高溫特殊設備小沖桿試驗方法的研究進展

原油、化工、原子能等行業的大多數壓力容器和管道長期在高溫、高壓和氫腐蝕條件下運行。材料的這種惡劣化降低了他們的性能。這些設備,如加氫裂化、加氫精制、制氫、重整、催化、乙烯、焦化等裝置及電站鍋爐高溫蒸汽系統等成為比較容易發生事故的特殊設備。如何評價和預測這些特殊設備的當前性能和剩余壽命一直是國內外研究的熱點問題。傳統的無損檢測大多只能探測出當前使用材料的微觀缺陷和宏觀材料形貌,而在評價材料性能(基本力學性能、韌脆轉變溫度、材料斷裂性能和蠕變性能)等方面存在著不足。其他傳統的材料性能評價實驗方法大多基于破壞性取樣或破壞性實驗,對在役設備的取樣往往具有一定的損傷和破壞,從而限制了對在役設備的評定。針對這種情況,需要一種可以通過從在役設備中取得微小尺寸試樣來獲取材料的各種性能參數,且對設備本身無損的微試樣測試方法。正是基于“無損取樣”的實驗要求,80年代初期出現一種新型微試樣試驗方法——小沖桿試驗(SmallPunchTest,簡稱SPT)。這種試驗技術早期主要集中在核工業領域,直到20世紀90年代初才漸漸擴展到非核工業高溫服役材料性能測試上,但目前還處于實驗室研究階段,沒有廣泛應用到工程實踐中。本文綜述了小沖桿試驗方法的發展歷史以及在評價材料性能方面的最新研究進展,為今后該試驗方法的發展提供必要的基礎知識和研究思路。1試樣基本變形形貌小沖桿試驗是一種利用沖桿以一定速度沖壓試樣薄片,同時記錄試片從變形到失效整個過程中的載荷-位移(變形撓度)數據,并借此分析得出材料各種性能參數的試驗方法。其典型裝置如圖1所示,試驗用試樣可為圓形或方形,其尺寸很小,一般直徑或方形邊長為3～10mm不等,厚度在0.1～0.5mm范圍之內。試樣在受載瞬間及隨后的蠕變過程中將發生變形,其基本變形形貌如圖2所示。試驗得到的典型載荷-位移曲線(簡稱P-δ曲線,圖3),與典型的蠕變曲線(圖4)類似,試樣前后經歷4個變形階段:彈性彎曲階段;塑性變形階段;塑性失穩階段;開裂破裂階段。從中可以確定一些用來表征材料變形和斷裂性能的參數,如屈服載荷Ps、最大載荷Pmax、失效撓度δmax和斷裂能Ef等,然后利用理論和試驗分析的方法,將圖3中得到的這些表征參數轉化為強度、塑性及斷裂韌性等一系列材料性能數據。2圓板彎曲試驗SmallPunchTest這一稱謂最早見于Baik等人的文章。隨后美國Handford工程發展實驗室的Huang等人于1981年設計出首臺圓片彎曲試驗設備,采用圓板彎曲理論將簡支圓片在沖桿作用下的載荷-變形曲線轉變為應力-應變關系,作為與傳統拉伸試驗之伸長率相對應的彎曲延性指標,從而實現用小圓片試樣測知材料延性的目的。從Huang的圓片彎曲試驗開始,到現在約20年的時間里以小沖桿試驗技術為代表的小試樣試驗技術經歷了幾個階段的工作。2.1s-ps和b-pmaa的確定小沖桿試驗用于材料力學性能測試的研究早期主要以Manahan的微型圓片彎曲試驗(MDBT)和Okada與Mao的小試樣微凸試驗為代表。與Huang的試驗相同,這一階段主要以研究小沖桿試樣與傳統標準試樣在屈服強度和材料延性等方面的關聯性為特征。Okada用兩類韌性不同的材料進行凸出試驗,并將記錄到的典型載荷-位移曲線分為幾個區域,分別對應試驗過程中試片的幾個變形階段(圖4):彈性彎曲階段、塑性彎曲階段、薄膜伸張階段和開裂破裂階段。另一方面,通過假設得到應力與載荷的關系,再進一步將二維狀態下的應力與試樣單軸拉伸應力等價,從而得到小試片材料最大載荷與抗拉強度、屈服載荷與屈服強度、位移與總拉伸應變之間的相互對應關系。Mao通過對HT-60、PCA、HT-9、SUS304、A533B5種材料的?3mm×0.25mm規格,HT-60、A508、HT-9、SUS304、A533B5種材料10mm×10mm×0.3～0.5mm規格的小沖桿試驗,分別得到了σs-Ps和σb-Pmax的經驗關系:σs=0.36Ps/t2002(1)σb=0.13(Pmax/t2002)-320(2)式中t0——試樣的初始厚度。韓浩采用的方法是將小沖桿試驗的前半部分曲線取出,如圖5所示。將彈性彎曲部分的直線L1延長,再將塑性彎曲區的曲線后段用線性回歸法近似模擬為直線L2,再倒推到與彈性彎曲直線相交,其交點所對應的曲線上的P值即為薄圓片的特征屈服載荷Ps。這一方法克服了國外確定Ps的隨意性。將11種測試材料的Ps值作為圖6的橫坐標,相應地用常規試樣測得的σs值為縱坐標,對這些點做直線擬合,得到回歸方程:σs=2Ps(R2=0.9825)(3)將t0=0.5代入式(1)得σs=1.44Ps,與式(3)相比有一定的差別,主要是試樣幾何尺寸的差異和Ps確定方法的差異造成的。由此可見,用小沖桿法來確定材料的σs值較為可靠,有相當高的相關系數。同樣σb與Pmax也存在明顯的線性關系,韓浩對小沖桿試驗法得到的最大載荷與用傳統拉伸試驗得到的抗拉強度σb繪成圖7,得到的σb-Pmax線性回歸方程為:σb=0.44Pmax-77(R2=0.9133)(4)由于試驗機規格和試樣尺寸的差異,與Mao所獲得的關聯方程有一定的差別。2.2sp試驗與cvn沖擊試驗能量轉變溫度的關聯性Manahan等人成功地找出小試片與傳統標準試樣在拉伸性能方面的關聯之后,人們開始把目光轉向材料沖擊性能方面的關聯。這一階段的工作主要集中在對材料韌脆性轉變溫度(T韌)的研究上,幾乎所有關于T韌的研究思路都是一致的。其內容可概括為:首先采用SPT(或MDBT)技術得到試樣在不同溫度下的載荷-撓度關系曲線,然后采用計算曲線下面積的方法,將載荷-撓度曲線轉化為溫度-SP能量曲線,然后引入同樣材料的溫度-CVN沖擊能量曲線,將兩者進行比較、分析,最后得出兩者關聯性的結論。在該階段中,Kameda、Mao、Matsushia和Bulloch等證明了微試樣沖擊試驗得出的數據與CVN沖擊試驗能量轉變溫度具有關聯性。其中,Kameda和Mao對0.25～0.5mm厚的奧氏體鋼圓片進行小沖桿試驗分析,得到的斷裂沖擊能量和CVN沖擊能量進行了比較、擬合(圖8、9),得出了線性表達式:(T韌)SPT=0.4(T韌)SCT(5)Matsushia根據C-0.5Mo、Cr-Mo和Cr-Mo-V鋼的試驗數據,并利用多元回歸分析法評定了TCVN與試樣的TSP、化學成分、晶粒尺寸、硬度和貝氏體與珠光體百分比之間的關系,最后發現TSP和晶粒尺寸d顯著性較高,并歸納出以下關系式:TCVN=1.35TSP-0.84×102d-0.5+326(6)Bulloch研究問題的側重點與Matsushia一樣,都是尋求TSP和TCVN之間的關系。Bulloch綜合前人得出的一系列關于TSP和T斷的數據,提出另一種非線性關系式:T斷=1.92×105/(TSP)2(7)并通過比較,證明非線性關系式比線性關系式更為合理。綜上所述,關于SP試驗得到的轉變溫度(TSP)與CVN沖擊試驗轉變溫度(TCVN)之間的關系式基本上均認為呈線性關系,即可表達為:TCVN=αTSP+β(α和β均為常數)這樣的經驗式。式中TCVN可為T斷值,也可為T韌值。兩種試驗方法的關聯性大體從圖10可見。由于能量方法簡單而且物理意義明確,通過小沖桿試驗分析材料的沖擊性能已被公認為最適于分析小沖桿沖擊性能的方法。2.3試驗與材料間的關系對小沖桿試驗技術的研究已經進入了第3階段,人們開始探索用小沖桿試驗法確定材料的斷裂韌度值和材料的蠕變性能。在研究材料的斷裂韌性方面,主要的代表有Mao、Bulloch以及Afzal等人。早期的研究思路比較簡單:用小沖桿試驗找出T韌與傳統T斷之間的關系,再根據以往積累的T斷與KIC的經驗關系預測材料的KIC值。這種方法依據的全是經驗關系,復雜而不精確。目前直接尋求SP試驗結果與KIC(或JIC)的關系成為研究的主流,Mao將材料分為延性和脆性兩種,并分別針對延性材料和脆性材料提出了小沖桿有效斷裂應變εqf和斷裂應力σf(SP)的概念。研究并發展了測量或估算εqf和σf(SP)的方法,同時根據試驗結果找出了εqf和JIC(兩者之間的關系見圖11)以及σf(SP)和KIC之間存在的經驗關系:JIC=kεqf-J0(8)KIC=C(σf(SP))2/3(9)式中k、J0和C均為試驗確定之常數,從而成功地實現了用小沖桿試驗測材料斷裂韌性KIC或JIC的構想。Bulloch在研究材料斷裂韌度的時候引入小試片斷裂形貌特征參數,提出了Jc的計算式:Jc=σ0E*fl*0(10)式中σ0——流變應力;Ef*——空洞間距;l0*——臨界斷裂應變。Afzal引用能量觀點來解決問題,他認為SP試樣斷裂時存在WT=We+Wp+Wf這樣的能量關系,即總能量(WT)等于彈性能量(We)、塑性能量(Wp)與斷裂能量(Wf)之和。彈性項We可忽略,塑性項Wp可根據小沖桿載荷-撓度曲線獲知。綜上所述,Mao的方法比較簡單易行;Afzal的方法概念清楚,也較合理,但基本上僅適用于延性材料;Bulloch的方法考慮了微觀特征參數,同時從宏微觀角度全面地反映了斷裂本質,但參數σ0不易測定,或者測量誤差較大。在評價材料蠕變性能方面,王玉成和楊鎮做了一些很有意義的探索。王玉成在不同載荷和不同溫度下對1.25Cr0.5Mo做小沖桿蠕變試驗如圖12所示,發現中心撓度對斷裂時間的曲線與傳統蠕變試驗曲線很相似,具有典型的3個階段:第1階段是降速階段,接著是帶有恒速蠕變速率的第2階段,在第3階段蠕變速率不斷增加直至試樣斷裂。楊鎮在研究小沖桿試樣的變形進入薄膜拉伸狀態后,發現球部的薄膜應變與中心點位移δ之間存在函數關系,函數的純理論解存在困難,便利用集合關系和蠕變第Ⅱ階段假設材料體積不變的原理,在接觸角θ0為0～90°的范圍內,以1°為步長,假設90個θ0值,計算出各θ0值下的位移值δ與表征最大應變εˉmaxεˉmax,這90組數據經二次多項式擬合,得到下式:εˉmax=0.2111δ2+0.3299δ(R2=1.00)(11)εˉmax=0.2111δ2+0.3299δ(R2=1.00)(11)式(11)表明了εˉmaxεˉmax與中心位移δ存在幾何關系。綜上所述,雖然小沖桿蠕變試驗和常規單軸向拉伸的蠕變試驗兩者獲得的蠕變曲線十分相似,但前者是多向應力應變狀態,而后者是單向應力應變狀態。另外,用小沖桿試驗的結果來模擬甚至一定程度下代替常規蠕變試驗依然十分困難。2.4模擬分析的基本原理近年來,人們對小沖桿試驗過程進行了有限元模擬分析,發現有限元分析小沖桿試樣非線性變形過程和小沖桿試驗得出的變形曲線很相似。Peng采用了ABAQUS對含9%Cr的奧氏體鋼(T92/P92)做有限元模擬分析,發現有限元模擬生成的中心撓度-時間曲線(圖13)與試驗得出的曲線很相似,都具有第二階段蠕變