小沖孔微試樣材料性能測(cè)試技術(shù)及應(yīng)用圖書(shū)目錄

前言

1 緒論

1.1 小沖孔試驗(yàn)技術(shù)原理

1.2 小沖孔試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

1.2.1 基本力學(xué)性能

1.2.2 韌-脆轉(zhuǎn)變溫度

1.2.3 斷裂韌性

1.2.4 蠕變性能研究及壽命預(yù)測(cè)

1.3 數(shù)值模擬在小沖孔測(cè)試技術(shù)研究中的應(yīng)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(jié)合反方法

1.3.4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合反向識(shí)別

參考文獻(xiàn)

2 小沖孔試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 小沖孔常溫試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1.1 夾具和沖桿

2.1.2 沖頭

2.1.3 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)

2.1.4 位移傳感器

2.1.5 數(shù)據(jù)采集處理

2.1.6 電加熱爐及溫控系統(tǒng)

2.1.7 高溫惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)

2.2 小沖孔蠕變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)

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(hù)部分

2.2.4 測(cè)量部分設(shè)計(jì)

2.2.5 數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理

2.2.6 小沖孔蠕變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)臺(tái)架

2.2.7 小沖孔蠕變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)的調(diào)試

2.2.8 小沖孔蠕變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)的操作

參考文獻(xiàn)

3 小沖孔試樣制備

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 小沖孔試樣制備

參考文獻(xiàn)

4 小沖孔常溫試驗(yàn)研究

4.1 常規(guī)拉伸試驗(yàn)

4.1.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

4.1.2 屈服強(qiáng)度的確定

4.1.3 抗拉強(qiáng)度的確定

4.2 小沖孔試驗(yàn)

4.2.1 試驗(yàn)材料

4.2.2 試驗(yàn)條件及結(jié)果

4.2.3 試驗(yàn)重復(fù)性分析

4.3 屈服強(qiáng)度測(cè)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(qiáng)度測(cè)試

參考文獻(xiàn)

5 小沖孔常溫試驗(yàn)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(shù)值模擬

5.2.1 真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)

5.2.2 GTN模型參數(shù)

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(yàn)與模擬載荷-位移曲線比較

5.3.2 f N對(duì)載荷-位移曲線的影響

5.3.3 網(wǎng)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布

5.4.1 損傷在試樣中的演化

5.4.2 孔洞率和等效塑性應(yīng)變之間的關(guān)系

5.5 影響因素分析

5.5.1 摩擦系數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

5.5.2 試樣厚度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

5.5.3 壓球直徑對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

5.5.4 下?？讖綄?duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

5.5.5 加載速度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

5.6 影響因素優(yōu)化分析

參考文獻(xiàn)

6 小沖孔蠕變?cè)囼?yàn)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(jī)制

6.1.3 蠕變斷裂的類型

6.1.4 常規(guī)高溫蠕變?cè)囼?yàn)

6.1.5 常規(guī)蠕變壽命預(yù)測(cè)方法

6.2 小沖孔蠕變?cè)囼?yàn)理論模型

6.3 小沖孔蠕變?cè)囼?yàn)

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(guò)程

6.3.4 蠕變?cè)囼?yàn)的可重復(fù)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 基于小沖孔蠕變?cè)囼?yàn)的壽命預(yù)測(cè)

6.4.1 Norton方程

6.4.2 Monkman-Grant方法壽命預(yù)測(cè)

6.4.3 Larson-Miller參數(shù)法

6.4.4 基于損傷的壽命預(yù)測(cè)

參考文獻(xiàn)

7 小沖孔高溫蠕變?cè)囼?yàn)有限元分析

7.1 蠕變損傷本構(gòu)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(shí)間步長(zhǎng)的控制

7.1.5 表征點(diǎn)的選取

7.1.6 失效點(diǎn)的處理

7.2 有限元模型

7.3 有限元模擬結(jié)果分析

7.3.1 試樣中心撓度與時(shí)間的關(guān)系

7.3.2 試樣應(yīng)力分布

7.3.3 應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系

7.3.4 載荷與應(yīng)力之間的關(guān)系

7.3.5 蠕變損傷與時(shí)間、位置的關(guān)系

7.3.6 蠕變應(yīng)變速率與破斷時(shí)間的關(guān)系

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(duì)小沖孔試樣模擬結(jié)果的影響

7.4.3 試樣直徑對(duì)小沖孔試樣模擬結(jié)果的影響

7.4.4 摩擦系數(shù)的選取

7.4.5 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性

參考文獻(xiàn)

《小沖孔微試樣材料性能測(cè)試技術(shù)及應(yīng)用》可供從事材料力學(xué)性能研究相關(guān)工作的高校師生、研究院所和企事業(yè)單位的科研工作者及工程技術(shù)人員使用和參考，也可作為相關(guān)領(lǐng)域培訓(xùn)教材和有關(guān)專業(yè)教學(xué)參考書(shū)。

《小沖孔微試樣材料性能測(cè)試技術(shù)及應(yīng)用》從材料力學(xué)性能測(cè)試角度出發(fā)，詳細(xì)介紹了小沖孔（又稱小沖桿）微試樣測(cè)試技術(shù)在材料力學(xué)性能研究領(lǐng)域的發(fā)展歷程及未來(lái)發(fā)展方向，主要介紹了作者多年來(lái)在小沖孔微試樣測(cè)試技術(shù)及應(yīng)用方面的一些研究成果。其內(nèi)容主要包括基于小沖孔測(cè)試技術(shù)的材料屈服強(qiáng)度（包括雙曲線法、偏移法和能量法）和抗拉強(qiáng)度研究；基于塑性損傷理論的材料斷裂失效分析研究；材料高溫蠕變測(cè)試技術(shù)及剩余壽命評(píng)價(jià)技術(shù)研究；另外，為了加強(qiáng)《小沖孔微試樣材料性能測(cè)試技術(shù)及應(yīng)用》內(nèi)容的系統(tǒng)性和完整性，書(shū)中介紹了小沖孔取樣方法、小沖孔微試樣制備和試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)及相關(guān)力學(xué)性能的數(shù)值模擬等研究?jī)?nèi)容。

1 緒 論

在石油、化工、航空航天和核電等行業(yè)中有許多金屬設(shè)備在高溫、輻射、腐蝕等惡劣環(huán)境下工作，無(wú)疑對(duì)這些構(gòu)件的安全性要求很高，也使得高溫構(gòu)件壽命評(píng)價(jià)技術(shù)的研究日益重要[1]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)高溫構(gòu)件剩余壽命提出了多種預(yù)測(cè)方法，歸納起來(lái)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(cè)定法、硬度測(cè)定法、超聲波測(cè)定法、數(shù)值模擬法等，見(jiàn)表1-1 。破壞性檢查主要包括拉伸試驗(yàn)方法、沖擊試驗(yàn)方法、材料密度法、高溫蠕變?cè)囼?yàn)法等，見(jiàn)表1-2 。

非破壞性檢查具有無(wú)損的優(yōu)勢(shì)，其主要是根據(jù)高溫條件下長(zhǎng)期運(yùn)行的材料會(huì)發(fā)生特性變化的特點(diǎn)，在已經(jīng)建立所測(cè)物理量與材料壽命相關(guān)性的基礎(chǔ)上，依據(jù)所測(cè)物理量的變化評(píng)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(guān)聯(lián)性非常難于建立，而且這種關(guān)聯(lián)性可能隨著材料使用條件的不同而發(fā)生變化； 另一方面，不同材料物理量的變化不同，測(cè)定時(shí)所測(cè)物理量的評(píng)價(jià)也存在較大差異。相對(duì)來(lái)講，破壞性取樣檢查方法歷經(jīng)多年應(yīng)用已比較成熟，所測(cè)信息準(zhǔn)確可靠。但明顯的不足之處在于試驗(yàn)所需試樣尺寸較大，取樣時(shí)會(huì)對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生較大的破壞，且有時(shí)由于構(gòu)件取樣處尺寸的限制而無(wú)法取樣。如在中子輻射材料的損傷研究中，因粒子加速器產(chǎn)生的損傷區(qū)域很窄，試樣的尺寸必然受到嚴(yán)格限制。

此外，許多貴重金屬材料因?yàn)槠鋬?yōu)異的材料性能被廣泛應(yīng)用，如鋯材、鈦材、鉭材等，如果通過(guò)傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法來(lái)獲得這些材料的力學(xué)性能勢(shì)必因?yàn)槠浒嘿F的價(jià)格造成巨大的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)； 同時(shí)設(shè)備的焊縫及其熱影響區(qū)等重要部位，需要定期對(duì)其力學(xué)性能和壽命進(jìn)行評(píng)價(jià)，這些部位無(wú)法滿足常規(guī)試驗(yàn)方法試樣的所需尺寸； 有些設(shè)備的工作環(huán)境比較特殊，傳統(tǒng)試樣模擬實(shí)際工作環(huán)境因?yàn)槠潴w積大

造成費(fèi)用很高，如輻照等[3]。小沖孔試驗(yàn)（又稱小沖桿試驗(yàn)，small punch test，SPT）技術(shù)所采用的試樣體積微小（圓形試樣直徑或方形試樣邊長(zhǎng)尺寸為3～10mm 、厚度為0.25～0.5mm），是一種既有效又經(jīng)濟(jì)、快速的檢測(cè)手段。該技術(shù)的出現(xiàn)無(wú)疑為解決以上問(wèn)題提供了極大的方便。

1.1 小沖孔試驗(yàn)技術(shù)原理

20 世紀(jì)80 年代初，由于核工業(yè)領(lǐng)域材料研究的需要，Ames 實(shí)驗(yàn)室提出了小沖孔試驗(yàn)技術(shù)，成功地利用該技術(shù)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(shí)上，同期甚至稍早于小沖孔試驗(yàn)技術(shù)之前，就有很多試驗(yàn)原理與之相似的微型試驗(yàn)方法。例如，Huang 等[5]以及Manahan 等[6 ，7]設(shè)計(jì)的微型圓片彎曲試驗(yàn)（miniaturized disk bend test ，MDBT）、Okada 等[8 ，9]的微型凸出試驗(yàn)（mi-cro-bulge test）和Lucas 等[10]的剪切沖孔試驗(yàn)（shear punch test）。小沖孔試驗(yàn)技術(shù)的基本原理，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(gè)過(guò)程中的載荷（時(shí)間）位移（蠕變變形）數(shù)據(jù)，并借此分析材料強(qiáng)度、塑性、斷裂韌性和蠕變性能等一系列所需性能數(shù)據(jù)[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(yàn)主要用來(lái)評(píng)價(jià)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(yàn)主要用來(lái)評(píng)價(jià)材料的蠕變性能，并習(xí)慣稱之為小沖孔蠕變?cè)囼?yàn)技術(shù)。就試驗(yàn)耗時(shí)而言，后者遠(yuǎn)長(zhǎng)于前者。

小沖孔試驗(yàn)得到的典型載荷位移曲線，可以看出，試驗(yàn)曲線前后經(jīng)歷四個(gè)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(wěn)階段。而小沖孔試驗(yàn)研究運(yùn)用各種理論和分析方法，將信息轉(zhuǎn)化為試樣材料的強(qiáng)度、塑性、韌性等數(shù)據(jù)。目前已經(jīng)得出材料屈服強(qiáng)度σy 、抗拉強(qiáng)度σb 和Py 、Pmax 之間的線性關(guān)

系，建立了小沖孔試驗(yàn)和材料力學(xué)性能試驗(yàn)之間的聯(lián)系等。

1.2 小沖孔試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

1.2.1 基本力學(xué)性能

Huang 通過(guò)試驗(yàn)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(zhuǎn)化為應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，把圓片斷裂時(shí)的撓度轉(zhuǎn)化為有效斷裂應(yīng)變，將其作為與傳統(tǒng)拉伸試驗(yàn)中的伸長(zhǎng)率相對(duì)應(yīng)的彎曲延性指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了用小圓片試樣測(cè)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(lái)分析試片受力后所呈現(xiàn)出來(lái)的不均勻的二向應(yīng)力場(chǎng)，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(chǎn)生裂紋而失效這一整個(gè)過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變行為和材料的延性信息。同時(shí)，Manahan 還開(kāi)創(chuàng)性地將載荷位移曲線分為幾個(gè)典型區(qū)域，分別對(duì)應(yīng)試驗(yàn)過(guò)程中試片的幾個(gè)

變形階段：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(wěn)階段（Ⅳ）。其中Py 為第Ⅰ 階段和第Ⅱ 階段過(guò)渡點(diǎn)所應(yīng)的縱坐標(biāo)值； Pmax 為曲線峰值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)值。Py 和Pmax 分別與傳統(tǒng)拉伸試驗(yàn)的屈服點(diǎn)載荷和抗拉極限載荷相對(duì)應(yīng)。δu 是與Py 對(duì)應(yīng)的試樣撓度，δ′是試樣斷裂時(shí)的試樣撓度。

Okada 通過(guò)假設(shè)得到應(yīng)力與載荷的關(guān)系，再將二維狀態(tài)下的應(yīng)力與試樣單軸拉伸應(yīng)力等價(jià)，從而得到試樣最大載荷與抗拉強(qiáng)度、屈服載荷與屈服強(qiáng)度、位移與拉伸應(yīng)變之間的相互對(duì)應(yīng)關(guān)系，證明了通過(guò)微凸試驗(yàn)測(cè)試材料基本力學(xué)性能的可行性。同時(shí)，還指出了試樣所能承受的最大載荷與摩擦情況無(wú)關(guān)?！?100433B

《工程測(cè)試技術(shù)及應(yīng)用》秉承“工程教育”的教學(xué)理念，對(duì)基礎(chǔ)理論進(jìn)行精簡(jiǎn)，對(duì)工程應(yīng)用進(jìn)行突出，從而為卓越工程技術(shù)人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)?！豆こ虦y(cè)試技術(shù)及應(yīng)用》分為上下兩篇。上篇共6章，包括緒論、信號(hào)分析與處理基礎(chǔ)、測(cè)試系統(tǒng)特性分析、敏感元件與傳感器技術(shù)、信號(hào)調(diào)理及記錄儀器以及計(jì)算機(jī)測(cè)試技術(shù)；下篇共6章，包括力與力矩的測(cè)量、位移與速度的測(cè)量、振動(dòng)與噪聲的測(cè)量、溫度的測(cè)量、轉(zhuǎn)速與功率的測(cè)量以及流體參量的測(cè)量。教材中還設(shè)立了“工程背景”、“應(yīng)用點(diǎn)評(píng)”等環(huán)節(jié)，并免費(fèi)為采用本教材授課的教師提供電子課件和書(shū)中所有插圖。

《工程測(cè)試技術(shù)及應(yīng)用》既可作為高等工科院校機(jī)械類及相關(guān)工科專業(yè)本科生的教材使用，也可作為企業(yè)和科研單位技術(shù)人員從事測(cè)試工作的參考書(shū)。

微凝膠獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)賦予了其多方面優(yōu)異的功能，可以顯著改善涂料的流變性能，并增強(qiáng)涂膜各項(xiàng)性能。微凝膠還可以用于制備透濕性的防 水涂料，特別是在建筑涂料領(lǐng)域。微凝膠與乳膠樹(shù)脂復(fù)配的涂料除了形成致密的涂膜以防止水分的滲透外，還可以使混凝土內(nèi)的水分向外擴(kuò)散，提高混凝土的強(qiáng)度。這種復(fù)配涂料具有良好的水蒸汽透過(guò)速度（MVTR），在加量適宜時(shí)又不影響涂膜的耐水性，并隨微凝膠用量增加涂膜耐水性提高，但微凝膠用量超過(guò)16%，MVTR就迅速降低。另外，微凝膠還可以用來(lái)提高顏料分散的穩(wěn)定性和耐化學(xué)品性，在鋁粉漆中還可以很好地提高漆膜的流平性和鋁粉的定向性。這種顆粒已在藥物輸送、細(xì)胞包覆、納米反應(yīng)器和生物傳感器等研究領(lǐng)域中展現(xiàn)出了潛在的應(yīng)用價(jià)值。