小冲杆试验法对材料力学性能的研究摘要

V小冲杆试验法对材料力学性能的研究摘要小冲杆试验技术是采用微小试样评定材料力学性能的一种新的测试方法。小冲杆试验技术不仅在抗拉强度、屈服强度和高温蠕变等领域取得了较大的发展，还促进了相关学科的发展。试验所选用的小冲杆试验机在核工业、石油化工以及航空航天方面的应用前景是非常广阔的，适用于不能取出传统试样或取样不是非常经济的场合，主要用来测定材料的力学性能，同时利用Origin制图软件对试验得到的数据进行曲线拟合进而求出蠕变参数。关键词：小冲杆试验；力学性能；曲线拟合；蠕变参数VIAbstractSmallpunchtesttechniqueistouseamaterialassessmentofthemechanicalpropertiesofsmallsamplesofnewtestmethods.Smallpunchtesttechnologynotonlyintensilestrength,yieldstrengthandhightemperaturecreepandotherfieldshasmadegreatprogress,butalsopromotedthedevelopmentofrelateddisciplines.Testtheselectedpunchtestmachineinthenuclearindustry,petroleumchemicalindustryandpotentialapplicationsinaerospaceareaisverybroadfortraditionalsamplecannotberemovedorsamplingisnotveryeconomicaloccasions,mainlyusedformeasuringmechanicalpropertiesofmaterials,whileusingOrigingraphicssoftwarefortestdataobtainedbycurvefittingandthenfindthecreepparameters.Keywords:smallpunchtest;mechanicalproperties;curvefitting;creepparameters.VII目录上海师范大学本科毕业论文诚信声明（设计）.......错误!未定义书签。上海师范大学本科毕业论文（设计）选题登记表.....错误!未定义书签。上海师范大学毕业论文（设计）指导记录表.........错误!未定义书签。摘要...........................................................V1绪论.........................................................12小冲杆试验法原理及存在的问题.................................22.1试验材料的选取........................................22.2小冲杆试验法原理......................................32.3小冲杆试验法实验装置..................................42.4试验法存在的问题......................................82.5试验法研究的目的......................................83小冲杆试验法的试验过程.......................................94小冲杆试验法在评定材料性能方面的进展........................144.1对材料强度的研究......................................144.2对蠕变性能的研究......................................155结论........................................................226展望........................................................23致谢..........................................................23文献典籍......................................................2411绪论小冲杆试验（又称小冲孔试验）技术诞生至今已近30年，期间在理论和应用研究等方面都发展迅速，并慢慢地成为相关领域研究的热点之一，受到了很多国内外学者的一直关注。金属构件在航空航天和石油化工这些行业的服役环境是比较恶劣的，比如高温、腐蚀和辐射等环境，因此对安全性方面的要求很高，也使在役构件寿命评价的研究变得越来越重要。传统的检测方法主要有两种，一种是无损检测，另外一种是取样试验。但是这两种方法都有一些不足之处，例如前者操作简单，但是所得到的数据不是很精确；后者方法可靠，但是因为取样的尺寸比较大这将导致设备受到损伤，可能会造成使用年限缩短或者设备报废的后果。传统方法中的无损检测方法是一个对材料进行测量、检验和分析的科学，当然这还需要一个前提，那就是不破坏检测对象，这种科学是完全可以应用在科研和工程技术的所有方面的。尤其是无损检测新技术，这种新技术是与安全评估技术相结合的，例如：与微电脑技术相结合的智能化和自动化检测和安全评估电站设备方面；锅炉和压力容器构件的声发射检测和安全评估方面；利用金属磁记忆检测系统评估铁道材料的和长输管线的安全性方面。这种新的技术在很多现代科技的部门都有在使用。小冲杆试验技术是一种新的评定材料力学性能的测试方法，因为这种方法是采用微小试样来对材料的力学性能进行评定的。这种方法具有双重优势，那就是“几乎无损”和“取样方便”，因此这种方法很适用于那种取样不经济或者不能取出试样的环境。小冲杆试验技术在材料力学性能领域取得了长足发展，它现在已经不仅仅是一种简单的测试方法，也是一种重要的科学研究手段。可以预见，随着计算机技术及测试技术的发展，小冲杆试验技术的研究将会取得更多的成果，并将对科技发展发挥重要作用。虽然小冲杆试验技术在理论和应用等方面已经取得了重要进展和成绩，但仍处在快速发展阶段，与传统拉伸试验等其他测试方法相比理论体系还不够完善，而且在一些领域的应用尚处在探索和发展阶段。因此，这项技术的2研究发展还需要更多的支持。近年来，越来越多的国内学者对小冲杆试验技术产生了较为浓厚的兴趣，然而目前很少见到相关参考书籍，本文仅结合作者两年的试验研究心得和研究成果，详细阐述了高温蠕变的试验系统、试样制备、试验操作、试验结果处理及应用，并指出目前该技术存在的主要问题，分析了该技术在各个工业领域的应用并预测了该技术的发展方向。2小冲杆试验法原理及存在的问题2.1试验材料的选取单一的分子、金属等材料现在已经很难满足逐渐增长的物理性能和力学性能方面的要求。为了克服在性能上面的局限性，充分发挥各种材料特性，越来越多的人们开始根据不同的材料按照一定的方式、比例结合成复合材料进而充分发挥组成材料的优良特性。高纯钛具有良好的塑性，因为它的比重小，但是比强度和强度却很高，所以是航天工业的理想材料。它的另一特点是在高温下能保持比较高的比强度。钛合金的密度一般在4.5g/cm³左右，是一种重量轻强度高的金属。当钛合金在海水介质和潮湿的大气中工作时，它的抗蚀性远胜于不锈钢，对碱、酸和氯化物等有优良的抗腐蚀性能，因此是石油、航海、化工等工业迫切需要的材料。小冲杆的试样加工要求比较高，因此试样材料必须要保证是表面光滑的试样。如果要消除杂质和组织不均匀对试验带来的影响，那么就必须要保证试样具有表面光滑和体积小的特点，光滑小试样由于体积小、表面光滑，可以减少杂质、宏观缺陷和组织不均匀对试验带来的影响，这样也能够保证测定的试验数据较为集中，也能够更好地反映材料的力学性能。各个国家最初开始设计的试样尺寸并没有比较多的理论作为依据，把试样设计为直径3mm也是为了更好地节省费用，同时使试样用于试验时更加方便。小冲杆试样形状主要以圆片或方片为主，但是圆片更加地较为常见，小冲杆试验所用试样尺寸极小（圆形试样直径或方形试样边长尺寸为3～310mm、厚度在0.25～0.50mm）。本试验系统采用圆形试样，是因为圆形试样加工更为方便，本文所选用的试验材料为Ti60，图示2-1如下。图2-1Ti60材料图2-1Ti60圆片试样2.2小冲杆试验法原理小冲杆试验法的原理是利用小冲杆以恒定的载荷冲压试样，并且通过计算机记录试样从开始弹塑性变形到最终失效的整个过程的载荷-时间（或变形挠度）数据和曲线，根据实验曲线图和实验数据得到最大变形、最大位移、最大负荷、最大温度等数据，并借此分析材料强度、塑性和蠕变性能。42.3小冲杆试验法实验装置本文所叙述的小冲杆试验方法所使用的蠕变试验机是ZRWS-K1小冲孔试验机，它的主要系统组成为主机、防氧化装置、加热及冷却系统、数字控制器、温度控制系统、计算机控制单元及交流调速系统。试验机是一个由上横梁、中台板、底板和两根立柱支撑起来的框架，在高温电炉的下方安装有测力传感器，它固定在压管上，在中台板和底板上安装着加载驱动系统。加载驱动系统的构成主要有交流伺服电机、涡轮蜗杆减速机、滚珠丝杠、压管支撑筒和导向装置。在工作的时候交流伺服电动机通过齿形带带动涡轮蜗杆减速机进行转动，减速机输出轴与滚珠丝杠相连，滚珠丝杠是被一对深沟球轴承和一对推力球轴承固定在压管支撑筒上的，加载压杆被固定在滚珠丝杠的螺母上。在压管上安装一个导向臂，其上装有两个轴承，可沿固定在机架中台板上的导向杆上下移动，但不能转动，这就使得当滚珠丝杠旋转时，加载压管只能上下运动，而不发生转动，进而实现载荷的加载。加载方式主要有两种：顶加载和底加载。这两种加载方式各有其优点和缺点，尽管底加载方式加载方便，并且加载精度易于控制，但顾虑到是在氩气保护条件下进行的试验，使用底加载方式时氩气保护的密封比较难于实现，因此决定采用顶加载方式。顶加载方式有两种：垂直加载和杠杆加载。效果直接和加载方便是垂直加载的优点是加载方便，但载荷不宜过大。鉴于本文试验载荷为480N和600N，载荷较小，故本试验采用垂直加载方式。工作时由计算机给出指令，通过交流伺服系统控制交流电机的转速和转向，控制精度高，传动平稳。该结构通过两个圆柱形支杆作为支撑点，试样放在夹具上后，通过定位销将压帽定位。夹具体开有钢球回收通道，一边试验结束后回收压球；夹具体开有气孔，以便保护性气体充分进入夹具内部，有效防止试样氧化，夹具采用特殊材料制造，即耐高温又能满足机械性能要求。本试验机的测量控制系统采用的是长春机械科学研究院有限公司研制的KWZ型数字控制器，其中负荷测量采用的是高精度负荷传感器，变形测量采用的是光栅传感器。KWZ型数字控制器具有负荷、变形、位移的测量和控制技能，它与交流伺服驱动器组合在一起，对加载机构的交5流伺服电机进行控制。拉杆移动到上下极限位置时，控制器和交流伺服系统会控制电机停止转动，并有蜂鸣器发出声音报警；当向相反方向移动时，操作有效。小冲杆蠕变试验是在高温下进行的，因为所选用的微型试样很薄，所以不能忽略高温氧化对试验结果的影响，因此需要在试验过程中通入氩气来对试样进行保护。在电加热炉升温之前以2L/min的流量往电加热炉内连续通入约30分钟的氩气，以避免试样出现高温氧化的现象，从而进一步确保小冲杆试验结果的正确性。防氧化装置试验夹具装配在一个石英管中，石英管内部配置试样夹具和试样，它的上端装配在上定位套内，不采用密封，下端装配在台架的下支撑板上面，石英管两端做适合的密封，下端设置有通入氩气的接口，用来排除石英管内的氧化性气体，防止试样被氧化。加热及冷却系统加热装置采用高温炉，炉体为圆柱形对开式，置于试验机空间内；试样变形尺