数研究仍然孤立地考虑单个微观结构参数，因此焊缝中多种因素之间的定量耦合及其与机械和声学响应的关联尚未得到充分解决。
对于微尺度损伤的无损检测和早期识别，非线性超声技术具有潜力，因为超声参数对微裂纹、位错和次生相析出非常敏感（Li等人，2017；Cantrell和Yost，2001；Dib等人，2019）。使用非线性弹性波谱学的研究表明，微裂纹会引发谐波产生，而二次谐波是早期损伤的敏感指标（Abeele等人，2000）。疲劳裂纹实验进一步验证了这种敏感性，并引入了基于非线性参数的定量损伤指标（Wang等人，2019）。跨材料的比较研究将非线性系数β与位错、亚结构和次生相联系起来，为非线性超声无损评估提供了依据（Matlack等人，2015）。在核应用中，基于振动和响应的方法利用频率响应函数来检测乏燃料容器和其他包容结构中的损伤（Aghagholizadeh等人，2023），这突显了需要可靠的早期退化指标来评估安全关键部件。由于焊缝接头是核压力边界中的薄弱点，因此制备了疲劳损伤的核级316L焊接试样，并使用非线性超声技术对其进行测量。收集超声参数以分析其与焊接接头微观结构演变的关系。
材料与试样制备
316L奥氏体不锈钢板试样符合适用的ASTM规范。为了确保代表性和可重复性，通过X射线荧光（XRF，Zetium）对其化学成分进行了量化。主要合金元素（Cr、Ni、Mo）满足316L的要求，杂质元素（Si、Mn、Co、Ti、P、S）控制在规定的范围内，如表1所示。这种成分为后续分析提供了可靠的基础。
非线性超声测试结果
图4显示了在316L试样整个疲劳寿命过程中，八个轴向位置测量的非线性系数β。在0到20,000个循环范围内，β值在焊缝和基体金属中保持较低且空间均匀，表明没有宏观的焊缝诱导缺陷（Kim等人，2025）。在20,000到75,000到80,000个循环范围内，HAZ/焊缝位置（位置3-6）的β值稳步增加，然后在最终断裂（83,000个循环）之前开始下降，而基体金属位置（位置1、2、7、8）的β值则保持不变。
讨论
通过将多尺度微观结构观察与非线性超声数据相结合，我们将疲劳寿命标准化为N/Nf，并根据β（非线性系数）、v（标准化超声速度）和α（标准化超声衰减）定义了一个基于阶段的损伤方案，如图18所示。可以区分四个阶段。第一阶段为0-0.24 N/Nf。位错增殖导致β值增加。v值略有下降，α值几乎保持不变。第二阶段为0.24-0.72 N/Nf。
结论
本研究结合了非线性超声测试和多尺度微观结构表征，跟踪了在拉伸-拉伸载荷下核级316L焊接接头的疲劳损伤过程。主要结论如下：
(1)在早期阶段，非线性系数β随疲劳循环次数的增加而显著变化。在位错密度较高和晶粒细化区域，β值增加。速度和衰减略有变化。因此，非线性系数可以用于
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
