小沖孔試驗技術(shù)在材料力學(xué)性能測試中的應(yīng)用

小沖孔試驗技術(shù)在材料力學(xué)性能測試中的應(yīng)用

小沖孔試驗技術(shù)（spt）是一種應(yīng)用微型樣本進(jìn)行試驗和獲得材料強度的新方法。沖桿以一定的速度（負(fù)荷）壓平樣品的橫截面，并記錄從變形到破壞整個過程中的載荷位移（變形）數(shù)據(jù)，以便分析各種材料的測試方法。小沖孔試驗技術(shù)具有兩個優(yōu)點：第一，樣品尺寸小，因此可以直接從服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)備組成部分中取樣，這幾乎不會損害組件的完整性。這是一種有效的安全檢測手段。許多貴重金屬材料因為其優(yōu)越的材料性能被廣泛應(yīng)用,如果通過傳統(tǒng)的試驗方法來獲得材料性能勢必因為材料價格昂貴造成經(jīng)濟(jì)浪費,如Zr材、Ti材等;另外,設(shè)備的某些關(guān)鍵薄弱部位,如焊縫及其熱影響區(qū)等,需要定期對其力學(xué)性能和壽命進(jìn)行評價,這些部位由于自身尺寸限制無法滿足常規(guī)試驗方法試樣的所需尺寸,因此,必須采用微小型試樣才能獲得其力學(xué)性能;再者,有些設(shè)備的工作環(huán)境比較特殊,針對傳統(tǒng)試樣模擬實際工作環(huán)境因為其體積大造成費用很高,很不經(jīng)濟(jì),如輻照等.因此,小沖孔試驗技術(shù)的出現(xiàn)無疑為解決以上問題提供了極大的方便.經(jīng)過近30a的發(fā)展,小沖孔試驗與傳統(tǒng)試驗(單軸拉伸試驗、平面應(yīng)變斷裂韌度KIC試驗方法、利用JR阻力曲線確定金屬材料延性斷裂韌度JIC的試驗方法、金屬夏比沖擊試驗等)的關(guān)聯(lián)性研究已經(jīng)日趨成熟,在測試材料的屈服極限、強度極限、韌脆轉(zhuǎn)變溫度、斷裂韌性及蠕變特性等方面已經(jīng)取得了很多成果.本文回顧了小沖孔試驗在測試材料的屈服極限、強度極限、韌脆轉(zhuǎn)變溫度及斷裂韌性等方面取得的成果;根據(jù)獲得的試驗數(shù)據(jù)和理論模型,研究小沖孔試驗與傳統(tǒng)試驗方法之間存在的關(guān)聯(lián)性;同時,分析小沖孔試驗技術(shù)在材料力學(xué)性能測試和高溫構(gòu)件壽命預(yù)測等方面的應(yīng)用前景.1小沖孔試驗與傳統(tǒng)試驗的關(guān)系1.1小沖孔試驗結(jié)果不同研究者因為科研需要而開發(fā)小沖孔試驗裝置不盡相同,但試驗原理和研究結(jié)果都具有一致性.經(jīng)過近20a的發(fā)展,小沖孔試驗技術(shù)已經(jīng)可以成功獲取材料的各種基本力學(xué)性能.Manahan等建立了一種帶摩擦邊界條件并引入材料非線性、幾何非線性以及邊界非線性的有限元模型,分析試樣受力后所呈現(xiàn)出來的不均勻的二向應(yīng)力場,成功地從載荷-試樣中心撓度曲線中獲取了試樣從彈性變形直至失效這一整個過程中的應(yīng)力應(yīng)變行為和材料的延性信息.Okada等用2類韌性不同的材料進(jìn)行小沖孔試驗,并將記錄到的典型載荷-位移曲線分為幾個區(qū)域,分別對應(yīng)試驗過程中試樣的幾個變形階段:彈性彎曲、塑性彎曲、薄膜伸張和開裂破裂;另一方面,他通過假設(shè)得到應(yīng)力與載荷的關(guān)系,再將二維狀態(tài)下的應(yīng)力與試樣單軸拉伸應(yīng)力等價從而得到材料小試樣最大載荷與抗拉強度、屈服載荷與屈服強度、位移與拉伸應(yīng)變之間的相互對應(yīng)關(guān)系.Mao等對規(guī)格為?3mm×0.25mm的HT260、PCA、HT29、SUS304、A533B等5種材料以及規(guī)格為10mm×10mm×(0.3～0.5)mm的HT260、A508、HT29、SUS304、A533B等5種材料進(jìn)行了小沖孔試驗,在Okada的基礎(chǔ)上考慮了試樣初始厚度的影響,獲得了σs-ps和σb-pmax之間的經(jīng)驗關(guān)系.σs=0.36pst20(1)σb=0.13pmaxt20?320(2)σs=0.36pst02(1)σb=0.13pmaxt02-320(2)式中:σs、σb分別為材料的屈服強度和抗拉強度;ps、pmax為屈服強度和抗拉強度所對應(yīng)的載荷;t0為試樣的初始厚度.Ruan等針對尺寸為?3mm×0.25mm的EUROFER97試樣在液N2溫度到室溫范圍內(nèi)(80～293K)進(jìn)行小沖孔試驗,獲得了屈服應(yīng)力σ0.2(MPa)和最大拉伸應(yīng)力σUTS(MPa)與屈服載荷Py(kN)、最大載荷Pmax(kN)和試樣初始厚度t0(mm)之間的關(guān)系.不同研究者對于韌脆轉(zhuǎn)變溫度的研究思路基本一致:首先采用小沖孔試驗得到不同溫度下試樣的載荷-試樣中心撓度曲線,然后對曲線積分,并定義為小沖孔總變形能,即將載荷-撓度曲線轉(zhuǎn)化為溫度-能量曲線,同時引入同樣材料的溫度-金屬夏比缺口(CharpyV-notch,CVN)沖擊功曲線,通過比較分析最后得出小沖孔轉(zhuǎn)變溫度TSP與夏比韌脆轉(zhuǎn)變溫度TCVN之間的關(guān)系.Matsushia等根據(jù)Cr0.5Mo、Cr2Mo和Cr2Mo2V鋼的試驗數(shù)據(jù),利用多元回歸分析法評定了TCVN與試樣的TSPT、化學(xué)成分、晶粒尺寸d、硬度和貝氏體與珠光體百分比之間的關(guān)系,最后發(fā)現(xiàn)TSP和晶粒尺寸d對TCVN的影響最為顯著并歸納出三者之間的關(guān)系.1.3延性斷裂韌度與qf斷裂參量的關(guān)系Mao等將材料分為延性和脆性2種,針對延性材料提出SPT試樣有效斷裂應(yīng)變εqf的概念并將此視為斷裂參量.研究了3種可以得到εqf的方法并且通過試驗證明了SPT試驗得到的有效斷裂應(yīng)變εqf與延性斷裂韌度JIC之間存在線性關(guān)系.Afzal等認(rèn)為小沖孔試樣斷裂時的小沖孔總能量WT等于彈性能量We、塑性能量Wp與斷裂能量W之和的這一關(guān)系.2基于小沖孔蠕變試驗的高溫組件的壽命預(yù)測2.1u3000e最佳測試參數(shù)的確定對經(jīng)過高溫時效處理后的INCONEL718合金進(jìn)行拉伸試驗、斷裂韌性實驗和小沖孔試驗,并且對上述試驗獲得的結(jié)果進(jìn)行分析,建立了INCONEL718合金的屈服應(yīng)力σy、最大拉伸應(yīng)力σult和斷裂韌性JIC與小沖孔試驗數(shù)據(jù)(屈服載荷py,最大拉伸載荷pult,斷裂應(yīng)變εf,試樣初始厚度t0)之間的關(guān)系.σy=340pyt20+10(12)σult=40pultt20+1030(13)JIC=278.5εf?2.7(14)σy=340pyt02+10(12)σult=40pultt02+1030(13)JΙC=278.5εf-2.7(14)可以通過以上關(guān)系方便、有效地評價INCONEL718合金時效處理后性能的劣化,同時,為利用小沖孔試驗對在役高溫構(gòu)件進(jìn)行壽命預(yù)測提供了方向.筆者曾開發(fā)了一套高精度的小沖孔蠕變試驗(SmallPunchCreep(SPC)Test)系統(tǒng),包括加熱及溫控系統(tǒng)部分、加載及測試系統(tǒng)部分、Ar保護(hù)部分等.對SUS304不銹鋼在650℃和675℃2個溫度水平,載荷從443N到513N進(jìn)行了不同條件的若干小沖孔蠕變試驗,積累了包括試樣中心撓度與時間以及試驗載荷與試樣斷裂時間等基礎(chǔ)數(shù)據(jù).獲得的蠕變試驗曲線與傳統(tǒng)的單軸拉伸蠕變試驗曲線非常類似,也具有蠕變變形3個階段,直接證明了小沖孔蠕變試驗技術(shù)在材料蠕變性能研究方面的可行性.文獻(xiàn)介紹了應(yīng)用小沖孔蠕變試驗數(shù)據(jù)和有限元數(shù)據(jù)回歸獲得SUS304材料在一定溫度下的諾頓方程參數(shù),成功通過小沖孔蠕變試驗估算材料蠕變性能,同時建立了試樣中心撓度與應(yīng)變、載荷與應(yīng)力之間的關(guān)系.2.2小沖孔氧變試驗應(yīng)力應(yīng)變的理論分析文獻(xiàn)詳細(xì)介紹了如何僅利用小沖孔蠕變試驗數(shù)據(jù)對在役高溫構(gòu)件進(jìn)行壽命預(yù)測.以小沖孔蠕變試驗和單軸蠕變試驗結(jié)果擬合的Larson-Miller參數(shù)為基礎(chǔ),建立小沖孔蠕變試驗載荷F與單軸蠕變試驗應(yīng)力σ之間的關(guān)系蠕變應(yīng)變可由諾頓方程確定同時,引入初始蠕變損傷因子D0,滿足關(guān)系式基于等效損傷理論,新材料等效應(yīng)力和通過小沖孔蠕變試驗的在役材料等效應(yīng)力σ滿足關(guān)系3小沖孔試驗技術(shù)小沖孔試驗技術(shù)是在20世紀(jì)80年代初,由于核工業(yè)領(lǐng)域材料研究的需要,由Ames實驗室提出的,當(dāng)時他們成功地利用該技術(shù)檢查了材料回火和輻射脆性、輻射后固溶引起的邊界弱化以及晶界的變形和斷裂性能.在進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后才逐漸地擴展深入到電廠和石油化工領(lǐng)域.被測定材料從金屬擴展到無機材料、復(fù)合材料和涂層材料等多個材料領(lǐng)域,試樣的選材包括完整材料、輻射損傷材料、預(yù)制裂紋缺口試樣、甚至焊縫接頭等.隨著化工、核電等行業(yè)設(shè)備的老化,在役高溫構(gòu)件的剩余壽命預(yù)測問題將顯得越來越重要.目前,鑒于試樣尺寸微小而兼具傳統(tǒng)無損檢測和取樣檢測兩者的優(yōu)點,小沖孔試驗技術(shù)作為一種既有效又經(jīng)濟(jì)的安全檢測手段將越來越廣泛地被應(yīng)用于獲取材料性能以及評價材料使用壽命.小沖孔試驗是一種微試樣試驗技術(shù),在試驗中的微小差異都有可能會對試驗結(jié)果造成較大的影響.不同研究者因為科研需要而開發(fā)的試驗裝置各不相同,試驗條件各異,必然引起試樣形狀、尺寸等方面參數(shù)的不同,從而容易導(dǎo)致各自的研究結(jié)果存在分歧,不利于研究者對實驗數(shù)據(jù)和信息的共享與交流,更不利于該試驗方法形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),勢必會對小沖孔試驗方法從理論研究真正走向工程應(yīng)用造成一定的障礙.因此,為便于數(shù)據(jù)的共享與交流以及推動小沖孔試驗在工程實際中的應(yīng)用,建立我國的小沖孔試驗標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范就顯得十分必要.4試驗與檢測方法1)小沖孔試驗與傳統(tǒng)試驗(單軸拉伸試驗、平面應(yīng)變斷裂韌度KIC試驗方法、利用JR阻力曲線確定金屬材料延性斷裂韌度JIC的試驗方法、金屬夏比沖擊試驗等)之間具有關(guān)聯(lián)性.隨著小沖孔試驗技術(shù)研究的不斷深入發(fā)展,小沖孔試驗技術(shù)必將成為行業(yè)試驗標(biāo)準(zhǔn),部分地取代傳統(tǒng)試驗方法,成為獲得材料力學(xué)性能及進(jìn)行在役高溫構(gòu)件壽命預(yù)測的重要手段.2)小沖孔高溫蠕變試驗所獲得的試樣中心蠕變撓度曲線有明顯的減速、恒速和加速三個階段,與常規(guī)單軸拉伸蠕變試驗的應(yīng)變曲線完全類似,證明了小沖孔蠕變技術(shù)在研究蠕變性能方面的可行性.3)小沖孔試驗兼具傳統(tǒng)無損檢測和取樣檢測兩者的優(yōu)點,是一種既有效又經(jīng)濟(jì)的安全檢測手段.1.2小沖孔斷裂劑與材料的關(guān)系以Foulds等為代表的大部分研究者認(rèn)為TCVN與TSPT呈線性關(guān)系.但是Bulloch等綜合前人得出的一系列關(guān)于脆性轉(zhuǎn)變溫度(FractureAppearanceTransitionTemperature)TFATT和TSPT的數(shù)據(jù),證明了另一種比線性關(guān)系更合理的非線性關(guān)系.因為小沖孔試樣受力情況高度非線性以及CVN沖擊試驗本身不完善性等因素的存在,使得兩者的比較分析在很大程度上依賴于試驗結(jié)果,即所得到的關(guān)系式為經(jīng)驗式而非解析式.但是由于能量方法簡單而且物理意義明確,通過小沖孔試驗分析材料的沖擊性能已被公認(rèn)為最適于分析小沖孔沖擊性能的方法.Mao等進(jìn)一步針對脆性材料提出了小沖孔斷裂應(yīng)力σf(SPT)的概念并給出斷裂韌度KIC與σf(SPT)之間的非線性經(jīng)驗關(guān)系式.Bulloch引入了小試樣斷裂形貌特征參數(shù),提出了JIC與流變應(yīng)力σ0、空洞間距E*f和臨界斷裂應(yīng)變l*0之間的關(guān)系.同時,Bulloch還對前人的研究數(shù)據(jù)作了大量的分析,開創(chuàng)性地把小沖孔能量ESP和斷裂韌度JIC進(jìn)行了關(guān)聯(lián),同時介紹了3種求解小沖孔能量的途徑,為材料斷裂韌度的求解提供了