（材料加工工程专业论文）焊接接头局部力学性能现场测量装置的研制.pdf

1一j1 t h er e s e a r c ho fi n s i t um e a s u r e m e n to fl o c a lz o n e s s t r e s s - s t r a i nc u r v e si n w e l d e dj o i n t sb yu s i n gi n s t r u m e n t e dd o u b l eh o l e sm i c r o s h e a rt e s t b y h a o j i a n m i n g b e ( l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e l n m a t e r i a l sp r o c e s s i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h ul i a n g j u n e ，2 0 11 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 而弋 建吩 1 日期：w 1 1 年6 月ft ) e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： e l 期：h f l 年 日期：p f f 年 月 f 口日 5 只f 口日 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1课题的背景与意义1 1 2材料局部力学性能测试方法国内外研究现状2 1 2 1压缩法：2 1 2 2平面压头测量法7 1 2 3硬度隐射法7 1 2 4微拉伸法8 1 2 5微剪切法8 1 3本论文的主要研究内容1o 第2 章双孔微剪切现场测量系统的设计1 2 2 1 引言1 2 2 2试验原理。1 2 2 3现场测量装置的机械设计。1 3 2 4驱动加载单元1 4 2 4 1丝杆的设计1 4 2 4 2摆杆的设计1 5 2 4 3压头的设计。1 6 2 4 4滑块小车设计1 7 2 4 5轴承设计1 7 2 4 6直流电机和联轴器的选型1 8 2 5载荷位移检测单元19 2 5 1载荷传感器和位移传感器标定2 0 2 6 装置固定单元2 l 2 6 1固定小爪设计2 2 2 6 2u 型槽设计2 3 2 7 现场测量装置的仪器化2 3 2 8本章小结2 6 第3 章双孔微剪切实验与拉伸实验的相关性2 7 3 1 引言2 7 3 2实验材料2 7 3 - 3试验方法2 7 3 4双孔微剪切试验2 8 3 5拉伸试样的制备2 9 3 6现场测量装置双孔微剪切试验与拉伸试验结果的相关性3 0 3 7 6 0 6 3 铝双孔微剪切实验与拉伸实验的真应力真应变曲线3 1 3 8本章小结3 2 第4 章焊接接头的局部强度的评定3 4 4 1 弓i 言3 4 4 2试验材料及其焊接规范3 4 4 3本章小结3 6 结论3 7 参考文献3 8 致谢4 2 硕士学位论文 摘要 焊接接头不同程度的存在着力学性能不均匀性。常规的单轴拉伸试验只能得到焊接 接头的整体强度及其变形性能，无法评定接头不同区域的局部力学性能，而这些局部力 学性能的信息对改善焊接工艺，提高接头的性能是必要的。测定材料局部力学性能的方 法，主要有压缩法，微拉伸法，但是大部分实验装置都不能实现现场测量。 基于双孔微剪切试验方法，研制一种可以现场测量焊接接头局部力学性能的测试装 置。装置由驱动加载单元、装置固定单元、位移载荷检测单元组成；驱动加载单元主 要由直流电动机、丝杆、带滚轮的滑块和装有压头的摆动杆组成；装置固定单元由固定 小爪和u 型槽组成；载荷位移检测单元由位移传感器和载荷传感器组成。此装置的优 点是可对正在服役的焊接接头的局部力学性能实现现场测量，而对材料的使用性能无任 何影响，可近似为无损检测。利用此装置无需制备试样，在材料的被测区域两侧打两个 直径为6 m m 的双孔，利用双孔将装置固定，压头从小桥的一侧对小桥加载直至破坏， l a b v i e w 计算机软件控制系统记录试验所得到的载荷位移数据，通过l a b v i e w 软件 转换得出对应的剪切应力应变曲线，进而得出焊接接头不同区域的屈服强度和抗拉强 度，评定了焊接接头的局部力学性能。 为了得出双孔微剪切试验的屈服剪应力与拉伸试验的屈服强度，双孔微剪切试验的 最大剪应力与拉伸试验的抗拉强度之间的相关性，对6 0 6 3 铝合金挤压型材、紫铜和x 7 0 管线钢轧制板，分别进行双孔微剪切试验和单轴拉伸试验，得出屈服剪应力与屈服强度， 最大剪应力与抗拉强度的相关性。利用此相关性得出6 0 6 3 铝的真应力真应变曲线。在 6 0 6 3 铝合金和x 7 0 管线钢焊接接头上进行双孔微剪切试验和h v 硬度试验，利用双孔微 剪切试验与拉伸试验之间的相关性对焊接接头局部区域的强度进行转换，得出焊接接头 上的强度的分布，对比焊接接头的强度和硬度分布，其强度和硬度分布相似。 关键词：现场测量装置；双孔微剪切；焊接接头；局部力学性能 焊接接头局部力学性能现场测量装置的研制 a b s t r a c t w e l d e dj o i n t se x h i b i th e t e r o g e n e i t yo fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h es t a n d a r dt e n s i l et e s t p r o v i d e st h eg l o b a lr e s p o n s eo ft h ew h o l ej o i n tb u tn oi n f o r m a t i o no c c u r r i n gl o c a l l yw i t h i n t h ed i f f e r e n tc o n s t i t u e n t s t i l i si n f o r m a t i o ni sn e c e s s a r yt oi m p r o v et h em a t e r i a lp r o c e s s i n g , a n dt on u m e r i c a l l ye v a l u a t et h ec o m p o n e n tp e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，i ti sq u i t en e c e s s a r ya n d v e r yi m p o r t a n tt od e t e r m i n et h e l o c a lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sf o rw e l d e dj o i n t s e s t i m a t i o n m e t h o do ft h e l o c a lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sf o rw e l d e dj o i n t s ，b a s e dm a i n l ym i c r o t e n s i l e m e 吐l o d ，a na u t o m a t e db a l li n d e n t a t i o nt e c h n i q u e h o w e v e r , i n - s i t um e a s u r e m e n to fl o c a l z o n e s s t r e s s - s t r a i nc u r v e sc a n n o tb ea c h i e v e di nw e l d e dj o i n t s a ni n s i t ut e s ti n s t r u m e n t ，t h a tr e l a t e st ot h ed o u b l eh o l e sm i c r o - s h e a rt e s ta p p r o a c h , w a s p r e s e n t e d f o rd e t e r m i n i n gt h el o c a lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fw e l d e dj o i n t s i t sm a j o r c o m p o n e n t si n c l u d e ：l o a du n i tt h a tc o n s i s t so fd cm o t o r 、s a 踟、s l i d e rw i t ht h eb e a r sa n dt h e l e v e rw h e r eai n d e n t e ri sm o u n t e d ；l o a d - d i s p l a c e m e n tm e a s u r e du n i tt h a ti sb ec o m p r i s e do f t h el o a dc e l la n dt h ed i s p l a c e m e n ts e n s o r ；a n df i x i n gm e c h a n i s mw h o s em a j o rp a r t sa r et h e u - s h a p e dm e c h a n i c a lf l a m ea n dg r i p s ，n l eg r e a ta d v a n t a g e so f t h et e c h n i q u ea r ea b i l i t yt ob e i n - s i t um e a s u r e m e n to fs t r e s s s t r a i nc u r v ea n dp r o v i d el o c a l i z e dp r o p e r t i e s ，a n dt h et e c h n i q u e h a se m e r g e da san o n d e s t r u c t i v em e t h o df o rm e a s u r i n gt h ey i e l da n dt e n s i l es t r e n g t hv a l u e so f i n - s e r v i c ew e l d e dj o i n t s ，a n dw i t h o u ta n ys e r v i c ei n t e r r u p t i o n i nt h i sm e t h o d ，r e q u i r en ot h e r e m o v a lo fs a m p l e sf r o mt h ei n - s e r v i c ew e l d e dj o i n t sf o rt e s t i n g , d r i l lo n l yt h ed o u b l eh o l e s w h o s ed i a m e t e ra r e6m i l l i m e t e r si nt h et w os i d e so ft h ep o i n tt 0b ed e t e r m i n e di nw e l d e d j o i n t s ，i n - s i t ut e s ti n s t r u m e n tw a sf i x e db yt h ed o u b l eh o l e s ，l o a dm a t e r i a lb r i d g eb y a l l i n d e n t e ru n t i li ti sb r o k e n ， r e c o r dt h er e s p o n s eb e t w e e na p p l i e dl o a da n di n d e n t e r d i s p l a c e m e n tb yt h el a b v i e ws o f ts y s t e r m h e n c e ，t h ei n c r e m e n t a lv a l u e so fi n d e n t e rl o a da n d d i s p l a c e m e n ta r ec o n v e r t e dt ot h el o a d - d i s p l a c e m e n tc u r v ef r o mt h ed o u b l e h o l e sm i c r o s h e a r t e s t ，t h ei n c r e m e n t a ls t r e s s s t r a i nc u r v ei so b t a i n e da c c o r d i n gt oe l a s t i c i t ya n dp l a s t i c i t y t h e o r i e s t h e ny i e l ds t r e n g t ha n dt e n s i l es t r e n g t ho ft h ed i f f e r e n tz o n e si nw e l d e dj o i n t sw e r e o b t a i n e d ，a n dt h el o c a lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fw e l d e dj o i n tw a se v a l u a t e d i no r d e rt oo b t a i nr e s p e c t i v e l yt h er e l a t i o n sb e t w e e nt h es h e a ry i e l ds t r e s sa n dy i e l d s t r e n g t h ，b e t w e e nt h eu l t i m a t es h e a rs t r e s sa n dt h eu l t i m a t es t r e n g t hf r o mt h ed o u b l e - h o l e m i c r o - s h e a rt e s ta n dt h eu n i a x i a lt e n s i l et e s t t h et w o t e s tm e t h o d sa r eo p e r a t e di n6 0 6 3 a l u m i n i u ma l l o ye x t r u s i o n 、r e dc o p p e ra n dx 7 0p i p el i n es t e e lr o l l e dp l a t e t h et r u es t r e s s - t r u e s t r a i nc u r v ei n6 0 6 3a l u m i n i u ma l l o yw e r ed r a w e dw i n lm a k i n gu s eo ft h er e l a t i o n sb e t w e e n t h ed o u b l e - h o l em i c r o - s h e a rt e s ta n dt h eu n i a x i a lt e n s i l et e s t f i n a l l yt h ed o u b l eh o l e m i c r o - s h e a rt e s th a v ec a r d e do nt h el o c a la r e ao ft h ex 7 0p i p l el i n es t e e lw e l d e dj o i n t sa n d 6 0 6 3a l u m i n i u ma l l o yw e l d e dj o i n t s ，t h ed i s t r i b u t i o n sd r a w i n ga r es i m i l a rf r o mt h ed o u b l e 1 1 0 l em i c r o s h e a rt e s tr e s u l t sa n dh a r d n e s si nw e l d e dj o i n t s 1 i 硕士学位论文 k e yw o r d s ：i n s i t ui n s t r u m e n t a t i o n ；d o u b l eh o l e sm i c r o s h e a rt e s t ；t h el o c a lm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ；w e l d e dj o i n t s i i l 硕士学位论文 1 1 课题的背景与意义 第1 章绪论 焊接作为一种连接技术，有着悠久的历史，它是随着金属的出现而出现的。焊接已 经成为日常生活和工业生产中不可缺少的一部分，它应用于从家用电器到汽车行业到航 空军工乃至商业的各个领域。在现代工业应用中，材料在服役中逐渐老化越来越引起了 人们的关注，对材料在服役期间是否能满足目前和将来的需求，是否在使用中安全，提出 了疑问。因此对材料结构的完整性的时时监测就显得十分重要了，特别是那些应用在重 要场合的材料的监测更是必不可少，例如：石油、天然气管道等的焊缝质量的监测【i 】。 另外，许多新材料应用到各个领域中，在使用新的材料之前，需要对新材料的性能进行 检测，以了解新材料的特点和性质【2 】。 焊接最重要的问题是焊接接头质量的监测。焊接接头是一个复杂的组合。对于焊接 接头存在着几个特殊的区域，它们有着明显不同的微观结构，一般每个区域的宽度很窄， 这种情况下热影响区被看作是最弱的部分【3 1 。因此，如何评定不同区域微观结构的特性 和局部的力学性能成了人们很关注的问题。 焊接接头不同程度的存在着力学性能不均匀性。在焊接接头上，焊缝金属和热影响 区的力学性能与母材有所不同。常规的拉伸试验只能得到接头的整体强度及变形性能。 但无法评定接头不同区域的局部力学性能。这些局部性能的信息对改善焊接工艺，提高 接头整体性能有明显的必要性【4 羽。另外，用有限元法对接头的承载能力及变形进行准 确分析时，需要输入接头上的各个区域的材料性能。如车辆碰撞模拟的时候，如果忽略了 焊接接头的力学不均匀性，不能达到所要求的模拟准确性嘲。在对这种焊接接头进行试 验研究和有限元模拟时，需要测定焊接接头各区域的局部变形特性。为了寻求能准确评 定材料局部力学性能的方法，已进行了许多研究。用硬度试验方法来确定载荷和压痕位 移曲线，结合有限元计算可以推测得到材料的力学性能【| 刀，这种方法尽管简单，考虑到 球状压头与被测材料之间的摩擦力，被测材料在受压时所受的水静压力，其结果精确度 受到限制【8 】。传统的从被测管道、压力容器等的焊接接头上切取袖珍试样，用拉伸试验 测定焊接接头的局部拉伸性能，研究其非均匀性，这是一个可信的方法，但是需要从被 测容器上切取拉伸试样，结果会导致管道或容器暂时性不能服役，而且当试样从管道、 压力容器上取下来后，还得需要对其部分进行修复，所带来的结构上的问题就更加复杂 t t 9 。 到目前为止，能准确地确定出焊接接头局部力学性能是很难的，尤其是冲击韧性和 断裂强度。对于焊接接头，用传统的实验方法去处理局部力学性能都是不容易的【1 0 1 。虽 然，热模拟技术可以用来研究局部微观结构的特征和热影响区的力学性能，但是估算结 果不能完全代表在实际焊接条件下的热影响区的真实情况，而且费时成本高【1 1 1 。微剪切 试验也可以用来评定焊接接头的局部强度，通过测量焊接接头的局部参量用来评定焊 接接头疲劳性能等【1 2 1 。 焊接接头局部力学性能现场测量装置的研制 1 2 材料局部力学性能测试方法国内外研究现状 国内外的研究人员对材料的局部力学性能的测定主要采用压缩法和拉伸法，也有些 人采用的是微剪切法。但是，大多数都不能现场操作，都需要从待测体上采样测试，这 样对待测体的损害可想而知。对于体积比较小无法采样的设备，这种方法显然更是行不 通的。而且拉伸或者压力对于采样体的破坏容易造成实验误差从而破坏了整个实验要求 u 引。为此，国内外研究人员开发了一些设备，伴随着众多设备问世，对材料性能的测试 和计算方法，特别是断裂韧性的测定和计算，也有所改进。 1 2 1 压缩法 上世纪9 0 年代以来流行的纳米压痕法为测量材料纳微区性能提供了一条很好的途 径，但是该方法的使用限制十分严格，例如对使用温度和地面振动等方面的要求非常苛 刻；另外由于设备和技术等方面的原因，它并不能用于现场检测，也难以获得材料的局 部平均性能。为解决这个问题，近年来国际上有人借助于纳米压痕法的理论基础，开发 适用的新型设备和相应的理论方法u 4 】。 f a h m ym h a g g a g 等人与1 9 9 7 年做了用自动球状压痕( a u t o m a t e db a l li n d e n t a t i o n 即a b i ) 技术测量材料的局部力学性能的实验【1 5 】。a b i 已经用于测试很多结构金属的应 力应变行为，例如，铁素体钢，不锈钢，铝合金和电子焊料等等。其独特的测试技术 已经代替了金属材料的拉伸测试和钢的断裂韧性测试。a b i 测试提供了金属材料不同区 域主要力学性能的实际值，其值的准确性和可靠性已与传统的拉伸和断裂韧性测试结果 相比较，验证了其结果的可信性。1 9 9 9 年先进技术公司( 剐呛) 介绍了一款小型的、更 便捷应力应变测试( s s m ) 系统，已经在美国和欧洲等国家进行使用，该测试技术和 a b i 测试的结果已经通过了u sd o t 管道安全机构的认证，并可以在管道工业中应用。 2 0 0 7 年f a h m ym h a g g a g 在a t c 做了a b i 和s s m 系统相关的会议报告，报告中把a b i 实验数据与传统的拉伸和断裂韧性的实验数据进行了对比，验证了其实验的可靠性。 s s m 系统和测试方法是严格的建立在物理和数学关系基础之上的，它可以支配多轴压头 加载条件下的金属的行为【1 6 1 。 a b i 是一种没有破坏性的确定焊接件力学和断裂性能变化曲线的机械测试技术。 a b i 技术对于母材和焊缝的测试结果，与常规的有破坏性的拉伸和c h a r p y 试验中得到的 结果相比较，它有很大的优势【1 7 】。在焊接热影响区不同区域屈服和拉伸强度的变化曲线 与微剪切中的结果是一致的。屈服的最大值和相应的i e f 最小值距离熔合线l m m ，与 a s t m 标准的要求吻合。 材料的断裂韧性是进行断裂评估必要的性能参数。常用的做法是根据管材的冲击韧 性与断裂韧性之间的关系式进行估算。根据材料弹塑性断裂理论，材料的断裂韧性数据 可通过测量裂纹尖端位移换算得到( c t o d 法估算断裂韧性) 。实际上，断裂韧性的确 定通常是利用v 形夏比冲击功( c v n 法估算断裂韧性) ，通过经验公式换算得到【1 8 】。 h a g g a g 韧性测试方法( h t m ) ，是利用a b i ( 球压法) 进行测试，通过将测试开 始与压头达到临界深度的断裂能量结合到一起，根据公式1 1 1 1 3 确定其断裂韧性值 2 硕士学位论文 ( k j c ) 1 9 1 。其中临界断裂深度值，可以通过临界断裂应力或者临界断裂应变计算出。 临界断裂应力可通过公式1 1 3 算出。其中p m 是球型压头下的平均压力，k i c 是平面应 变断裂韧性。从公式中可以得到仃，既是最大压力( 1 1 p m ) ，最大压力随着a b i 深度的 增加而增加，当d t d = - 0 6 时，达到了临界断裂深度值。如果当d d = 0 6 时，还没有达到 最大压应力( d 是球型压头在试样表面处的弦直径，d 是球型压头的球直径) ，可以采 用临界断裂应变方式确定断裂能量，既根据经验得到的，应变的1 2 ，作为临界应变值 【9 】 o 。一0 2 d p 占p 一1 厂 ( 1 1 ) 4 p 铲币 “2 ) 西= 2 7 l f d 一啊2 ( 1 3 ) 寿2 彳( 矿 4 ， q2 尾a + b ( 1 5 ) i d e = j 圪( ) 砌 ( 1 6 ) p ：竺 耐 ( 1 7 ) 形= + ( 1 8 ) 严= 3 0 + 4 2 e ( w r ) ( 1 9 ) k j c ( m p d ) = 3 0 + 7 0 e 。1 9 m p a 厩m ( 1 1 0 ) 如向p d ) = 3 0 + 7 0 e o 0 1 9 ( r - r o - , 蝴d m p a 届m ( i 11 ) ( 下) = 2 1 5 1 5 c r 声( k s i ) f o r 3 6 k s i o y , 1 4 嗡 ( 1 1 2 ) 吩2 q 1 + 1 n ( 1 + 2 3 6 0 l k q l c ，= l 1 只 。3 ， 其中，0 为真塑性应变；d p 为塑形压痕直径；d 为球形压头直径；q 为真应力；p 为 压头上的载荷；万为系数，其值取决于压头下塑形区在各阶段的变化；h t 为加载过程中 总压痕深度；d t 为加载过程中总压痕直径；a 为材料的屈服参数；所为m e y e r 指数； q 为a b i 确定的屈服强度；尾材料的屈服斜率；b 屈服强度截距常数；形为j 积分断 裂任性能量；为下平台处的能量，3 0 m p a m ；形为与温度相关的能量；丁为测试温 度，单位。c ；五为k = l o o m p a m 时的温度；玩为平均动态断裂韧度。 a n a y e b i 等人于2 0 0 1 年用球状压痕技术来确定钢的力学参数【2 0 】。本方法给出了载 荷，压痕位移，变形应力和钢的应变硬化指数之间的关系。这种方法是建立在实验所得 曲线( 所加载荷一压痕位移曲线) 和所研究材料的机械性能函数理论曲线之间的误差极 3 焊接接头局部力学性能现场测量装置的研制 小值的基础之上的。通过比较推理方法获得的结果和拉伸实验的结果，确认出该方法的 有益之处。这种方法不像拉伸实验，它不需要对试样进行机械加工【2 1 j 。所加载的载荷f 和接触特性位移万在半径为r 的球形压痕中代表一个重要的材料的特性。球状压痕在实 验中得到广泛的应用，因为它们有相对简单的几何尺寸，而且理论上它们容易提供测试 材料弹性和塑性变形性能的基本资料。下面简单描述一下本实验的过程瞄】。实验装置示 意图如图1 1 示。这个压痕装置用来测量压得过程中f 一万曲线。可以从加载单元，位 移传感器和球状压头而获得。( 用一个d = 1 5 8 7 m m 的标准球状压头) 。 球状压头 试样 图1 1 压痕实验装置示意图 压痕深万用一个装在底座上的位移传感器来检测。用这个压痕装置测量的位移为 1 , u m 和力为i n 。载荷和位移同时记录得到加载曲线【2 3 】。在三个压痕以后，曲线平均在 零点以下来确定。作为一个数字模拟过程，最大压痕位移被控制在1 0 0 o n 之内。接着进 行有限元模拟计算，一个弹性压头压一个轴对称的半平面碳塑形钢在一般的接触时在有 限元模拟情况下边界条件，如图1 2 示。这个方法所提供的模型给出了根据加载而得到 均衡位罄 p 图1 2 几何和边界条件 4 硕上学位论文 的压痕位移变化万= 彳p 。，n ) f 烈。这个模型是建立在所提供模型和有限元仿真结果 之间最小的误差的基础上的1 2 4 】。从压痕位移载荷曲线可以得到钢的屈服点的力学参数， 仃j ，和刀。 b t a l j a t 等人于2 0 0 4 年用球状压痕技术及有限元模拟检测球状体在压痕过程中不同 的弹性模量、屈服应力、应力强化、元素与摩擦系数等材料的力学性能【2 5 1 。结果显示： 在球状压痕过程中，凸起部分一直在影响变形结果测试，甚至当变形完全发展到塑性阶 段时凸起几何体继续以一种影响接触面的方式改变。它仍表明接触摩擦影响凸起几何体 【2 6 1 。并且凸起部分在球面体加载前后大不相同。 美国c e t r 公司推出的最新a p e x 纳米压痕仪，如图1 3 ( a ) 所示。采用最先进的电 磁力传感器和三平板电容位移传感器，使力和位移测量达到极高分辨率。除此还有瑞士 的c s m 压痕测试仪器如图1 3 ( b ) 所示、英国精密材料纳米测量技术有限公司测试仪器如 图1 3 ( c ) 所示、岛津d u h - 2 11 2 1 1 s 超显微动态硬度计如图1 3 ( d ) 所示和目前世界最精巧 的现场压痕设备a i s 3 0 0 0 - 主体1 8 0 x 1 8 0 x 4 3 0 m m , 1 4 k g ，如图1 4 ( a ) 所示。 纳米压痕仪( n a n oi n d e n t e r ) ，可测极薄涂层的载荷一位移曲线。又叫做纳米硬度 计，纳米力学探针。其方法一般称为示值压痕法( i n s t r u m e n t e di n d e n t a t i o nm e t h o d ) 或深 度敏感压痕法( d e p t h s e n s i n gi n d e n t a t i o nm e t h o d ) 。一般都采用b e r k o v i c h 三棱锥压头， 载荷范围n n m n ，深度范围n m - p m 。o l i v e rw c 认为：“该技术会使我们对宏观性能的 理解前进一步，如同t e m 增进我们对结构的理解一样”。纳米压痕法已相对比较成熟， 并发展出了连续刚度测量法( c s m ) 2 6 1 。通过加入一个很小的交流信号起载波作用，可 以压入曲线的任何点测量接触刚度。纳米压痕发时间加工简单。测试设备已商业化。但 图1 3 国外力学性能测量仪器 ( a ) 美国c e t r 公司的a p e x 纳米压痕仪( b ) 瑞士的c 锄压痕测试仪器( c ) 英国精密材料纳米测量技术有限公 司测试仪器( d ) 岛津d u l l - 2 1i 2 1i s 超显微动态硬度计 5 焊接接头局部力学性能现场测量装置的研制 理论分析模型有待进一步改善。 除此，还有示值球形压痕仪( i n s t r u m e n t e db a l li n d e n t e r ，其采用的是直径0 5 3 o m m 的球形压头，其实验方法可称为示值球形压痕技术或示值球形压痕试验 ( i n s t r u m e n t e x l b a l li n d e n t a t i o nt e s t ，i b i t ) 。与纳米压痕仪不同的是，它采用载荷位移 传感器，可以连续记录随压痕深度变化的应力应变关系，最终获得人们所熟知的真应 力应变曲线。 中国中科院金属研究所新近的开发设备i b i l 型示值球型压痕仪：主体 1 3 0 x l o o x 3 0 0 m m ，5 k g ，如图1 4 c o ) 所示。 图1 4 示值球形压痕仪器 ( a ) 目前世界最精巧的现场压痕设备a i s 3 0 0 0 ( b ) i b i 1 型示值球型压痕仪 示值球形压痕技术( i b i t ) 的主要优点： 1 现场无损检测。只留下几十几百微米的压痕，能简单快捷地评价常规或高温高 压下材料的局部性能( 包括焊缝和热影响区) 。 2 可获得微区材料的各项力学性能。与棱锥或圆锥型压头相比，更容易获得材料的 各种力学性能，如屈服强度、应力应变曲线、应变硬变指数、强度系数、拉伸强度等。 3 可能获得更精确的结果。早期依据m e y e r 和t a b o r 关系，建立在试验观察和塑性 变形理论基础上。随着塑性增量理论发展和结合有限元技术，通过载荷位移曲线可获 得更精确的材料性能。如确定材料的应变硬化指数和屈服应力的误差为5 ，杨氏模量 为2 。 标准拉伸试验中，材料先弹性变形再发生屈服，然后加工硬化直到出现径缩。在球形压 痕中，弹性变形和塑性变形区分不明显，材料在压头产生的三轴压应力作用下，随压入 深度的增加，材料被迫流动。m i t 的一个基本途径是在被测试样的同一个测试位置进行 多次压痕试验，即在某一位置按照加载卸载再加载再卸载的顺序进行多次压入。载荷 随压入深度的变化近似线性增加。与单轴拉伸不同，对于每一个加载循环，测量压入总 深度h ，完全卸载后的残留塑性深度h f ( 利用计算程序确定每个卸载循环的斜率，此卸 载线和零载荷线的交点即为h f ) ，所加载荷p 。利用这些初始数据，就可以确定材料的 各种力学性能，如：拉伸强度、屈服强度、强度系数、硬化指数以及应力应变曲线等， 如图1 5 所示【1 4 】。以上设备虽说有其使用优点，但其安装要求：l 、尽量避免振动；2 、 尽量避免风音。这就体现了其装置的局限性。 6 硕十学位论文 压曩耀晨，m 嘲 图1 5 典型的载荷位移压痕曲线 1 2 2 平面压头测量法 2 0 0 3 年m s c i b e t t a 等人用平面压头作了硬度测量的试验，这是一种新颖的测量方法 【2 7 1 。本方法用这种特殊的压头研究硬度和变化的应力之间的关系。他们发现一些具有 特性的用硬度试验测出的力学值与屈服和拉伸强度有很大的关系。试验装置如图1 6 ( a ) 示，这种平面压头试验比一般的球状压头所作的试验的曲线有很大的进步，如图1 6 ( b ) 所示，从做出的曲线可以清晰的看出弹性和塑性行为的转化。 图1 6 平面压头拉伸试验机 ( a ) 平面压头装在传统试验机上( b ) 材料的载荷位移曲线 1 2 3 硬度隐射法 2 0 0 5 年兰州理工大学材料重点实验室提出一种评价焊接接头力学性能的方法【2 引。 从管线钢的低匹配焊接接头取试样进行硬度测量，拉伸试验。根据已有的材料硬度值和 强度的关系确定其屈服应力。最大载荷处的真应力和加工指数。从而利用焊接接头的硬 度分布得到其对应各区域的局部材料力学性能。然后，利用有限元分析模型，计算相应 试样的屈服强度和抗拉强度，与对应拉伸试验的结果进行对比表明，这种方法评价力学 性能不均匀焊接接头强度的精确度为+ 4 0 m p a t 2 9 1 。 通过硬度隐射试验，结合硬度值与材料强度的关系，确定焊接接头各区域的局部力 学性能。用这种方法确定力学性能不均匀的焊接接头强度，利用了硬度与强度公式，而 它是一种经验关系，随材料种类的不同存在一定的差别，其准确性直接影响着最终的分 析精确度【3 0 1 。硬度实验中容易引起压痕周围堆积，且有摩擦，对预测的局部机械性能的 7 焊接接头局部力学性能现场测量装置的研制 准确性大打折扣，所以，我们有必要寻求更好的方法来解决。 1 2 4 微拉伸法 1 9 9 9 年d a l a v m l 用微拉伸法作了焊接金属的局部力学性能试验【3 1 1 。微拉伸试样 是一个尺寸规格为2 0 0 a n 方形截面件；它用一个新颖的小型拉伸机进行试验，用9 0 牛 顿的载荷和气垫轴承来移动的夹具如图1 7 ( 5 示。4 5 个被测的试样是从低匹配的厚度为 5 0 8 m m 的h y 1 0 0 钢的多变化焊接体上得到。在每三个正交方向的三个试样是在代表 五个不同微结构的位置选取。在这种方法中得到的局部模量，屈服强度，最大强度和伸 长量与a s t m ( a m e r i c a ns o c i e t yf o rt e s t i n ga n dm a t 舐a l s ) 中定义的一到3 1 】。微小试样 法准备过程和操作过程相当复杂，试样要求很高，如图1 7 ( b ) 示。 图1 7 微拉伸试验 ( a ) 微拉伸试验装置( b ) 试样草图 在后续处理过程中用到很多方面的知识，在实际工程中应用不够理想。微小试样法， 对具体研究非均匀的和各向异性材料的局部性能是一个很有价值的方法。这种方法能给 出在任意方向选取的小区域的真实机械性能，利用直接测试应力应变曲线。低匹配 焊接件中一些位置的机械性能随着方向的不同而变化很大。而最大应力，屈服应力和伸 长变形量一般与微硬度有关，从微硬度数据中准确预测这些性能是很难的。微硬度试验 不能测出不同方向上的差异【1 2 】。 1 2 5 微剪切法 1 9 9 7 年x p z h a n g 和l d o m t 用微剪切的方法预测了管线钢焊接接头的局部力学性 能p 2 。微剪切法已经用于研究a p i x 6 0 管线钢的局部力学性能分布和焊接接头的性能， 包括微剪切强度，微剪切塑性和微剪切硬度。由于微剪切试验可以直接给出焊接接头的 强度分布数值，对焊接接头的断裂韧性试验和裂纹扩展驱动力的计算是十分重要的基本 数据。可以设想，这种也可以用于确定异种材料接头的界面结合强度，或重要在役设备 材料性能退化的监测上，由于试样尺寸小，又和常规拉伸试验结果有很好的相关性，不 仅试验结果可信，试验成本低，而且有其它方法无法替代的优点。 一般情况下，试样需从大块材料中切取。而这种方法对确定非均匀材料的局部机械 性能分布有很多的好处；也就是说这种方法更适于焊接接头中成分变化大的部分的机械 性能。发表的论文已估算了焊接管线钢的实际焊接接头的局部机械性能分布。一方面， 硕士学位论文 这个结果能用来指导焊接材料选择的最优化和焊接可调性，等等；另一方面，可当作重 要工程机构的断裂分析和安全估算的基本依据【3 3 j 。 在微剪试验中，所用的试样一般都很小，而且是从大块的材料或结构上取下来试验 的。这种方法对确定非均匀材料的局部力学性能有很多的好处：也就是说这种方法可以用 来研究成分变化很大的焊接接头的力学性能。而且，微剪切方法对于检测一些重要的工 程结构，例如，压力容器和