小沖孔微試樣材料性能測試技術(shù)及應(yīng)用

前言

1 緒論

1.1 小沖孔試驗技術(shù)原理

1.2 小沖孔試驗技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

1.2.1 基本力學(xué)性能

1.2.2 韌-脆轉(zhuǎn)變溫度

1.2.3 斷裂韌性

1.2.4 蠕變性能研究及壽命預(yù)測

1.3 數(shù)值模擬在小沖孔測試技術(shù)研究中的應(yīng)用

1.3.1 直接有限元法

1.3.2 反向有限元法

1.3.3 有限元結(jié)合反方法

1.3.4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合反向識別

參考文獻

2 小沖孔試驗系統(tǒng)

2.1 小沖孔常溫試驗系統(tǒng)

2.1.1 夾具和沖桿

2.1.2 沖頭

2.1.3 萬能材料試驗機

2.1.4 位移傳感器

2.1.5 數(shù)據(jù)采集處理

2.1.6 電加熱爐及溫控系統(tǒng)

2.1.7 高溫惰性氣體保護系統(tǒng)

2.2 小沖孔蠕變試驗系統(tǒng)

2.2.1 加載部分

2.2.2 加熱及溫控部分

2.2.3 高溫氣體保護部分

2.2.4 測量部分設(shè)計

2.2.5 數(shù)據(jù)采集和信號處理

2.2.6 小沖孔蠕變試驗系統(tǒng)臺架

2.2.7 小沖孔蠕變試驗系統(tǒng)的調(diào)試

2.2.8 小沖孔蠕變試驗系統(tǒng)的操作

參考文獻

3 小沖孔試樣制備

3.1 小沖孔試樣取樣

3.1.1 取樣方法

3.1.2 取樣要求

3.2 小沖孔試樣制備

參考文獻

4 小沖孔常溫試驗研究

4.1 常規(guī)拉伸試驗

4.1.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

4.1.2 屈服強度的確定

4.1.3 抗拉強度的確定

4.2 小沖孔試驗

4.2.1 試驗材料

4.2.2 試驗條件及結(jié)果

4.2.3 試驗重復(fù)性分析

4.3 屈服強度測試

4.3.1 雙斜率法

4.3.2 偏移法

4.3.3 能量法

4.4 抗拉強度測試

參考文獻

5 小沖孔常溫試驗有限元分析

5.1 塑性損傷基本理論

5.1.1 塑性損傷的定義

5.1.2 塑性損傷分析方法

5.1.3 塑性損傷模型

5.2 有限元數(shù)值模擬

5.2.1 真實應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)

5.2.2 GTN模型參數(shù)

5.2.3 有限元模型

5.3 有限元模型的合理性分析

5.3.1 試驗與模擬載荷-位移曲線比較

5.3.2 f N對載荷-位移曲線的影響

5.3.3 網(wǎng)格劃分分析

5.3.4 試樣杯突和破斷位置比較

5.4 損傷在試樣中的演化和分布

5.4.1 損傷在試樣中的演化

5.4.2 孔洞率和等效塑性應(yīng)變之間的關(guān)系

5.5 影響因素分析

5.5.1 摩擦系數(shù)對試驗結(jié)果的影響

5.5.2 試樣厚度對試驗結(jié)果的影響

5.5.3 壓球直徑對試驗結(jié)果的影響

5.5.4 下?？讖綄υ囼灲Y(jié)果的影響

5.5.5 加載速度對試驗結(jié)果的影響

5.6 影響因素優(yōu)化分析

參考文獻

6 小沖孔蠕變試驗研究

6.1 蠕變的基本理論

6.1.1 蠕變的概念

6.1.2 蠕變的機制

6.1.3 蠕變斷裂的類型

6.1.4 常規(guī)高溫蠕變試驗

6.1.5 常規(guī)蠕變壽命預(yù)測方法

6.2 小沖孔蠕變試驗理論模型

6.3 小沖孔蠕變試驗

6.3.1 試樣中心撓度曲線

6.3.2 試樣中心蠕變撓度曲線

6.3.3 試樣蠕變變形過程

6.3.4 蠕變試驗的可重復(fù)性

6.3.5 氬氣流量的影響

6.3.6 試樣斷口形貌及金相組織

6.4 基于小沖孔蠕變試驗的壽命預(yù)測

6.4.1 Norton方程

6.4.2 Monkman-Grant方法壽命預(yù)測

6.4.3 Larson-Miller參數(shù)法

6.4.4 基于損傷的壽命預(yù)測

參考文獻

7 小沖孔高溫蠕變試驗有限元分析

7.1 蠕變損傷本構(gòu)模型

7.1.1 Kachanov-Rabotnov方程

7.1.2 有限元模擬

7.1.3 材料雅可比矩陣的確定

7.1.4 時間步長的控制

7.1.5 表征點的選取

7.1.6 失效點的處理

7.2 有限元模型

7.3 有限元模擬結(jié)果分析

7.3.1 試樣中心撓度與時間的關(guān)系

7.3.2 試樣應(yīng)力分布

7.3.3 應(yīng)變與時間的關(guān)系

7.3.4 載荷與應(yīng)力之間的關(guān)系

7.3.5 蠕變損傷與時間、位置的關(guān)系

7.3.6 蠕變應(yīng)變速率與破斷時間的關(guān)系

7.4 影響因素分析

7.4.1 試樣厚度的影響

7.4.2 壓頭球徑對小沖孔試樣模擬結(jié)果的影響

7.4.3 試樣直徑對小沖孔試樣模擬結(jié)果的影響

7.4.4 摩擦系數(shù)的選取

7.4.5 網(wǎng)格無關(guān)性

參考文獻

1 緒 論

在石油、化工、航空航天和核電等行業(yè)中有許多金屬設(shè)備在高溫、輻射、腐蝕等惡劣環(huán)境下工作，無疑對這些構(gòu)件的安全性要求很高，也使得高溫構(gòu)件壽命評價技術(shù)的研究日益重要[1]。

國內(nèi)外學(xué)者針對高溫構(gòu)件剩余壽命提出了多種預(yù)測方法，歸納起來可大致分為非破壞性檢查和破壞性檢查兩大類[2]。非破壞性檢查主要包括基于表面覆膜的金屬組織測定法、硬度測定法、超聲波測定法、數(shù)值模擬法等，見表1-1 。破壞性檢查主要包括拉伸試驗方法、沖擊試驗方法、材料密度法、高溫蠕變試驗法等，見表1-2 。

非破壞性檢查具有無損的優(yōu)勢，其主要是根據(jù)高溫條件下長期運行的材料會發(fā)生特性變化的特點，在已經(jīng)建立所測物理量與材料壽命相關(guān)性的基礎(chǔ)上，依據(jù)所測物理量的變化評定材料的壽命。但這種檢查存在很大的局限性： 一方面，物理量與材料壽命之間有效的關(guān)聯(lián)性非常難于建立，而且這種關(guān)聯(lián)性可能隨著材料使用條件的不同而發(fā)生變化； 另一方面，不同材料物理量的變化不同，測定時所測物理量的評價也存在較大差異。相對來講，破壞性取樣檢查方法歷經(jīng)多年應(yīng)用已比較成熟，所測信息準(zhǔn)確可靠。但明顯的不足之處在于試驗所需試樣尺寸較大，取樣時會對構(gòu)件產(chǎn)生較大的破壞，且有時由于構(gòu)件取樣處尺寸的限制而無法取樣。如在中子輻射材料的損傷研究中，因粒子加速器產(chǎn)生的損傷區(qū)域很窄，試樣的尺寸必然受到嚴(yán)格限制。

此外，許多貴重金屬材料因為其優(yōu)異的材料性能被廣泛應(yīng)用，如鋯材、鈦材、鉭材等，如果通過傳統(tǒng)的試驗方法來獲得這些材料的力學(xué)性能勢必因為其昂貴的價格造成巨大的經(jīng)濟浪費； 同時設(shè)備的焊縫及其熱影響區(qū)等重要部位，需要定期對其力學(xué)性能和壽命進行評價，這些部位無法滿足常規(guī)試驗方法試樣的所需尺寸； 有些設(shè)備的工作環(huán)境比較特殊，傳統(tǒng)試樣模擬實際工作環(huán)境因為其體積大

造成費用很高，如輻照等[3]。小沖孔試驗（又稱小沖桿試驗，small punch test，SPT）技術(shù)所采用的試樣體積微?。▓A形試樣直徑或方形試樣邊長尺寸為3～10mm 、厚度為0.25～0.5mm），是一種既有效又經(jīng)濟、快速的檢測手段。該技術(shù)的出現(xiàn)無疑為解決以上問題提供了極大的方便。

1.1 小沖孔試驗技術(shù)原理

20 世紀(jì)80 年代初，由于核工業(yè)領(lǐng)域材料研究的需要，Ames 實驗室提出了小沖孔試驗技術(shù)，成功地利用該技術(shù)檢查了材料回火和輻射脆性、輻射后固溶引起的邊界弱化以及晶界的變形和斷裂性能[4]。事實上，同期甚至稍早于小沖孔試驗技術(shù)之前，就有很多試驗原理與之相似的微型試驗方法。例如，Huang 等[5]以及Manahan 等[6 ，7]設(shè)計的微型圓片彎曲試驗（miniaturized disk bend test ，MDBT）、Okada 等[8 ，9]的微型凸出試驗（mi-cro-bulge test）和Lucas 等[10]的剪切沖孔試驗（shear punch test）。小沖孔試驗技術(shù)的基本原理，沖桿以恒定速度（載荷）沖壓薄片試樣，記錄試樣從彈塑性變形到斷裂失效整個過程中的載荷（時間）位移（蠕變變形）數(shù)據(jù)，并借此分析材料強度、塑性、斷裂韌性和蠕變性能等一系列所需性能數(shù)據(jù)[11]。需要指出的是，施加恒定變形速度（constant deflection rate ，CDR）的小沖孔試驗主要用來評價材料的低溫、常溫和高溫性能； 而施加恒定力（constant force ，CF）的小沖孔試驗主要用來評價材料的蠕變性能，并習(xí)慣稱之為小沖孔蠕變試驗技術(shù)。就試驗耗時而言，后者遠(yuǎn)長于前者。

小沖孔試驗得到的典型載荷位移曲線，可以看出，試驗曲線前后經(jīng)歷四個變形階段： 彈性變形階段、塑性變形階段、薄膜伸張階段、塑性失穩(wěn)階段。而小沖孔試驗研究運用各種理論和分析方法，將信息轉(zhuǎn)化為試樣材料的強度、塑性、韌性等數(shù)據(jù)。目前已經(jīng)得出材料屈服強度σy 、抗拉強度σb 和Py 、Pmax 之間的線性關(guān)

系，建立了小沖孔試驗和材料力學(xué)性能試驗之間的聯(lián)系等。

1.2 小沖孔試驗技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

1.2.1 基本力學(xué)性能

Huang 通過試驗得到載荷位移（圓片撓度）曲線并且采用圓板彎曲理論，將載荷位移曲線轉(zhuǎn)化為應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，把圓片斷裂時的撓度轉(zhuǎn)化為有效斷裂應(yīng)變，將其作為與傳統(tǒng)拉伸試驗中的伸長率相對應(yīng)的彎曲延性指標(biāo)，實現(xiàn)了用小圓片試樣測試材料延性的目的。

Manahan 建立了一種帶摩擦邊界條件的有限元模型來分析試片受力后所呈現(xiàn)出來的不均勻的二向應(yīng)力場，在有限元分析中引入了材料、幾何以及邊界三重非線性，從載荷試樣中心撓度曲線中成功獲取了試片從彈性變形直至產(chǎn)生裂紋而失效這一整個過程中的應(yīng)力應(yīng)變行為和材料的延性信息。同時，Manahan 還開創(chuàng)性地將載荷位移曲線分為幾個典型區(qū)域，分別對應(yīng)試驗過程中試片的幾個

變形階段：彈性變形階段（Ⅰ）、塑性變形階段（Ⅱ）、薄膜伸張階段（Ⅲ）和塑性失穩(wěn)階段（Ⅳ）。其中Py 為第Ⅰ 階段和第Ⅱ 階段過渡點所應(yīng)的縱坐標(biāo)值； Pmax 為曲線峰值點所對應(yīng)的縱坐標(biāo)值。Py 和Pmax 分別與傳統(tǒng)拉伸試驗的屈服點載荷和抗拉極限載荷相對應(yīng)。δu 是與Py 對應(yīng)的試樣撓度，δ′是試樣斷裂時的試樣撓度。

Okada 通過假設(shè)得到應(yīng)力與載荷的關(guān)系，再將二維狀態(tài)下的應(yīng)力與試樣單軸拉伸應(yīng)力等價，從而得到試樣最大載荷與抗拉強度、屈服載荷與屈服強度、位移與拉伸應(yīng)變之間的相互對應(yīng)關(guān)系，證明了通過微凸試驗測試材料基本力學(xué)性能的可行性。同時，還指出了試樣所能承受的最大載荷與摩擦情況無關(guān)?！?100433B

《小沖孔微試樣材料性能測試技術(shù)及應(yīng)用》可供從事材料力學(xué)性能研究相關(guān)工作的高校師生、研究院所和企事業(yè)單位的科研工作者及工程技術(shù)人員使用和參考，也可作為相關(guān)領(lǐng)域培訓(xùn)教材和有關(guān)專業(yè)教學(xué)參考書。

《小沖孔微試樣材料性能測試技術(shù)及應(yīng)用》從材料力學(xué)性能測試角度出發(fā)，詳細(xì)介紹了小沖孔（又稱小沖桿）微試樣測試技術(shù)在材料力學(xué)性能研究領(lǐng)域的發(fā)展歷程及未來發(fā)展方向，主要介紹了作者多年來在小沖孔微試樣測試技術(shù)及應(yīng)用方面的一些研究成果。其內(nèi)容主要包括基于小沖孔測試技術(shù)的材料屈服強度（包括雙曲線法、偏移法和能量法）和抗拉強度研究；基于塑性損傷理論的材料斷裂失效分析研究；材料高溫蠕變測試技術(shù)及剩余壽命評價技術(shù)研究；另外，為了加強《小沖孔微試樣材料性能測試技術(shù)及應(yīng)用》內(nèi)容的系統(tǒng)性和完整性，書中介紹了小沖孔取樣方法、小沖孔微試樣制備和試驗測試系統(tǒng)及相關(guān)力學(xué)性能的數(shù)值模擬等研究內(nèi)容。

《工程測試技術(shù)及應(yīng)用》秉承“工程教育”的教學(xué)理念，對基礎(chǔ)理論進行精簡，對工程應(yīng)用進行突出，從而為卓越工程技術(shù)人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)?！豆こ虦y試技術(shù)及應(yīng)用》分為上下兩篇。上篇共6章，包括緒論、信號分析與處理基礎(chǔ)、測試系統(tǒng)特性分析、敏感元件與傳感器技術(shù)、信號調(diào)理及記錄儀器以及計算機測試技術(shù)；下篇共6章，包括力與力矩的測量、位移與速度的測量、振動與噪聲的測量、溫度的測量、轉(zhuǎn)速與功率的測量以及流體參量的測量。教材中還設(shè)立了“工程背景”、“應(yīng)用點評”等環(huán)節(jié)，并免費為采用本教材授課的教師提供電子課件和書中所有插圖。

《工程測試技術(shù)及應(yīng)用》既可作為高等工科院校機械類及相關(guān)工科專業(yè)本科生的教材使用，也可作為企業(yè)和科研單位技術(shù)人員從事測試工作的參考書。

微凝膠獨特的分子結(jié)構(gòu)賦予了其多方面優(yōu)異的功能，可以顯著改善涂料的流變性能，并增強涂膜各項性能。微凝膠還可以用于制備透濕性的防 水涂料，特別是在建筑涂料領(lǐng)域。微凝膠與乳膠樹脂復(fù)配的涂料除了形成致密的涂膜以防止水分的滲透外，還可以使混凝土內(nèi)的水分向外擴散，提高混凝土的強度。這種復(fù)配涂料具有良好的水蒸汽透過速度（MVTR），在加量適宜時又不影響涂膜的耐水性，并隨微凝膠用量增加涂膜耐水性提高，但微凝膠用量超過16%，MVTR就迅速降低。另外，微凝膠還可以用來提高顏料分散的穩(wěn)定性和耐化學(xué)品性，在鋁粉漆中還可以很好地提高漆膜的流平性和鋁粉的定向性。這種顆粒已在藥物輸送、細(xì)胞包覆、納米反應(yīng)器和生物傳感器等研究領(lǐng)域中展現(xiàn)出了潛在的應(yīng)用價值。