微型杯突試驗(yàn)法在材料力學(xué)性能測(cè)試中的應(yīng)用

微型杯突試驗(yàn)法在材料力學(xué)性能測(cè)試中的應(yīng)用

在能源、能源、化工和其他行業(yè)，長(zhǎng)期以來(lái)，有許多壓力管道和壓力容器能夠長(zhǎng)期在高溫下工作。人們對(duì)這些單元的失敗形式進(jìn)行了研究，但確保高溫設(shè)備的安全運(yùn)行仍然是一個(gè)必須盡快解決的重要問(wèn)題。微型杯突試驗(yàn)就是為適應(yīng)這種需要而出現(xiàn)的一種試驗(yàn)方法,它打破了傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法和取樣方法的局限性,能夠?qū)φ谶\(yùn)行的高溫裝置進(jìn)行表面微損取樣檢測(cè)其力學(xué)性能。這種既經(jīng)濟(jì)又安全的檢測(cè)手段,為評(píng)估高溫現(xiàn)役材料的脆化程度以及評(píng)估高溫現(xiàn)役元件的剩余壽命,從而為解決核電、化工等高溫設(shè)備的安全運(yùn)行問(wèn)題提供了有力的保障。近年來(lái),微型杯突試驗(yàn)更是得到了蓬勃的發(fā)展,在測(cè)定各種材料的強(qiáng)度、塑性、韌-脆轉(zhuǎn)折溫度、斷裂韌度、蠕變及持久強(qiáng)度等方面都取得了成功。鑒于微型杯突試驗(yàn)的上述優(yōu)勢(shì),筆者介紹了微型杯突試驗(yàn)的方法及其在研究材料力學(xué)性能方面的應(yīng)用,并建議將該試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)化,以利于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和信息的共享。1小穿口試驗(yàn)名稱非小穿試驗(yàn)微型杯突試驗(yàn)(國(guó)外稱小穿孔試驗(yàn)SmallPunchTest,簡(jiǎn)稱SPT)最早起源于20世紀(jì)80年代初期,它是對(duì)薄鋼板杯突試驗(yàn)的一種發(fā)展,其原理和試驗(yàn)方法與薄鋼板杯突工藝試驗(yàn)頗為相近,都是用一定鋼球或球狀沖頭向夾緊于規(guī)定壓模內(nèi)的薄試樣施加壓力,使薄試樣彎曲變形,形成杯突、環(huán)狀頸縮并產(chǎn)生破裂。不同的是杯突工藝試驗(yàn)是用來(lái)測(cè)定薄鋼板或鋼帶的冷沖壓成型工藝性,而微型杯突試驗(yàn)則是用來(lái)檢測(cè)材料的力學(xué)性能,即強(qiáng)度、塑性、韌-脆轉(zhuǎn)折溫度、斷裂韌度和蠕變及持久強(qiáng)度等,因此微型杯突試驗(yàn)必須記錄試驗(yàn)過(guò)程中試樣的載荷-變形的數(shù)據(jù)和曲線。小穿孔試驗(yàn)名稱不能反映試樣變形過(guò)程和結(jié)果的基本要素,因此筆者稱其為微型杯突試驗(yàn)而棄用小穿孔試驗(yàn)的名稱。微型杯突試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置如圖1所示。其裝置的關(guān)鍵部分是微型薄片試樣周?chē)粔哼厞A緊而中心加載。試樣的夾具是由凹模、凸模、定位裝置以及夾緊裝置等組成。凹模的內(nèi)徑d2大于凸模的內(nèi)徑d1和兩倍試樣的原始厚度t0之和,因而試樣變形時(shí)不會(huì)受到來(lái)自凹模內(nèi)壁的摩擦力。試驗(yàn)所用的微型試樣一般有圓片形和方片形兩種,其直徑或者邊長(zhǎng)在3~10mm之間,厚度在0.25~0.5mm之間。在試驗(yàn)機(jī)上通過(guò)小壓桿以一定的速度給試樣加載直至試樣彎曲變形成杯突并破裂,記錄試樣從彎曲變形、形成杯突、環(huán)狀頸縮直至破裂的整個(gè)過(guò)程的載荷-中心位移(撓度)數(shù)據(jù)和曲線(如圖2),再依據(jù)該數(shù)據(jù)和曲線的分析與計(jì)算來(lái)確定所測(cè)材料的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)。2用小試樣來(lái)測(cè)材料的塑性微型杯突試驗(yàn)最早起源于美國(guó),它是1981年美國(guó)HANDFORD工程發(fā)展實(shí)驗(yàn)室的F.H.HUANG等人在研究核反應(yīng)堆壓力容器用鋼經(jīng)中子輻照后材料塑性的變化時(shí),由于傳統(tǒng)試樣的尺寸大,且不能真正反應(yīng)材料沿厚度方向延性的變化,同時(shí)采用傳統(tǒng)試樣來(lái)進(jìn)行模擬輻照的時(shí)間長(zhǎng),試驗(yàn)費(fèi)用高,因而想到了采用?3mm×0.25mm的圓片透射電鏡試樣來(lái)測(cè)試經(jīng)中子輻照后核電材料的塑性。通過(guò)減小試樣的體積,一方面可以極大地降低試驗(yàn)及輻照費(fèi)用,另一方面由于核反應(yīng)堆壓力容器經(jīng)中子輻照后沿厚度方向其塑性有一定的梯度,因而用小試樣更能夠準(zhǔn)確地測(cè)出材料的塑性變化。令人驚喜的是,F.H.HUANG等人采用?3mm×0.25mm的圓片透射電鏡試樣所測(cè)試的經(jīng)中子輻照后核電材料的塑性與用傳統(tǒng)的力學(xué)性能測(cè)試方法的結(jié)果相一致。由于微型杯突試驗(yàn)獨(dú)特的微損取樣檢測(cè)的優(yōu)勢(shì),它一出現(xiàn)就引起了人們很大的興趣,這種試驗(yàn)方法很快在日本展開(kāi)并得到發(fā)展。到20世紀(jì)末,歐洲各國(guó)聯(lián)合成立了專(zhuān)門(mén)的機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行這方面的研究。韓國(guó)和澳大利亞等國(guó)學(xué)者也陸續(xù)展開(kāi)研究工作,并且取得了很大的進(jìn)展。到目前為止,國(guó)內(nèi)的一些院校和科研機(jī)構(gòu)也開(kāi)始著手研究用微型杯突試驗(yàn)來(lái)測(cè)試材料的力學(xué)性能,雖然有的試驗(yàn)是在國(guó)外完成的,但這也是可喜的,相信我國(guó)會(huì)有更多的科研人員來(lái)從事這一方面的研究。目前,微型杯突試驗(yàn)的研究在國(guó)外已經(jīng)取得了大量成果。它不僅可以用來(lái)測(cè)試金屬材料的剪切模量、強(qiáng)度、塑性、韌-脆轉(zhuǎn)折溫度和斷裂韌度,而且也可以用來(lái)測(cè)試金屬材料的持久強(qiáng)度和蠕變特性。最近的研究表明,該法除了用來(lái)測(cè)試金屬材料的力學(xué)性能外,在陶瓷和高分子等非金屬材料、復(fù)合材料和生物材料的力學(xué)性能方面的測(cè)試研究有了顯著的進(jìn)展。盡管材料不同,但通過(guò)對(duì)微型杯突試驗(yàn)所得到的載荷-變形數(shù)據(jù)和曲線的研究,都可以得到其強(qiáng)度和塑性等信息。其處理方法是,將微型杯突試驗(yàn)所得到的載荷-變形數(shù)據(jù)和曲線與常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn)所得到的載荷-變形數(shù)據(jù)和曲線進(jìn)行比較研究,找出它們之間的相互關(guān)聯(lián),并予以定量化。下面所介紹的國(guó)外用微型杯突試驗(yàn)測(cè)定材料的力學(xué)性能都是基于這個(gè)思路。2.1試驗(yàn)理論和分析方法這方面的工作以美國(guó)的Manahan和日本的Okada為代表,他們證實(shí),用微型圓片試樣能夠得到與傳統(tǒng)拉伸試驗(yàn)相一致的強(qiáng)度和塑性信息。Manahan是將金屬塑性成形理論的有限元法用于微型圓片試樣的受力分析,經(jīng)過(guò)復(fù)雜的有限元計(jì)算,從試驗(yàn)的載荷-變形曲線中獲得了材料從彈性變形直至產(chǎn)生裂紋而破裂的整個(gè)過(guò)程的應(yīng)力-應(yīng)變和塑性的信息。F.H.HUANG的分析方法有所不同,它是采用圓片彎曲理論,將試驗(yàn)的載荷-變形曲線轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力-應(yīng)變信息,同時(shí)將圓片破裂時(shí)的撓度與傳統(tǒng)拉伸試驗(yàn)的伸長(zhǎng)率聯(lián)系起來(lái),從而實(shí)現(xiàn)了用微型圓片試樣來(lái)測(cè)試材料的塑性。Okada對(duì)兩類(lèi)塑性不同的材料進(jìn)行了試驗(yàn),并將記錄的載荷-中心位移曲線劃分為幾個(gè)階段,即彈性彎曲、塑性彎曲、薄膜伸張和開(kāi)裂破斷。這與傳統(tǒng)的拉伸試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線有著驚人的相似。通過(guò)比較這兩種曲線,他找出了微型杯突試驗(yàn)和傳統(tǒng)拉伸試驗(yàn)所得的強(qiáng)度、塑性等力學(xué)性能之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,從而證實(shí)了采用微型杯突試驗(yàn)測(cè)試材料的強(qiáng)度和塑性是可行的。2.2fatt的研究在Manahan等人成功地找出微型杯突試驗(yàn)和傳統(tǒng)拉伸試驗(yàn)在強(qiáng)塑性能方面的關(guān)聯(lián)性之后,國(guó)外研究者為了既有效又經(jīng)濟(jì)地檢測(cè)核工業(yè)領(lǐng)域的設(shè)備元件長(zhǎng)期高溫服役后的脆化狀況,開(kāi)始將主要精力集中到用該試驗(yàn)法來(lái)測(cè)定材料的韌-脆轉(zhuǎn)折溫度(Theductile-brittletransitiontemperature,簡(jiǎn)稱DBTT及Thefractureappearancetransitiontemperature,簡(jiǎn)稱FATT)的研究上。這項(xiàng)工作開(kāi)展得較早,所做的工作也很多,其中以J.M.Baik,J.Foulds,J.H.Bulloch,J.Kameda和T.Matsushia等人的研究為代表。盡管他們的研究手段有異,但他們的研究思路基本上是一致的。其步驟:首先,在不同溫度下測(cè)得材料的載荷-撓度曲線,然后通過(guò)計(jì)算該曲線下的面積,將載荷-撓度曲線轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟?SPT能量曲線,據(jù)此確定微型杯突試驗(yàn)條件下的材料韌-脆轉(zhuǎn)折溫度TSPT。并將此結(jié)果與相同材料用標(biāo)準(zhǔn)夏比沖擊試驗(yàn)所得的溫度-SCT能量曲線及所得的韌-脆轉(zhuǎn)折溫度TSCT進(jìn)行比較,從而得出相關(guān)聯(lián)的結(jié)論(圖3)。有關(guān)這方面的研究結(jié)果可以歸納如下:(a)用微型杯突試驗(yàn)法來(lái)確定材料的韌-脆轉(zhuǎn)折溫度是有效的和肯定的。(b)由微型杯突試驗(yàn)法得出的韌-脆轉(zhuǎn)折溫度TSPT和常規(guī)的沖擊試驗(yàn)測(cè)得的韌-脆轉(zhuǎn)折溫度TSCT之間存在定量換算關(guān)系TSCT=a+b?TSPTΤSCΤ=a+b?ΤSΡΤJ.H.Bulloch通過(guò)試驗(yàn)認(rèn)為,關(guān)系式FATT=c·T-2SPT能更好地反應(yīng)兩者之間的關(guān)系。(c)由微型杯突試驗(yàn)測(cè)得的材料的韌-脆轉(zhuǎn)折溫度TSPT要低于由標(biāo)準(zhǔn)夏比沖擊試驗(yàn)所得的韌-脆轉(zhuǎn)折溫度TSCT。2.3等效斷裂應(yīng)變?cè)谡页鑫⑿捅辉囼?yàn)與傳統(tǒng)的拉伸和沖擊試驗(yàn)的關(guān)聯(lián)性之后,國(guó)外的研究人員就把眼光轉(zhuǎn)移到更能反映材料綜合性能的斷裂韌度的研究上。用微型杯突試驗(yàn)對(duì)材料斷裂韌度的研究起源于核工業(yè)的需要,美國(guó)、日本、歐洲、韓國(guó)和澳大利亞等都在這方面作了大量研究;研究領(lǐng)域也已從金屬材料拓展到非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料以及生物材料。這方面研究工作的主要學(xué)者以J.R.Foulds,X.Mao和J.H.Bulloch等為代表。盡管研究的時(shí)間不長(zhǎng),其成果卻是很令人滿意的。X.Mao將金屬材料分為韌性和脆性兩類(lèi),并根據(jù)這兩類(lèi)材料不同的斷裂機(jī)理首次提出了等效斷裂應(yīng)變?chǔ)臦F和等效斷裂應(yīng)力σF(SP)的概念。他采用有限元分析法進(jìn)行微型杯突試驗(yàn)中微型薄片試樣塑性應(yīng)變的分析,利用光學(xué)顯微鏡測(cè)量試樣的厚度,并通過(guò)關(guān)系式εQF=ln(t0/t)求得微型試樣最薄位置的等效應(yīng)變。式中t和t0分別為試樣變形破裂后最薄位置的截面厚度和試樣變形前的原始厚度。他認(rèn)為,韌性材料的微型杯突試驗(yàn)有兩個(gè)明顯的特征——局部頸縮和裂紋萌生。據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察,微型試樣試驗(yàn)中載荷的釋放來(lái)自兩個(gè)方面,一是位于沖頭附近的試樣最薄處,試樣在此發(fā)生了局部和全面的頸縮,逐漸地?fù)p耗了載荷的能量;二是隨后沿圓周(切向)方向裂紋的擴(kuò)展和沿厚度方向發(fā)生最后的斷裂。隨著裂紋的擴(kuò)展,試樣快速損耗載荷的能量。因此他得出,在雙向應(yīng)力狀態(tài)下微型試樣的失效是由等效斷裂應(yīng)變?chǔ)臦F控制的。而脆性材料微型試樣的失效方式與韌性材料不同,是由等效斷裂應(yīng)力σF(SP)控制的。在上面的理論分析和試驗(yàn)觀察的基礎(chǔ)上,他進(jìn)一步研究了測(cè)量或估算等效斷裂應(yīng)變?chǔ)臦F和等效斷裂應(yīng)力σF(SP)的方法,并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分別找出了等效斷裂應(yīng)變?chǔ)臦F與韌性材料的斷裂韌度JIC以及等效斷裂應(yīng)力σF(SP)和脆性材料的斷裂韌度KIC之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式JIC=k?εQF?J0KIC=c?σ2/3F(SP)JΙC=k?εQF-J0ΚΙC=c?σF(SΡ)2/3式中J0,k和c為試驗(yàn)確定的常數(shù),從而解決了由微型杯突試驗(yàn)來(lái)測(cè)試材料斷裂韌度的問(wèn)題。J.R.Foulds和J.H.Bulloch的研究與X.Mao有所不同,他們采用了更為復(fù)雜的方法來(lái)測(cè)試材料的斷裂韌度,但實(shí)驗(yàn)操作較為困難,在此不再贅述。2.4未來(lái)生產(chǎn)生活方式的剩余壽命電力、石化等行業(yè)的承壓和受熱構(gòu)件的壽命預(yù)測(cè)和現(xiàn)役構(gòu)件的剩余壽命評(píng)估,是最近國(guó)外學(xué)者采用微型杯突試驗(yàn)進(jìn)行研究的一個(gè)重大課題,這項(xiàng)工作已經(jīng)在美國(guó)、日本、歐洲、韓國(guó)、澳大利亞等國(guó)展開(kāi)[12,16,22,23,24,26]。在這之前,人們也采用過(guò)一些無(wú)損和微損方法評(píng)估現(xiàn)役構(gòu)件材料的剩余壽命,這些方法如金相組織變化法、硬度變化法、材料密度變化法、超聲波法和X射線衍射法等,但這些方法沒(méi)有一種能與微型杯突試驗(yàn)相比,這是因?yàn)槲⑿捅辉囼?yàn)?zāi)軠y(cè)出材料的持久強(qiáng)度和蠕變性能及其服役過(guò)程中的變化。令人矚目的是,意大利、波蘭和德國(guó)的科學(xué)家在各自的實(shí)驗(yàn)室采用微型杯突試驗(yàn)對(duì)14MoV63和X20CrMoV121鋼制熱電鍋爐受熱管道分別進(jìn)行了剩余壽命的預(yù)測(cè),并與常規(guī)的蠕變性能測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了比較,均得出了相同的結(jié)論。目前,微型杯突試驗(yàn)除了用于現(xiàn)役金屬材料的壽命預(yù)測(cè)和剩余壽命評(píng)估,也已經(jīng)用于復(fù)合材料、陶瓷材料以及人體生物材料的壽命預(yù)測(cè)和剩余壽命評(píng)估。3第二,關(guān)于用證試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)微型杯突試驗(yàn)雖然最初由美國(guó)用于核電材料輻照脆化的研究,但隨即在電力、化工等多個(gè)領(lǐng)域和許多國(guó)家展開(kāi)研究和應(yīng)用絕非偶然,這是因?yàn)?(1)微型杯突試驗(yàn)采用微型試樣,加上微損傷取樣設(shè)備的出現(xiàn)(見(jiàn)圖4),可以做到盡可能少的取樣而不影響現(xiàn)役設(shè)備的正常運(yùn)行,真正做到了微損檢測(cè)。(2)微型杯突試驗(yàn)和傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法一樣,能夠綜合地反映出材料的力學(xué)性能。(3)微型杯突試驗(yàn)既可以用來(lái)評(píng)價(jià)材料的強(qiáng)度、塑性、韌-脆轉(zhuǎn)折溫度、斷裂韌度和蠕變性能及持久強(qiáng)度,還可以測(cè)試評(píng)價(jià)現(xiàn)役構(gòu)件材料的各種內(nèi)在損傷和材質(zhì)劣化,特別是對(duì)于高溫耐熱材料,既可以反映蠕變損傷,又可以模擬環(huán)境影響(如臨氫、增碳等)所導(dǎo)致的材質(zhì)惡化。(4)微型杯突試驗(yàn)采用微型試樣,尤其適用于無(wú)法取出傳統(tǒng)試樣或者取樣不經(jīng)濟(jì)的場(chǎng)合。它能夠準(zhǔn)確地測(cè)試構(gòu)件最薄弱位置(如焊縫和熱影響區(qū)等)材質(zhì)狀況的變化,為服役設(shè)備的安全運(yùn)行提供依據(jù)。微型杯突試驗(yàn)自20世紀(jì)80年代起至今已有二十多年的研究和應(yīng)用經(jīng)歷,由當(dāng)時(shí)對(duì)受輻照材料的性能評(píng)定,到如今對(duì)各種材料的強(qiáng)度、塑性、韌-脆轉(zhuǎn)折溫度和斷裂韌度的測(cè)試,以及蠕變性能和剩余壽命的評(píng)估;所研究的材料由原來(lái)的核電材料發(fā)展到各種金屬和合金、復(fù)合材料、高分子材料和陶瓷材料以及生物材料;所研究的領(lǐng)域從核工業(yè)到電力、化工。顯然,微型杯突試驗(yàn)法有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景。然而,這項(xiàng)技術(shù)還正處于發(fā)展階段,還有許多問(wèn)題需要進(jìn)一步研究,尤其在我國(guó)這項(xiàng)技術(shù)才剛剛起步,所要做的工作更多。特別值得注意的是,許多研究者所用的試驗(yàn)裝置各不相同,試驗(yàn)條件各異,這就給實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和信息的共享,以及實(shí)際的工程應(yīng)用造成障礙。因此筆者建議,在吸取國(guó)外研究成果的基礎(chǔ)上,建立我國(guó)的微型杯突試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),最需要統(tǒng)一的是試樣尺寸、壓頭尺寸、?？壮叽纭哼叧叽绾蛪哼吜?以及試驗(yàn)機(jī)的載荷和變形量的測(cè)量精度。筆者在這里提出兩個(gè)微型杯突試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方案供討論。方案一:試樣尺寸?6.4±0.05mm,厚度為0.26±0.01mm,壓頭為GCr15鋼制HRC≥55的?1.6~0.02mm鋼球(鋼球的圓度高于球頭壓桿,易于更換,無(wú)磨損),凹模試樣坑直徑?6.5+0.05mm,d2=?2.6+0.05mm,凹模內(nèi)上緣倒圓半徑r=0.65±0.05mm,凸模壓樣頭外徑?6.4±0.05mm,d1=?1.7±0.05mm,試樣壓邊圓環(huán)寬1.25mm,壓邊面積S=20.2mm2,單位壓邊力f=3σbMPa(σb為被測(cè)材料的抗拉強(qiáng)度),總壓邊力F=f·S±0.1kN(由于試樣和