小冲孔试验技术在材料力学性能测试中的应用

小冲孔试验技术在材料力学性能测试中的应用

小冲孔试验技术（spt）是一种应用微型样本进行试验和获得材料强度的新方法。冲杆以一定的速度（负荷）压平样品的横截面，并记录从变形到破坏整个过程中的载荷位移（变形）数据，以便分析各种材料的测试方法。小冲孔试验技术具有两个优点：第一，样品尺寸小，因此可以直接从服务系统的设备组成部分中取样，这几乎不会损害组件的完整性。这是一种有效的安全检测手段。许多贵重金属材料因为其优越的材料性能被广泛应用,如果通过传统的试验方法来获得材料性能势必因为材料价格昂贵造成经济浪费,如Zr材、Ti材等;另外,设备的某些关键薄弱部位,如焊缝及其热影响区等,需要定期对其力学性能和寿命进行评价,这些部位由于自身尺寸限制无法满足常规试验方法试样的所需尺寸,因此,必须采用微小型试样才能获得其力学性能;再者,有些设备的工作环境比较特殊,针对传统试样模拟实际工作环境因为其体积大造成费用很高,很不经济,如辐照等.因此,小冲孔试验技术的出现无疑为解决以上问题提供了极大的方便.经过近30a的发展,小冲孔试验与传统试验(单轴拉伸试验、平面应变断裂韧度KIC试验方法、利用JR阻力曲线确定金属材料延性断裂韧度JIC的试验方法、金属夏比冲击试验等)的关联性研究已经日趋成熟,在测试材料的屈服极限、强度极限、韧脆转变温度、断裂韧性及蠕变特性等方面已经取得了很多成果.本文回顾了小冲孔试验在测试材料的屈服极限、强度极限、韧脆转变温度及断裂韧性等方面取得的成果;根据获得的试验数据和理论模型,研究小冲孔试验与传统试验方法之间存在的关联性;同时,分析小冲孔试验技术在材料力学性能测试和高温构件寿命预测等方面的应用前景.1小冲孔试验与传统试验的关系1.1小冲孔试验结果不同研究者因为科研需要而开发小冲孔试验装置不尽相同,但试验原理和研究结果都具有一致性.经过近20a的发展,小冲孔试验技术已经可以成功获取材料的各种基本力学性能.Manahan等建立了一种带摩擦边界条件并引入材料非线性、几何非线性以及边界非线性的有限元模型,分析试样受力后所呈现出来的不均匀的二向应力场,成功地从载荷-试样中心挠度曲线中获取了试样从弹性变形直至失效这一整个过程中的应力应变行为和材料的延性信息.Okada等用2类韧性不同的材料进行小冲孔试验,并将记录到的典型载荷-位移曲线分为几个区域,分别对应试验过程中试样的几个变形阶段:弹性弯曲、塑性弯曲、薄膜伸张和开裂破裂;另一方面,他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试样单轴拉伸应力等价从而得到材料小试样最大载荷与抗拉强度、屈服载荷与屈服强度、位移与拉伸应变之间的相互对应关系.Mao等对规格为ϕ3mm×0.25mm的HT260、PCA、HT29、SUS304、A533B等5种材料以及规格为10mm×10mm×(0.3～0.5)mm的HT260、A508、HT29、SUS304、A533B等5种材料进行了小冲孔试验,在Okada的基础上考虑了试样初始厚度的影响,获得了σs-ps和σb-pmax之间的经验关系.σs=0.36pst20(1)σb=0.13pmaxt20−320(2)σs=0.36pst02(1)σb=0.13pmaxt02-320(2)式中:σs、σb分别为材料的屈服强度和抗拉强度;ps、pmax为屈服强度和抗拉强度所对应的载荷;t0为试样的初始厚度.Ruan等针对尺寸为ϕ3mm×0.25mm的EUROFER97试样在液N2温度到室温范围内(80～293K)进行小冲孔试验,获得了屈服应力σ0.2(MPa)和最大拉伸应力σUTS(MPa)与屈服载荷Py(kN)、最大载荷Pmax(kN)和试样初始厚度t0(mm)之间的关系.不同研究者对于韧脆转变温度的研究思路基本一致:首先采用小冲孔试验得到不同温度下试样的载荷-试样中心挠度曲线,然后对曲线积分,并定义为小冲孔总变形能,即将载荷-挠度曲线转化为温度-能量曲线,同时引入同样材料的温度-金属夏比缺口(CharpyV-notch,CVN)冲击功曲线,通过比较分析最后得出小冲孔转变温度TSP与夏比韧脆转变温度TCVN之间的关系.Matsushia等根据Cr0.5Mo、Cr2Mo和Cr2Mo2V钢的试验数据,利用多元回归分析法评定了TCVN与试样的TSPT、化学成分、晶粒尺寸d、硬度和贝氏体与珠光体百分比之间的关系,最后发现TSP和晶粒尺寸d对TCVN的影响最为显著并归纳出三者之间的关系.1.3延性断裂韧度与qf断裂参量的关系Mao等将材料分为延性和脆性2种,针对延性材料提出SPT试样有效断裂应变εqf的概念并将此视为断裂参量.研究了3种可以得到εqf的方法并且通过试验证明了SPT试验得到的有效断裂应变εqf与延性断裂韧度JIC之间存在线性关系.Afzal等认为小冲孔试样断裂时的小冲孔总能量WT等于弹性能量We、塑性能量Wp与断裂能量W之和的这一关系.2基于小冲孔蠕变试验的高温组件的寿命预测2.1u3000e最佳测试参数的确定对经过高温时效处理后的INCONEL718合金进行拉伸试验、断裂韧性实验和小冲孔试验,并且对上述试验获得的结果进行分析,建立了INCONEL718合金的屈服应力σy、最大拉伸应力σult和断裂韧性JIC与小冲孔试验数据(屈服载荷py,最大拉伸载荷pult,断裂应变εf,试样初始厚度t0)之间的关系.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)可以通过以上关系方便、有效地评价INCONEL718合金时效处理后性能的劣化,同时,为利用小冲孔试验对在役高温构件进行寿命预测提供了方向.笔者曾开发了一套高精度的小冲孔蠕变试验(SmallPunchCreep(SPC)Test)系统,包括加热及温控系统部分、加载及测试系统部分、Ar保护部分等.对SUS304不锈钢在650℃和675℃2个温度水平,载荷从443N到513N进行了不同条件的若干小冲孔蠕变试验,积累了包括试样中心挠度与时间以及试验载荷与试样断裂时间等基础数据.获得的蠕变试验曲线与传统的单轴拉伸蠕变试验曲线非常类似,也具有蠕变变形3个阶段,直接证明了小冲孔蠕变试验技术在材料蠕变性能研究方面的可行性.文献介绍了应用小冲孔蠕变试验数据和有限元数据回归获得SUS304材料在一定温度下的诺顿方程参数,成功通过小冲孔蠕变试验估算材料蠕变性能,同时建立了试样中心挠度与应变、载荷与应力之间的关系.2.2小冲孔氧变试验应力应变的理论分析文献详细介绍了如何仅利用小冲孔蠕变试验数据对在役高温构件进行寿命预测.以小冲孔蠕变试验和单轴蠕变试验结果拟合的Larson-Miller参数为基础,建立小冲孔蠕变试验载荷F与单轴蠕变试验应力σ之间的关系蠕变应变可由诺顿方程确定同时,引入初始蠕变损伤因子D0,满足关系式基于等效损伤理论,新材料等效应力和通过小冲孔蠕变试验的在役材料等效应力σ满足关系3小冲孔试验技术小冲孔试验技术是在20世纪80年代初,由于核工业领域材料研究的需要,由Ames实验室提出的,当时他们成功地利用该技术检查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.在进入20世纪90年代以后才逐渐地扩展深入到电厂和石油化工领域.被测定材料从金属扩展到无机材料、复合材料和涂层材料等多个材料领域,试样的选材包括完整材料、辐射损伤材料、预制裂纹缺口试样、甚至焊缝接头等.随着化工、核电等行业设备的老化,在役高温构件的剩余寿命预测问题将显得越来越重要.目前,鉴于试样尺寸微小而兼具传统无损检测和取样检测两者的优点,小冲孔试验技术作为一种既有效又经济的安全检测手段将越来越广泛地被应用于获取材料性能以及评价材料使用寿命.小冲孔试验是一种微试样试验技术,在试验中的微小差异都有可能会对试验结果造成较大的影响.不同研究者因为科研需要而开发的试验装置各不相同,试验条件各异,必然引起试样形状、尺寸等方面参数的不同,从而容易导致各自的研究结果存在分歧,不利于研究者对实验数据和信息的共享与交流,更不利于该试验方法形成行业标准,势必会对小冲孔试验方法从理论研究真正走向工程应用造成一定的障碍.因此,为便于数据的共享与交流以及推动小冲孔试验在工程实际中的应用,建立我国的小冲孔试验标准、规范就显得十分必要.4试验与检测方法1)小冲孔试验与传统试验(单轴拉伸试验、平面应变断裂韧度KIC试验方法、利用JR阻力曲线确定金属材料延性断裂韧度JIC的试验方法、金属夏比冲击试验等)之间具有关联性.随着小冲孔试验技术研究的不断深入发展,小冲孔试验技术必将成为行业试验标准,部分地取代传统试验方法,成为获得材料力学性能及进行在役高温构件寿命预测的重要手段.2)小冲孔高温蠕变试验所获得的试样中心蠕变挠度曲线有明显的减速、恒速和加速三个阶段,与常规单轴拉伸蠕变试验的应变曲线完全类似,证明了小冲孔蠕变技术在研究蠕变性能方面的可行性.3)小冲孔试验兼具传统无损检测和取样检测两者的优点,是一种既有效又经济的安全检测手段.1.2小冲孔断裂剂与材料的关系以Foulds等为代表的大部分研究者认为TCVN与TSPT呈线性关系.但是Bulloch等综合前人得出的一系列关于脆性转变温度(FractureAppearanceTransitionTemperature)TFATT和TSPT的数据,证明了另一种比线性关系更合理的非线性关系.因为小冲孔试样受力情况高度非线性以及CVN冲击试验本身不完善性等因素的存在,使得两者的比较分析在很大程度上依赖于试验结果,即所得到的关系式为经验式而非解析式.但是由于能量方法简单而且物理意义明确,通过小冲孔试验分析材料的冲击性能已被公认为最适于分析小冲孔冲击性能的方法.Mao等进一步针对脆性材料提出了小冲孔断裂应力σf(SPT)的概念并给出断裂韧度KIC与σf(SPT)之间的非线性经验关系式.Bulloch引入了小试样断裂形貌特征参数,提出了JIC与流变应力σ0、空洞间距E*f和临界断裂应变l*0之间的关系.同时,Bulloch还对前人的研究数据作了大量的分析,开创性地把小冲孔能量ESP和断裂韧度JIC进行了关联,同时介绍了3种求解小冲孔能量的途径,为材料断裂韧度的求解提供了