小沖孔微試樣材料性能測試技術及應用（簡體書）

《小沖孔微試樣材料性能測試技術及應用》從材料力學性能測試角度出發，詳細介紹了小沖孔（又稱小沖杆）微試樣測試技術在材料力學性能研究領域的發展歷程及未來發展方向，主要介紹了作者多年來在小沖孔微試樣測試技術及應用方面的一些研究成果。其內容主要包括基於小沖孔測試技術的材料屈服強度（包括雙曲線法、偏移法和能量法）和抗拉強度研究；基於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及剩餘壽命評價技術研究；另外，為了加強《小沖孔微試樣材料性能測試技術及應用》內容的系統性和完整性，書中介紹了小沖孔取樣方法、小沖孔微試樣製備和試驗測試系統及相關力學性能的數值模擬等研究內容。《小沖孔微試樣材料性能測試技術及應用》可供從事材料力學性能研究相關工作的高校師生、研究院所和企事業單位的科研工作者及工程技術人員使用和參考，也可作為相關領域培訓教材和有關專業教學參考書。·

《小沖孔微試樣材料性能測試技術及應用》可供從事材料力學性能研究相關工作的高校師生、研究院所和企事業單位的科研工作者及工程技術人員使用和參考，也可作為相關領域培訓教材和有關專業教學參考書。

前言1 緒論1.1 小沖孔試驗技術原理1.2 小沖孔試驗技術的發展狀況1.2.1 基本力學性能1.2.2 韌-脆轉變溫度1.2.3 斷裂韌性1.2.4 蠕變性能研究及壽命預測1.3 數值模擬在小沖孔測試技術研究中的應用1.3.1 直接有限元法1.3.2 反向有限元法1.3.3 有限元結合反方法1.3.4 人工神經網絡結合反向識別參考文獻2 小沖孔試驗系統2.1 小沖孔常溫試驗系統2.1.1 夾具和沖杆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 數據采集處理2.1.6 電加熱爐及溫控系統2.1.7 高溫惰性氣體保護系統2.2 小沖孔蠕變試驗系統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 測量部分設計2.2.5 數據采集和信號處理2.2.6 小沖孔蠕變試驗系統台架2.2.7 小沖孔蠕變試驗系統的調試2.2.8 小沖孔蠕變試驗系統的操作參考文獻3 小沖孔試樣製備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 小沖孔試樣製備參考文獻4 小沖孔常溫試驗研究4.1 常規拉伸試驗4.1.1 應力-應變曲線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 試驗條件及結果4.2.3 試驗重複性分析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 有限元數值模擬5.2.1 真實應力-應變數據5.2.2 gtn模型參數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 fn對載荷-位移曲線的影響5.3.3 網格劃分分析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佈5.4.1 損傷在試樣中的演化5.4.2 孔洞率和等效塑性應變之間的關係5.5 影響因素分析5.5.1 摩擦係數對試驗結果的影響5.5.2 試樣厚度對試驗結果的影響5.5.3 壓球直徑對試驗結果的影響5.5.4 下模孔徑對試驗結果的影響5.5.5 加載速度對試驗結果的影響5.6 影響因素優化分析參考文獻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 常規高溫蠕變試驗6.1.5 常規蠕變壽命預測方法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 蠕變試驗的可重複性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 基於小沖孔蠕變試驗的壽命預測6.4.1 norton方程6.4.2 monkman—grant方法壽命預測6.4.3 larson-miller參數法6.4.4 基於損傷的壽命預測參考文獻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 表徵點的選取7.1.6 失效點的處理7.2 有限元模型7.3 有限元模擬結果分析7.3.1 試樣中心撓度與時間的關係7.3.2 試樣應力分佈7.3.3 應變與時間的關係7.3.4 載荷與應力之間的關係7.3.5 蠕變損傷與時間、位置的關係7.3.6 蠕變應變速率與破斷時間的關係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果的影響7.4.3 試樣直徑對小沖孔試樣模擬結果的影響7.4.4 摩擦係數的選取7.4.5 網格無關性參考文獻·

1 緒 論
在石油、化工、航空航天和核電等行業中有許多金屬設備在高溫、輻射、腐蝕等惡劣環境下工作，無疑對這些構件的安全性要求很高，也使得高溫構件壽命評價技術的研究日益重要［1］。
國內外學者針對高溫構件剩余壽命提出了多種預測方法，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勢，其主要是根據高溫條件下長期運行的材料會發生特性變化的特點，在已經建立所測物理量與材料壽命相關性的基礎上，依據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聯性非常難于建立，而且這種關聯性可能隨著材料使用條件的不同而發生變化； 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多年應用已比較成熟，所測信息準確可靠。但明顯的不足之處在于試驗所需試樣尺寸較大，取樣時會對構件產生較大的破壞，且有時由于構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，因粒子加速器產生的損傷區域很窄，試樣的尺寸必然受到嚴格限制。
此外，許多貴重金屬材料因為其優異的材料性能被廣泛應用，如鋯材、鈦材、鉭材等，如果通過傳統的試驗方法來獲得這些材料的力學性能勢必因為其昂貴的價格造成巨大的經濟浪費； 同時設備的焊縫及其熱影響區等重要部位，需要定期對其力學性能和壽命進行評價，這些部位無法滿足常規試驗方法試樣的所需尺寸； 有些設備的工作環境比較特殊，傳統試樣模擬實際工作環境因為其體積大
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）技術所采用的試樣體積微小（圓形試樣直徑或方形試樣邊長尺寸為3～10mm 、厚度為0.25～0.5mm），是一種既有效又經濟、快速的檢測手段。該技術的出現無疑為解決以上問題提供了極大的方便。
1.1 小沖孔試驗技術原理
20 世紀80 年代初，由于核工業領域材料研究的需要，Ames 實驗室提出了小沖孔試驗技術，成功地利用該技術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）。小沖孔試驗技術的基本原理如圖1-1 所示，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）數據，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據［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，并習慣稱之為小沖孔蠕變試驗技術。就試驗耗時而言，后者遠長于前者。
小沖孔試驗得到的典型載荷位移曲線如圖1-2 所示，可以看出，試驗曲線前后經歷四個變形階段： 彈性變形階段、塑性變形階段、薄膜伸張階段、塑性失穩階段。而小沖孔試驗研究運用各種理論和分析方法，將圖 1-2 中的信息轉化為試樣材料的強度、塑性、韌性等數據。目前已經得出材料屈服強度σy 、抗拉強度σb 和圖中Py 、Pmax 之間的線性關
系，建立了小沖孔試驗和材料力學性能試驗之間的聯系等。
1.2 小沖孔試驗技術的發展狀況
1.2.1 基本力學性能
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，將載荷位移曲線轉化為應力應變數據，把圓片斷裂時的撓度轉化為有效斷裂應變，將其作為與傳統拉伸試驗中的伸長率相對應的彎曲延性指標，實現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出來的不均勻的二向應力場，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生裂紋而失效這一整個過程中的應力應變行為和材料的延性信息。同時，Manahan 還開創性地將載荷位移曲線分為幾個典型區域，分別對應試驗過程中試片的幾個
變形階段（見圖1-2）：彈性變形階段（Ⅰ）、塑性變形階段（Ⅱ）、薄膜伸張階段（Ⅲ）和塑性失穩階段（Ⅳ）。其中Py 為第Ⅰ 階段和第Ⅱ 階段過渡點所應的縱坐標值； Pmax 為曲線峰值點所對應的縱坐標值。Py 和Pmax 分別與傳統拉伸試驗的屈服點載荷和抗拉極限載荷相對應。δu 是與Py 對應的試樣撓度，δ′是試樣斷裂時的試樣撓度。
Okada 通過假設得到應力與載荷的關系，再將二維狀態下的應力與試樣單軸拉伸應力等價，從而得到試樣最大載荷與抗拉強度、屈服載荷與屈服強度、位移與拉伸應變之間的相互對應關系，證明了通過微凸試驗測試材料基本力學性能的可行性。同時，還指出了試樣所能承受的最大載荷與摩擦情況無關。……