损伤条件下小冲孔试验技术的研究进展

损伤条件下小冲孔试验技术的研究进展

小冲孔试验技术的优点在原子能工业和化工行业，压力容器管道或其他金属支撑组件随着服务时间的推移而恶化，导致物理和化学性质变化的变化，以及能耗的损失，这将导致管道容器设备的早期或突然破坏，以及巨大的经济损失和人员损失。例如，用高压管道蒸汽涡旋轴上的铬钼钢显示出二次脆化和失效。因此,研究其的力学性能(如屈服强度、抗拉强度、断裂韧性和韧脆转变温度等)对于设备的维护、检测、损伤分析和寿命评估显得尤为重要。而传统的力学性能试验需要从服役设备中取下相对较多的材料,对设备会造成破坏,在一定程度上限制了其在在役设备上应用的推广。相比之下,小冲孔试验技术作为一种微型试样试验技术具有以下优点:1)小冲孔技术是一种近乎无损的评定技术,相比传统的力学性能实验,小冲孔实验只需要厚度0.1mm~0.5mm的小圆片或方形试样,可直接从服役设备构件上取样而不影响构件的完整性。2)小冲孔技术可测如焊接接头、金属表面涂层、局部损伤的材料、涡轮机叶片等非常规的材料力学性能。3)针对贵金属性能分析,小冲孔试验更经济。小冲孔试验的本质是冲杆恒速冲压试样,记录试样变形失效过程中的载荷-位移曲线,以此分析计算材料的性能,装置简易示意图如图1所示,其取样方式大致分为机械切割和电火花切割。随着小冲孔技术20多年的发展,已在诸多行业得到了广泛的应用。1设备构件压缩损伤的评估在核电、石化工业中高温环境下服役的设备构件,由于恶劣的服役环境导致构件的蠕变损伤,对其进行损伤分析、寿命评估是保证设备安全运行必要手段。1.1小冲孔试验试验早在1993年学者Purmensky进行了小冲孔蠕变试验,发现该试验的变形特征与传统拉伸试验试样相似,且试验结果具有可重复性,认为应用小冲孔蠕变试验获取高温下服役构件性能是可行的。在此基础上,文献进行了小冲孔试验,并就蠕变性能、断裂时间、微观组织方面与传统单轴拉伸试验进行比较,证明了小冲孔试验可直接评价材料的蠕变性能。文献对不同服役情况下的316不锈钢试样进行了小冲孔蠕变试验,试验采用B6、A4、A03种试样,分别对在609℃下服役100,600h的过热器管壁,和在700℃下服役1322h时和经过固溶处理过的材料进行试验。结果表明,在650℃下小冲孔试验所得时间-中心挠度曲线与传统单轴拉伸蠕变实验所得曲线类似,符合蠕变规律;在338N和408N的载荷下,未经服役过的试件A0的蠕变断裂强度高于B6、A4,而在较低载荷下,情况正好相反。材料蠕变断裂强度不同导致了不同的蠕变变形断裂机理。A0的蠕变变形由晶界滑移控制,而B6的变形机制则是穿晶变形;在相同的Larson-Miller参数的条件下,小冲孔试验所施载荷F与单轴拉伸试验的比值约为1,由此可用小冲孔蠕变试验所得数据推导传统单轴拉伸试验的结果。1.2传统平均势力应变应力法用小冲孔试验的方法评定剩余寿命,其本质是把小冲孔蠕变试验所得数据转换成可更直接的反映材料高温性能的数据,以此对高温构件的剩余寿命进行估算。应用较为广泛的方法是求解诺顿方程:式中εc———等效蠕变应变σ———等效蠕变应力t———时间A,n由单轴蠕变实验与材料手册获得。引入蠕变损伤因子D0,满足:式中S0———服役材料的挠度-时间曲线下的面积S1———新材料挠度-时间曲线下的面积新材料的等效应力σ0与服役材料的等效应力σ满足:式中,σ0可由L-M参数为基础的关系式获得:式中K———与材料有关的常数F———小冲孔蠕变试验载荷由试验所得挠度-时间曲线图,通过式(2)求得D0,通过式(4)求得σ0,带入式(3)可得σ,带入式(1)即可求得t,实现进行寿命预测的目的。文献将传统蠕变拉伸试验的结果与小冲孔蠕试验的结果进行了比较。结果表明,在小冲孔蠕变试验中,试样断裂时间也可用Dorn关系计算得出。1.3试样压缩试验由于小冲孔蠕变试验涉及到材料、结构、状态、几何诸多非线性因素,很难用解析法求解试样变形和应力应变分布的精确解,因此通常使用数值分析的方法求解。采用有限元法对试样蠕变损伤进行模拟分析,为基于小冲孔试验的高温损伤寿命预测提供了参考依据。在此基础上,文献对1Cr0.5Mo耐热钢进行了550℃、恒载荷条件下的小冲孔试样蠕变损伤有限元模拟。计算结果表明,有限元方法可完整的模拟试样蠕变损伤及破坏的全过程,试样的失效位置、损伤情况与试验观察结果相符。2材料的温度-夏比冲击功曲线目前对韧脆转变温度的研究基本采用下述方法。1)用小冲孔试验的方法在不同温度下进行实验,得到材料的L-D曲线。2)对所得曲线进行积分,得到小冲孔的总变形能Esp,获得能量和温度的关系。3)通过能量曲线,获得小冲孔试验的韧脆转变温度Tsp。4)引入同种材料的温度-夏比冲击功曲线,关联出小冲孔试验的韧脆转变温度Tsp与夏比冲击试验的韧脆转变温度Tcvn的经验式。文献[14-15]认为,通过能量-温度曲线的最高点的1/2为Tsp,而文献将最大能量和最小能量取平均值为Tsp,得到以Foulds为代表的绝大多数学者认可,Tsp与Tcvn之间呈线性关系:式中Tcvn———夏比冲击实验韧脆转变温度Tsp———小冲孔实验所得的韧脆转变温度文献在前人研究的基础上,提出了更为合理的关系:式中C———尺度系数2.1韧脆转变温度与tcvn低温下工作的构件,材料的韧脆转变会导致设备的突发性损坏,具有很大的安全隐患。因此低温下脆化损伤分析对于保障低温设备安全运行显得十分重要。不同于蠕变条件下使用恒载荷加载,低温下基本通过恒定的速度对试样进行冲压,分析所得载荷-位移曲线以及相关变形性能。文献选用正丙醇、液氮的混合溶液和纯液氮为冷却介质,就16MnR、A508-III、A350轴向、径向和周向的韧脆转变温度等力学性能进行了研究。在7个不同温度(0℃、-25℃、-50℃、-75℃、-100℃、-125℃、-196℃)下进行了试验,并采用能量曲线最高点的1/2为韧脆转变温度的方法确定了Tsp,并与夏比冲击实验的韧脆转变温度直线拟合:通过观察发现,断口形貌从不平整转为平整,使用扫描电子显微镜对16MnR和A508-III断口进行分析,发现随着温度的降低微观形貌的韧窝特征减少,尺寸变小,逐渐转变为解理或准解理平面,反映了随着温度的降低,韧性断裂变成了脆性断裂。文献用小冲孔试验技术研究了AE460钢的韧脆转变温度。通过比较分析实验中试件总变形能与其常规夏比冲击试验冲击功曲线的关系,得出韧脆转变温度Tsp与Tcvn之间的关系,在此基础上,还通过最终断裂应变与屈服点和最大载荷点两种方法,推得试件的韧脆转变温度。3种方法所得结果均在-125℃左右,并建立了Tsp与Tcvn之间的关系:2.2试验分析和试验结果溶于金属中的氢,聚合为氢分子会导致应力集中,钢内部形成细小裂纹,材料性能退化,塑性性能降低,在内外力的作用下导致材料脆化开裂,具有安全隐患。因此需要对设备进行氢脆损伤分析。文献对经不同浓度充氢后的65Mn材料进行了小冲孔试验,并进行了微观观察。实验分别对未充氢、经4mA、10mA、20mA电流充氢60min的4个试样进行了小冲孔试验,对比4组试验所得载荷-位移曲线发现,当电流增大时,小冲孔试验典型的塑性弯曲段逐渐减少,薄膜拉伸段逐渐消失,最大载荷变小,试验曲线变短。观察4组小冲孔试验后试样的微观形貌发现,未经充氢的试样断口由无数韧窝组成,裂纹在应力较大区域里多源起裂,呈典型的韧性断裂状。对比经不同浓度充氢试样的断口微观形貌发现,随着电流的增大,试样断口由典型的韧性断裂向解理型沿晶断裂变化。经4mA电流充氢的试样断口韧窝变长,断口相对于未经充氢的试样更为平整;经10mA电流充氢的试样断口已呈一定程度的偏脆断裂;而经20mA电流充氢的试样断口已是脆性的河流状的解理断裂。文献用小冲孔试验技术研究了氢含量对韧脆转变性能的影响。试验结果表明,试样的失效载荷和中心挠度随着H/M(金属中氢元素H和金属元素M之比)的增大而降低。金属的抗氢脆性能在H/M<0.2时较好,H/M随压力的增加而变大,随温度的升高而变小,试样吸收功随着氢压和H/M的增大而降低。对不同试样进行SEM观察,发现当H/M=0.3时,试样产生了大裂纹,并且在小变形产生后开始呈放射状拓展,当H/M=0和H/M=0.1时,在较大塑性变形产生后会呈现环状裂纹。文献在富氢环境中研究了氢压对韧脆转变的影响。分别在不同氢气压力、氢含量和温度下对钯涂层的铌片进行了小冲孔试验。通过分析实验所得载荷-挠度曲线,得出试样的最大载荷和屈服载荷随着渗入铌片中氢含量增大而减小,而氢含量随着氢压的增大而增大,且温度对氢含量也有一定的影响。2.3小冲孔试验试验核工业中反应堆设备在受到长期辐照后会产生脆化现象,且在寿命期内不可更换,而小冲孔微试样技术的出现解决了传统实验方法无法取样的问题。文献对运用小冲孔技术评定经辐照后损伤材料性能做了探索,认为材料受到辐照后,夏比冲击实验的韧脆转变温度与小冲孔实验的韧脆转变温度之间仍存在线性关系。文献运用小冲孔技术对经中子辐照后反应堆压力容器钢的韧脆转变温度进行研究。所选材料为SA508Cl.3,并以41J夏比冲击试验时的温度T41J为指标,得出了经验公式:式中T41J———41J时夏比冲击试验的温度/KTsp———小冲孔试验所得韧脆转变温度/K文献对经辐照前后的A508-3钢进行小冲孔力学性能试验,并对试样进行了微观观察。将A508-3钢置于原子能院492堆中辐照冷却后,进行20℃和-50℃~-150℃(间隔温度10℃)的常温和低温小冲孔试验。所得辐照前后测试温度内试样的位移-载荷曲线总体趋势较为接近,屈服特征值和抗拉特征值在20℃~-150℃的温度范围内,随温度的降低而增大。不同的是,未经辐照的试件在-80℃时达到位移最大值,而经辐照后试件约在-20℃时达到位移最大值。在文献[27-28]及所测夏比冲击实验韧脆转变温度数据,计算得到A508-3的经验关系式:对比辐照前后不同温度下试件断口微观形貌,发现,当温度低于某一温度时,解理形貌开始变化,所不同的是,在于辐照前低于-90℃试件开始脆化,辐照后低于-50℃时的试件开始脆化。文献对经Halden核反应堆辐射后的试样进行了小冲孔试验,试验表明,材料的力学性能,如抗拉强度、屈服强度和韧脆转变温度也受辐射温度和辐射量影响。3力学性能的各向异性及其有限元模型的建立目前,小冲孔技术虽然已成功应用到航空航天、石油化工核电等行业,但尚未成熟,实验结果会因所采取的试样尺寸、设备装置、实验方法的不同而不同,因此有必要研究各因素对实验结果的影响。文献对水压试验中出现脆性断裂的A350法兰进行了研究,沿材料轴向和周向进行了常规拉伸实验和小冲孔实验,并对断口微观形貌进行了观察分析。经常规拉伸实验发现,材料不同方向的力学性能有很大差异,轴向力学性能低于标准规定的值;小冲孔实验中,采用最小二乘法拟合实验得到材料轴向和周向屈服载荷,以及文献归纳所得相关公式计算得到材料轴向和周向屈服强度、抗拉强度和断后伸长率。实验数据表明,实验所用的A350法兰材料在力学性能方面存在明显的各向异性,且所得结果与常规拉伸实验所得结果相符合;对常规拉伸实验和小冲孔实验试样的断口进行微观形貌观察分析发现,小冲孔实验断口处的韧窝尺寸较小,但两者具有相同的断裂机理,证明了小冲孔实验与常规拉伸实验之间存在一定的关系。文献基于GTN塑性损伤本构方程对SUS304不锈钢的常温小冲孔实验建立了有限元韧性损伤分析模型,研究各因素对实验结果的影响,并通过实验验证了有限元模型的可靠性。模拟结果显示,冲压速率和摩擦系数影响断裂形式与破断位置,但对L-D曲线影响较小,当摩擦系数为0.3时模拟效果最佳;最大载荷随小圆片的厚度、小球直径增大而增大,随下模孔径增大而减小。文献则从损伤角度对小冲孔试验进行审视,证明小冲孔变形过程中孔洞的增长具有一个恒速到加速的过程,在此基础上进一步讨论了各个影响因素