在役承压设备金属材料小冲杆试验方法

1、 J 04 备案号: 在役承压设备金属材料小冲杆试验方法 第二部分:室温下拉伸性能的试验方法Metallic material- Small punch testing for in-service pressure equipment Part 2 Tensile testing at room temperature 在提交反馈意见时,请将您知道的相关专利连同支持性文件一并附上发 布中 华 人 民 共 和 国 国家质量监督检验检疫总局目 次前 言 . 11 范围 . 22 一般要求 . 2 2.1试验温度 . 22.2试验环境 . 23 符号说明 . 24 试验要求 . 2 4.1试验加载

2、过程 . 24.2试验速度 . 35 试验获得的数据及试验记录 . 3 5.1最大载荷 F max . 4 5.2屈服载荷 F P . 4 5.3断后试样厚度 h f . 45.4载荷位移曲线 . 46 试验数据处理 . 4 6.1小冲杆载荷位移曲线分析 . 4 6.2屈服载荷 F P 的确定 . 4 6.3屈服强度的确定 . 5 6.4抗拉强度的确定 . 6 6.5与常规断后伸长率 A 的关联 . 6 6.6与常规断断面收缩率 Z 的关联 . 66.7不合格数据点的去除 . 67 测试报告 . 7参考文献 . 7前 言GB/T ×××××&#

3、215;××在役承压设备金属材料小冲杆试验方法规定了在役承压设备金属材 料力学性能测试的小冲杆试验方法, 并推荐了试验结果与传统力学性能试验结果的关联方法。 本标准为 第 2部分:第 2部分:室温下拉伸性能的试验方法。本部分参考了 CWA 15627:2006(E 小冲杆常规力学性能测试(欧洲标准化委员会国际标准 草案、 ASTM F2183-02 用于外科植入的超高分子量聚乙烯小冲杆试验的标准试验方法和金属材 料室温拉伸试验方法 (GB/T228的有关技术内容,并结合国内的实际情况和研究成果制定。本部分由全国锅炉压力容器标准化技术委员会提出。本部分由全国锅炉压力容器标准化

4、技术委员会(SAC/TC 262归口。本部分起草单位:中国特种设备检测研究院、华东理工大学、南京工业大学、江苏省特种设备安全 监督检验研究院。本部分主要起草人:关凯书、徐彤、袁彪、凌祥、王志文、李立群、丁克勤、贾国栋。本标准是首次制定。1 范围本标准规定了获得材料常温拉伸性能的小冲杆试验方法的符号说明、 试验要求、 试验记录、 试验数 据处理和试验报告。2 符号说明本标准使用的符号和相应的说明见表 1。表 1 符号和说明符 号 单 位 说 明F p N 小冲杆试验屈服载荷R el MPa 常规拉伸试验屈服强度R p MPa 常规拉伸试验非比例延伸强度R m MPa 常规拉伸试验抗拉强度A %常

5、规拉伸试验断后伸长率h f mm 小冲杆试验断后试样厚度u max mm 小冲杆试验最大载荷时代位移Z %常规拉伸试验断面收缩率Z SP %小冲杆试验断面收缩率E MPa 弹性模量3 一般要求除了符合 GB/T - 总则的要求外,还应符合本标准。3.1 试验温度除有特殊要求外, 试验应该在 1035°C的室温下进行。 对温度要求严格的试验, 温度应为 23±0.5°C。 当试验温度下降或者上升时,小冲杆试验的总体原理对试验还是适用的。3.2 试验环境试验应在实验室中进行。当有恶劣的环境时,应有特殊的预防措施。4 试验要求4.1 试验加载过程通过放置在试样上的钢珠或

6、冲杆的冲头, 对试样的中心施加向下的载荷, 试样的变形随载荷的增大 逐渐增大, 直至破裂, 其示意图见图1。 记录试样薄片从变形到失效整个过程中的加载载荷和位移数据, 生成图 2所示的载荷位移曲线,通过对此曲线的分析和经验关联换算,获得材料的各项常规拉伸性能 指标。图 1 试样装夹及加载过程示意图 冲杆 上夹具小钢珠 试样下夹具I 弹性弯曲变形区域(试样中心区域达到局部屈服II 弹塑性弯曲区域III 塑性薄膜伸张区域IV 塑性失稳区域图 2 载荷位移曲线试样中心点下压位移 (mm4.2 加载速度应该选择适当的加载速度进行试验, 从而使得应力和应变速率在常规拉伸试验所规定的加载位移速 度界限之内

7、。 试验过程应该采用位移控制的加载, 加载过程保持速度恒定, 推荐加载过程中冲杆的轴向 位移速度控制在 0.20.5mm/min范围内。5 试验获得的数据及试验记录试验获得如图 2所示的载荷位移曲线,这一曲线包含了弹塑性变形以及材料力学性能的信息。其 主要参数如下:5.1 最大载荷 F max试验过程中所记录的最大载荷值。5.2 屈服载荷 F P当试样从弹性变形阶段到屈服变形阶段所对应的载荷拐点值。5.3 断后试样厚度 h f在断口起裂部位测试断口的最小厚度为试样断口厚度,测试位置见图 3。图 3 断裂后试样厚度 h f断口5.4 载荷位移曲线试验应记录如果图 2所示的完整的载荷位移曲线。6

8、试验数据处理小冲杆试验无法直接得到材料的拉伸性能, 需要根据载荷位移曲线上的屈服载荷、 最大载荷、 试样 轴向变形量(冲杆位移和试样断口厚度数据,采用经验公式关联换算出所测试样的拉伸性能。 6.1 小冲杆载荷位移曲线分析试样前后经历四个变形阶段:(I 弹性弯曲阶段(试样中心区域达到局部屈服; (II 弹塑性弯 曲阶段;(III 塑性薄膜伸张阶段;(IV 塑性失稳阶段。上述四个变形阶段大致表示在图 2中。从小 冲杆试验中试样的载荷位移曲线看, 小冲杆试验起始加载时试样处于弹性弯曲变形状态, 不同半径处 的弯曲应力不相等。 当试样上某一点的材料刚刚达到屈服状态时, 试样上其它点仍处于弹性状态; 随

9、着 继续加载时屈服范围加大, 进入弹塑性弯曲状态和塑性弯曲状态; 再加载则逐步进入全塑性的薄膜拉伸 状态。 所以小冲杆试样不存在一个能与单向拉伸试样类同的显著的屈服点, 表现在载荷位移曲线上是 一个过渡的屈服弯曲线段。因此从物理意义上来讲,小冲杆试验载荷位移曲线上的 F P 点应该是表征试 样变形方式从弹性弯曲变形向塑性弯曲变形过渡阶段中某一具有象征意义的特征转折点, 即在载荷位 移曲线上,它是载荷位移曲线上屈服弯曲段内的某一点。6.2 屈服载荷 F P 的确定通过小冲杆试验获得载荷位移曲线 F(u 后,利用最小二乘法通过点 A 和点 B 定义以下两个方程(图 4:+=BA A A AB A

10、B A A A u u u f u u u u f f u u u u f u f (0 ( (1 使 达到最小。 du u f u F err =B u 02( (误差 式 (1中第 1个方程是试验第 I 阶段弹性弯曲阶段的线性拟合方程。第 2个方程是试验第 II 阶段弹塑性 弯曲阶段中前段的线性拟合方程。两线性回归方程的交点横坐标 u A 是第 I 阶段拟合方程的终点,也是第 II 阶段拟合方程的起点。 u B 是第 II 阶段拟合方程的终点。 u A 及 u B 可以用来计算两阶段拟合线性方程的斜 率。通过交点 A 作 u 轴的垂线,该垂线与原始记录曲线的交点所对应的纵坐标值即可视为试样

11、的屈服载 荷 F p 。用 u B =h(h 为试样厚度来大致确定第 II 阶段线性方程的终点。根据方程(1,通过改变 f A 、 u A 、 f B ,使方程 f(u的曲线和试验曲线 F(u达到最好的吻合,此时屈 服载荷可确定为:F p = F(uA 。 图 4 屈服载荷的确定方法6.3 屈服强度的确定根据研究结果, 小冲杆的屈服载荷与材料单向拉伸试验获得的屈服强度之间存在线性关系, 这为建 立二者之间的经验关系式提供了基础。 由于是经验关联, 需要对大量的材料同时进行标准试样的拉伸试 验和小冲杆试验,分别得到材料的屈服强度 R el 和小冲杆载荷位移曲线上的屈服载荷。然后建立坐标 对二者进

12、行回归。以 F p 为横坐标,以 R el 为纵坐标,将所测数据分别输入坐标中,根据最小二乘法拟合 出一条直线,建立如下方程:11b F R R P el += (2从而建立小冲杆的屈服载荷与材料常规拉伸屈服强度的对应关系, 进而可以根据小冲杆测试结果估算材 料的屈服强度。 R 1和 b 1是与小冲杆试样几何尺寸有关的常数,需通过对大量材料的标准试样拉伸和小 冲杆试验确定 R 1和 b 1值。6.4 抗拉强度的确定根据研究结果, 小冲杆的最大载荷与材料的抗拉强度之间同样存在线性关系。 根据小冲杆载荷位 移曲线上的最大载荷 F max 值与标准拉伸试验得到的抗拉强度 R m 进行线性关联,具体方

13、法与 6.3节中确 定屈服强度的方法类似,建立坐标对二者进行回归。以 F max 为横坐标,以 R m 为纵坐标,将所测数据分 别输入坐标中,根据最小二乘法拟合出一条直线,建立如下方程:2max 2b F R R m += (3从而建立小冲杆的屈服载荷与材料常规拉伸屈服强度的对应关系, 进而可以根据小冲杆测试结果估算材 料的抗拉强度。 R 2和 b 2是与小冲杆试样几何尺寸有关的常数,亦需通过对大量材料的标准试样拉伸和 小冲杆试验确定 R 2和 b 2值。6.5 与常规断后伸长率 A 的关联材料断裂后伸长率 A 是材料塑性指标,在小冲杆试验所获得的信息中,仅有试样中心点位移 u 值 能反映材料

14、的塑性大小。可以根据试样中心点位移 u max 与材料的断后伸长率 A 进行关联,建立如下方 程:3max 3b u R A += (4R 3和 b 3是与小冲杆试样几何尺寸有关的常数,亦需通过对大量材料的标准试样拉伸和小冲杆 试验确定 R 3和 b 3值。6.6 与常规断面收缩率 Z 的关联断面收缩率是另一个材料塑性指标, 通过小冲杆试验可以获得试样断裂后厚度 h f , 利用断面收缩率Z SP 即断裂后试样厚度的最大缩减量 (h f -h 与原始厚度 (h 之比的百分率关联常规断面收缩率 Z 。即 h h h Z fSP = (544b Z R Z SP += (6R 4和 b 4是与小冲

15、杆试样几何尺寸有关的常数,亦需通过对大量材料的标准试样拉伸和小冲杆试验 确定 R 3和 b 3值。6.7 不合格数据的去除试验中如果出现非正常数据, 应该进行分析, 如果是设备故障或测试材料的缺陷引起的, 应该作为 无效数据处理。7 试验报告试验报告一般应包括下列内容:a 采用标准编号;b 试样信息:材料名称、牌号、标识、原始尺寸、材料状态(热处理及焊接 、取样方向和位置、 表面处理方式等;c 试验设备:试验设备型号和编号;d 试验条件:试验温度、加载速度;e 测试结果:试验持续的时间、载荷位移曲线、断后试样最小厚度f 试验中发现的任何异常或其他有必要记录的信息g 与常规拉伸性能关联并估算出常

16、规拉伸性能值。参考文献1CWA 15627:2006(E 小冲杆试验方法 -第 2部分(欧洲标准化委员会2ASTM F2183-02 用于外科植入的超高分子量聚乙烯小冲杆试验的标准试验方法3艾芒,杨镇,王志文 . 小冲杆试验法的起源、发展和应用 . 机械强度 . 2000,22(4:279-2824韩浩 . 小冲杆试验测定金属材料常温性能的研究 . 华东理工大学硕士学位论文 . 20036Ssam-2TM surface sampling system. Exponent Failure Analysis Associates. 19957Torsello, G., “ENSampler-1,

17、” Prensentation to CEN/WS21 UNI, Milan 8 November 20048“Standard Test Method for Small Punch Testing of Ultra-High Molecular Weight Polyethylene Used in Surgical Implants,”ASTM F2183-002, American Society for Testing and Materical, PA, 2002.9Parker, J.D., McMinn, A. and Foulds, J.R., “Material Sampl

18、ing for the Assessment of Component Intergrity,” In: Life Assessment and Life Extension of Power Plant Components, ASME PVP Vol.171, pp. 223-230, T.V. Narayanan etal. (eds., American Society of Mechanical Engineers, 1989.10Roberts, P. and Dane, I., “Scoop Sampling for Small Punch Test Method,” Rolls

19、-Royce Naval Marine, Presentation to CEN/WS21-UNI, Milan-8 November 200411Thomas, S., “PWSCC of Bottom Mounted Instrument Nozzles at South Texas Project, ”Proc., ICONE-12, 12th International Conference on Nuclear Engineering, 2004, Paper No. ICONE 12-49521.13Jude R.Foulds, Pete J.Woytowitz, T. Kim P

20、arnel and Charles W.Jewett. Fracture toughness by small punch testing. Journal of Testing and Evaluation, LTEVA. 1995,23(1:3-1014M.P.Manahan, A.S.Argon, O.K.Harling. The development of a miniaturized disk bend test for the determination of post irradiation mechanical properties. Journal of Nuclear M

21、aterials, 1981, 103&104:1545-155015M.P.Manahan. A new postirradiation mechanical behavior testthe miniaturized disk bend test. Nuclear Technology, 1983, 63: 295-31516A.Okada, G.E.Lucas, M.Kiritani. Micro-bulge test and its application to neutron- irradiated metals. Transactions of the Japan Inst

22、itute of Metals, 1988, 29(2: 99-10817X.Mao, H.Takahashi. Development of a further-miniaturized specimen of 3mm Diameter for TEM disk small punch test. Journal of Nuclear Materials, 1987, 150(25: 42-4518J.Kameda, X.Mao. Small punch and TEM-disc testing technique and their application to characterizat

23、ion of radiation damage. Journal of Materials Science, 1992, 98(27: 983-98919J.S.Ha and E.Fleury.Small punch tests to estimate the mechanical properties of steels for steam power plant: .fracture toughness.International Journal of Pressure Vessels and Piping. 1998,75:707-71320Irmae A, Fisher A M. “S

24、pecimen damage during cutting and grinding” in techniques of electron microscopy. diffraction and microprobe Analysis, ASTM STP 372.American Society for Testing and Materials, Philadelphia,196521Geary, William; Dutton, John T. Prediction of fracture toughness properties from 3 mm diameter punch disc

25、s. ASTM Special Technical Publication, n 1329, 1998, p 588-60122Jin Sik Cheon, In Sup Kim. Initial deformation during small punch testing. Journal of Testing and Evaluation, 1996, 24(4: 255-26223Okada,A.Microbulge testing applied to neutron irradiated materials。 Journal of Nuclear Materials,1991, 179-181: 445-44824Lucas, G.E., Okada, A., Kiritani, M.,. Parametric analysis of the disc b