微試樣液壓鼓脹測試技術(shù)

左志全

摘要：隨著承壓設(shè)備高參數(shù)要求的不斷提高，在役承壓設(shè)備構(gòu)件材料的力學(xué)性能測試顯得尤為重要。微試樣液壓鼓脹測試作為微損測試技術(shù)，滿足對大型在役設(shè)備微損取樣、制樣測試材料力學(xué)性能的需求，進(jìn)而對設(shè)備整體狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。本文介紹了微試樣液壓鼓脹測試技術(shù)產(chǎn)生的背景以及測試系統(tǒng)，為深入理論研究材料的力學(xué)性能提供了測試技術(shù)。

關(guān)鍵詞：微試樣；液壓鼓脹測試；承壓設(shè)備

目前，承壓設(shè)備的性能劣化涉及到電力、核工業(yè)、石油化工、煤化工等行業(yè)，而隨著應(yīng)用工況的日益苛刻，溫度、壓力以及材料介質(zhì)適用要求的不斷提高，如何進(jìn)行惡劣工況下服役材料的全信息分析以及壽命預(yù)測是目前亟待解決的問題；同時(shí)在傳質(zhì)、傳熱、流動(dòng)、反應(yīng)、分離等設(shè)備中，實(shí)際服役結(jié)構(gòu)往往具有較小的尺寸以及幾何不連續(xù)和冶金不連續(xù)部位，很難取得標(biāo)準(zhǔn)試樣，因此必須考慮非標(biāo)準(zhǔn)試樣拘束度的影響，建立非標(biāo)準(zhǔn)試樣的斷裂力學(xué)測量技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對服役結(jié)構(gòu)的安全評(píng)定。

傳統(tǒng)的檢測方法有無損檢測法以及常規(guī)取樣檢測法，而兩者卻有著各自的局限性。前者快速、無損，但所獲的信息不全面，也不夠精確；后者測量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，但由于取樣繁瑣，并且試樣尺寸過大對在役設(shè)備會(huì)造成很大的破壞性。因此，發(fā)展非傳統(tǒng)的力學(xué)性能試驗(yàn)方法，特別是發(fā)展適用于在役設(shè)備評(píng)定的微試樣斷裂測試方法是目前亟待解決的問題。相比于傳統(tǒng)的力學(xué)性能試驗(yàn)，微損試驗(yàn)技術(shù)因其微試樣的特點(diǎn)使得取樣可直接在服役設(shè)備構(gòu)件上進(jìn)行，不影響構(gòu)件的完整性。同時(shí)，微損試驗(yàn)技術(shù)可應(yīng)用于常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn)不適用的領(lǐng)域，并與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，可以對材料在服役條件下的多種性能進(jìn)行安全穩(wěn)定的預(yù)測，以保障在極端工況下服役設(shè)備長周期安全運(yùn)行。

微試樣液壓鼓脹測試技術(shù)作為微損測試技術(shù)的一種，開始逐漸得到眾多研究者的研究。曹學(xué)剛[1]根據(jù)初始的材料模型及參數(shù)（應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系），通過有限元方法進(jìn)行模擬，得出試件承載時(shí)的極頂撓度 H 及輪廓形狀。通過與實(shí)際實(shí)驗(yàn)測量值的比較，判斷 H 的變化是否在允許范圍內(nèi)，如果不符合要求，則調(diào)整材料模型及參數(shù)，重復(fù)上面所敘述的過程，最終獲得材料真應(yīng)力-真應(yīng)變關(guān)系。董樑[2]微試樣液壓爆破法是一種可用于測試核壓力容器輻照監(jiān)督試樣的微試樣測試技術(shù)，該技術(shù)借鑒爆破片工作原理，對圓形薄片試樣進(jìn)行液壓加壓，使薄片鼓脹并爆破，在試驗(yàn)過程中記錄載荷-圓薄片中心點(diǎn)位移曲線，通過曲線上的特征載荷以及試樣變形關(guān)聯(lián)材料常規(guī)拉伸性能。通過比較不同的近似解析法得到了適合于該型微試樣試驗(yàn)技術(shù)的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的計(jì)算方法，在上述研究的基礎(chǔ)上對核電常用材料國產(chǎn)A508進(jìn)行了液壓爆破試驗(yàn)，得到了材料的強(qiáng)度特性，與常規(guī)單軸拉伸數(shù)據(jù)高度吻合。王存益[3]采用夾持器橢圓度分別為0、1/3、1/2和2/3 的鼓脹試驗(yàn)方法研究金屬薄板力學(xué)性能。結(jié)合單向拉伸實(shí)驗(yàn)?zāi)軠?zhǔn)確測量出金屬薄板處于彈性階段時(shí)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系這一特性，通過有限元模擬鼓脹試驗(yàn)，反求出金屬薄板材料處于雙向拉伸狀態(tài)下真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。綜合分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬試驗(yàn)反求數(shù)據(jù)，對不同主應(yīng)力比狀態(tài)下金屬薄板進(jìn)行力學(xué)性能研究，得出定橢圓度的金屬薄板所受的主應(yīng)力比不是一固定值；鼓脹試驗(yàn)試件最大應(yīng)變與橢圓度之間存在反比例關(guān)系，而主應(yīng)力比與橢圓度呈正比例關(guān)系。從以上研究者工作內(nèi)容來看，共同點(diǎn)是都需要測量微試樣在加壓下拱高-壓力的關(guān)系，兩者關(guān)系的測得則要通過液壓鼓脹試驗(yàn)臺(tái)獲得。

微試樣液壓鼓脹測試技術(shù)原理如圖1：

微試樣液壓鼓脹系統(tǒng)由測量系統(tǒng)和液壓鼓脹系統(tǒng)組成，測量系統(tǒng)由光學(xué)引伸計(jì)、導(dǎo)桿、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)組成，液壓鼓脹系統(tǒng)由液壓泵、基座、壓蓋、壓力表組成。本系統(tǒng)可以測量時(shí)間-壓力、壓力-導(dǎo)桿位移數(shù)據(jù)，可以測出微試樣爆破瞬間的爆破壓力。本系統(tǒng)基座試樣槽有兩種規(guī)格，分別為10*10（mm）和20*20（mm），可以測試不同厚度微試樣的鼓脹參數(shù)。圖2是本系統(tǒng)測試軟件的操作界面，可以直接顯示壓力-時(shí)間、位移-時(shí)間曲線，顯示整個(gè)試驗(yàn)狀態(tài)，并且給出爆出壓力。這套系統(tǒng)測試的原始數(shù)據(jù)可用于理論分析，進(jìn)而求解材料的力學(xué)性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹學(xué)剛，高光藩，孫亮，等. 鼓脹試驗(yàn)的有限元反求應(yīng)用研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造， 2013， （12）： 262-263， 266.

[2]董樑，惠虎，湯曉英. 基于微試樣液壓爆破法測試核壓力容器用鋼力學(xué)性能[J]. 原子能科學(xué)技術(shù)， 2015， （12）： 2227-2233.

[3]王存益，高光藩，毛海瑞，等. 金屬薄板不同主應(yīng)力比狀態(tài)下力學(xué)性能研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造， 2017， （2）： 157-160.