損傷條件下小沖孔試驗技術(shù)的研究進展

小沖孔試驗技術(shù)的優(yōu)點在原子能工業(yè)和化工行業(yè)，壓力容器管道或其他金屬支撐組件隨著服務時間的推移而惡化，導致物理和化學性質(zhì)變化的變化，以及能耗的損失，這將導致管道容器設備的早期或突然破壞，以及巨大的經(jīng)濟損失和人員損失。例如，用高壓管道蒸汽渦旋軸上的鉻鉬鋼顯示出二次脆化和失效。因此,研究其的力學性能(如屈服強度、抗拉強度、斷裂韌性和韌脆轉(zhuǎn)變溫度等)對于設備的維護、檢測、損傷分析和壽命評估顯得尤為重要。而傳統(tǒng)的力學性能試驗需要從服役設備中取下相對較多的材料,對設備會造成破壞,在一定程度上限制了其在在役設備上應用的推廣。相比之下,小沖孔試驗技術(shù)作為一種微型試樣試驗技術(shù)具有以下優(yōu)點:1)小沖孔技術(shù)是一種近乎無損的評定技術(shù),相比傳統(tǒng)的力學性能實驗,小沖孔實驗只需要厚度0.1mm~0.5mm的小圓片或方形試樣,可直接從服役設備構(gòu)件上取樣而不影響構(gòu)件的完整性。2)小沖孔技術(shù)可測如焊接接頭、金屬表面涂層、局部損傷的材料、渦輪機葉片等非常規(guī)的材料力學性能。3)針對貴金屬性能分析,小沖孔試驗更經(jīng)濟。小沖孔試驗的本質(zhì)是沖桿恒速沖壓試樣,記錄試樣變形失效過程中的載荷-位移曲線,以此分析計算材料的性能,裝置簡易示意圖如圖1所示,其取樣方式大致分為機械切割和電火花切割。隨著小沖孔技術(shù)20多年的發(fā)展,已在諸多行業(yè)得到了廣泛的應用。1設備構(gòu)件壓縮損傷的評估在核電、石化工業(yè)中高溫環(huán)境下服役的設備構(gòu)件,由于惡劣的服役環(huán)境導致構(gòu)件的蠕變損傷,對其進行損傷分析、壽命評估是保證設備安全運行必要手段。1.1小沖孔試驗試驗早在1993年學者Purmensky進行了小沖孔蠕變試驗,發(fā)現(xiàn)該試驗的變形特征與傳統(tǒng)拉伸試驗試樣相似,且試驗結(jié)果具有可重復性,認為應用小沖孔蠕變試驗獲取高溫下服役構(gòu)件性能是可行的。在此基礎上,文獻進行了小沖孔試驗,并就蠕變性能、斷裂時間、微觀組織方面與傳統(tǒng)單軸拉伸試驗進行比較,證明了小沖孔試驗可直接評價材料的蠕變性能。文獻對不同服役情況下的316不銹鋼試樣進行了小沖孔蠕變試驗,試驗采用B6、A4、A03種試樣,分別對在609℃下服役100,600h的過熱器管壁,和在700℃下服役1322h時和經(jīng)過固溶處理過的材料進行試驗。結(jié)果表明,在650℃下小沖孔試驗所得時間-中心撓度曲線與傳統(tǒng)單軸拉伸蠕變實驗所得曲線類似,符合蠕變規(guī)律;在338N和408N的載荷下,未經(jīng)服役過的試件A0的蠕變斷裂強度高于B6、A4,而在較低載荷下,情況正好相反。材料蠕變斷裂強度不同導致了不同的蠕變變形斷裂機理。A0的蠕變變形由晶界滑移控制,而B6的變形機制則是穿晶變形;在相同的Larson-Miller參數(shù)的條件下,小沖孔試驗所施載荷F與單軸拉伸試驗的比值約為1,由此可用小沖孔蠕變試驗所得數(shù)據(jù)推導傳統(tǒng)單軸拉伸試驗的結(jié)果。1.2傳統(tǒng)平均勢力應變應力法用小沖孔試驗的方法評定剩余壽命,其本質(zhì)是把小沖孔蠕變試驗所得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可更直接的反映材料高溫性能的數(shù)據(jù),以此對高溫構(gòu)件的剩余壽命進行估算。應用較為廣泛的方法是求解諾頓方程:式中εc———等效蠕變應變σ———等效蠕變應力t———時間A,n由單軸蠕變實驗與材料手冊獲得。引入蠕變損傷因子D0,滿足:式中S0———服役材料的撓度-時間曲線下的面積S1———新材料撓度-時間曲線下的面積新材料的等效應力σ0與服役材料的等效應力σ滿足:式中,σ0可由L-M參數(shù)為基礎的關系式獲得:式中K———與材料有關的常數(shù)F———小沖孔蠕變試驗載荷由試驗所得撓度-時間曲線圖,通過式(2)求得D0,通過式(4)求得σ0,帶入式(3)可得σ,帶入式(1)即可求得t,實現(xiàn)進行壽命預測的目的。文獻將傳統(tǒng)蠕變拉伸試驗的結(jié)果與小沖孔蠕試驗的結(jié)果進行了比較。結(jié)果表明,在小沖孔蠕變試驗中,試樣斷裂時間也可用Dorn關系計算得出。1.3試樣壓縮試驗由于小沖孔蠕變試驗涉及到材料、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、幾何諸多非線性因素,很難用解析法求解試樣變形和應力應變分布的精確解,因此通常使用數(shù)值分析的方法求解。采用有限元法對試樣蠕變損傷進行模擬分析,為基于小沖孔試驗的高溫損傷壽命預測提供了參考依據(jù)。在此基礎上,文獻對1Cr0.5Mo耐熱鋼進行了550℃、恒載荷條件下的小沖孔試樣蠕變損傷有限元模擬。計算結(jié)果表明,有限元方法可完整的模擬試樣蠕變損傷及破壞的全過程,試樣的失效位置、損傷情況與試驗觀察結(jié)果相符。2材料的溫度-夏比沖擊功曲線目前對韌脆轉(zhuǎn)變溫度的研究基本采用下述方法。1)用小沖孔試驗的方法在不同溫度下進行實驗,得到材料的L-D曲線。2)對所得曲線進行積分,得到小沖孔的總變形能Esp,獲得能量和溫度的關系。3)通過能量曲線,獲得小沖孔試驗的韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tsp。4)引入同種材料的溫度-夏比沖擊功曲線,關聯(lián)出小沖孔試驗的韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tsp與夏比沖擊試驗的韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tcvn的經(jīng)驗式。文獻[14-15]認為,通過能量-溫度曲線的最高點的1/2為Tsp,而文獻將最大能量和最小能量取平均值為Tsp,得到以Foulds為代表的絕大多數(shù)學者認可,Tsp與Tcvn之間呈線性關系:式中Tcvn———夏比沖擊實驗韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tsp———小沖孔實驗所得的韌脆轉(zhuǎn)變溫度文獻在前人研究的基礎上,提出了更為合理的關系:式中C———尺度系數(shù)2.1韌脆轉(zhuǎn)變溫度與tcvn低溫下工作的構(gòu)件,材料的韌脆轉(zhuǎn)變會導致設備的突發(fā)性損壞,具有很大的安全隱患。因此低溫下脆化損傷分析對于保障低溫設備安全運行顯得十分重要。不同于蠕變條件下使用恒載荷加載,低溫下基本通過恒定的速度對試樣進行沖壓,分析所得載荷-位移曲線以及相關變形性能。文獻選用正丙醇、液氮的混合溶液和純液氮為冷卻介質(zhì),就16MnR、A508-III、A350軸向、徑向和周向的韌脆轉(zhuǎn)變溫度等力學性能進行了研究。在7個不同溫度(0℃、-25℃、-50℃、-75℃、-100℃、-125℃、-196℃)下進行了試驗,并采用能量曲線最高點的1/2為韌脆轉(zhuǎn)變溫度的方法確定了Tsp,并與夏比沖擊實驗的韌脆轉(zhuǎn)變溫度直線擬合:通過觀察發(fā)現(xiàn),斷口形貌從不平整轉(zhuǎn)為平整,使用掃描電子顯微鏡對16MnR和A508-III斷口進行分析,發(fā)現(xiàn)隨著溫度的降低微觀形貌的韌窩特征減少,尺寸變小,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻饫砘驕式饫砥矫?反映了隨著溫度的降低,韌性斷裂變成了脆性斷裂。文獻用小沖孔試驗技術(shù)研究了AE460鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。通過比較分析實驗中試件總變形能與其常規(guī)夏比沖擊試驗沖擊功曲線的關系,得出韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tsp與Tcvn之間的關系,在此基礎上,還通過最終斷裂應變與屈服點和最大載荷點兩種方法,推得試件的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。3種方法所得結(jié)果均在-125℃左右,并建立了Tsp與Tcvn之間的關系:2.2試驗分析和試驗結(jié)果溶于金屬中的氫,聚合為氫分子會導致應力集中,鋼內(nèi)部形成細小裂紋,材料性能退化,塑性性能降低,在內(nèi)外力的作用下導致材料脆化開裂,具有安全隱患。因此需要對設備進行氫脆損傷分析。文獻對經(jīng)不同濃度充氫后的65Mn材料進行了小沖孔試驗,并進行了微觀觀察。實驗分別對未充氫、經(jīng)4mA、10mA、20mA電流充氫60min的4個試樣進行了小沖孔試驗,對比4組試驗所得載荷-位移曲線發(fā)現(xiàn),當電流增大時,小沖孔試驗典型的塑性彎曲段逐漸減少,薄膜拉伸段逐漸消失,最大載荷變小,試驗曲線變短。觀察4組小沖孔試驗后試樣的微觀形貌發(fā)現(xiàn),未經(jīng)充氫的試樣斷口由無數(shù)韌窩組成,裂紋在應力較大區(qū)域里多源起裂,呈典型的韌性斷裂狀。對比經(jīng)不同濃度充氫試樣的斷口微觀形貌發(fā)現(xiàn),隨著電流的增大,試樣斷口由典型的韌性斷裂向解理型沿晶斷裂變化。經(jīng)4mA電流充氫的試樣斷口韌窩變長,斷口相對于未經(jīng)充氫的試樣更為平整;經(jīng)10mA電流充氫的試樣斷口已呈一定程度的偏脆斷裂;而經(jīng)20mA電流充氫的試樣斷口已是脆性的河流狀的解理斷裂。文獻用小沖孔試驗技術(shù)研究了氫含量對韌脆轉(zhuǎn)變性能的影響。試驗結(jié)果表明,試樣的失效載荷和中心撓度隨著H/M(金屬中氫元素H和金屬元素M之比)的增大而降低。金屬的抗氫脆性能在H/M<0.2時較好,H/M隨壓力的增加而變大,隨溫度的升高而變小,試樣吸收功隨著氫壓和H/M的增大而降低。對不同試樣進行SEM觀察,發(fā)現(xiàn)當H/M=0.3時,試樣產(chǎn)生了大裂紋,并且在小變形產(chǎn)生后開始呈放射狀拓展,當H/M=0和H/M=0.1時,在較大塑性變形產(chǎn)生后會呈現(xiàn)環(huán)狀裂紋。文獻在富氫環(huán)境中研究了氫壓對韌脆轉(zhuǎn)變的影響。分別在不同氫氣壓力、氫含量和溫度下對鈀涂層的鈮片進行了小沖孔試驗。通過分析實驗所得載荷-撓度曲線,得出試樣的最大載荷和屈服載荷隨著滲入鈮片中氫含量增大而減小,而氫含量隨著氫壓的增大而增大,且溫度對氫含量也有一定的影響。2.3小沖孔試驗試驗核工業(yè)中反應堆設備在受到長期輻照后會產(chǎn)生脆化現(xiàn)象,且在壽命期內(nèi)不可更換,而小沖孔微試樣技術(shù)的出現(xiàn)解決了傳統(tǒng)實驗方法無法取樣的問題。文獻對運用小沖孔技術(shù)評定經(jīng)輻照后損傷材料性能做了探索,認為材料受到輻照后,夏比沖擊實驗的韌脆轉(zhuǎn)變溫度與小沖孔實驗的韌脆轉(zhuǎn)變溫度之間仍存在線性關系。文獻運用小沖孔技術(shù)對經(jīng)中子輻照后反應堆壓力容器鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度進行研究。所選材料為SA508Cl.3,并以41J夏比沖擊試驗時的溫度T41J為指標,得出了經(jīng)驗公式:式中T41J———41J時夏比沖擊試驗的溫度/KTsp———小沖孔試驗所得韌脆轉(zhuǎn)變溫度/K文獻對經(jīng)輻照前后的A508-3鋼進行小沖孔力學性能試驗,并對試樣進行了微觀觀察。將A508-3鋼置于原子能院492堆中輻照冷卻后,進行20℃和-50℃~-150℃(間隔溫度10℃)的常溫和低溫小沖孔試驗。所得輻照前后測試溫度內(nèi)試樣的位移-載荷曲線總體趨勢較為接近,屈服特征值和抗拉特征值在20℃~-150℃的溫度范圍內(nèi),隨溫度的降低而增大。不同的是,未經(jīng)輻照的試件在-80℃時達到位移最大值,而經(jīng)輻照后試件約在-20℃時達到位移最大值。在文獻[27-28]及所測夏比沖擊實驗韌脆轉(zhuǎn)變溫度數(shù)據(jù),計算得到A508-3的經(jīng)驗關系式:對比輻照前后不同溫度下試件斷口微觀形貌,發(fā)現(xiàn),當溫度低于某一溫度時,解理形貌開始變化,所不同的是,在于輻照前低于-90℃試件開始脆化,輻照后低于-50℃時的試件開始脆化。文獻對經(jīng)Halden核反應堆輻射后的試樣進行了小沖孔試驗,試驗表明,材料的力學性能,如抗拉強度、屈服強度和韌脆轉(zhuǎn)變溫度也受輻射溫度和輻射量影響。3力學性能的各向異性及其有限元模型的建立目前,小沖孔技術(shù)雖然已成功應用到航空航天、石油化工核電等行業(yè),但尚未成熟,實驗結(jié)果會因所采取的試樣尺寸、設備裝置、實驗方法的不同而不同,因此有必要研究各因素對實驗結(jié)果的影響。文獻對水壓試驗中出現(xiàn)脆性斷裂的A350法蘭進行了研究,沿材料軸向和周向進行了常規(guī)拉伸實驗和小沖孔實驗,并對斷口微觀形貌進行了觀察分析。經(jīng)常規(guī)拉伸實驗發(fā)現(xiàn),材料不同方向的力學性能有很大差異,軸向力學性能低于標準規(guī)定的值;小沖孔實驗中,采用最小二乘法擬合實驗得到材料軸向和周向屈服載荷,以及文獻歸納所得相關公式計算得到材料軸向和周向屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率。實驗數(shù)據(jù)表明,實驗所用的A350法蘭材料在力學性能方面存在明顯的各向異性,且所得結(jié)果與常規(guī)拉伸實驗所得結(jié)果相符合;對常規(guī)拉伸實驗和小沖孔實驗試樣的斷口進行微觀形貌觀察分析發(fā)現(xiàn),小沖孔實驗斷口處的韌窩尺寸較小,但兩者具有相同的斷裂機理,證明了小沖孔實驗與常規(guī)拉伸實驗之間存在一定的關系。文獻基于GTN塑性損傷本構(gòu)方程對SUS304不銹鋼的常溫小沖孔實驗建立了有限元韌性損傷分析模型,研究各因素對實驗結(jié)果的影響,并通過實驗驗證了有限元模型的可靠性。模擬結(jié)果顯示,沖壓速率和摩擦系數(shù)影響斷裂形式與破斷位置,但對L-D曲線影響較小,當摩擦系數(shù)為0.3時模擬效果最佳;最大載荷隨小圓片的厚度、小球直徑增大而增大,隨下?？讖皆龃蠖鴾p小。文獻則從損傷角度對小沖孔試驗進行審視,證明小沖孔變形過程中孔洞的增長具有一個恒速到加速的過程,在此基礎上進一步討論了各個影響因素