微型杯突试验法在材料力学性能测试中的应用

微型杯突试验法在材料力学性能测试中的应用

在能源、能源、化工和其他行业，长期以来，有许多压力管道和压力容器能够长期在高温下工作。人们对这些单元的失败形式进行了研究，但确保高温设备的安全运行仍然是一个必须尽快解决的重要问题。微型杯突试验就是为适应这种需要而出现的一种试验方法,它打破了传统的无损检测方法和取样方法的局限性,能够对正在运行的高温装置进行表面微损取样检测其力学性能。这种既经济又安全的检测手段,为评估高温现役材料的脆化程度以及评估高温现役元件的剩余寿命,从而为解决核电、化工等高温设备的安全运行问题提供了有力的保障。近年来,微型杯突试验更是得到了蓬勃的发展,在测定各种材料的强度、塑性、韧-脆转折温度、断裂韧度、蠕变及持久强度等方面都取得了成功。鉴于微型杯突试验的上述优势,笔者介绍了微型杯突试验的方法及其在研究材料力学性能方面的应用,并建议将该试验方法标准化,以利于实验数据和信息的共享。1小穿口试验名称非小穿试验微型杯突试验(国外称小穿孔试验SmallPunchTest,简称SPT)最早起源于20世纪80年代初期,它是对薄钢板杯突试验的一种发展,其原理和试验方法与薄钢板杯突工艺试验颇为相近,都是用一定钢球或球状冲头向夹紧于规定压模内的薄试样施加压力,使薄试样弯曲变形,形成杯突、环状颈缩并产生破裂。不同的是杯突工艺试验是用来测定薄钢板或钢带的冷冲压成型工艺性,而微型杯突试验则是用来检测材料的力学性能,即强度、塑性、韧-脆转折温度、断裂韧度和蠕变及持久强度等,因此微型杯突试验必须记录试验过程中试样的载荷-变形的数据和曲线。小穿孔试验名称不能反映试样变形过程和结果的基本要素,因此笔者称其为微型杯突试验而弃用小穿孔试验的名称。微型杯突试验的试验装置如图1所示。其装置的关键部分是微型薄片试样周围被压边夹紧而中心加载。试样的夹具是由凹模、凸模、定位装置以及夹紧装置等组成。凹模的内径d2大于凸模的内径d1和两倍试样的原始厚度t0之和,因而试样变形时不会受到来自凹模内壁的摩擦力。试验所用的微型试样一般有圆片形和方片形两种,其直径或者边长在3~10mm之间,厚度在0.25~0.5mm之间。在试验机上通过小压杆以一定的速度给试样加载直至试样弯曲变形成杯突并破裂,记录试样从弯曲变形、形成杯突、环状颈缩直至破裂的整个过程的载荷-中心位移(挠度)数据和曲线(如图2),再依据该数据和曲线的分析与计算来确定所测材料的各项力学性能指标。2用小试样来测材料的塑性微型杯突试验最早起源于美国,它是1981年美国HANDFORD工程发展实验室的F.H.HUANG等人在研究核反应堆压力容器用钢经中子辐照后材料塑性的变化时,由于传统试样的尺寸大,且不能真正反应材料沿厚度方向延性的变化,同时采用传统试样来进行模拟辐照的时间长,试验费用高,因而想到了采用ϕ3mm×0.25mm的圆片透射电镜试样来测试经中子辐照后核电材料的塑性。通过减小试样的体积,一方面可以极大地降低试验及辐照费用,另一方面由于核反应堆压力容器经中子辐照后沿厚度方向其塑性有一定的梯度,因而用小试样更能够准确地测出材料的塑性变化。令人惊喜的是,F.H.HUANG等人采用ϕ3mm×0.25mm的圆片透射电镜试样所测试的经中子辐照后核电材料的塑性与用传统的力学性能测试方法的结果相一致。由于微型杯突试验独特的微损取样检测的优势,它一出现就引起了人们很大的兴趣,这种试验方法很快在日本展开并得到发展。到20世纪末,欧洲各国联合成立了专门的机构来进行这方面的研究。韩国和澳大利亚等国学者也陆续展开研究工作,并且取得了很大的进展。到目前为止,国内的一些院校和科研机构也开始着手研究用微型杯突试验来测试材料的力学性能,虽然有的试验是在国外完成的,但这也是可喜的,相信我国会有更多的科研人员来从事这一方面的研究。目前,微型杯突试验的研究在国外已经取得了大量成果。它不仅可以用来测试金属材料的剪切模量、强度、塑性、韧-脆转折温度和断裂韧度,而且也可以用来测试金属材料的持久强度和蠕变特性。最近的研究表明,该法除了用来测试金属材料的力学性能外,在陶瓷和高分子等非金属材料、复合材料和生物材料的力学性能方面的测试研究有了显著的进展。尽管材料不同,但通过对微型杯突试验所得到的载荷-变形数据和曲线的研究,都可以得到其强度和塑性等信息。其处理方法是,将微型杯突试验所得到的载荷-变形数据和曲线与常规力学性能试验所得到的载荷-变形数据和曲线进行比较研究,找出它们之间的相互关联,并予以定量化。下面所介绍的国外用微型杯突试验测定材料的力学性能都是基于这个思路。2.1试验理论和分析方法这方面的工作以美国的Manahan和日本的Okada为代表,他们证实,用微型圆片试样能够得到与传统拉伸试验相一致的强度和塑性信息。Manahan是将金属塑性成形理论的有限元法用于微型圆片试样的受力分析,经过复杂的有限元计算,从试验的载荷-变形曲线中获得了材料从弹性变形直至产生裂纹而破裂的整个过程的应力-应变和塑性的信息。F.H.HUANG的分析方法有所不同,它是采用圆片弯曲理论,将试验的载荷-变形曲线转变为应力-应变信息,同时将圆片破裂时的挠度与传统拉伸试验的伸长率联系起来,从而实现了用微型圆片试样来测试材料的塑性。Okada对两类塑性不同的材料进行了试验,并将记录的载荷-中心位移曲线划分为几个阶段,即弹性弯曲、塑性弯曲、薄膜伸张和开裂破断。这与传统的拉伸试验的应力-应变曲线有着惊人的相似。通过比较这两种曲线,他找出了微型杯突试验和传统拉伸试验所得的强度、塑性等力学性能之间的对应关系,从而证实了采用微型杯突试验测试材料的强度和塑性是可行的。2.2fatt的研究在Manahan等人成功地找出微型杯突试验和传统拉伸试验在强塑性能方面的关联性之后,国外研究者为了既有效又经济地检测核工业领域的设备元件长期高温服役后的脆化状况,开始将主要精力集中到用该试验法来测定材料的韧-脆转折温度(Theductile-brittletransitiontemperature,简称DBTT及Thefractureappearancetransitiontemperature,简称FATT)的研究上。这项工作开展得较早,所做的工作也很多,其中以J.M.Baik,J.Foulds,J.H.Bulloch,J.Kameda和T.Matsushia等人的研究为代表。尽管他们的研究手段有异,但他们的研究思路基本上是一致的。其步骤:首先,在不同温度下测得材料的载荷-挠度曲线,然后通过计算该曲线下的面积,将载荷-挠度曲线转变为温度-SPT能量曲线,据此确定微型杯突试验条件下的材料韧-脆转折温度TSPT。并将此结果与相同材料用标准夏比冲击试验所得的温度-SCT能量曲线及所得的韧-脆转折温度TSCT进行比较,从而得出相关联的结论(图3)。有关这方面的研究结果可以归纳如下:(a)用微型杯突试验法来确定材料的韧-脆转折温度是有效的和肯定的。(b)由微型杯突试验法得出的韧-脆转折温度TSPT和常规的冲击试验测得的韧-脆转折温度TSCT之间存在定量换算关系TSCT=a+b⋅TSPTΤSCΤ=a+b⋅ΤSΡΤJ.H.Bulloch通过试验认为,关系式FATT=c·T-2SPT能更好地反应两者之间的关系。(c)由微型杯突试验测得的材料的韧-脆转折温度TSPT要低于由标准夏比冲击试验所得的韧-脆转折温度TSCT。2.3等效断裂应变在找出微型杯突试验与传统的拉伸和冲击试验的关联性之后,国外的研究人员就把眼光转移到更能反映材料综合性能的断裂韧度的研究上。用微型杯突试验对材料断裂韧度的研究起源于核工业的需要,美国、日本、欧洲、韩国和澳大利亚等都在这方面作了大量研究;研究领域也已从金属材料拓展到非金属材料、高分子材料和复合材料以及生物材料。这方面研究工作的主要学者以J.R.Foulds,X.Mao和J.H.Bulloch等为代表。尽管研究的时间不长,其成果却是很令人满意的。X.Mao将金属材料分为韧性和脆性两类,并根据这两类材料不同的断裂机理首次提出了等效断裂应变εQF和等效断裂应力σF(SP)的概念。他采用有限元分析法进行微型杯突试验中微型薄片试样塑性应变的分析,利用光学显微镜测量试样的厚度,并通过关系式εQF=ln(t0/t)求得微型试样最薄位置的等效应变。式中t和t0分别为试样变形破裂后最薄位置的截面厚度和试样变形前的原始厚度。他认为,韧性材料的微型杯突试验有两个明显的特征——局部颈缩和裂纹萌生。据实验观察,微型试样试验中载荷的释放来自两个方面,一是位于冲头附近的试样最薄处,试样在此发生了局部和全面的颈缩,逐渐地损耗了载荷的能量;二是随后沿圆周(切向)方向裂纹的扩展和沿厚度方向发生最后的断裂。随着裂纹的扩展,试样快速损耗载荷的能量。因此他得出,在双向应力状态下微型试样的失效是由等效断裂应变εQF控制的。而脆性材料微型试样的失效方式与韧性材料不同,是由等效断裂应力σF(SP)控制的。在上面的理论分析和试验观察的基础上,他进一步研究了测量或估算等效断裂应变εQF和等效断裂应力σF(SP)的方法,并根据试验结果分别找出了等效断裂应变εQF与韧性材料的断裂韧度JIC以及等效断裂应力σF(SP)和脆性材料的断裂韧度KIC之间的经验关系式JIC=k⋅εQF−J0KIC=c⋅σ2/3F(SP)JΙC=k⋅εQF-J0ΚΙC=c⋅σF(SΡ)2/3式中J0,k和c为试验确定的常数,从而解决了由微型杯突试验来测试材料断裂韧度的问题。J.R.Foulds和J.H.Bulloch的研究与X.Mao有所不同,他们采用了更为复杂的方法来测试材料的断裂韧度,但实验操作较为困难,在此不再赘述。2.4未来生产生活方式的剩余寿命电力、石化等行业的承压和受热构件的寿命预测和现役构件的剩余寿命评估,是最近国外学者采用微型杯突试验进行研究的一个重大课题,这项工作已经在美国、日本、欧洲、韩国、澳大利亚等国展开[12,16,22,23,24,26]。在这之前,人们也采用过一些无损和微损方法评估现役构件材料的剩余寿命,这些方法如金相组织变化法、硬度变化法、材料密度变化法、超声波法和X射线衍射法等,但这些方法没有一种能与微型杯突试验相比,这是因为微型杯突试验能测出材料的持久强度和蠕变性能及其服役过程中的变化。令人瞩目的是,意大利、波兰和德国的科学家在各自的实验室采用微型杯突试验对14MoV63和X20CrMoV121钢制热电锅炉受热管道分别进行了剩余寿命的预测,并与常规的蠕变性能测试结果进行了比较,均得出了相同的结论。目前,微型杯突试验除了用于现役金属材料的寿命预测和剩余寿命评估,也已经用于复合材料、陶瓷材料以及人体生物材料的寿命预测和剩余寿命评估。3第二,关于用证试验技术进行试验微型杯突试验虽然最初由美国用于核电材料辐照脆化的研究,但随即在电力、化工等多个领域和许多国家展开研究和应用绝非偶然,这是因为:(1)微型杯突试验采用微型试样,加上微损伤取样设备的出现(见图4),可以做到尽可能少的取样而不影响现役设备的正常运行,真正做到了微损检测。(2)微型杯突试验和传统的试验方法一样,能够综合地反映出材料的力学性能。(3)微型杯突试验既可以用来评价材料的强度、塑性、韧-脆转折温度、断裂韧度和蠕变性能及持久强度,还可以测试评价现役构件材料的各种内在损伤和材质劣化,特别是对于高温耐热材料,既可以反映蠕变损伤,又可以模拟环境影响(如临氢、增碳等)所导致的材质恶化。(4)微型杯突试验采用微型试样,尤其适用于无法取出传统试样或者取样不经济的场合。它能够准确地测试构件最薄弱位置(如焊缝和热影响区等)材质状况的变化,为服役设备的安全运行提供依据。微型杯突试验自20世纪80年代起至今已有二十多年的研究和应用经历,由当时对受辐照材料的性能评定,到如今对各种材料的强度、塑性、韧-脆转折温度和断裂韧度的测试,以及蠕变性能和剩余寿命的评估;所研究的材料由原来的核电材料发展到各种金属和合金、复合材料、高分子材料和陶瓷材料以及生物材料;所研究的领域从核工业到电力、化工。显然,微型杯突试验法有其独特的优势和发展前景。然而,这项技术还正处于发展阶段,还有许多问题需要进一步研究,尤其在我国这项技术才刚刚起步,所要做的工作更多。特别值得注意的是,许多研究者所用的试验装置各不相同,试验条件各异,这就给实验数据和信息的共享,以及实际的工程应用造成障碍。因此笔者建议,在吸取国外研究成果的基础上,建立我国的微型杯突试验标准,最需要统一的是试样尺寸、压头尺寸、模孔尺寸、压边尺寸和压边力,以及试验机的载荷和变形量的测量精度。笔者在这里提出两个微型杯突试验标准方案供讨论。方案一:试样尺寸ϕ6.4±0.05mm,厚度为0.26±0.01mm,压头为GCr15钢制HRC≥55的ϕ1.6~0.02mm钢球(钢球的圆度高于球头压杆,易于更换,无磨损),凹模试样坑直径ϕ6.5+0.05mm,d2=ϕ2.6+0.05mm,凹模内上缘倒圆半径r=0.65±0.05mm,凸模压样头外径ϕ6.4±0.05mm,d1=ϕ1.7±0.05mm,试样压边圆环宽1.25mm,压边面积S=20.2mm2,单位压边力f=3σbMPa(σb为被测材料的抗拉强度),总压边力F=f·S±0.1kN(由于试样和