孫標
(神華國華(北京)電力研究院有限公司,北京100025)
電站金屬微創(chuàng)試驗技術(shù)發(fā)展及應用
孫標
(神華國華(北京)電力研究院有限公司,北京100025)
微創(chuàng)試驗技術(shù)是以對部件微小損傷為代價獲取微小試樣進行材料性能及組織研究,微創(chuàng)試驗技術(shù)應用于電站金屬評估方面可以解決電站傳統(tǒng)無損檢測數(shù)據(jù)信息不全面、常規(guī)取樣試驗方法破壞性大且成本昂貴等問題。通過對微創(chuàng)試驗技術(shù)發(fā)展、方法及應用的闡述,對比分析其與傳統(tǒng)試驗方法在電站金屬試驗方面應用的優(yōu)劣,認為采用微創(chuàng)試驗技術(shù)獲取電站金屬材料在長期高溫服役下的組織、性能等劣化數(shù)據(jù),對電站高溫金屬部件剩余壽命評估是可行的,突破傳統(tǒng)取樣試驗對評估工作的限制,具有較好的發(fā)展和應用空間,對電站后續(xù)安全穩(wěn)定運行十分必要。
微創(chuàng)試驗技術(shù);電站金屬;高溫服役;壽命評估
隨著我國對能源利用效率及環(huán)境需求不斷提高,近年來我國大力發(fā)展和建設先進的超超臨界鍋爐等高效節(jié)能環(huán)保電廠,新型耐熱鋼材料如P92、HR3C、Super304H等開始在火電機組中得到廣泛應用[1-2]。機組中大量高溫承壓部件,如鍋爐壓力容器、主蒸汽管道等,其運行溫度與壓力相對較高、服役環(huán)境惡劣。隨著節(jié)能環(huán)保高參數(shù)機組的大力建設,機組運行溫度和壓力將進一步提高,使得材料服役條件更加惡劣。金屬材料長期在高溫高壓和腐蝕條件下運行,容易受到拘束應力、熱應力、化學腐蝕等因素的作用,材料會發(fā)生劣化,材料性能下降,縮短設備的使用壽命。為了保證電站機組的安全穩(wěn)定運行,在金屬壽命評估過程中,需要對服役材料進行性能和微觀組織結(jié)構(gòu)分析,評估高溫服役后材料的劣化程度,預測高溫部件的剩余壽命和評價含缺陷高溫部件的完整性[3]。
傳統(tǒng)無損檢測方法和取樣檢測方法都一直在這些方面發(fā)揮著作用,可是兩者各有其局限性。傳統(tǒng)無損檢驗方法如覆膜金相和里氏硬度法,雖然操作簡單、無損,但是所知的信息量有限,也不足夠精確,尤其是近年來隨著超超臨界機組的發(fā)展,新型馬氏體和奧氏體耐熱鋼的應用顯示,金相分析在老化評估方面己不能滿足要求,需要TEM、SEM等更深一步的微觀組織分析。傳統(tǒng)取樣性能測試方法,結(jié)果比較準確,但對于高溫高壓下運行的設備往往采用破壞性試驗,即要獲得材料性能在長期高溫高壓運行后的材料劣化狀況,就需要從在役設備上截取足以完成性能試驗的一塊試驗段。對于多數(shù)設備來說,這種做法是不允許的,成本高、破壞性大、還需補焊,限制了在役設備壽命評估技術(shù)的應用。因此,基于“無損取樣”概念的新型試驗方法——微創(chuàng)試驗技術(shù)[4-5]得以快速發(fā)展,可以有效、經(jīng)濟、安全、小代價地評估在役設備材料性能和設備使用安全性。
微創(chuàng),就是微小創(chuàng)口、微小損傷。微創(chuàng)試驗技術(shù)就是采用小尺寸試樣,以微小損傷的代價評價材料的性能。常見有:微斷裂韌性試驗,采用微小夏比V型試樣、SENB試樣和CT試樣的斷裂韌性試驗;微試樣拉伸試驗以及小沖孔試驗技術(shù)[6-8]。微創(chuàng)試驗技術(shù)所需試樣尺寸小,可以直接從在役設備上制備,對設備損傷小,兼具無損取樣和取樣方便的優(yōu)勢,可以用來研究金屬材料、復合材料、無機材料以及研究涂層的性能。目前,微創(chuàng)試驗技術(shù)已經(jīng)用來測量材料的多軸應力/應變、屈服強度、拉伸強度、韌脆轉(zhuǎn)變溫度和斷裂韌性等,應用領域已經(jīng)涉及火電、核工業(yè)、石油化工、航空、航天等行業(yè)。
1.1微斷裂韌性試驗
斷裂力學方法是評估壓力容器、管道等結(jié)構(gòu)完整性常用方法。斷裂力學評定需要涉及設備的服役壓力、材料的強度和斷裂韌性如J、CTOD、KIC和FATT等。材料的斷裂韌性一般通過CT、SENB和夏比沖擊試樣獲得。對于一些實際結(jié)構(gòu),可能由于尺寸限制,無法制備標準規(guī)定的最小尺寸的常規(guī)試樣。因此,微小夏比V型、SENB和CT試樣的斷裂韌性試驗方法得以發(fā)展,可采用小尺寸試樣進行試驗,通過建立與常規(guī)試驗結(jié)果的對比關(guān)系,間接地獲得材料的斷裂韌性[9]。這種方法在核電中目前應用較為廣泛,還可以使用在無法破壞性取樣的設備上。Maloy[10]和Jia等[11]利用這種方法研究了核電受輻射材料的斷裂韌性。
1.2微拉伸試驗
微拉伸試樣形式,和常規(guī)的拉伸試樣形式相同,區(qū)別是試樣的直徑更小或者寬度更窄,可以小到2mm[12]。對于不能加工或者不易加工標準拉伸試樣的材料,可以采用微拉伸試樣獲得拉伸性能。微拉伸試樣既能反映材料局部特性,也可以用來研究結(jié)構(gòu)不均勻材料的力學性能。微拉伸試驗可以用來分析:
1)焊接接頭不同區(qū)域的材料性能以及各區(qū)域性能的梯度變化情況。
2)小截面半成品的材料性能測試。
3)無法制備標準尺寸試樣的材料力學性能分析,如失效分析。
4)小尺寸焊接接頭的力學性能測量,如激光焊件、等離子束焊件。
5)微型元件的力學性能測量,如電子封裝件。
此外,微拉伸試樣不僅可以分析材料常溫力學性能,還可以用于高溫力學性能以及高溫蠕變性能的測量。初瑞清等[13]用結(jié)構(gòu)均勻的X60鋼測試了微拉伸試樣的拉伸強度的可靠性,發(fā)現(xiàn)試樣尺寸對拉伸強度的影響很小,微型試樣測量結(jié)果與標準全厚尺寸試樣測量結(jié)果的差別不大。Zhao等[14]利用有限元模擬和試驗相結(jié)合的方法,分析了微拉伸試樣的尺寸和幾何形狀對材料力學性能的影響,為微拉伸試驗提供指導。Nogami等[15]利用微試樣研究了鐵素體材料的疲勞性能,以及試樣的尺寸和形式對疲勞性能的影響。研究發(fā)現(xiàn):對于圓棒試樣,試樣尺寸和形式對疲勞性能沒有影響;對于板材試樣,試樣尺寸沒有影響,試樣形式有影響。因此,其建議采用圓棒型微試樣評估材料的疲勞性能。
1.3小沖孔試驗技術(shù)
小沖孔試驗技術(shù)是在20世紀80年代,美國AMES實驗室[16]為評定核電受輻射材料的性能開發(fā)的。小沖孔試驗裝置的示意圖如圖1所示,主要由沖桿、壓頭、上下固定平臺、加載裝置和測量裝置構(gòu)成。試樣的形式主要有圓形和方形兩種,試樣的尺寸一般是厚度0.1~0.5mm,直徑(邊長)3~10mm。壓頭的形式主要有球形、錐形和圓柱形,目前廣泛應用的是球形壓頭,一般是由陶瓷加工而成。其基本原理就是利用沖桿以恒定的速率或者在恒定的載荷下沖壓薄片試樣,記錄試樣從變形到斷裂整個過程中的載荷-位移(或者變形撓度)數(shù)據(jù),并借此分析和獲得材料各種性能的試驗方法。
圖1 小沖孔試驗示意圖
小沖孔試驗典型的載荷-位移曲線如圖2所示,可以看出其變形過程主要分為4個階段:
圖2 小沖孔試驗的載荷-位移曲線
I彈性彎曲變形階段。和常規(guī)的拉伸試驗相似,初期試樣發(fā)生彈性變形,不同的是小沖孔試驗局部會發(fā)生塑形變形。
II塑形彎曲變形階段。該階段試樣的塑性變形逐漸增大,并從球形壓頭與試樣的接觸處沿厚度和半徑方向逐漸擴展。
III薄膜伸張階段。在該階段導致試樣變形的不再是彎曲應力,而是圓球壓頭與試樣接觸面的邊緣的拉伸應力。
IV塑性失穩(wěn)和斷裂階段。在這一階段,主裂紋形成并沿塑性失穩(wěn)面逐漸擴展。
基于小沖孔試樣變形的理論分析,就可以獲得材料的常規(guī)力學性能,如抗拉強度、屈服強度、斷裂韌性、韌脆轉(zhuǎn)變溫度等。Okada和García等[17-18]研究了小沖孔試驗結(jié)果和常規(guī)試驗結(jié)果兩者之間的聯(lián)系,分析了兩者試驗曲線的異同,利用載荷-位移曲線獲得材料的屈服強度和抗拉強度等性能。Bulloch和Fleury等[19-20]利用該技術(shù)研究了未服役材料以及服役材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,建立了描述小沖孔試驗測定的韌脆轉(zhuǎn)變溫度(TSP)與標準試驗測定的韌脆轉(zhuǎn)變溫度(FATT)之間關(guān)系的經(jīng)驗公式:
式中α和β都是無量綱參數(shù)。
Cuesta和Turba等[21-23]利用含裂紋的小沖孔試樣分析了材料的斷裂韌性,并分別針對脆性材料和韌性材料建立了小沖孔試驗的有效斷裂應變和斷裂應力與常規(guī)的材料脆性斷裂韌性KIC以及材料延性斷裂韌性JIC之間的關(guān)系。
式中:εsp、σsp——試樣的應變和應力;
k、c、J0——材料參數(shù)。
1.4小沖孔蠕變試驗技術(shù)
小沖孔蠕變試驗技術(shù)是在小沖孔試驗技術(shù)上發(fā)展起來的,針對材料高溫蠕變性能的測量和分析,用以評估高溫構(gòu)件的完整性[24]。其基本原理和小沖孔試驗一致,只是其試驗環(huán)境為高溫環(huán)境,且一般需要氬氣的氣體保護防止試樣的氧化。小沖蠕變試驗曲線和常規(guī)蠕變試驗曲線對比如圖3所示。
圖3 小沖孔蠕變曲線和單軸蠕變曲線對比
小沖孔試驗測得的蠕變曲線和單軸蠕變曲線類似,也是有3個不同階段組成:
I撓曲變形速率遞減階段,初始階段曲線的斜率逐漸減小,對應于單軸蠕變初始階段。
II穩(wěn)定撓曲速率變形階段,第二階段曲線的斜率基本保持不變,對應于穩(wěn)態(tài)蠕變階段。
III撓曲變形速率加速階段,第三階段的曲線斜率急劇增大,直至試樣發(fā)生斷裂速,對應于單軸蠕變的快速變形階段。
常規(guī)的蠕變斷裂試驗中,斷裂時間tr與承受應力σ之間的關(guān)系為
而小沖孔蠕變試驗中,也發(fā)現(xiàn)破斷時間tr和施加的載荷FSP之間具有一定關(guān)系為
式中B和n是蠕變參數(shù),取決于材料本身。
根據(jù)小沖孔試樣的變形過程,可獲得小沖孔蠕變時施加載荷FSP和試樣承受等效應力σeq的關(guān)系[25]為
式中:RSP——壓頭的直徑;
t0——試樣的初始厚度;
r——變形區(qū)域的半徑;
KSP——無量綱的相關(guān)系數(shù),取決于材料本身。
因此,利用小沖孔蠕變試驗技術(shù)也可以獲得材料的破斷時間和承受應力的關(guān)系,進而評價材料的剩余壽命[26]。
目前,歐洲、美國、中國等的電力研究院和試驗室,如DEN、EPRI、IMT、IPM、CISE、JRC及IMMT等已經(jīng)在開展小沖孔蠕變試驗技術(shù)評估材料的高溫蠕變性能,并逐漸延伸評估在役設備的使用安全性和剩余壽命評估。Zhai和Zhou等[27-28]利用有限元計算的手段,研究了小沖孔試樣的厚度、直徑、載荷水平、壓頭直徑、溫度以及保護氣體對小沖孔蠕變試驗結(jié)果的影響,且研究了小沖孔蠕變試驗過程中的變形情況,進一步明確了小沖孔蠕變變形的機理。對于超超臨界機組新型耐熱鋼P91、P92鋼的焊接接頭高溫服役時,易在接頭的細晶區(qū)發(fā)生IV型早期開裂失效。Komazaki和Kato等[29-30]利用小沖孔蠕變試驗技術(shù)分析了焊接接頭各個微區(qū)(細晶區(qū)、粗晶區(qū)、母材和焊縫金屬)的高溫強度,試驗得到的材料高溫強度和常規(guī)蠕變試驗的結(jié)果具有一致性,可以用來評價焊接接頭服役時的壽命。Izaki等[31]利用該技術(shù)評估了服役后2.25Cr-1Mo鋼過熱器的高溫性能,并評估了設備的剩余壽命。
1.5壓痕試驗法
壓痕試驗法是根據(jù)硬度測試衍生發(fā)展起來的表征材料力學性能的評價方法。通過在材料表面形成一個幾十微米到幾百微米級的壓痕,就可以實現(xiàn)材料的力學性能測試,如屈服強度、抗拉強度、應力-應變曲線、應變硬化指數(shù)和斷裂韌性等。由于壓痕很小,壓痕試驗法測試過程不需破壞試樣和不需要從結(jié)構(gòu)上移走一部分測試試樣,與傳統(tǒng)的材料力學性能評價方法相比,具有無損、便捷、準確度高的優(yōu)點,可評價高溫高壓設備服役后材料性能劣化程度,尤其是可以用來評價焊接接頭的局部區(qū)域,如焊縫和熱影響區(qū)的性能劣化情況。
按照壓頭形狀分類,壓痕法主要分為錐形壓頭和球形壓頭。兩種壓頭的測試方法相似,但由于球形壓頭的旋轉(zhuǎn)拋物面特性,與其他棱錐型或圓錐型壓頭相比,更容易獲得材料的各種力學性能,因此目前研究和應用均集中在球形壓痕技術(shù)[32-34]。
壓痕試驗法由于其獨特的優(yōu)勢,自發(fā)展以來就成為了國內(nèi)外研究重點。Murty等[34]采用球形壓痕測試技術(shù)研究了高溫鋼SA-533B的力學性能梯度和焊接接頭斷裂性能梯度,結(jié)果發(fā)現(xiàn),球形壓痕法測試母材和焊縫金屬的結(jié)果與拉伸結(jié)果一致,屈服強度、拉伸強度、強度系數(shù)和應變硬化指數(shù)的相對誤差都低于7%;焊縫金屬的流變應力和加工硬化速度比母材金屬低。Haggag等[35]開發(fā)多循環(huán)的自動球壓痕方法,利用壓痕載荷與壓痕深度數(shù)據(jù)計算材料的應力應變曲線,并用于服役中的航空鋁合金的力學性能的評價。湯杰[36]采用自動壓痕試驗法測量結(jié)構(gòu)鋼及其應變時效后的力學性能。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),自動球壓痕試驗在一定程度上可代替常規(guī)試驗方法。崔航等[37]采用量綱分析法,建立了球形壓頭的無量綱函數(shù),通過此無量綱函數(shù)和有限元數(shù)值計算的方法,獲得了金屬材料的屈服強度和應變硬化指數(shù)。饒德林[33]利用球形壓痕法試驗法,通過多級循環(huán)加載方法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型分析了5083鋁合金材料力學性能,測量結(jié)果和拉伸試驗結(jié)果具有很好的一致性。
隨著球形壓痕技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,其應用越來越廣泛,逐漸發(fā)展到可用來分析材料蠕變性能以及蠕變機理,這種技術(shù)又稱為壓痕蠕變試驗技術(shù)。壓痕蠕變試驗技術(shù),與傳統(tǒng)拉伸蠕變相比較,試驗過程需要的試樣數(shù)量少;可用于新型材料和特殊材料的蠕變研究;缺少拉伸蠕變的第三階段,變形較穩(wěn)定;在某些情況下可方便、快捷地實現(xiàn)在役、非破壞測量。Yue等[38]利用有限元數(shù)值模擬的方法,分析了壓痕蠕變法測量兩相材料的蠕變性能可能性。Su等[39]用壓痕蠕變測試了材料的冪指數(shù)蠕變性能,測量結(jié)果和單軸蠕變試驗結(jié)果具有很好的一致性。Gao等[40]用該方法分析了單晶Cu蠕變性能對應變速率的敏感型,并分析了壓痕蠕變的機理以及影響蠕變變形速率的因素。趙彬等[41]采用有限元方法分析了圓錐壓頭、球形壓頭和圓柱形平壓頭作用下鋁合金的壓痕蠕變行為。研究發(fā)現(xiàn),對于高溫壓痕蠕變,確定材料蠕變參數(shù)時,平壓頭具有相當?shù)膬?yōu)勢:壓頭下方的應力場相對穩(wěn)定,可不考慮摩擦和堆積的影響,計算簡便準確。
面對經(jīng)濟和環(huán)境的雙重壓力,火電機組正向高參數(shù)的節(jié)能、環(huán)保和高效的超超臨界機組發(fā)展,一些高溫承載構(gòu)件的破壞往往會導致災難性的后果和重大的經(jīng)濟損失,這就需要定期對在役承壓部件材料劣化程度進行評估,評估部件的剩余壽命和安全性。微創(chuàng)試驗技術(shù)可以利用從在役結(jié)構(gòu)的表面獲取比常規(guī)試樣尺寸小的試樣或者直接在結(jié)構(gòu)表面進行測試來評估構(gòu)件的性能,在不損壞在役結(jié)構(gòu)完整性的前提下,獲得材料服役后各種力學性能如蠕變持久強度、屈服強度、抗拉強度、斷裂韌性等,進而評價在役結(jié)構(gòu)的安全性和剩余壽命。微創(chuàng)試驗技術(shù),以其獨特的優(yōu)勢,可以經(jīng)濟、高效地實現(xiàn)電站高溫金屬部件的完整性評估。微創(chuàng)技術(shù)和傳統(tǒng)方法的優(yōu)劣對比如表1所示。
表1 微創(chuàng)試驗技術(shù)與傳統(tǒng)金屬監(jiān)督方法的對比
和傳統(tǒng)的無損檢測方法和破壞性試驗方法對比,微創(chuàng)試驗技術(shù)優(yōu)勢如下:
1)可以兼具兩者的優(yōu)勢,既可以實現(xiàn)常規(guī)的理化分析如金相覆膜、硬度分析,又可以幾乎無損、低成本、低風險、較短維修周期獲得服役后材料的各種力學性能變化。
2)對設備損傷小,避免割管帶來的焊接缺陷安全隱患和補焊施工的各項費用。
3)可以實現(xiàn)對火電機組中金相組織異常、硬度變化異常、析出物變化異常、管系溫度危險段、管系應力危險段部件等實際材料性能的測量,準確分析材料性能的變化及評估設備后續(xù)服役能力。
微創(chuàng)試驗技術(shù)采用的都是小尺寸試樣,試樣的尺寸均在是厘米級,試樣的長度和厚度的差別不是很大,沒有表現(xiàn)出明顯的尺寸效應和拘束效應,其測得試驗結(jié)果和常規(guī)標準試樣具有較好的一致性[13-15]。此外,微創(chuàng)試驗技術(shù)直接利用在役部件上制備的小尺寸試樣或直接在部件表面上進行材料性能測試,對大型在役部件幾乎無損,因此這種技術(shù)受到越來越多的關(guān)注。但實現(xiàn)彌補現(xiàn)有的在役機組關(guān)鍵設備的材料性能監(jiān)督以及壽命評估的不足,形成微創(chuàng)壽命評估的標準,還需解決以下問題:
1)微創(chuàng)試驗技術(shù)對材料結(jié)構(gòu)均勻度,相比常規(guī)標準試驗,更為敏感,微創(chuàng)試驗技術(shù)獲得的試驗數(shù)據(jù)分散性要高于常規(guī)標準試樣。因此在用微創(chuàng)試驗反映材料力學性能時,還需要盡可能地采用較多的試樣,取試驗結(jié)果的平均值[13]。微創(chuàng)試驗技術(shù)分析主要針對結(jié)構(gòu)的表面,而大型部件內(nèi)外表面的材料性能具有一定的差異,因此還需要進一步研究大型部件內(nèi)外表面材料性能的差距,才能保證評估的準確性。
2)微創(chuàng)試驗技術(shù)對小尺寸試樣的表面質(zhì)量、試樣尺寸等要求,要遠高于常規(guī)的標準試樣,即使是相差很小也會導致結(jié)果有一定的偏差。錢珍梅[42]在研究小沖孔蠕變試驗技術(shù)時,發(fā)現(xiàn)試樣的厚度變化為1μm,就會導致試樣斷裂時間相差約2%。Zhou[28]利用有限元計算的方法,分析小沖孔蠕變試驗條件對試驗結(jié)果的影響,發(fā)現(xiàn)試樣的厚度、壓頭直徑、溫度以及保護氣體都會影響小沖孔蠕變試驗的破斷時間,而試樣的直徑對破斷時間的影響不大。
微創(chuàng)試驗技術(shù)由于其對試驗精度要求高,試驗中的微小差異都有可能會對試驗結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。為了消除試驗過程中參數(shù)的影響,在分析微創(chuàng)試驗結(jié)果時,通常是建立相應的經(jīng)驗公式,用以消除不同試驗參數(shù)對試驗結(jié)果的影響。
3)微創(chuàng)試驗技術(shù)獲得試驗結(jié)果和常規(guī)試驗結(jié)果通常具有較好的對應關(guān)系,為了得到常規(guī)材料性能數(shù)據(jù),還需建立相應的轉(zhuǎn)換關(guān)系。且這種轉(zhuǎn)換關(guān)系一是會隨著材料的變化可能會發(fā)生變化,二是轉(zhuǎn)換關(guān)系的建立均借助有限元數(shù)值模擬的方法進行系統(tǒng)分析。為了實現(xiàn)工程應用,還需對不同材料下的對應關(guān)系進行系統(tǒng)性的研究。
為了實現(xiàn)在役設備壽命的微創(chuàng)評估,還需建立相關(guān)的微創(chuàng)試驗標準,用以規(guī)范各種試驗參數(shù)和建立與常規(guī)試驗結(jié)果的對應關(guān)系。美國和歐洲均在開展微創(chuàng)實驗的標準化研究,并已經(jīng)取得一些成果,我國起步較晚,還處于開展階段。
針對電站高溫金屬部件進行結(jié)構(gòu)完整性評估以及延壽的研究,對保證高溫構(gòu)件的長期安全工作具有重要意義。微創(chuàng)試驗新技術(shù)可以采用微小尺寸試樣實現(xiàn)材料服役后各種性能測量,可以直接從在役設備上制取,對設備損傷在不影響在役設備正常運行;并能解決制樣和取樣困難的在役設備的性能測試。微創(chuàng)試驗技術(shù)將彌補目前電站高溫金屬部件壽命評估的不足。尤其是隨著超超臨界機組的大力建設,新材料的服役時間增加,對其服役后的性能進行監(jiān)督分析,微創(chuàng)試驗技術(shù)必將會在電站承壓在役設備壽命和安全性評估中越來越得到廣泛地應用。
[1]于鴻垚,董建新,謝錫善.新型奧氏體耐熱鋼HR3C的研究進展[J].世界鋼鐵,2010(2):42-49.
[2]趙林,董顯平,孫鋒,等.Super304H超超臨界鍋爐過熱器管長期服役后的顯微組織及力學性能[J].機械工程材料,2013(7):28-32.
[3]軒福貞,涂善東.高溫環(huán)境下在用壓力容器檢測與安全評估技術(shù)研究進展(二)——評估方法[J].壓力容器,2002,19(10):1-5.
[4]ODETTE G R,HE M,GRAGG D,et al.Some recent innovations in small specimen testing[J].Journal of Nuclear Materials,2002,307-311(02):1643-1648.
[5]張小亮,王兆希.小沖桿試驗方法研究進展及存在的問題[J].中國測試技術(shù),2008,34(1):10-14.
[6]LUCAS G E.Review of small specimen test techniques for irradiation testing[J].Metallurgical Transactions A,Physical Metallurgy and Materials Science,1990,21(5):1105-1119.
[7]ROSINSKI S T,CORWIN W R.ASTM cross-comparison exercise on determination of material properties through miniature sample testing[J].ASTM Special Technical Publication,1998(1329):3-14.
[8]艾芒,楊鎮(zhèn).小沖孔試驗法的起源,發(fā)展和應用[J].機械強度,2000,22(4):279-282.
[9]SHEKHTER A,KIM S,CARR D G,et al.Assessment of temper embrittlement in an ex-service 1Cr-1Mo-0.25V power generating rotor by Charpy V-Notch testing,KIc fracture toughness and small punch test[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping,2002,79(8-10):611-615.
[10]MALOY S A,JAMES M R.The mechanical properties of316L/304Lstainlesssteels,Alloy718andMod 9Cr21Mo after irradiation in a spallation environment[J]. Journal of Nuclear Materials,2001,296(1-3):119-128.
[11]JIA X,DAI Y.The change of f racture toughness of martensitic steels af ter irradiation in SINQ target-3[J]. Journal of Nuclear Materials,2006,356(1-3):50.
[12]DJORDJE D,JUNGHANS E.Determination of the tensile properties of specimens with small dimensions[J]. Kovine,Zlitine,Tehnologije,1999,33(6):451.
[13]初瑞清,段占強,董翰,等.微型拉伸試樣的設計及其在高性能管線鋼研究中的應用[J].金屬學報,2006,36(6):626.
[14]ZHAO Y H,GUO Y Z,WEI Q,et al.Influence of specimen dimensions and strain measurement methods on tensile stress-strain curves[J].Materials Science and Engineering,2009,525(1-2):68-77.
[15]NOGAMI S,NISHIMURA A,WAKAI E,Tanigawa H,Itoh T,Hasegawa A.Development of fatigue life evaluation method using small specimen[J].Journal of Nuclear Materials,2013,441(1-3):125-132.
[16]BAIK J M,KAMEDA J,BUCK O.Small punch test evaluationofintergranularembrittlementofanalloy steel[J].Scripta Metallurgica,1983,17(12):1443-1447.
[17]OKADA A,LUCAS G E,KIRITANI M.Micro-bulge test and its application to neutron-irradiated metals[J]. Transactions of the Japan Institute of Metals,1988,29(2):99-108.
[18]GARCíA T E,RODRíGUEZ C,BELZUNCE F J,et al. Estimation of the mechanical properties of metallic materials by means of the small punch test[J].Journal of Alloys and Compounds,2014,582(1):708-717.
[19]BULLOCH J H.A study concerning material fracture toughness and some small punch test data for low alloy steels[J].Engineering Failure Analysis,2004,11(4):635-653.
[20]FLEURY E,HA J S.Small punch tests to estimate the mechanical properties of steels for steam power plant:I. Mechanicalstrength[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping,1998,75(9):699-706.
[21]CUESTA I I,RODRIQUEZ C,BELZUNCE F J,et al. Analysisofdifferenttechniquesforobtainingprecracked/notchedsmallpunch test specimens[J].Engineering Failure Analysis,2011,18(8):2282-2287.
[22]CUESTA I I,ALEGRE J M.Determination of the fracture toughness by applying astructural integrityapproach to pre-cracked Small Punch Test specimens[J]. Engineering Fracture Mechanics,2011,78(2):289-300.
[23]TURBA K,GüL?IMEN B,LI Y Z,et al.Introduction of a new notched specimen geometry to determine fracturepropertiesbysmall punch testing[J].Engineering Fracture Mechanics,2011,78(16):2826-2833.
[24]凌祥,周志祥,解巧云.小沖孔試驗技術(shù)研究及其應用[J].南京工業(yè)大學學報(自然科學版),2009,31(2):106-110.
[25]BLAGOEVA D T,HURST R C.Application of the CEN(european committee for standardization)small punch creep testing code of practice to a representative repair welded P91 pipe[J].Materials Science and Engineering:A,2009,510-511(1):219-223.
[26]MA Y W,SHIM S,YOON K B.Assessment of power law creep constants of Gr91 steel using small punch creeptests[J].Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures,2009,32(12):951-960.
[27]ZHAI P C,HASHIDA T,KOMAZAKI SI,et al.Numerical analysis for small punch creep tests by finiteelementmethod[J].Journalof Testing and Evaluation,2005,33(4):298-303.
[28]ZHOU Z,ZHENG Y,LING X,et al.A study on influence factors of small punch creep test by experimentalinvestigation and finite element analysis[J].Materials Science and Engineering:A,2010,527(10-11):2784-2789.
[29]KOMAZAKI S I,KATO T,KOHNO Y,et al.Creep property measurements of welded joint of reduced-activation ferritic steel by the small-punch creep test[J]. Materials Science and Engineering:A,2009,510-511(18):229-233.
[30]KATO T,KOMAZAKI S I,KOHNO Y,et al.Hightemperature strength analysis of welded joint of RAFs by small punch test[J].Journal of Nuclear Materials,2009,386(5):520-524.
[31]IZAKI T,KOBAYASHI T,KUSUMOTO J,et al.A creep lifeassessmentmethodforboilerpipesusingsmall punchcreeptest[J].InternationalJournal of Pressure Vessels and Piping,2009,86(9):637-642.
[32]伍聲寶,關(guān)凱書.球壓痕法評價材料拉伸性能的有限元分析[J].設計計算,2012,29(9):33-40.
[33]饒德林.5083鋁合金力學性能的球壓痕法檢測研究[J].航空精密制造技術(shù),2013,49(2):35-38.
[34]MURTY K L,MATHEW M D,WANG Y,et al.Nondestructive determination of tensile properties and fracture toughness of cold worked A36 steel[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping,1998,75(11):831-840.
[35]HAGGAG F M,LUCAS G E.Determination of luders strains and flow properties in steels from hardness/microhardness tests[J].Metallurgical and Materials Transactions A,1983,14(8):1607-1613.
[36]湯杰.自動球壓痕試驗測定結(jié)構(gòu)鋼及其應變時效后力學性能的研究[D].濟南:山東大學,2013.
[37]崔航,陳懷寧,陳靜,等.球形壓痕法評價材料屈服強度和應變硬化指數(shù)的有限元分析[J].金屬學報,2009,45(2):189-194.
[38]YUE Z F,EGGELER G,ST?CKHERT B.A creep finite elementanalysis ofindentationcreeptestingintwo phase microstructures(particle/matrix-and thin film/substrate-systems)[J].Computational Materials Science,2001,21(1):37-56.
[39]SU C,HERBERT E G,SOHN S,et al.Measurement of power-law creep parameters by instrumented indentation methods[J].Journal of the Mechanics and Physics of Solids,2013,61(2):517-536.
[40]GAOY,WENS,PAN F.Creep rate sensitivities of materials by a depth-sensing indentation technique[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing Mineral Metallurgy Material,2006,13(4):308-312.
[41]趙彬,許寶星,岳珠峰.不同形狀壓頭作用下的壓痕蠕變數(shù)值研究[J].力學季刊,2008,29(1):143-150.
[42]錢珍梅.小沖孔蠕變試驗影響因素分析及應用研究[D].南京:南京工業(yè)大學,2005.
(編輯:李剛)
Development and application of micro damage testing technology for the power plant’s metal
SUN Biao
(Shenhua Guohua(Beijing)Electric Power Research Institute,Beijing 100025,China)
Micro damage testing technology is about studying the properties and structures of materials used at power stations at the cost of damaging a very tiny area of the parts for sampling.With respect to the evaluation of power stations,this technology can be used to solve theproblems suchasincomplete data of traditional nondestructive testing as well as large destruction and high cost of regular sampling test methods.Based on its development,methods and application as well as its advantages and disadvantages compared with conventional testing methods,it is believed that this technology is feasible in that the remaining service life of hightemperature metal parts can be estimated by obtaining the data for organization and property deterioration of metal materials after long-term high temperature service from power stations. Experiments suggest that this technology has broken the limitation of conventional sampling tests and has extensive development and application space,which is indispensible and significant for power stations to run safely and steadily.
micro damage testing technology;power plant’s metal;elevated temperature’s service;life prediction
A
1674-5124(2016)05-0011-07
10.11857/j.issn.1674-5124.2016.05.003
2015-11-15;
2015-12-23
孫標(1970-),男,吉林省吉林市人,高級工程師,主要從事電站金屬材料焊接、性能檢測、失效研究。