（化工过程机械专业论文）小冲孔蠕变试验技术研究.pdf

硕士学位论丈 摘要 小冲孔蠕变试验技术是一种采用微小试样评定材料高温蠕变性能的新方法。浚 方法兼具“取样方便”和“几乎无损”的双重优势，非常适用于那些无法取出传统 试样或取样不经济的场合，使通过取样方法无损评价在役高温构件的剩余寿命成为 可能。目前小冲孔蠕变试验技术尚处于实验室研究阶段，试验装置精度不一，定性 研究比较多，定量研究比较少，而且大部分研究都停留在经验分析阶段，缺乏深入 的理论分析。 针对上述问题，本研究对小冲孑l 蠕变试验技术进行了试验研究和有限元分析， 主要的研究工作及得出的结论如下： ( 1 ) 设计、加工、安装、调试了一套具有较高精度的小冲孔蠕变试验装置， 并实现了试验数据的计算机自动采集，为小冲孔蠕变试验研究提供了可靠的试验平 台。 ( 2 ) 利用所设计的小冲孔蠕变试验装置对s u s 3 0 4 材料进行了多种温度、多种 载荷的小冲孔蠕变试验，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 时间在内的第一手试验数据，探讨了影响小冲孔蠕变试验的主要因素。试验结果表 明：小冲孔蠕变试验数据与传统单轴拉伸蠕变试验数据具有一致性，利用小冲孔蠕 变试验技术测试材料的高温性能是可行的。 ( 3 ) 对小冲孔蠕变试验的有限元模拟结果进行了分析，发现模拟结果与试验 结果虽略有差异，但趋势相同，说明应用数值模拟方法对复杂的蠕变试验过程进行 研究是可行的。 ( 4 ) 基于有限元模拟结果建立了小冲孔试样中心挠度与应变关系式和试验载 荷与应力关系式，解决了根据小冲孔试验结果表达试样应变和应力的问题。 ( 5 ) 基于小冲孔蠕变试验数据，利用上述关系式，对根据小冲孔蠕变试验结 果估算材料蠕变性能( n o r t o n 方程) 的应用方法进行了初步探讨。 关键词：高温构件小冲孔蠕变试验试验装置蠕变数值模拟 a b s t r a c t s m a l l p u n c hc r e e p t e s t t e c h n i q u e ( s p c ) u s i n gm i n i a t u r es p e c i m e n i san e w t e c h n i q u e w h i c hi s a p p l i e d t oe v a l u a t et h e c r e e pp r o p e r t i e s o fm a t e r i a l si n h i g h t e m p e r a t u r e i ti sn e a r l yn o n d e s t r u c t i v ea n dv e r ys u i t a b l ef o rt h es i t u a t i o n si nw h i c h t 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 t h ee v a l u a t i o no fr e s i d u a ll i f e o 仆i 曲t e m p e r a t u r ec o m p o n e n t sc a r lb ep e r f o r m e db o i l d e s t r u c t i v e l y h o w e v e r ，m o s to f t h er e s e a r c h e so fs m a l lp u n c hc r e e pt e s t t e c h n i q u e a r e q u a l i t a t i v e a n dr e s t r i c t e di n e m p i r i c a la n a l y s i sw i t h o u ts u p p o r to f t h e o r e t i c a lk n o w l e d g e a l s o ，t h es p c t e s ta p p a r a t u s h a sv a r i e dc o n f i g u r a t i o n sa n da c c u r a c i e si nd i f f e r e n tl a b o r a t o r i e s ，w h i c hg r e a t l ya f f e c t s t h ee x p e r i m e n t a ld a t a a i m e da tt h ea b o v e i s s u e s ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a v e b e e np e r f o r m e di nt h i sr e s e a r c h 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 d a sf o l l o w s ： ( 1 ) as p ct e s ts y s t e mo fah i g ha c c u r a c y i s d e v e l o p e da n d c o m m i s s i o n e d s u c c e s s f u l l y t e s td a t aa r ea c q u i r e da u t o m a t i c a l l yb y a c o m p u t e r ( 2 ) t h es p ct e s t s f o rs u s 3 0 4s t a i n l e s sm a t e r i a la r ec a r r i e do u ti nv a r i e d t e m p e r a t u r e sa n d l o a d s c e n t r a ld e f l e c t i o nv s t i m ea n d r u p t u r e t i m ev s t e s tl o a dd a t ao fa s e r i e so fs p e c i m e na r em e a s u r e dw h i c hc o n f i r mt h ec o m p a t i b i l i t yb e t w e e ns p ca n d c o n v e n t i o n a lc r e e pt e s ta n dt h ef e a s i b i l i t yo fs p ca sv i e w e df r o mt h ep r a c t i c e a l s o ，t h e m a j o rf a c t o r si n f l u e n c i n gt h es p c t e s ta r ed i s c u s s e di nd e t a i l ( 3 ) t h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nu s i n ga b a q u s o ns p cs h o wt h es a m e t e n d e n c yb e t w e e nt e s t sa n ds i m u l a t i o nd a t aa s w e l la sal i t t l ed i f f e r e n c ea n dt h e p r a c t i c a b i l i t yo f s i m u l a t i o n u s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d f o rt h ec o m p l i c a t e ds m a l lp u n c h c r e e p t e s t ( 4 ) o n t h eb a s i so ft h ea b o v es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns p e c i m e n c e n t r a ld e f l e c t i o na n dc e n t r a ls t r a i ni se s t a b l i s h e d a l s o ，t h er e l a t i o n s h i po ft e s tl o a da n d s t r e s si so b t a i n e d s o ，t h e p r o b l e mo f c a l c u l a t i n g c e n t r a ls t r a i no f t h es p e c i m e na n ds t r e s s f r o m e x p e r i m e n t a ld a t a i ss o l v e d ( 5 ) u s i n gt h ea b o v er e l a t i o n s h i p ，t h em e t h o db a s e do nn o r t o ne q u a t i o na c h i e v e d f r o ms p ct e s td a t at oe v a l u a t et h e c r e e pp r o p e r t i e s o fm a t e r i a li s s u g g e s t e d a n d d i s c u s s e d i j 硕士学位论文 k e y w o r d s ：h i g h - t e m p e r a t u r ec o m p o n e n t s ，s m a l lp u n c hc r e e pt e s t ，t e s ta p p a r a t u s ， c r e e p ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n l j l 硕士学位论文 作者声明 我郑重声明：本人恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论 文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的结果。除文中 明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何他人已经发表或撰写过的 内容。论文为本人亲自撰写，并对所写内容负责。 1 再、玉钙 2 0 0 4 年5 月1 0 日 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 在经济性和可持续性发展原则的要求下，现代化过程工艺不断向高温、高压和 大型化方向发展，因此，石油、化工、能源加工业中存在大量在高温环境下工作的 金属构件。其中一些高温承载构件的破坏往往会导致灾难性的后果和重大的经济损 失川，这就需要定期对在役高温构件材料劣化程度进行评估，预测构件的剩余寿命。 一方面，这些高温承载构件在使用一定时间以后，极可能出现材质劣化甚至失效， 及时的评估、维修和更换可以避免重大损失；另一方面，目前已有大量的石油、化 工厂、发电厂进入设计寿命期，许多关键设备业已超过设计寿命。从经济性和可持 续发展角度来看，简单地淘汰老厂的做法显然是不经济的【2 l d 因此，为保证高温构 件能够长期安全工作以及进行工厂延寿( l i f ee x t e n s i o n ，简称l i f e x ) 的研究，必须 应用经济、有效的高温结构完整性评价技术对服役的高温构件进行安全评定和剩余 寿命评价。 高温下构件的变形与损伤是依赖于时间( t i m e - d e p e n d e n t ) 以及空问多轴应力状 态( m u l t i a x i a l i t y ) 的复杂现象，其复杂性大大地增加了人们进行破坏控制的难度。 为了最经济地利用高温构件，剩余寿命评价技术必须准确有效，同时工程上又要求 其实施简便易行。 1 2 高温构件寿命评价技术现状 近几十年来，国内外对高温构件剩余寿命评价技术的研究投入了大量的人力和 物力，提出了多种预测高温构件剩余寿命的方法，归纳起来可大致分为非破坏检查 和破坏性检查两大类 3 1 。 非破坏性检查主要包括基于表面覆膜的金属组织测定法，蠕变变形测量法，硬 度测定法，超声波测定法，数值模拟法等见表1 1 。破坏性检查主要包括加速蠕 变试验法，蠕变裂纹扩展试验法，材料密度法，微型试样蠕变试验法等4 ，引，见表 1 2 。 第一章绪论 表1 - 1 高温构件非破坏检查方法 t a b l e1 - 1n o n d e s t r u c t i v ec h e c km e t h o d s f o r h i g ht e m p e r a t u r ec o m p o n e n t s 表i 2 高温构件破坏性检查方法 t a b l e1 - 2d e s t r u c t i v ec h e c km e t h o d sf o rh i g ht e m p e r a t u r ec o m p o n e n t s 非破坏性检查具有无损的优势，利用在高温条件下，材料经过长期运行后会发 生材料特性变化的特点，在已经建立所测物理量与材料寿命相关性的基础上，依据 所测物理量的变化评定材料的寿命。但这种检查存在很大的局限性。一方面，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材料的使用 条件不同而发生变化。另一方面，测定材料的物理量时，不同材料物理量的变化不 同，对应于所测物理量的评价也存在较大差异。相对来讲，破坏性取样检查方法历 经多年使用已比较成熟，所测信息准确可靠。但明显的不足之处在于试验所需试样 尺寸较大，取样时会对构件产生较大的破坏，且有时由于构件取样处尺寸的限制而 无法取样。如在中子辐射材料的损伤研究中，因粒子加速器产生的损伤区域很窄， 试样的尺寸必然受到严格限制1 6 j 。 对于长期工作在高温状态下的构件，蠕变问题是极其重要的，一直是力学和材 料科学研究的主要对象。高温蠕变试验是寿命评价常用的取样试验，高温蠕变试验 2 硕士学位论天 j 标准试样尺寸为直径币5 m m 中1 0 m m 的圆形试样或厚度1 m m 5 m m ，宽度 6 m m 1 5 r a m ，长度5 0 r n m 的矩形试样，在取样时对被取样构件损伤很大。在服役的 构件上，尤其对装置的关键设备，由于传统试样尺寸太大带来的破坏性，使得取样 经常无法实现。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 求所取的试样体积必须很小，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的方法显然是无法实现的，为解决这个问题，微型试 验法应运而生。小冲孔蠕变试验技术作为微型试验法的典型代表，具有几乎无损、 取样简便的双重优势；利用微型试样可获取在役构件的高温性能，正是解决取样、 无损这个两难问题的有效的新型试验方法。 1 3 小冲孔蠕变试验技术发展及现状 1 3 1 小冲孔试验技术起源及发展 小冲孔试验技术( s m a l lp u n c ht e s t i n gt e c h n i q u e ，简称s p ) 本质上是一种微型 试样试验技术，起源于二十世纪八十年代。微型试验技术，顾名思义，就是利用尺 寸较常规试样尺寸微小的试样进行试验，获取材料的力学性能。目前的微型试样有 两种，一种是拉伸试样f 8 】，试样的形状与常规拉伸试样一样，其直径可小至2 r a m 试验时采用惰性气体保护以防止试样表面氧化。另一种是小冲孔试样【9 1 试样直径 为3 - 1 0 r a m ，厚度为0 1 - 0 5 m m ，试验时也采用惰性气体保护以防止试样表面氧化。 锁紧螵杆一 试样 加截 1 r 上模 下模 圈1 i 小冲孔试验示意圈 f i g 1 - ll o a d i n g a n ds p e c i m e ns u p p o r t i n gc o n f i g u r a t i o no f s p 3 第一章绪论 小冲孔试验的典型加载装置见图l 一1 。简单的说，小冲孔试验技术是一一一种利用 冲杆以一定速度冲压试样薄片并记录试样从变形到失效整个过程中的时问一位移( 变 形) 数据，借此分析得出材料各种性能参数的试验方法【1 0 。 小冲孔试验技术是由a m e s 实验室b a i k 等人在上世纪8 0 年代初首先提出的i ， 兼具无损( 半无损) 和取样简便双重优势，可以从在役高温构件上直接取样而无损 于构件的完整性。它起源于受辐射材料性能的评定，随即在这个领域获得了广泛的 应用。性能评定从材料的塑性、韧性到断裂韧度，评定的材料从钢材到各种金属、 合金、复合材料和无机材料，应用的领域从原子能到化工、电力等。 二十多年来，小冲孔试验技术发展所做的主要研究工作是建立小冲孔试样与传 统试样之间的关联性。经过b a l 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 人的研究【3 1 ，小冲孔试验与传统拉伸试验在拉伸性能及冲击性能方面的关联性已基 本成熟，已经可以成功地用于测取材料的强度、塑性以及韧性脆性转变温度等，列 材料断裂性能方面的研究也正在进行之中1 2 , 1 3 。 1 3 2 小冲孔蠕变试验技术起源及发展 小冲孔蠕变试验技术( s m a l lp u n c h c r e e p t e s t i n g t e c h n i q u e ，简称s p c ) 源于小 冲孔试验技术，是一种在高温环境下，利用冲杆以一定速度冲压试样薄片并记录试 样从变形到失效整个过程中的时间位移( 变形) 数据，借此分析得出材料各种性能 参数的试验方法。 近年来，随着工厂延寿( l i f ee x t e n s i o n ，即l i f e x ) 技术研究的深入，小冲孔试 验技术逐渐应用到高温领域，获取材料的高温性能，评估高温构件结构的完整性， 这就形成了小冲孔蠕变试验技术。小冲孔蠕变试验得到的典型试样中心挠度，时间关 系曲线见图1 2 。与传统的单轴拉伸蠕变试验类似，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 所示的信息转化为强度、塑性、断 裂韧度和蠕变特性等一系列所需的数据。 4 硕士学位论文 时i 剖，h r 图1 - 2 试样中心变形- 时间曲线 f i g 1 2s p e c i m e n c e n t r a ld e f l e c t i o nv s t i m ec h i v e 最早进行小冲孔蠕变试验的是p u r m e n s k y 和k u p k a 、p a r k e r 和j a m e s 。1 9 9 3 年，p u r m e n s k y 和k u p k a ，p a r k e r 和j a m e s 分别进行了小冲孔蠕变试验，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。试验结果表明，小冲孔蠕变试验结果 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，小冲孔蠕变试验 可用来获取在役构件的高温性能。 1 3 3 小冲孔蠕变试验技术的应用 近年来，随着应用的推广和需要，越来越多的研究者从事小冲孔蠕变试验的研 究。目前，欧洲、亚洲不同国家的几个实验室，如i m t 、l i u b l j a n g 、i p m 、b r o n 、 c i s e 及m l i l a n d f l 6 】等正在进行合作研究，主要对不同金属材料进行小冲孔蠕变试 验，评估在役高温构件的剩余寿命。关于复合材料和涂层的小冲孔蠕变试验研究， 也有少量报道。 日本研究者在小冲孔方面的研究报道较多，k o m a z a k i 1 7 , 1 8 】采用尺寸为1 0 m m x 1 0 m m x o 3 m m 的试样对不同使用条件的s u s 3 1 6 材料进行小冲孑l 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。结果表明，由小冲孔蠕变试验和 单轴拉伸蠕变试验分别得出的蠕变曲线具有相似性，材料的蠕变性能可由小冲孔蠕 变实验直接进行评价。k o m a z a k i 1 9 】还创造性的通过中断试验、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 日目映制审岳击丰茸 第一辛绪论 和第三阶段，膜拉伸是试样变形的主要形式。 欧洲几个实验室合作进行的小冲孔蠕变试验研究也比较深入。u l e l l 4 , 1 6 1 分别使 用圆片状、宽边帽状试样在不同温度、载荷一1 - 进行小冲孔蠕变试验，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 m u k e r j e e b i r d d o r n 关系式中的载荷系数 和蠕变活化能e 。并与传统单轴蠕变试 验得到的”、e 进行比较，指出小冲孔蠕变试验可以有效的获取材料的蠕变性能。 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，载荷系数h 略有差异， 但在同一实验室得到的数据中， 保持恒定。这就说明，在修改的d o m 关系式中， 可以用载荷f 代替应力盯计算试样断裂时问，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 ”1 的文章中也得到理论验证，为研 究者建立小冲孔和单轴拉伸试验的关联性提供了思路。 m a o 【2 0 , 2 1 2 2 , 2 3 , 2 4 , 2 5 1 对小冲孔试验以及小冲孔蠕变试验做过很多研究，对高温材料 2 2 5 c r - l m o 进行小冲孔蠕变试验，使用小挠度薄板弯曲理论和薄膜伸张理论来解释 试样变形时间曲线，给出了与这两种理论相对应的应变一时间曲线，证明了小冲孔 蠕变试验测量试样蠕变曲线的可行性。 b a e k 2 6 等人采用1 0 r a m 1 0 r a m x o 9 m m 的试样进行小冲孔蠕变试验以评估 9 c r l m o v n b 在5 7 5 6 2 5 。c 时的高温性能，分析了其稳定蠕变速率、蠕变活化能的变 化规律，并在试验基础上建立了小冲孔试样的中心挠度占、试样厚度t 。和试样应变 s 。之间的关系式。 白一o t s 乃 ， d o b e s ”1 ，h y d e t 2 即也提出了试样中心挠度万、试样厚度r o 和试样应变s 之间类 似的经验公式。d o b e s 在单轴蠕变试验和小冲孔蠕变试验的基础上提出了小冲孔蠕 变试验载荷和应力之间的关系： 盯：上 ( 1 - 2 ) 1 0 1 + 2 式中仃、f ，t 。分别为小冲孔试样的应力( m p a ) 、小冲孔试验的外加载荷( n ) 6 硕士学位论文 和小冲孔试样的厚度( m m ) 。 杨镇 2 9 , 3 0 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间的 关系”，并在此基础上分别按纯薄膜和纯弯曲两种塑性分析方式推导了小冲孔试样 中心挠度与应变的理论关系式。 h a 和f l e u r y i 1 应用小冲孔蠕变试验技术对电厂使用的低合金c r - m o 钢的高温 力学性能( 泊松比、弹性模量、屈服应力) 和断裂韧性进行了估算。b u l l o c h 【3 2 , 3 3 1 应用小冲孔蠕变试验评估高温下低合余钢的强度劣化，提出了小冲孔脆韧转变温度 t s p 和传统拉伸断裂转变温度f a l t 之问的关系式。 在非金属材料试验研究方面，l i l 3 4 】等人用小冲孔蠕变试验来估算陶瓷材料z r 0 2 和a 1 2 0 3 的高温变形和脆韧转变温度，并对陶瓷高温下超塑性变形机理进行了探讨， 从而将小冲孔蠕变试验的应用推广到无机材料和复合材料领域。s h i n l 3 5 1 等剥 p s z n i c r a l y 复合材料进行小冲孔蠕变试验，获得了在不同烧结温度下该材料的力 学性能。k a m e d a | 3 6 】等应用小冲孔蠕变试验，评估透平叶片上的c o c r a i y 涂层的性 能，并讨论了透平时片上的c o c r a i y 涂层表面的氧化、碳化、氮化现象发生的机 理。 1 3 4 小冲孔蠕变试验技术存在问题及应用前景 总体来说，目前小冲孔蠕变试验研究还不多，而且由于试验设备和研究方法的 差异，试验结果也存在一些偏差。但研究者得到的结论至少在三个方面是统一的： ( 1 ) 小冲孔蠕变试验得到的试样蠕变曲线形状，都可以清晰的分为三个阶段，与 传统单轴拉伸蠕变试验得到的试样蠕变曲线具有良好的相似性。( 2 ) 分析小冲孔蠕 变试验数据，得到的载荷系数和蠕变活化能与传统单轴拉伸蠕变试验数据吻台良 好。( 3 ) 小冲孔蠕变试验技术可以直接评估材料的蠕变性能，是一种有效的评价技 术。 但小冲孔蠕变试验技术要从实验室走向工程实践，在工程上应用小冲孔蠕变试 验技术评价在役构件残余寿命，尚存在一些问题有待解决。( 1 ) 国内外对小冲孔蠕 变试验研究尚处于发展阶段，试验数量较少，而且大多数试验都是短时试验，高质 量的试验数据不多。( 2 ) 已报道的高温试验数据只是与单轴拉伸蠕变试验数据进行 7 第一章绪论 了定性比较，尚没有定量的分析，尚未建立起小冲孔蠕变试验数据和传统蠕变试验 数据之间的关联性。( 3 ) 如何在正在服役的高温构件上取样而无损于构件，并且不 给试样材料阻热的和变形的影响。 为解决上述问题，小冲孔蠕变试验还需要更多的长时试验，更详细的应力和应 变分析以建立两种试验方法的定量关系，这也是研究者_ 在从事的工作。 综上所述，小冲孔蠕变试验技术作为一种新型有效的试验方法，采用微小试样， 非常适用于无法取出传统试样或取样不经济的场合。通过经验以及半经验半理沦的 试验数据处理方法，己有测试在役构件的蠕变性能等参数的成功案例，正在逐渐从 实验室研究走向工程应用。该技术尽管还处于发展阶段，不少问题尚需进一步研究， 但其独特的测试方法和极其微小的试样尺寸，使其具有广阔的应用前景。特别是有 了新型的表面取样方法和设备后，在服役材料的寿命评估和失效分析上有着无损和 取样的综合优势，无疑会得到越来越泛地应用1 0 】。 1 4 小冲孔蠕变试验系统 与传统的单轴拉伸蠕变试验具有标准的试验设备不同，上述研究者进行小冲孔 蠕变试验所用的设备因实验室而异，尤其在加载范围不同时更是如此。但安装试样 所用的模具结构基本上都是相同的【”4 们。 小冲孔蠕变试验系统的精度对于小冲孔蠕变试验数据的可靠性具有十分重要 的影响，试验温度、试样厚度、加载精度是其中主要的影响因素。研究发现，试样 厚度变化1 l i m ，就会导致试样断裂时间相差约2 ；试验温度变化1 ，可导致试 样断裂时间变化1 0 甚至更多【l ”。 一般来讲，小冲孔蠕变试验系统主要包括加载部分、测量部分、加热和温度控 制部分、高温气体保护部分及台架。与小冲孔试验装置的主要区别在于加热、温控 部分和高温气体保护部分。小冲孔蠕变试验由于在高温下进行，所用的微型试样尺 寸很小，高温氧化对试验数据的影响不能忽略，故需要在试验过程中给试样以气体 保护，1 1 ，1 4 ，1 7 ，9 ，2 6 ，3 1 3 6 4 ”，保证试验结果的准确性。 1 4 1 加载部分 试样的加载方式主要有两种：项加载和底加载。顶加载又可分为杠杆加载与直 8 硕士学位论文 接加载。试验时，载荷加于冲杆之上，通过冲杆、压头给试样加压。一般要求加载 误差低于1 。 由于试验是在高温环境下进行，压头一般采用陶瓷材料或高温合金材料。形状 有球形、锥形和圆柱形等，球形压头比较常用【1 4 】。 试样夹具由上模和下模组成，上有4 个锁紧螺栓。当试样安装好未加载时，在 上模的底面与试样上表面之间有一个很小的孔隙，以保证试样处于应力自由状态。 使用这种夹具能够防止试样在加载时被用力推挤向上形成杯形，使塑性变形集中在 压头与试样接触区及周围。设计时，下模中心孔径d 2 由下式确定： d 2 d + 2 t o ( 1 _ 3 ) 式中d 是上模中心孔径，f 0 是试样的原始厚度。因此，s p c 试样变形时并不承受试 样与下模内壁之间接触产生的摩擦力p 1 。典型模具结构见图1 3 。 。 t 一 冲杆 1 上模 7 压陕1 卡旷 lm、 、 。 、m 1 |试样 。f 模 | 图1 - 3 加载模具结构不意图 f i g 1 - 3c o n f i g u r a t i o no f s p e c i m e ns u p p o s i n g d i e s 1 4 2 测量部分 试样在试验过程中的变形需要精确测量，测量精度要求达到0 ，l 1 1i n l 9 1 。由于试 验所需时间较长，试样变形数据一般采用计算机自动采集。主要部件包括线性差动 传感器( l v d t ) 、数显仪、放大器、a d 采集卡以及数据处理软件等 4 2 ，4 ”。试验过 程中，由传感器测得试样的变形，并将信号传递给数显仪，在数显窗中直接显示； 同时，数显仪与计算机中的数据采集卡相连，将信号传递到计算机中，进行试验数 9 第一章绪论 据的自动采集、记录，进而进行数据的分析与处理。 1 4 3 加热及温度控制部分 研究发现，在影响试验数据精确性的几个因素中，试验温度影响最大。因此， 温度是小冲孔蠕变试验装置中要求最高的参数。加热一般选用电阻炉，要求其必须 具有良好的均温性，工作时电阻炉的均温带内温度变化范围小于士1 。电阻炉一般 采用分段加热，采用p i d 控制，这样有利于在炉内形成稳定的温度场，从而提高试 验的精度 4 4 , 4 5 , 4 6 1 。 在试验过程中，温度控制系统必须能够对电阻炉内的温度场进行连续精确控 制，以保证试样所处温度场的温度达到要求精度。 1 4 4 高温气体保护部分 试验过程中，常用惰性气体一氩气作为保护气体，以免试样发生高温氧化。但 通入保护气体的流量以及流动气体对温度场的影响，在文献中鲜有提及。 综上所述，从研究者目前使用的试验装置来看，小冲孔蠕变试验装置尚没有统 一r 一的标准，试验装置因研究者的设计而异，装置在温控精度，加载精度等方面也有 待于进一步提高。 1 5 小冲孔蠕变试验的试样及取样方法 小冲孔蠕变试验的试样形状一般为圆形或方形，直径( 方形边长) 从3 1 0 m m 不等，厚度在0 1 o 5 m m 范围内。试样加工精度对试验结果影响较大，因此加丁 精度要求高，厚度方向偏差要求小于o 0 1 m m 。加工时可先采用放电腐蚀方法进行 粗加工，粗j a - 后再对试样表面进行精加工，最后用1 0 0 0 号金相砂纸对其表面进 行抛光，使试样厚度方向上的偏差精确到0 0 1 m m 1 4 j 7 1 。 关于取样方法，1 9 8 7 年m e r c a l d i 和d a v i d 发明了关于构件表面取样设备的专利 t 4 8 ) ，采用可绕中心轴转动的半球形中空刀刃从构件表面切割微型试样，而l 乎不会 导致构件切割部位的应力变化，对被取样设备近乎无损。其取样原理见图l 一4 。该 设备取样部位非常灵活，可以在构件表面和内部取样，已经有不少应用的实例，大 大推动了微型试验方法在服役构件寿命评定方面的应用。 硕士学位论文 复鱼叠 但，取样前 ( _ ) b e a r et a k i n g s p e c i m e n ( b ) 取样中 ( b i n t s d d n g | p 融m 口 取样后 c ) a f t e rt - _ gs p e c i m e n 图1 - 4 球壳面取样设备取样原理圈【4 ” f i g 1 4i l l u s t r a t i o no f t a k i n gs a m p l ef r o mas u r f a c e 1 6 小冲孔蠕变试验的数值模拟 小冲孔蠕变试验过程涉及到几何大变形、蠕变、损伤、接触等多种非线性因素， 要利用解析法来获取试样变形及应力应变分布的精确解几乎不可能，只能尝试使用 数值计算方法、半解析半经验的方法来处理这个问题。目前，采用数值模拟的方法 分析小冲孔蠕变试验过程尚处于研究之中，文献报道较少。 在一定温度下，材料受持续应力的作用而产生缓慢塑性变形的现象即为蠕变， 蠕交是材料温度激化的结果，是与时间相关的塑性变形【4 9 _ 52 1 。损伤变量是k a c h a n o v 于1 9 5 8 年分析蠕变破坏时首先提出的【5 ”，亦与时间相关。 m a o 5 4 1 采用有限元分析软件a b a q u s 对小冲孔蠕变试验过程进行力学模拟， 得到了小挠度弯曲理论和薄膜伸张理论两种情况下试样的应力分布，确定了小冲孔 试样中的最大平均m i s e s 等效应力。但他的模拟工作中存在明显的不足之处，首先， 他使用小挠度薄板弯曲理论来解释小冲孔试样的变形，与小冲孔蠕变过程中试样的 大变形存在较大的差异。其次，在有限元应力计算中，m a o 没有考虑蠕变因素和接 触因素，其结论没有得到试验进一步有效的验证。 杨镇2 9 1 应用有限元分析软件a n s y s 进行小冲孔蠕变试验模拟，并与试验结果 互相验证，指出其有限元模型的有效性。但她的模拟结果也有其局限性，因未考虑 蠕变损伤，模拟的蠕变曲线只有第一阶段和第二阶段，而没有表现出第三阶段。 尤英俊瞰1 应用有限元分析软件a b a q u s 模拟了小冲孔高温蠕变损伤过程，并 第一章绪论 与小冲孔蠕变试验结果相比较，验证了所建有限元模型的有效性，并指出该方法适 用于多轴应力状态下构件的损伤模拟。 总之，小冲孔蠕变损伤的数值求解已经得到初步研究，但还有待进一步深入， 数值解的准确性还需要更多高质量的试验结果来验证，在理论上尚未建立起小冲孔 蠕变试验中试样中心变形和应变、载荷和应力之间的关系，这也是本课题的一个主 要研究内容。 1 7 本课题的目的及主要研究内容 本课题来源于国家自然科学基金项目( n o 5 0 2 7 5 0 7 2 ) 基于小冲孔蠕变试验的 在役高温构件寿命估算方法研究。 本文研究目的：搭建一套小冲孔蠕变试验装置；进行不同温度和载荷下小冲孔 蠕变试验；应用a b a q u s 大型有限元软件模拟小冲孔蠕变损伤过程，基于模拟结 果建立小冲孔试样中心变形和应变、载荷和应力之间的关系；对比试验数据与模拟 结果，验证所设计的小冲孔蠕变试验装置的精度、小冲孔蠕变试验有限元模型的有 效性及建立的试样中心变形和应变、载荷和应力关系式的合理性。 本文具体的研究工作主要包括下列内容： ( 1 ) 绪论 介绍小冲孔蠕变试验技术起源及发展，概述其应用，简述小冲孔蠕变试验系统 的各个组成部分、小冲孔蠕变试验数值模拟现状以及本课题的研究目的。 ( 2 ) 小冲孔蠕变试验系统的研制 参考国内p i j 冲孔蠕变试验装置，设计、加工一套小冲孔蠕变试验系统，应用 l a b v i e w 软件实现试验数据的计算机自动采集。 ( 3 ) 小冲孔蠕变试验研究 利用自行设计的试验系统，进行不同试验条件下的小冲孔蠕变试验，获取小冲 孔试样中心变形一时间曲线，处理得到的试验数据，分析小冲孔蠕变试验过程，并通 过可重复性试验验证试验系统的精度。 ( 4 ) 基于数值模拟的小冲孔蠕变试验分析 通过对小冲孔蠕变试验有限元模拟结果的分析，建立小冲孔试样中心变形和应 1 2 项士学位论文 变、载荷和应力之间的关系。并将数值解与第三章得到的试验结果相对比，验证建 立的小冲孔试样中1 1 , 变形和应变、载荷和应力之间关系式的合理性。 ( 5 ) 结论与展望 对全文的研究工作进行总结，并对本文的后续研究作进一步的展望。 参考文献 【1 涂善东高温结构完整性原理北京：科学出版社，2 0 0 3 2 】涂善东安全可靠性现代工业可持续发展的支持技术化工进展1 9 9 8 ，3 ： 1 1 1 3 【3 凌祥以损伤理论为基础的高温构件设计准则和再设计方法研究：【博士学位沦 文】南京：南京工业大学，2 0 0 2 4 】凌祥，涂善东高温构件寿命评价技术研究现状和发展机械工程材料2 0 0 2 ， 2 6 ( 1 0 ) ：4 6 5 涂善东，戴树和，高温过程设备的寿命评价技术压力容器1 3 ：6 1 6 8 6 凌祥，刘桂忠。涂善东应用微型试验法评价1 n c o n e l7 1 8 合金时效处理后性 能的劣化实验力学1 9 9 7 1 2 ( 4 ) ：5 8 7 - 5 9 2 7 中华人民共和国国家标准g b t 2 0 3 9 1 9 9 7 ：金属拉伸蠕变及持久试验方法中围 标准出版社，1 9 9 7 8 】k a d o y ay g o t ota s s e s s m e n to f r e m a i n i n g l i f eo ff o s s i lp o w e r p l a n t tym e a n sda m i n i a t u r ec r e e pn l p t u r e i s j j i n t e r n a t i c n a l 1 9 9 0 ，3 0 ( 1 0 ) ：8 5 4 - - 8 6 1 9 】t e t t 釉a n t ia ，c r u d d i r a p r o c e d u r e f o r h i g ht e m p e r a t u r ep l a n tc o m p o n e n t s l i f e e v a l u a t i o n ：s m a l lp u n c h c r e e pt e s tm e t h o d o l o g y b i c e g ov ，n i t t aa ，p r i c ejwh ，e t a 1 p r o c e e d i n g o fi n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u m0 1 1c a s eh i s t o r i e so n i n t e g r i i t ya n d f a i l u r si ni n d u s t r y m i l a n ：i t a l i a ng r o u pc r lf r a c t u r ea n de n e lr e s e a r c h , 1 9 9 9 8 9 5 - 9 0 l 1 0 】艾芒，杨镇，王志文小冲孔试验法的起源、发展和应用机械强度2 0 0 0 ，2 2 ( 4 ) ：2 7 9 2 8 2 【1l 】b a i k jm ，k a m e d a j ，b u c ko s m a l lp u n c h t e s te v a l u a t i o no f i n t e r g f a n u l a r e m b r i t t l e m e n t o f a n a l l o ys t e e l s c r i p m e t a l l u r g i c a , 1 9 8 3 1 7 ：1 4 4 3 1 4 4 7 第一章绪论 1 2 】杨镇，王志文蠕变现象的小冲孔试验研究i 一关于蠕变曲线压力容器2 0 0 1 ， 1 8 ( 增刊) ：1 9 6 2 0 1 【1 3 杨镇，王志文蠕变现象的小冲杆试验研究一蠕变应力分析压力容器2 0 0 2 ， 1 9 ( 9 ) ：5 - 8 【1 4 1u l eb ，s u s t a rt t h ee f f e c to f i n i t i a lh o tp l a s t i cd e f o r m a t i o no n c r e e pb e h a v i o ro f 1 2 c rs t e e ls p e c i m e n si ns m a l lp u n c ht e s t s m a t e r i a l sa th i g h t e m p e r a t u r e s 2 0 0 1 ， 1 8 ( 3 ) ：1 6 3 - 1 7 0 1 5 】p a r k e rjd t h ea p p l i c a t i o no f a d v a n e e dm i n i a t u r es a m p l et e s tt e c h n i q u e st ot h e a s s e s s m e n to f r e s i d u a ll i f e o p e r a t i o n ，n d e ，f a i l u r ea n a l y s i s ，c o d e s ，s t a n d a r d s ， r e g u l a t i o n s ，p r o c e e d i n g so f 9 t hi n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c e so np r e s s u r ev e s s e l t e c h n o l o g y a u s t r a l i a ：s y d n e y , 2 0 0 0 v 0 1 2 ，1 9 7 2 0 5 【1 6 u l eb ，s u s t a rt ，d o b e sf e t a 1 s m a l lp u n c ht e s tm e t h o da s s e s s m e n tf o rt h e d e t e r m i n a t i o no f t h er e s i d u a lc r e e