小冲杆试验法对材料力学性能的研究摘要

1、小冲杆试验法对材料力学性能的研究摘要小冲杆试验技术是采用微小试样评定材料力学性能的一种新的测试方法。小冲杆试验技术不仅在抗拉强度、屈服强度和高温蠕变等领域取得了较大的发展，还促进了相关学科的发展。试验所选用的小冲杆试验机在核工业、石油化工以及航空航天方面的应用前景是非常广阔的，适用于不能取出传统试样或取样不是非常经济的场合，主要用来测定材料的力学性能，同时利用Origin制图软件对试验得到的数据进行曲线拟合进而求出蠕变参数。关键词：小冲杆试验；力学性能；曲线拟合；蠕变参数AbstractSmall punch test technique is to use a material assess

2、ment of the mechanical properties of small samples of new test methods. Small punch test technology not only in tensile strength, yield strength and high temperature creep and other fields has made great progress, but also promoted the development of related disciplines. Test the selected punch test

3、 machine in the nuclear industry, petroleum chemical industry and potential applications in aerospace area is very broad for traditional sample can not be removed or sampling is not very economical occasions, mainly used for measuring mechanical properties of materials , while using Origin graphics

4、software for test data obtained by curve fitting and then find the creep parameters.Keywords: small punch test; mechanical properties; curve fitting; creep parameters.目录上海师范大学本科毕业论文诚信声明（设计）I上海师范大学本科毕业论文（设计）选题登记表II上海师范大学毕业论文（设计）指导记录表IV摘要V1绪论12小冲杆试验法原理及存在的问题22.1 试验材料的选取22.2 小冲杆试验法原理32.3 小冲杆试验法实验装置32.4

5、 试验法存在的问题72.5 试验法研究的目的73 小冲杆试验法的试验过程84 小冲杆试验法在评定材料性能方面的进展134.1 对材料强度的研究134.2 对蠕变性能的研究165 结论236 展望24致谢25文献典籍26VII1绪论小冲杆试验（又称小冲孔试验）技术诞生至今已近30年，期间在理论和应用研究等方面都发展迅速，并慢慢地成为相关领域研究的热点之一，受到了很多国内外学者的一直关注。金属构件在航空航天和石油化工这些行业的服役环境是比较恶劣的，比如高温、腐蚀和辐射等环境，因此对安全性方面的要求很高，也使在役构件寿命评价的研究变得越来越重要。传统的检测方法主要有两种，一种是无损检测，另外一种是取

6、样试验。但是这两种方法都有一些不足之处，例如前者操作简单，但是所得到的数据不是很精确；后者方法可靠，但是因为取样的尺寸比较大这将导致设备受到损伤，可能会造成使用年限缩短或者设备报废的后果。传统方法中的无损检测方法是一个对材料进行测量、检验和分析的科学，当然这还需要一个前提，那就是不破坏检测对象，这种科学是完全可以应用在科研和工程技术的所有方面的。尤其是无损检测新技术，这种新技术是与安全评估技术相结合的，例如：与微电脑技术相结合的智能化和自动化检测和安全评估电站设备方面；锅炉和压力容器构件的声发射检测和安全评估方面；利用金属磁记忆检测系统评估铁道材料的和长输管线的安全性方面。这种新的技术在很多现

7、代科技的部门都有在使用。小冲杆试验技术是一种新的评定材料力学性能的测试方法，因为这种方法是采用微小试样来对材料的力学性能进行评定的。这种方法具有双重优势，那就是“几乎无损”和“取样方便”，因此这种方法很适用于那种取样不经济或者不能取出试样的环境。小冲杆试验技术在材料力学性能领域取得了长足发展，它现在已经不仅仅是一种简单的测试方法，也是一种重要的科学研究手段。可以预见，随着计算机技术及测试技术的发展，小冲杆试验技术的研究将会取得更多的成果，并将对科技发展发挥重要作用。虽然小冲杆试验技术在理论和应用等方面已经取得了重要进展和成绩，但仍处在快速发展阶段，与传统拉伸试验等其他测试方法相比理论体系还不够

8、完善，而且在一些领域的应用尚处在探索和发展阶段。因此，这项技术的研究发展还需要更多的支持。近年来，越来越多的国内学者对小冲杆试验技术产生了较为浓厚的兴趣，然而目前很少见到相关参考书籍，本文仅结合作者两年的试验研究心得和研究成果，详细阐述了高温蠕变的试验系统、试样制备、试验操作、试验结果处理及应用，并指出目前该技术存在的主要问题，分析了该技术在各个工业领域的应用并预测了该技术的发展方向。2小冲杆试验法原理及存在的问题2.1 试验材料的选取 单一的分子、金属等材料现在已经很难满足逐渐增长的物理性能和力学性能方面的要求。为了克服在性能上面的局限性，充分发挥各种材料特性，越来越多的人们开始根据不同的材

9、料按照一定的方式、比例结合成复合材料进而充分发挥组成材料的优良特性。高纯钛具有良好的塑性，因为它的比重小，但是比强度和强度却很高，所以是航天工业的理想材料。它的另一特点是在高温下能保持比较高的比强度。钛合金的密度一般在4.5g/cm³左右，是一种重量轻强度高的金属。当钛合金在海水介质和潮湿的大气中工作时，它的抗蚀性远胜于不锈钢，对碱、酸和氯化物等有优良的抗腐蚀性能，因此是石油、航海、化工等工业迫切需要的材料。小冲杆的试样加工要求比较高，因此试样材料必须要保证是表面光滑的试样。如果要消除杂质和组织不均匀对试验带来的影响，那么就必须要保证试样具有表面光滑和体积小的特点，光滑小试样由于体积

10、小、表面光滑，可以减少杂质、宏观缺陷和组织不均匀对试验带来的影响，这样也能够保证测定的试验数据较为集中，也能够更好地反映材料的力学性能。各个国家最初开始设计的试样尺寸并没有比较多的理论作为依据，把试样设计为直径3mm也是为了更好地节省费用，同时使试样用于试验时更加方便。小冲杆试样形状主要以圆片或方片为主，但是圆片更加地较为常见，小冲杆试验所用试样尺寸极小（圆形试样直径或方形试样边长尺寸为310mm、厚度在0.250.50mm）。本试验系统采用圆形试样，是因为圆形试样加工更为方便，本文所选用的试验材料为Ti60，图示2-1如下。图2-1 Ti60材料图2-1 Ti60圆片试样2.2 小冲杆试验法

11、原理小冲杆试验法的原理是利用小冲杆以恒定的载荷冲压试样，并且通过计算机记录试样从开始弹塑性变形到最终失效的整个过程的载荷-时间（或变形挠度）数据和曲线，根据实验曲线图和实验数据得到最大变形、最大位移、最大负荷、最大温度等数据，并借此分析材料强度、塑性和蠕变性能。2.3 小冲杆试验法实验装置 本文所叙述的小冲杆试验方法所使用的蠕变试验机是ZRWS-K1小冲孔试验机，它的主要系统组成为主机、防氧化装置、加热及冷却系统、数字控制器、温度控制系统、计算机控制单元及交流调速系统。试验机是一个由上横梁、中台板、底板和两根立柱支撑起来的框架，在高温电炉的下方安装有测力传感器，它固定在压管上，在中台板和底板上

12、安装着加载驱动系统。加载驱动系统的构成主要有交流伺服电机、涡轮蜗杆减速机、滚珠丝杠、压管支撑筒和导向装置。在工作的时候交流伺服电动机通过齿形带带动涡轮蜗杆减速机进行转动，减速机输出轴与滚珠丝杠相连，滚珠丝杠是被一对深沟球轴承和一对推力球轴承固定在压管支撑筒上的，加载压杆被固定在滚珠丝杠的螺母上。在压管上安装一个导向臂，其上装有两个轴承，可沿固定在机架中台板上的导向杆上下移动，但不能转动，这就使得当滚珠丝杠旋转时，加载压管只能上下运动，而不发生转动，进而实现载荷的加载。加载方式主要有两种：顶加载和底加载。这两种加载方式各有其优点和缺点，尽管底加载方式加载方便，并且加载精度易于控制，但顾虑到是在氩

13、气保护条件下进行的试验，使用底加载方式时氩气保护的密封比较难于实现，因此决定采用顶加载方式。顶加载方式有两种：垂直加载和杠杆加载。效果直接和加载方便是垂直加载的优点是加载方便，但载荷不宜过大。鉴于本文试验载荷为480N和600N，载荷较小，故本试验采用垂直加载方式。工作时由计算机给出指令，通过交流伺服系统控制交流电机的转速和转向，控制精度高，传动平稳。该结构通过两个圆柱形支杆作为支撑点，试样放在夹具上后，通过定位销将压帽定位。夹具体开有钢球回收通道，一边试验结束后回收压球；夹具体开有气孔，以便保护性气体充分进入夹具内部，有效防止试样氧化，夹具采用特殊材料制造，即耐高温又能满足机械性能要求。本试

14、验机的测量控制系统采用的是长春机械科学研究院有限公司研制的KWZ型数字控制器，其中负荷测量采用的是高精度负荷传感器，变形测量采用的是光栅传感器。KWZ型数字控制器具有负荷、变形、位移的测量和控制技能，它与交流伺服驱动器组合在一起，对加载机构的交流伺服电机进行控制。拉杆移动到上下极限位置时，控制器和交流伺服系统会控制电机停止转动，并有蜂鸣器发出声音报警；当向相反方向移动时，操作有效。小冲杆蠕变试验是在高温下进行的，因为所选用的微型试样很薄，所以不能忽略高温氧化对试验结果的影响，因此需要在试验过程中通入氩气来对试样进行保护。在电加热炉升温之前以2L/min的流量往电加热炉内连续通入约30分钟的氩气

15、，以避免试样出现高温氧化的现象，从而进一步确保小冲杆试验结果的正确性。防氧化装置试验夹具装配在一个石英管中，石英管内部配置试样夹具和试样，它的上端装配在上定位套内，不采用密封，下端装配在台架的下支撑板上面，石英管两端做适合的密封，下端设置有通入氩气的接口，用来排除石英管内的氧化性气体，防止试样被氧化。加热及冷却系统加热装置采用高温炉，炉体为圆柱形对开式，置于试验机空间内；试样变形尺寸微小，高温炉采用一段电阻丝独立加热，在小于1000摄氏度的恒定温度下可连续长时工作。测温热电偶灵敏度高、控制温度准确在高温炉与测力传感器之间设置冷却水套，具有足够的容量进行热量交换，确保负荷传感器正常工作；高温炉上

16、部设置隔热板，利于热量的扩散。其设备主要包括：电炉、石英玻璃管、紧固螺钉、冲杆、试样、陶瓷球、底座、立柱（两根）、上定位套、上支撑板、下定位套、下支撑板、下密封套、支撑座、上夹具、下夹具、挡板、位移传感器、蠕变机、计算机、氩气瓶等主要器材。如图2-3所示。图2-3 氩气瓶图2-4 电炉图2-5 蠕变机图2-6 传动机构2.4 试验法存在的问题因为其新颖的微小试样及近乎无损取样的优势，小冲杆试验技术得到了越来越多的国内外学者的重视。但是由于目前小冲杆试验装置不尽相同，试验的环境条件也是各有差异，这些因素都对研究者信息的交流分享产生了不便，也更加不利于该方法形成一系列的行业标准。试样的尺寸对试验结

17、果影响较大，尤其是试样厚度合理的尺寸精度是保证试验可重复性的重要手段。当尺寸偏差超过±2%时，试验失去可重复性，也就是数据无效。因此为了确保试验数据的有效性，尺寸偏差应限制在±1%以内，如果无法达到此精度，可允许大于±1%，但绝不允许大于2%。在试验过程中，不同研究者所选用的试验温度、加载速率以及氩气的流量各不相同，而这些环境因素均对实验结果存在不同程度的影响。2.5 试验法研究的目的因为核工业设备的逐渐老化，材料的性能测试就随之变得越来越重要。因为制样取样的限制，导致性能测试变得较为困难，小冲杆试验法采取微小试样解决了这一大难题，而且逐渐发展到传统制样取样及试验

18、条件限制而无法进行试验的场合，由试验研究走向工程科研，并且会得到越来越广泛的应用。3 小冲杆试验法的试验过程首先打开电脑和蠕变机，打开应用软件，旋转蠕变机右下角的旋钮调到这个页面，然后轻按按钮，然后会出现“联机准备”的字样。如图3-1、3-2所示。图3-1 蠕变机开机界面图3-2 等待联机界面轻按按钮之后，双击页面上的系统状态，在弹出页面点击确定。如3-3所示。图3-3 电脑联机界面检查已经连接好的试样夹具连接是否紧固，将试样用砂纸打磨后，放入上夹具中，将压球放入试样的中心，单手托着上夹具，用食指送入倒立的下夹具中，然后将下夹具放正，将下夹具安装在下压杆上，旋转至完全贴合为止。使用棉绳将反馈元

19、件绑在下夹具上面，并保证元件头部贴合在下夹具上面。然后石英玻璃管与上压杆从试验机顶部进行安装，并用螺栓将上、下模连接紧固，同时使用旋钮调节冲杆与上压杆之间的距离，距离过大会导致试验加载到预负荷的时间过长，距离过小或至贴合，则会产生负荷，影响试验结果。将电炉合上并扣紧，在电炉与石英玻璃管的上下缝隙处塞入棉花，隔绝散热。将隔热板装上，有利于热量的扩散，之后将冷却水套进行连接，进行热量交换，形成与水箱的回路。并将水箱通电，检查水套与试验机连接处是否漏水。然后连接氩气瓶与台架上面的导管，氩气钢瓶出口装有气体流量表，可以调整和控制氩气流量并打开氩气瓶至1-3g/ml，在电加热炉升温之前以2L/min的流

20、量往电加热炉内连续通入约30分钟的氩气，以避免试样高温氧化，如下图3-4、3-5所示。图3-4 隔热板图3-5 氩气用量点击“设置文件”设置新的文件。设置新文件之后，填写相应的条件与试验参数，并注明操作人，然后点击“确定”存储试验参数，在弹出的页面点击“清除缓冲区”。如下图3-6所示。图3-6 清除缓冲区在蠕变机上面旋转旋钮将负荷、变形、位移清除为零。（通过Bs按键调到下一个页面）如下图3-7所示。清除缓冲区之后，点击“试验开始”。等待约20分钟左右，电脑页面显示由“预加负荷”到“正在升温”，按下蠕变机上绿色加热按钮，试验继续进行。图3-7 蠕变机清零当试验进行到末尾，压杆移动到上下极限位置时

21、，控制器和交流伺服系统会控制电机停止转动，试验结束后，将环境装置断电降温，关掉主机电源、计算机电源、温控及控制器电源。4 小冲杆试验法在评定材料性能方面的进展4.1 蠕变的基本理论 本文采用了试验过程中的两个典型的试验作为例子进行介绍蠕变。在一定的温度下，金属受到持续应力作用的情况下而产生缓慢的塑性变形现象即为蠕变。蠕变是材料温度激化的结果，温度对金属材料力学性能的影响较大，随着温度升高，材料强度降低而塑性增加。在高温下，载荷持续时间对材料力学性能也会产生影响。因此，在高温下工作的材料力学性能与温度和时间两个因素有关。所谓高温，是指金属的服役温度超过了它的再结晶温度（约0.4Tm0.5Tm，T

22、m为熔点）。在高温的情况下，构件的变形与损伤是一种复杂现象，它主要依赖于时间和空间多轴应力状态。与此同时，蠕变是一个随着时间积累的过程，当进入蠕变破坏温度的时候，损伤就将会不断地积累，并且随着温度的逐渐升高，损伤的速度也将会呈现明显的一个加速趋势。在这样的高温下长时服役的金属，其微观机构、变形和断裂机制都会发生变化。在小冲杆的试验过程中，我们使用最小二乘法曲线拟合来确定数据。曲线拟合意指用连续曲线来近似地描绘离散点组代表的坐标之间的函数关系，就是使用表达式的方式来逐渐逼近那些离散的数据。实践中的离散点组或数据往往是有关量的多次观测值或者实验值，它们是比较零散的，不规则的，不但不便于处理，而且不

23、能充分体现其固有的规律。曲线拟合的方法也就是求出一条这样的曲线，使数据点均在这条曲线的附近，它不仅能够反映离散数据的总体分布，还不会出现较大的波动，使求得的逼近函数与已知函数从总体上来说其偏差达到最小。4.2 对蠕变性能的研究与传统试验相比较，小冲杆试验法具有很多独特的特点，比如用料少、设备小、测定特性时间短等特点。这种方法在测定材料的蠕变性能方面尤其是高温蠕变性能方面取得了很大进展。在低载荷水平下试样中心挠度曲线的三个阶段非常明显，第一阶段对应的是蠕变速率的逐渐缓慢降低，第二阶段为稳态阶段，其速率近似为常数，第三阶段为加速阶段，速率剧增，并最终导致试样破裂。如下图4-1、4-2所示。从蠕变变

24、形机制方面，也可以对蠕变的三个阶段作如下解释：在蠕变的第一个阶段，由于在施加载荷的瞬间从而产生大量位错并且出现了滑移运动，因此产生了快速变形，之后随着应变的逐渐硬化而减速，这就导致了曲线中第一阶段的斜率变小。蠕变的第二个阶段可以解释为是应变硬化和损伤弱化之间的平衡现象，就是位错缺陷产生进而强化和位错缺陷消失进而软化的速率近似相等，这就导致了几乎不变的蠕变速率。在蠕变的第三个阶段则是由蠕变开裂的机制所确定的，材料内外的损伤开始起影响作用，空洞或裂纹开始逐渐产生，导致了载荷抗力的减小或净截面应力的增加，并与第二个阶段的损伤弱化的过程相耦合，因此第二各阶段所取得的平衡现象便会破裂，进入第三阶段的速率

25、快速增长阶段。图4-1 变形-时间图图4-2 变形-时间图本文选用的Ti60材料进行小冲杆蠕变试验，这种材料广泛应用于蒸汽发生器等高温设备上面，进行的小冲杆蠕变试验中运行温度为600，载荷分别为480N和718N。试验过程中保持载荷和温度恒定。小冲杆试样变形可以分为两种形式：弯曲变形和薄膜伸张变形。载荷和最小速率之间的关系可以用Norton公式来表示：min=A·Fn式中A为蠕变参数，F为载荷，代表速率。对公式两边分别取对数可得：log10min=log10A+log10Fn由上述的两个试验经过制图软件Origin可以分别求出最小速率（Origin的前提条件是同一温度下不同载荷），上

26、述公式可求得n=1.0653,A=8.0213×10-5。如下图4-3、4-4所示图4-3 Origin拟合图图4-4 Origin拟合图以上两幅图是经过Origin直线拟合所得到的，Origin主要有两大功能：数据分析和绘图。Origin的数据分析包括信号处理、峰值分析、图像处理、曲线拟合和统计等各种数学分析功能。将数据准备好后，进行数据分析时，只需要选择需要分析的数据，再选择需要的菜单命令即可。用户可自定义数学函数、绘图模板，可以和各种图像处理软件连接。 5 结论本文的计算结果，对制定相应的小冲杆试验的标准与规范提供了技术参考，可以通过控制样品和试验装置的制作，制定小冲杆试验的相

27、关标准。文章对Ti60材料进行特定温度和载荷下的小冲杆蠕变试验，得到Ti60材料的小冲杆蠕变Norton参数，证明小冲杆法能够得到材料的蠕变性能。从叙述试验材料的选取到小冲杆试验法的原理、试验装置，从选取材料的原则到试验装置的功能作用，同时探讨了小冲杆试验法的存在的一些问题和展望前景及研究目的来系统描述了试验法的可取之处，之后通过一系列的规范严谨的步骤来描述小冲杆试验法的试验过程，使整个过程完善无缺，最后通过最小二乘法曲线拟合和Origin制图软件的分析以及Norton公式求得蠕变参数。 6 展望到目前为止，对小冲杆蠕变的研究，不同实验室得到的结果都不太一样，但至少都证明了小冲杆试验法可以合理的测试材料的蠕变性能。试样厚度、压球