（材料学专业论文）小型冲压蠕变试验方法研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 摘要 小型冲压蠕变试验技术是一种采用微小试样评价材料的高温蠕变性能的新 方法，该方法具有几乎无损取样的优势，菲常适用于无法取出传统试样或取样 不经济的场合，将是未来对服役材料进行失效预测与寿命评估的重要方法，在 核工业、航空航天、电力、石油化工等领域中具有广阔的应用前景。 本文针对小型冲压蠕变试验技术目前存在的问题展开了基础理论、数值模 拟和试验应用三方面的研究，主要工作和结论如下： 在理论研究方面，本文首先采用薄板弯曲蠕变模型，推导了试样中心挠度 率与外载荷的关系式，建立了材料蠕变应力指数的计算公式和评价方法；然后 采用薄膜拉伸模型，依据几何关系推导了试样中心挠度与等效应变、载荷与等 效应力的关系，建立了小型冲压蠕变试验与传统单轴拉伸蠕变实验结果之间的 关联性。 在数值模拟研究方面，本文首先建立了小型冲压蠕变试验的有限元模型并 通过与实验结果的比较验证了模型的正确性；然后基于数值模拟得到的试样中 心挠度率，结合外载荷计算得到了1 2 c r l m o v 钢和含c r 9 的钨合金钢的蠕变 应力指数，通过与输入参数的比较验证了材料蠕变应力指数理论公式的有效性； 进一步通过对试样变形、应力和应交状态的分析，讨论了小型冲压蠕变试验有 效的机理；最后，研究了冲压球与试样间的摩擦系数、试样厚度、冲压球直径 和下模孔直径等因素对试样中心挠度、等效蠕变应变、等效应力、最小挠度率 以及断裂时间的影响。分析结果表明，摩擦对试验结果的影响较小，可忽略不 计，而试样厚度、冲压球直径和下模孔直径的改变对试验结果的影响都很大， 因此，在进行小型冲压蠕变试验时应确保试样和模具几何尺寸的加工精度。 在试验应用研究方面，本文首先对s u s 3 0 4 不锈钢在6 0 0 温度下进行了系 列小型冲压蠕变试验，获得了试样中心挠度一时间曲线，该曲线与传统单轴蠕 变实验的蠕交曲线非常相似。利用本文建立的蠕变应力指数理论公式和实验结 果，得到$ u s 3 0 4 材料的蠕变应力指数n = 8 0 5 8 ，与单轴拉伸蠕变实验得到的n 值( 8 2 9 r 7 ) 基本一致，相对误差为2 9 。这一实验结果表明：采用小型冲压蠕 变试验方法和本文建立的理论公式，可以获得与传统单轴实验有良好一致性的 蠕变应力指数。本文进一步将小型冲压蠕变试验进行推广，首次对陶瓷材料( 多 孔s i 3 n 4 陶瓷) 和陶瓷金属复合材料( s i 3 n 4 小i ) 进行了小型冲压蠕变试验，发 现多孔s i 3 n 4 陶瓷和s i 3 n 4 n i 复合材料在一定的温度下都有非常明显的蠕变现 武汉理工大学博士学位论文 象，与金属材料的挠度曲线不同，多孔s i 3 n 4 陶瓷和s i 3 n 州i 复合材料试样中 心挠度曲线的第一、第二阶段分界并不明显。利用本文建立的理论公式，多孔 s i 3 n 4 陶瓷和s i 3 n 4 n i 复合材料的蠕变应力指数分别为5 1 9 和2 1 。 本文通过理论研究建立了材料蠕变应力指数的计算公式以及小型冲压蠕变 试验与传统单轴拉伸蠕变实验数据之间的关联性，奠定了小型冲压蠕变试验的 理论基础。通过数值模拟研究验证了理论公式的有效性，并讨论了小型冲压蠕 变试验有效的机理及各影响因素对实验结果的影响。在实验研究中应用本文建 立的理论公式获得了金属材料、陶瓷材料和金属陶瓷复合材料的蠕变应力指 数。本文的研究成果表明，采用小型冲压蠕变试验法测试材料的蠕变性能参数 是一种有效、方便和可靠的方法。 关键词：小型冲压蠕变试验，蠕变应力指数，有限元，数值模拟 u 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c r s m a l lp u n c hc r c e p ( s p c ) t e s t i n gt e c h n i q u ei san e wt e c l m i q u ew h i c hi sa p p l i e d t oe v a l u a t et h eh i g ht e m p e r a t u r ec r e e pp r o p e r t i e so fm a t e r i a l sb yu s i n gm i n i a t u r e s p e c i m e n i th a sa d v a n t a g eo fn e a r l yn o n - d e s t r u c t i v es a m p l i n ga n di sv e r ys u i t a b l e f o rt h es i t u a t i o n si nw h i c ht a k i n gc o n v e n t i o n a ls a m p l ei si m p o s s i b l eo ru n e c o n o m i c i tw i l lb ea l li m p o r t a n tm e t h o dt of o r e c a s tw h e t h e rt h em a t e r i a li si n v a l i da n dt o e v a l u a t et h er e s i d u a ll i f eo fs e r v i c e dc o m p o n e n t si nt h ef u t u r e i tw i l lb ca p p l i e d w i d e l yi nm a n y f i e l d si n c l u d i n gn u c l c n si n d u s t r y , a v i g a t i o na n ds p a c e f l i g h t , e l e c t r i c p o w e ra n dp e t r o c h e m i s t r yi n d u s t r ya n ds oo n a i m e da tp r e s e n t l ye x i s t e di s s u e so fs ict e s t i n g , t h er e s e a r c hh a sf o c u s e do n t h r e ea s p e c t s ：b a s i ct h e o r y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s e a r c hi nt h i s p a p e r m a j o rr e s e a r c hw o r k sa n dc o n c l u s i o n sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： i nt h et h e o r yr e s e a r c h ，f i r s t l y , b yt h es h e e tb e n dc r e e pm o d e l ，t h er e l a t i o n s h i po f s p e c i m e nc e n t e rd e f l e c t i o nr a t ea n d1 0 a dw a sd e d u c e d , a n dt h et h e o r yf o r m u l ao f c r e e ps t r e s se x p o n e n ta n de v a l u a t i o nm e t h o dw e r ee s t a b l i s h e d t h e n , b yt h e m e m b r a n es t r e t c hm o d e l ，t h e r e l a t i o n s h i p o fs p e c i m e nc e n t e rd e f l e c t i o na n d e q u i v a l e n ts t r a i n , l o a da n de q u i v a l e n ts t r e s sw e r ed e d u c e da c c o r d i n gt og e o m e t r y c o n n e c t i o n w h a t sm o r e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er e s u l t so fs m a l lp u n c hc r e e p t e s t i n ga n dt h o s eo fc o n v e n t i o n a lc r e e pt e s t i n gw a so b t a i n e d i nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c h ，f i r s t l y , t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fs p c t e s t i n gw a se s t a b l i s h e da n dw a sv a l i d a t e db yc o m p a r i n gt ot h ee x p e r i m e n tr e s u l t s t h e n t h ec r e e ps t r e s se x p o n e n t so ft h et u n g s t e n a l l o y e d9 c rf e r r i t i cs t e e la n d 1 2 c r l m o vs t e e lw e r ec a l c u l a t e db yl o a d sa n dt h es p e c i m e nc e n t e rd e f l e c t i o nr a t e b a s e do nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n dt h ev a l i d i t yo ft h ec r e e ps t r e s se x p o n e n tt h e o r y f o r m u l aw a sv a l i d a t e d b yc o m p a r i n gt ot h ei n p u tp a r a m e t e r s f u r t h e r , t h em e c h a n i s m o fs p ct e s t i n gw a sd i s c u s s e db ya n a l y z i n gt h es p e c i m e nd e f o r m a t i o n , s t r a i na n d s t r e s ss l a t e f i n a l l y , t h ei n f l u e n c e df a c t o r so fs p ct e s t i n gw e r ei n v e s t i g a t e d t h e r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ei n f l u e n c eo ff r i c t i o n nb cn e g l e c t e d b u tt h ei n f l u e n c eo f s p e c i m e nt h i c k n e s s ，p u n c hb a l la n dl o w e rm o d e lh o l ed i a m e t e ri sg r e a t t h e r e f o r e ， t h em a c h i n i n gp r e c i s i o no fs p e c i m e na n dm o u l dg e o m e t r ys i z es h o u l db ce n s u r e d w h e ns p c t e s t i n ga n c a r r i e do u t i nt h ee x p e r i m e n tr e s e a r c h , s e r i e so fs p c t e s t i n gf o rs u s 3 0 4s t a i n l e s ss t e e l i l l 武汉理工大学博士学位论文 m a t e r i a lw e r ec a r r i e do u ta t6 0 0 t h eo b t a i n e dc u r v e sf o rt h ec e n t r a ld e f l e c t i o n v e r s u st i m ea r eq u a n t i t a t i v e l ys i m i l a rt ot h ec o n v e n t i o n a le x p e r i m e n t a lr e s u l t s n e c r e e ps t r e s se x p o n e n t ( 8 0 5 8 ) o fs u s 3 0 4s t a i n l e s ss t e e lm a t e r i a lw a so b t a i n e db yt h e t h e o r yf o r m u l aa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t si nt h i sp a p e r i ti sg o o da g r e e m e n tw i t ht h e c o n v e n t i o n a le x p e r i m e n t a lr e s u l t s ( 8 2 9 7 ) ，a n dt h er e l a t i v ee l t o ri st w od o tn i n e p e r c e n t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec r e e ps t r e s se x p o n e n tw h i c hi s w e l lc o n s i s t e n tw i t hc o n v e n t i o n a le x p e r i m e n t a lr e s u l t sc a nb eo b t a i n e db ys p c t e s t i n ga n dt h et h e o r yf o r m u l a f u r t h e rm o r e , t h es p ct e s t i n gf o rt h es i 3 n 4c e r a m i c a n dt h es i 3 n 4 n ic o m p o s i t em a t e r i a lw e r ec a r r i e do u tf i r s t l y b o t ht h es i 3 n 4c e r a m i c a n dt h es i 3 n d n ic o m p o s i t em a t e r i a ld i s p l a yo b v i o u sc r e e pd e f o r m a t i o na tc e r t a i n t e m p e r a t u r e t h ed i v i d i n gl i n eo ft h ef i r s tc r e e pp h a s ea n dt h es e c o n dc r e e pp h a s ei s i n a p p a r e n tf o rt h es i 3 n 4c e r a m i ca n dt h es i 3 n d n ic o m p o s i t em a t e r i a l t h ev a l u e so f c r e e ps t r e s se x p o n e n to ft w om a t e r i a l sa r er e s p e c t i v e l y5 1 9a n d2 1b yt h et h e o r y f o r m u l a bt h i sp a p e r , t h et h e o r yf o r m u l ao fc a l c u l a t i n gc r e e ps t r e s se x p o n e n ta n dt h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h er e s u l t so fs m a l l p u n c hc r e e pt e s t i n g a n dt h o s eo f c o n v e n t i o n a lc r e e pt e s t i n gh a v eb e e ne s t a b l i s h e d n ev a l i d i t yo ft h e o r yf o r m u l ah a s b e e nv a l i d a t e db yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c h ，a n dt h em e c h a n i s ma n dt h e c f f e c tf a c t o r so fs p ct e s t i n gw e r ed i s c u s s e d t h ec r e e ps t r e s se x p o n e n t so fs u s 3 0 4 s t a i n l e s ss t e e l ，s i 3 n 4c e r a m i ca n ds i 3 n d n ic o m p o s i t em a t e r i a lh a v eb e e no b t a i n e d b yu s i n gt h et h e o r yf o r m u l ai nt h ee x p e r i m e n tr e s e a r c h n er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e s p ct e s t i n gt e c h n i q u ei sa l le f f e c t i v e ，c o n v e n i e n ta n dc r e d i b l em e t h o df o rt h e e v a l u a t i o no ft h eh i 曲t e m p e r a t u r ec r e e pp r o p e r t i e so fm a t e r i a l s k e y w o r d s ：s m a l lp u n c hc r e e pt e s t i n g ，c r e e ps t r e s se x p o n e n t ，f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本入在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 潞卫斗嗍 关于论文使用授权的说明 t 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：呈五2 垒午导师签名：三龇 日期：! ! b 堂 武汉理工大学博士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 在核工业、航空航天、电力、石油化工等领域中，大量的承载构件长期在 高温、高压的环境下服役，严酷的服役环境使得构件材料逐渐发生劣化直至导 致构件失效1 1 1 。为确保安全，必须定期对这些在役高温构件材料的劣化程度进行 评估，预测构件的剩余寿命。 目前国内外对高温构件剩余寿命评估方法归纳起来可大致分为非破坏性检 测和破坏性检测两大类1 2 l 。非破坏性检测方法主要包括基于表面覆膜的金属组织 测定法【射，蠕变变形测量法 4 1 ，硬度测定法1 5 1 ，超声波测定法1 6 l ，数值模拟法用 等。这类检测方法具有无损的优势，通常根据某个特定的物理量与材料性能之 间的关系，通过测定该物理量的变化来评估材料的劣化程度和剩余寿命。但是 这类检测方法存在较大的局限位，主要是因为所测物理量与材料寿命之间有效 的关联性非常难于建立，而且这种关联性可能随着材料的使用条件不同而发生 变化。 破坏性检测法主要包括加速蠕变试验法f 8 l ，蠕变裂纹扩展试验法f 9 】，材料密 度法i 姗，微型试样蠕变试验法1 1 l j 等。传统的蠕变性能测试方法是材料寿命评估 的标准方法，能保证工业生产的安全和高效。各种传统的标准测试方法发展成 熟可靠，数据处理简便，结果得到公认。其局限性在于试验所需试样尺寸较大， 取样时会对构件产生较大的破坏，而且在某些场合下，无法或很难获得标准测 试方法所需的试样尺寸，如在役结构、金属焊接部分、梯度材料等，而对这些 结构中材料的蠕变性能进行评价又非常重要。因此，为了尽可能减少取样的破 坏性，避免损坏被取样的构件，要求所取试样的体积尽可能小，即所谓的微型 试样。而对于这类微型试样，通过传统试验方法获得材料的高温性能显然是无 法实现的。 为了解决这个问题，小型冲压蠕变试验法( s m a l lp u n c hc r e e p t e s t i n g ，简称 s p c 法) 应运而生。该试验法是在小型冲压试验法( s m a l lp u n c ht e s t i n g ，简称 s p 法) 的基础上发展起来的。采用s p c 试验法，可以利用从在役构件上取下的 微型试样( 够x 0 1 r a m 或1 0 1 0 x 0 5 m m ) 获取材料的高温蠕变性能参数，进 而对在役结构进行剩余寿命评估。与传统实验方法相比，小型冲压蠕变试验技 术具有几乎无损和取样方便的双重优势，在服役材料的寿命评估和失效分析方 面具有广阔的应用前景【1 1 1 。 1 武汉理工大学博士学位论文 1 2 小型冲压试验技术研究进展 1 2 1 小型冲压试验技术起源及原理 小型冲压试验技术是由a m c s 实验室( i o w as t a t eu n i v e r s i t y ) 的b a i k 和 k a m e d a 等人在上世纪8 0 年代初首先提出的一种使用小试样评价材料力学性能 的测试方法i 埘。由于核工业领域材料研究的需要，a m 路实验室成功地孝t 用该技 术检测了材料回火和辐射脆性、辐射后固溶引起的边界弱化以及晶界的变形和 断裂性能。 小型冲压试验技术实质上是一种微型试验法，采用尺寸微小的片状试样进 行试验，以获取材料的力学性能。该方法利用冲杆以一定的速度或者在一定的 载荷下冲压试样，记录试样从变形到失效整个过程的载荷位移数据，并据此来 分析材料的各种力学性能参数0 2 , 1 3 1 。 典型的小型冲压试验装置如图1 - 1 所示。试样放置于上模和下模之间，上 模和下模以夹紧螺丝相连以固定试样并防止试样在加载过程中边缘翘起。通过 球形或半球形压头向试样冲压进行加载，试样向下模的圆孔变形。冲杆的压头 根据不同的试验目的，采用不同的形状，一般有球形、锥形和圆柱形三种形式。 球形压头直径一般为2 4 m m 或l m m ，相应的下模内孔直径为4 0 m m 或2 0 r a m 。 试样一般有方形和圆形两种，其尺寸很小。通常使用直径为f 3 1 0 m m ，厚度 0 1 0 5 r a m 的圆形试样。 载荷 线性差动位移传感器 图1 - 1s p 试验法装置示意图 f i g 1 - 1s c h e m a t i co fs m a l lp u n c ht e s td e v i c e 2 武汉理工大学博士学位论文 s p 试验法主要有以下优点：所需试样尺寸小，试样制备简单，这样不但可 以在试样较珍贵的场合测得材料的力学性能，而且可以减少因取样而对构件造 成的损伤；s p 试验法装置小巧轻便，能很方便地实现超高温或其它复杂条件的 测试【捧1 司：s p 试验法具有多功能，使用一套测试装置能提供不同的力学性能指 标( 如：屈服强度、极限强度、弹性模量、断裂韧性等) 及传统方法不易得到 的材料性能信息( 如脆韧转变温度、高温变形能等) 。 1 2 2 小型冲压试验技术发展及应用 在早期的冲压测试研究中，还包括m a n a h a n 1 6 1 的微型圆片弯曲试验m d b t ( m i n i a t u d z e , dd i s cb e n dt e s t ) 和o k a d a l l 7 1 、l u c a s 1 8 l 的小试样微凸测试 ( m i c r o b u l g et e s t ) 。这两种方法同样是在核能工业材料的应用背景下展开研究 的，目的也是减小试样尺寸，减小取样对构件的伤害，减小试样辐射对测试人 员的影响，同时也可以在实验时降低制作试样辐照的费用。 进入九十年代以后，s p 试验技术逐渐扩展到电厂和石油化工领域，并从金 属材料扩展到无机材剃1 9 l 、复合材料【捌和涂层材料1 2 1 盈垮多个领域。从小型冲 压试验技术的提出开始迄今为止的2 0 多年里，它大致经过了三个发展阶段。 1 ) 第一阶段，主要是以研究小试样与传统试样在屈服强度和材料延性等方 面的关联性为特征。有许多关于s p 试验法测试屈服应力的研究。 m a o 等人曾指出载荷位移曲线中非线性的开始点对应于屈服应力1 2 3 - 2 6 。 o k a d a 利用小型冲压试验技术对两类不同的韧性材料进行了试验【1 刀，并详细的 记录了载荷和位移曲线之问的关系，他将整个变形阶段划分为几个区域，分别 对应于试验过程中试样的几个变形阶段：弹性弯曲阶段、塑性弯曲阶段、薄膜 伸张阶段和开裂破断阶段。另外，o k a d a 通过假设得到应力与载荷的关系，再将 二维状态下的应力与单向拉伸应力对应，从而得到小试样下的s p 最大载荷与拉 伸强度、s p 屈服载荷与屈服强度、s p 位移与拉伸应交的对应关系，证实了小型 冲压试验技术测试金属材料力学性能的可行性。o k a d a 还证实小试样承受的最大 载荷与试样和冲压球之间的摩擦状况无关。 m a n a h a n 等人很早就研究过载荷啦移行为口”。研究同种材料不同温度下典 型的载荷位移曲线，发现在温度较高时( 不同的材料标准不同) ，载荷位移曲线 可以分为弹性变形区、塑性变形区、塑性膜伸展区和塑性不稳区四个区。如材 料为脆性，断裂一般发生在塑性变形区，主要表现为径向裂纹；如材料为韧性， 断裂发生在塑性不稳区，主要表现为压头附近的圆周裂纹i 铡。 3 武汉理工大学博士学位论文 l u c a s l 2 4 j 和h c u r y l 2 6 】都曾指出载荷位移曲线最初的线性段对应着试样的弹 性形变，p d 和弹性模量e 是成正比的。利用小试样测出的弹性模量和大体积 试样测出的弹性模量能很好的吻合。k 啪e d a 【2 l l ，m a o l 2 3 l 和t a k a h a s h i 2 9 】通过对比 s p 试验法和单向拉伸实验法得出经验公式： q - 等 ( 1 - 1 ) 其中p 1 是对应开始偏离线性的载荷，t 为试样厚度。这个经验公式能非常好 的和传统方法即单向拉伸实验法的结果吻合。z h a n g 等人则采用了更精确的公式 i 删： q 啬【1 - 孚份+ ( 1 + 以t n ( 詈) 】 2 ， 其中。为泊松比，a 为下模内孔半径，b 为接触半径。 s p 试验法中的最大载荷对应着单向拉伸实验法中的最大拉伸强度1 1 7 搿m 1 ， 但数值上的对应对不同的材料并不确定，k a m e d a 和m a o 提出了他们的经验公式 【竭： 吼。r 幢f 2 ) 一叩 ( 1 3 ) 对于延性不是很好的材料，在到达最大拉伸强度之前已经发生脆断，对应 的是断裂强度，s h i n 等人在计算p s z n i c r a i y 复合材料的断裂强度s ，时采用的 公式为f 捌； 旷砉m ) 0 4 8 5 1 n 7 a + o 5 z + 葡而3 】 ( ，4 ) 由此可见，对于韧性材料，可由s p 试验法的屈服载荷得到屈服强度由 s p 试验法的最大载荷得到与最大拉伸强度对应的j 一；对于韧性较差的材料， 由s p 试验法的断裂载荷可以得到断裂强度s ，。 2 ) 第二阶段是在成功的获得了小型冲压试样和传统试样在拉伸性能上的关 联以后，主要集中在对材料脆韧性转变温度( b r i t t l et od u c t i l et r a n s i t i o n t e m p e r a t u r e ，简称b d t t ) 的研究。 几乎所有的s p 试验法获得b d t r 的研究思路都一致，具体方法如下：首先 通过s p 试验法得到s p 载荷位移曲线，通过计算将其转换成等效载荷位移曲线， 求出该曲线下面积并定义为s p 破坏能。以破坏能对温度的变化作图，得到破坏 能温度陆线。由于脆性材料允许的变形小，破坏能很小；而韧性材料允许的变 形较大，破坏能很大。所以当材料由脆性变成韧性时，破坏能急剧增加。故破 4 武汉理工大学博士学位论文 坏能温度曲线明显为之字型。取破坏能最大和最小值的中间值对应的温度为 b d t t 。 k i m 3 3 1 、b u u o c h p 4 筇州、d o b e s l 3 7 3 s 1 、g a i 例、u l e 4 0 l 等人测试了不同材料 的b i y i t ，并比较了s p 试验法和传统c v n ( c h a r p yv - n o t c h ) 冲击测试在b d t r 测试方面的差别1 4 1 卅。虽然不同的研究者采取的具体实验操作有些差异，但在 最后结论上至少有三点共识： 第一，两种方法得到的脆韧转变温度存在线性关系，即 ( b d t t ) c w = a ( b d t t ) s e r + f l ( 1 - 5 ) 其中，僻d 刀如，为s p 试验法所得，( b d t t ) c v n 是c v n 冲击测试所得，二 者都是以k 为单位，口，声均为常数。 如k a m e d a 和m a o 从一系列的钢铁材料得出经验关系式t 4 4 l ： ( b d 力 婀= 0 4 ( b d t r ) c ( 1 - 6 ) 再如h a 等人得到： - - 0 3 5 f a t t ( 1 - 7 ) 其中1 0 为s p 试验法确定的脆韧转变温度，f a t t 为c v n 冲击测试确定的 断裂方式转变温度。 第二，s p 试验法所得b d t r 要比传统方法得到的数值低，也可从前面的经 验关系式得到证实。b a i k l 4 7 1 指出这主要是由于s p 试验法中较低的应变率造成 的。研究表明位移速率增加1 0 0 倍，测出的b i t f f 就会增加2 0 。 第三，s p 试验法评价材料的脆韧转变温度b d 7 i t 确实可行，而且简单方便。 3 ) 第三阶段则是人们开始探索用小型冲压试验技术确定材料的断裂韧度 值。要明确了解材料的韧性，还要进一步知道材料的断裂韧性硒c 或j r 。s p 试 验法的研究者在这方面也做了许多工作。m a o 【砧 4 9 1 针对延性材料和脆性材料分 别提出了s p 等效断裂应变e q f 和断裂应力s f ( ) 的概念。延性模式下，利用s p 等效断裂应变叼和断裂韧性j 如的关系；脆性模式下，利用断裂强度和断裂韧性 k 1 c 的关系，最终得到断裂韧性。延性模式下： j 一托矿一j o ( 1 8 ) 其中，k 和如是经验常数，而等效断裂应变和( d f 。) 2 成正比，d 为试样断 裂时的压头位移，t o 是原始试样厚度。脆性模式下： k 砧- c 6 7 ，却) p ( 1 - 9 ) f o u t d s 则提出了连续材料韧性的概念1 5 0 , 5 1 1 ，通过材料连续应力应变的变形 特点来确定和测知材料的起裂点，应用大变形有限元分析计算小型冲压试样中 裂纹起裂起始点处积累的局部应变能量密度，并将其作为断裂依据，将问题转 武汉理工大学博士学位论文 化为求裂纹尖应变能密度达到断裂依据时a s m e 标准c t 试样的k i c 或如 值。 二十多年来，通过b a i k 、m a n a h a n 、k a m e d a 、f o u l d s 、m a o 及b u l l o c h 等 人的大量研究工作，小型冲压试验技术得到了长足的发展，已被美国材料测试 协会a s t m 列入标准测试方法( a s l mf 2 1 8 3 0 2 ：s t a n d a r dt e s tm e t h o df o r s m a l lp u n c ht e s t i n go fu l t r a h 砂m o l e c u l a rw e i g h tp o l y e t h y l e n eu s e di l l s u f g i c a li m p l a n t s ) ，电力研究学会e p r i ( e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 也建 立了m s p 试验法得到断裂规性的方法i s 2 1 。目前，该实验方法已在金属材料i s 3 , s 4 l 、 生物材料【5 5 - 5 9 1 、复合材料1 6 0 1 、涂层材剃6 1 1 等的塑性、韧性及断裂韧性评价中得 到广泛应用。 随着s p 试验法的应用越来越广泛，s p 试验法测试结果的优化更加受到重 视，国内外学者采用一系列新技术以改进测试精度，如采用光学方法测量压头 和试样的接触面积【6 2 l ，使用有限元分析s p 测试中试样的应力应变【6 砷l ，采用 声射法( a c o u s t i ce m i s s i o n ) 探测s p 测试中试样的屈服和断裂【6 3 州，联合神经网 络分析s p 测试结果1 6 5 卿，专门研究s p 试验法断面形貌f 明，以及高温下批量进 行s p 测试i 删等。这些新的发展不仅提高了测量的可靠性，同时也为s p 的发展 提供了一些新的思路。 1 3 小型冲压蠕变试验技术研究现状 1 3 1 小型冲压蠕变试验技术研究进展 小型冲压蠕变试验技术源于小型冲压试验技术，该试验方法是在高温环境 下，冲杆以一定速度冲压试样并记录试样从变形到失效整个过程中心挠度一时 间的数据，据此分析得出材料高温蠕变性能参数。目前关于小型冲压蠕变试验 研究主要集中在建立小型冲压蠕变试验与单轴拉伸试验的关联性上，比如载荷 与应力的关系，试样中心挠度与应变的关系等等。现在世界各国的研究机构、 学者正致力于这方面的研究，但因实验设备的精度不一和高质量的长时实验数 据较少等原因，各个实验室得到的结果差异较大。 英国s w a n s e a l 6 9 】大学和v i t o v i c e i 7 0 1 研究所首先证明了小型冲压试验技术对 材料高温性能评价的可行性。1 9 9 3 年，p a r k e r 和j a m e s l 6 9 1 、p u r m e n s k y 和 k u p k a i 捌分别进行了小型冲压蠕变试验，并通过分析试验数据，得到修改后的 a r r h e n i u s 关系式。他们的试验结果表明，小型冲压蠕变试验结果具有可重复性， 且试样的变形特征与传统试样具有相似性，因此，小型冲压蠕变试验可用来获 6 武汉理工大学博士学位论文 取在役构件的高温蠕变性能参数，评估高温构件结构的完整性。 1 9 9 4 年，m a o ”j 对高温材料2 2 5 c r - l m o 进行小型冲压蠕变试验。试验是在 普通的小型冲压试验装置上配备高温炉并通入氩气进行气氛保护后进行的，试 验得到了“三阶段”的蠕变曲线，并通过小挠度薄板弯曲理论和薄膜拉伸理论解释 这些挠度与时间关系曲线，给出了与这两种理论相对应的应变时间曲线，证明 了小型冲压试验法用于测定材料蠕变性能的可行性。 e e c o 芑 。 焉 。 琶 笮 m o n i n e ( h 0 图1 - 2 试样中心挠度时间曲线 f i g 1 - 2s p e c i m e nc e n t r a ld e f l e c t i o nv s t i m eg l l l v e 图l 一2 是小型冲压蠕变试验得到的试样中心挠度一时间关系曲线。与传统的 单轴拉伸蠕变实验类似，试样中心挠度曲线也可分为三个阶段：( 1 ) 蠕变速率逐 渐降低的阶段。( 2 ) 稳态蠕变阶段，其蠕变速率近乎为常数。( 3 ) 蠕变速率剧 增的阶段，并最终导致断裂。研究者通常利用各种理论和方法，将图1 - 2 所示 的信息转化为评价材料蠕变特性所需的数据。 近年来欧洲几个国家的实验室正在开展关于小型冲压蠕变试验方法的合作 研究i 功，旨在进行在役结构的性能检测和剩余寿命评估，参与的实验室有i m t 、 l i u b l j a n g 、口m 、b r o i l 、c i s e 及m l i l a n d 等。这个项目的实施大大促进了小型 冲压试验技术在高温领域的研究。他们主要针对x 2 0 c r m o v1 21 和1 4 m o v6 3 这两种材料，在不同的实验室分别进行小型冲压蠕变试验和单轴拉伸蠕变实验， 并对试验结果进行对比。 u l e i ”7 4 j 分别使用圆片状、宽边帽状试样在不同温度、载荷下进行小型冲压 蠕变试验，讨论了初始塑性变形对两种不同形状试样蠕变曲线的影响，通过数 据回归得到应力指数厅和蠕变活化能e 。并与传统单轴蠕变实验得到的撑、e 7 武汉理工大学博士学位论文 进行比较，指出小型冲压蠕变试验可以有效的获取材料的蠕变性能参数。u l e 特 别提到，由于不同实验室研究者使用的试验设备不同，应力指数以略有差异。 但在同一实验室得到的数据中，栉保持恒定。这就说明，在修改的d o r a 关系 式中，可以用载荷，代替应力s 计算试样断裂时间，并进一步证明，在试验 过程中，试样中的应力也基本上是恒定的。这一结论在p a r k e r l 巧】的文章中也得 到理论验证，为研究者建立小型冲压和单轴拉伸实验的关联性提供了思路。 p a r k e r 和j a m e s 很早就指出，同种材料在这种利用小试样测试力学性能的 方法表现出的变形特性和传统方法中表现的非常相似 6 9 , 7 6 1 。u l e 4 0 等人也指出， 虽然s p 蠕变测试中应力状态比较复杂，但在蠕变第二阶段当载荷保持不变，而 试样不断变形时，最大应力处的应力几乎不变，所以载荷代替应力仍符合d o m 公式。根据测试中得到的断裂时间一载荷曲线和上面的公式，采用复合线性回归 法就可以得到这种材料的表观断裂活化能q ，和常数一，os p 法得出的蠕变活化能 比传统方法低1 4 左右【帅1 。 n o r r i s 和p a r k e r 【7 7 l 用小试样的弯曲试验技术测量了高纯度铝的屈服点和失 效时的载荷，发现材料失效前有很好的塑性来提供压头和试样之间的最大的接 触面，载荷和应力之间的关系只与试样的厚度、冲杆的直径、上下模之间的空 隙有关，代入参数后得到： f - 2 9 6 c r( i - 1 0 ) 日本的s h i n d o 【硎和k o m a z a k i v 钆s 2 l 采用尺寸为1 0 m m x l o m m x 0 3 m m 的 试样对s u s 3 1 6 新材料和在役材料进行小型冲压蠕变试验，并从蠕变性能、断 裂时间、微观组织等方面进行比较。指出在大载荷下，新材料的蠕变强度高于 服役材料，而在低载荷下则相反；通过微观发现，原因与材料本身以及在小型 冲压蠕变试验中产生的沉淀物有关。另外通过观察中断试验，扫描电镜观察试 样的蠕变变形过程，指出在蠕变第一阶段，弯曲是试样变形的主要形式；而在 蠕变第二和第三阶段，膜拉伸是试样变形的主要形式。 h y d e 叫使用方形压头测定焊缝的蠕变性能，提出了载荷和应力、挠度和应 变之间的关系。d o b e s l 8 4 】在单轴蠕变实验和小型冲压蠕变试验两者断裂时间相等 的基础上提出了小型冲压蠕变试验载荷和应力，挠度和应变之间的关系： ， 仃i o 1 0 协o 0 0 8 5 ， ，i h o ( 1 - 1 2 ) 式中仃为应力( m p a ) 、f 为载荷( n ) ，h o 为试样的厚度( 姗) ，为应 武汉理工大学博士学位论文 变，d ，为挠度( n u n ) 。 另外d o b e s l 8 5 j 针对铁铝合金f e 2 8 a 1 3 c r 0 0 2 c e 在8 7 3 k 下研究了载荷和 最小挠度率之间的关系，得到了类似的n o r t o n 方程： 善。a f ( 1 - 1 3 ) 其中占为最小挠度率( r a m s ) ，a 为与温度有关的常数，弛为载荷指数，f 为恒定载荷( n ) 。 杨镇| s 6 s g l 提出了假设“在几何条件相似的前提下，无蠕变情况下试样中心挠 度与中心应变之间的关系近似等价于有蠕变情况下试样中心挠度与中心应变之 问的关系”