1 绪 论

在石油、化工、航空航天和核电等行业中有许多金属设备在高温、辐射、腐蚀等恶劣环境下工作，无疑对这些构件的安全性要求很高，也使得高温构件寿命评价技术的研究日益重要[1]。

国内外学者针对高温构件剩余寿命提出了多种预测方法，归纳起来可大致分为非破坏性检查和破坏性检查两大类[2]。非破坏性检查主要包括基于表面覆膜的金属组织测定法、硬度测定法、超声波测定法、数值模拟法等，见表1-1 。破坏性检查主要包括拉伸试验方法、冲击试验方法、材料密度法、高温蠕变试验法等，见表1-2 。

非破坏性检查具有无损的优势，其主要是根据高温条件下长期运行的材料会发生特性变化的特点，在已经建立所测物理量与材料寿命相关性的基础上，依据所测物理量的变化评定材料的寿命。但这种检查存在很大的局限性： 一方面，物理量与材料寿命之间有效的关联性非常难于建立，而且这种关联性可能随着材料使用条件的不同而发生变化； 另一方面，不同材料物理量的变化不同，测定时所测物理量的评价也存在较大差异。相对来讲，破坏性取样检查方法历经多年应用已比较成熟，所测信息准确可靠。但明显的不足之处在于试验所需试样尺寸较大，取样时会对构件产生较大的破坏，且有时由于构件取样处尺寸的限制而无法取样。如在中子辐射材料的损伤研究中，因粒子加速器产生的损伤区域很窄，试样的尺寸必然受到严格限制。

此外，许多贵重金属材料因为其优异的材料性能被广泛应用，如锆材、钛材、钽材等，如果通过传统的试验方法来获得这些材料的力学性能势必因为其昂贵的价格造成巨大的经济浪费； 同时设备的焊缝及其热影响区等重要部位，需要定期对其力学性能和寿命进行评价，这些部位无法满足常规试验方法试样的所需尺寸； 有些设备的工作环境比较特殊，传统试样模拟实际工作环境因为其体积大

造成费用很高，如辐照等[3]。小冲孔试验（又称小冲杆试验，small punch test，SPT）技术所采用的试样体积微小（圆形试样直径或方形试样边长尺寸为3～10mm 、厚度为0.25～0.5mm），是一种既有效又经济、快速的检测手段。该技术的出现无疑为解决以上问题提供了极大的方便。

1.1 小冲孔试验技术原理

20 世纪80 年代初，由于核工业领域材料研究的需要，Ames 实验室提出了小冲孔试验技术，成功地利用该技术检查了材料回火和辐射脆性、辐射后固溶引起的边界弱化以及晶界的变形和断裂性能[4]。事实上，同期甚至稍早于小冲孔试验技术之前，就有很多试验原理与之相似的微型试验方法。例如，Huang 等[5]以及Manahan 等[6 ，7]设计的微型圆片弯曲试验（miniaturized disk bend test ，MDBT）、Okada 等[8 ，9]的微型凸出试验（mi-cro-bulge test）和Lucas 等[10]的剪切冲孔试验（shear punch test）。小冲孔试验技术的基本原理，冲杆以恒定速度（载荷）冲压薄片试样，记录试样从弹塑性变形到断裂失效整个过程中的载荷（时间）位移（蠕变变形）数据，并借此分析材料强度、塑性、断裂韧性和蠕变性能等一系列所需性能数据[11]。需要指出的是，施加恒定变形速度（constant deflection rate ，CDR）的小冲孔试验主要用来评价材料的低温、常温和高温性能； 而施加恒定力（constant force ，CF）的小冲孔试验主要用来评价材料的蠕变性能，并习惯称之为小冲孔蠕变试验技术。就试验耗时而言，后者远长于前者。

小冲孔试验得到的典型载荷位移曲线，可以看出，试验曲线前后经历四个变形阶段： 弹性变形阶段、塑性变形阶段、薄膜伸张阶段、塑性失稳阶段。而小冲孔试验研究运用各种理论和分析方法，将信息转化为试样材料的强度、塑性、韧性等数据。目前已经得出材料屈服强度σy 、抗拉强度σb 和Py 、Pmax 之间的线性关

系，建立了小冲孔试验和材料力学性能试验之间的联系等。

1.2 小冲孔试验技术的发展状况

1.2.1 基本力学性能

Huang 通过试验得到载荷位移（圆片挠度）曲线并且采用圆板弯曲理论，将载荷位移曲线转化为应力应变数据，把圆片断裂时的挠度转化为有效断裂应变，将其作为与传统拉伸试验中的伸长率相对应的弯曲延性指标，实现了用小圆片试样测试材料延性的目的。

Manahan 建立了一种带摩擦边界条件的有限元模型来分析试片受力后所呈现出来的不均匀的二向应力场，在有限元分析中引入了材料、几何以及边界三重非线性，从载荷试样中心挠度曲线中成功获取了试片从弹性变形直至产生裂纹而失效这一整个过程中的应力应变行为和材料的延性信息。同时，Manahan 还开创性地将载荷位移曲线分为几个典型区域，分别对应试验过程中试片的几个

变形阶段：弹性变形阶段（Ⅰ）、塑性变形阶段（Ⅱ）、薄膜伸张阶段（Ⅲ）和塑性失稳阶段（Ⅳ）。其中Py 为第Ⅰ 阶段和第Ⅱ 阶段过渡点所应的纵坐标值； Pmax 为曲线峰值点所对应的纵坐标值。Py 和Pmax 分别与传统拉伸试验的屈服点载荷和抗拉极限载荷相对应。δu 是与Py 对应的试样挠度，δ′是试样断裂时的试样挠度。

Okada 通过假设得到应力与载荷的关系，再将二维状态下的应力与试样单轴拉伸应力等价，从而得到试样最大载荷与抗拉强度、屈服载荷与屈服强度、位移与拉伸应变之间的相互对应关系，证明了通过微凸试验测试材料基本力学性能的可行性。同时，还指出了试样所能承受的最大载荷与摩擦情况无关。……2100433B

前言

1 绪论

1.1 小冲孔试验技术原理

1.2 小冲孔试验技术的发展状况

1.2.1 基本力学性能

1.2.2 韧-脆转变温度

1.2.3 断裂韧性

1.2.4 蠕变性能研究及寿命预测

1.3 数值模拟在小冲孔测试技术研究中的应用

1.3.1 直接有限元法

1.3.2 反向有限元法

1.3.3 有限元结合反方法

1.3.4 人工神经网络结合反向识别

参考文献

2 小冲孔试验系统

2.1 小冲孔常温试验系统

2.1.1 夹具和冲杆

2.1.2 冲头

2.1.3 万能材料试验机

2.1.4 位移传感器

2.1.5 数据采集处理

2.1.6 电加热炉及温控系统

2.1.7 高温惰性气体保护系统

2.2 小冲孔蠕变试验系统

2.2.1 加载部分

2.2.2 加热及温控部分

2.2.3 高温气体保护部分

2.2.4 测量部分设计

2.2.5 数据采集和信号处理

2.2.6 小冲孔蠕变试验系统台架

2.2.7 小冲孔蠕变试验系统的调试

2.2.8 小冲孔蠕变试验系统的操作

参考文献

3 小冲孔试样制备

3.1 小冲孔试样取样

3.1.1 取样方法

3.1.2 取样要求

3.2 小冲孔试样制备

参考文献

4 小冲孔常温试验研究

4.1 常规拉伸试验

4.1.1 应力-应变曲线

4.1.2 屈服强度的确定

4.1.3 抗拉强度的确定

4.2 小冲孔试验

4.2.1 试验材料

4.2.2 试验条件及结果

4.2.3 试验重复性分析

4.3 屈服强度测试

4.3.1 双斜率法

4.3.2 偏移法

4.3.3 能量法

4.4 抗拉强度测试

参考文献

5 小冲孔常温试验有限元分析

5.1 塑性损伤基本理论

5.1.1 塑性损伤的定义

5.1.2 塑性损伤分析方法

5.1.3 塑性损伤模型

5.2 有限元数值模拟

5.2.1 真实应力-应变数据

5.2.2 GTN模型参数

5.2.3 有限元模型

5.3 有限元模型的合理性分析

5.3.1 试验与模拟载荷-位移曲线比较

5.3.2 f N对载荷-位移曲线的影响

5.3.3 网格划分分析

5.3.4 试样杯突和破断位置比较

5.4 损伤在试样中的演化和分布

5.4.1 损伤在试样中的演化

5.4.2 孔洞率和等效塑性应变之间的关系

5.5 影响因素分析

5.5.1 摩擦系数对试验结果的影响

5.5.2 试样厚度对试验结果的影响

5.5.3 压球直径对试验结果的影响

5.5.4 下模孔径对试验结果的影响

5.5.5 加载速度对试验结果的影响

5.6 影响因素优化分析

参考文献

6 小冲孔蠕变试验研究

6.1 蠕变的基本理论

6.1.1 蠕变的概念

6.1.2 蠕变的机制

6.1.3 蠕变断裂的类型

6.1.4 常规高温蠕变试验

6.1.5 常规蠕变寿命预测方法

6.2 小冲孔蠕变试验理论模型

6.3 小冲孔蠕变试验

6.3.1 试样中心挠度曲线

6.3.2 试样中心蠕变挠度曲线

6.3.3 试样蠕变变形过程

6.3.4 蠕变试验的可重复性

6.3.5 氩气流量的影响

6.3.6 试样断口形貌及金相组织

6.4 基于小冲孔蠕变试验的寿命预测

6.4.1 Norton方程

6.4.2 Monkman-Grant方法寿命预测

6.4.3 Larson-Miller参数法

6.4.4 基于损伤的寿命预测

参考文献

7 小冲孔高温蠕变试验有限元分析

7.1 蠕变损伤本构模型

7.1.1 Kachanov-Rabotnov方程

7.1.2 有限元模拟

7.1.3 材料雅可比矩阵的确定

7.1.4 时间步长的控制

7.1.5 表征点的选取

7.1.6 失效点的处理

7.2 有限元模型

7.3 有限元模拟结果分析

7.3.1 试样中心挠度与时间的关系

7.3.2 试样应力分布

7.3.3 应变与时间的关系

7.3.4 载荷与应力之间的关系

7.3.5 蠕变损伤与时间、位置的关系

7.3.6 蠕变应变速率与破断时间的关系

7.4 影响因素分析

7.4.1 试样厚度的影响

7.4.2 压头球径对小冲孔试样模拟结果的影响

7.4.3 试样直径对小冲孔试样模拟结果的影响

7.4.4 摩擦系数的选取

7.4.5 网格无关性

参考文献

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