基于結(jié)構(gòu)微損傷的材料性能測試技術(shù)對(duì)比研究

摘 要 通過調(diào)研微試樣測試（MST）、小沖桿測試（SPT）、壓痕測試技術(shù)（ITT）這3種結(jié)構(gòu)微損傷的材料性能測試技術(shù)，探討了適用于核電廠承壓設(shè)備結(jié)構(gòu)微損傷的材料拉伸和斷裂性能測試方法。研究認(rèn)為，對(duì)于可取小尺寸試樣的情況，MST可在不改變損傷機(jī)理的前提下獲得材料服役性能參數(shù)，也可對(duì)原有標(biāo)準(zhǔn)測試試樣進(jìn)行再加工利用，獲取材料更多的服役性能參數(shù);對(duì)于難以取樣的情況，ITT因其無需取樣且近乎無損的優(yōu)勢，更適用于在役設(shè)備的原位檢測。

關(guān)鍵詞 承壓設(shè)備結(jié)構(gòu)微損傷 微試樣 小沖桿 壓痕 力學(xué)性能

中圖分類號(hào) TH49" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A" "文章編號(hào) 0254?6094（2025）02?0208?07

對(duì)于壓水堆核電廠反應(yīng)堆一回路承壓設(shè)備，材料在役的力學(xué)性能檢測對(duì)其結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估至關(guān)重要[1]。傳統(tǒng)的力學(xué)性能檢測方法需要切割本體取大尺寸試樣，對(duì)在役設(shè)備具有明顯的損傷甚至破壞[2]。目前，核電廠通常對(duì)監(jiān)督試樣或同批次備件進(jìn)行檢驗(yàn)分析，但這難以滿足超初始設(shè)計(jì)基準(zhǔn)壽命條件下（如服役壽命從40年延長至60年或80年）對(duì)材料性能數(shù)據(jù)的需求，也限制了基于服役材料大量測試數(shù)據(jù)的概率統(tǒng)計(jì)等先進(jìn)評(píng)價(jià)方法的工程應(yīng)用，因此，結(jié)構(gòu)微損傷材料性能測試技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[3，4]。

結(jié)構(gòu)微損傷材料性能測試技術(shù)大致分為3類：第1類是微試樣測試（Mini Sample Test，MST），MST通常將標(biāo)準(zhǔn)試樣按比例縮小，試樣直徑或邊長可降低至3～10 mm[5];第2類通常利用厚度約0.5 mm的圓片作為試樣進(jìn)行試驗(yàn)，該技術(shù)以圓片彎曲試驗(yàn)技術(shù)的金屬材料小沖桿測試（Small Punch Test，SPT）為代表，其可測試獲得材料的拉伸和斷裂韌度性能[6];第3類是壓痕測試技術(shù)（Indentation Tests Technology，ITT），其基本原理是在材料表面施加載荷，觀察和測量材料表面產(chǎn)生的壓痕形狀和尺寸變化，從而得到材料的力學(xué)性能參數(shù)[7]。目前這3種方法已廣泛應(yīng)用于石油、化工等工程技術(shù)領(lǐng)域，并形成了相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[8，9]。

筆者通過對(duì)MST、SPT、ITT這3種結(jié)構(gòu)微損傷材料性能測試技術(shù)進(jìn)行調(diào)研，探討適用于核電廠承壓設(shè)備結(jié)構(gòu)微損傷的材料拉伸和斷裂性能測試方法，為后續(xù)核電領(lǐng)域的工程應(yīng)用提供有益參考。

1 MST技術(shù)

1.1 基本原理

在核電廠現(xiàn)有評(píng)價(jià)技術(shù)體系中，基于單參數(shù)的斷裂機(jī)理采用應(yīng)力強(qiáng)度因子或J積分表征材料的斷裂韌度，需要采用大尺寸試樣以滿足平面應(yīng)變假設(shè)的要求從而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)材料斷裂韌度測試[1，3]。近年來隨著斷裂力學(xué)的發(fā)展，雙參數(shù)斷裂機(jī)理模型、局部斷裂預(yù)測模型等更精確的理論模型得到了廣泛發(fā)展與應(yīng)用，使得采用MST技術(shù)測試材料斷裂韌度成為可能，如圖1所示。

采用MST技術(shù)測試材料性能時(shí)，需要考慮試樣的尺寸效應(yīng)和裂紋尖端的拘束效應(yīng)。在法國，正在研究將考慮裂紋尖端拘束效應(yīng)的雙參數(shù)J?Q準(zhǔn)則納入相關(guān)規(guī)范。研究表明，拘束度參數(shù)（雙參數(shù)中的第2個(gè)參數(shù)）為正值時(shí)，對(duì)斷裂韌性的影響有限，而當(dāng)應(yīng)力為負(fù)值時(shí)，以T參數(shù)為例，主曲線轉(zhuǎn)變溫度T幾乎隨T參數(shù)呈線性變化，得到拘束度參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)試樣測試主曲線轉(zhuǎn)變溫度T之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系為[10]：

法國EDF研究機(jī)構(gòu)使用的MST緊湊拉伸試樣如圖2所示。在MST技術(shù)中，在不改變材料性能參數(shù)損傷機(jī)理的前提下，將代表性的試樣（如圓棒拉伸、緊湊拉伸試樣等）尺寸縮小到一定比例，以模擬實(shí)際構(gòu)件在工作條件下的力學(xué)性能[11]。試樣通常需要經(jīng)過精細(xì)的加工和制備，以確保其表面光潔度、成分均勻性等與實(shí)際構(gòu)件相近，并避免加工偏差引起的測試數(shù)據(jù)波動(dòng)[12]。

1.2 發(fā)展?fàn)顟B(tài)

20世紀(jì)六七十年代，MST技術(shù)最早源于核工業(yè)。近年來，該技術(shù)的發(fā)展取得了顯著進(jìn)步[13]。MST技術(shù)可用于各種不同材料和構(gòu)件的測試，如金屬、塑料、陶瓷等。目前，許多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)都致力于改進(jìn)和完善這種技術(shù)，以提高其測試精度和可靠性。

在核工業(yè)中，原始監(jiān)督試樣數(shù)量稀缺，而基于MST的復(fù)用現(xiàn)有的監(jiān)督試樣可以滿足長壽期運(yùn)行時(shí)安全評(píng)估的技術(shù)需求。試樣體積與放射性強(qiáng)度成正比，基于試樣重組等技術(shù)使用的大尺寸試樣的放射性較強(qiáng)，不利于試驗(yàn)操作;而MST可在不改變性能參數(shù)損傷機(jī)理的前提下，通過監(jiān)督試樣再利用等技術(shù)獲得更多的服役性能參數(shù)。

1.3 特性分析

MST技術(shù)優(yōu)勢主要包括：

a. 相比于SPT和ITT，MST測試機(jī)理、測試方法與常規(guī)方法的一致性更好，容易被用戶接受，且避免了因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)而引入的測量誤差。

b. 與常規(guī)測試方法相同，MST可用于各種不同材料和構(gòu)件的測試，如金屬、塑料、陶瓷等，相比于SPT和ITT應(yīng)用范圍更廣泛。

c. 相較于常規(guī)測試方法，核電廠采用MST可在放射性相對(duì)較低的環(huán)境下完成試樣研究。對(duì)于可取小尺寸試樣的情況，MST可在不改變損傷機(jī)理的前提下獲得材料服役性能參數(shù)，也可對(duì)原有標(biāo)準(zhǔn)測試試樣進(jìn)行再加工利用，從而獲取材料更多的服役性能參數(shù)。

然而，MST技術(shù)也存在一些不足：

a. 相比于SPT和ITT，MST試樣體積相對(duì)較大，對(duì)構(gòu)件或試樣的破壞性大。

b. 試樣制備難度較大。MST是在保持原有試樣構(gòu)型的基礎(chǔ)上通過縮小樣品尺寸加工制備，故而對(duì)于復(fù)雜構(gòu)型的試樣制備難度較大，需采用精密的制備工藝和技術(shù)，以保證試樣的質(zhì)量和一致性。

c. MST測試結(jié)果受測試條件的影響較大，如溫度、濕度、加載速度等，需嚴(yán)格控制測試條件以保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

d. MST大多處于平面應(yīng)力狀態(tài)，雖然可以反映材料的基本性能，但并不能完全模擬實(shí)際工作狀態(tài)下的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)條件，需對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行尺寸效應(yīng)或拘束效應(yīng)修正。

MST技術(shù)可以靈活地運(yùn)用于各種力學(xué)性能的測試試驗(yàn)中，但我國尚未形成一個(gè)完整的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)體系，更未在核工業(yè)界進(jìn)行廣泛應(yīng)用[14]。

2 SPT技術(shù)

2.1 基本原理

SPT是一種將沖桿以特定速度沖擊薄片試樣的測試方法，其測試原理如圖3所示。

圖4為典型的SPT載荷-位移曲線[13]，其中Ⅰ為彈性彎曲變形區(qū)域，Ⅱ?yàn)樗苄詮澢冃螀^(qū)域，Ⅲ為塑性薄膜伸張區(qū)域，Ⅳ為塑性失穩(wěn)區(qū)域[15]。圖中Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的交界處代表材料的屈服強(qiáng)度，曲線的最高點(diǎn)代表材料的抗拉強(qiáng)度，曲線下方所包含的面積代表直至薄片破裂前載荷所做的功，通過分析這些數(shù)據(jù)，可以得出材料各種性能參數(shù)[16]。該方法可測試材料的基本性能（如屈服極限、強(qiáng)度極限等）、韌脆性轉(zhuǎn)變溫度、斷裂韌性及蠕變性能等參數(shù)，目前SPT已經(jīng)得到了廣泛認(rèn)可、應(yīng)用和發(fā)展[17]。

2.2 發(fā)展?fàn)顟B(tài)

CHAKRABARTY J于1970年提出的薄膜伸張模型理論為SPT的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[18]，隨著研究的深入，到了20世紀(jì)90年代初，SPT的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大到發(fā)電廠和石化行業(yè)[19]。

近年來，SPT的發(fā)展主要集中在實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)參數(shù)、數(shù)據(jù)處理方法及理論研究等方面[20]。在實(shí)驗(yàn)設(shè)備方面，研究者們致力于研發(fā)更精確、更穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)裝置，以提高實(shí)驗(yàn)的可靠性和可重復(fù)性。在實(shí)驗(yàn)參數(shù)和數(shù)據(jù)處理方面，研究者嘗試通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)（如沖擊速度、試樣形狀等）更加準(zhǔn)確地模擬實(shí)際情況，以獲取更全面的材料性能數(shù)據(jù)，探索更有效的數(shù)據(jù)處理方法，最終從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取更準(zhǔn)確、更深入的材料性能信息。理論研究方面，研究者們通過對(duì)關(guān)聯(lián)公式、擬合方程等不斷改進(jìn)，同樣也取得了長足進(jìn)步。

材料的強(qiáng)度分析是通過大量實(shí)驗(yàn)研究，在載荷-位移曲線上關(guān)聯(lián)出屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。目前，國內(nèi)外研究人員均得出了相關(guān)的計(jì)算公式，例如NOSSIS S D和PARKER J D[21]提出的強(qiáng)度極限計(jì)算式：

式中 D——下孔直徑;

d——壓頭直徑;

d——強(qiáng)度極限;

P——最大試驗(yàn)載荷;

t——試樣厚度。

沖擊性能方面的研究主要集中在材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度上，通過SPT實(shí)驗(yàn)測出不同溫度下的載荷-位移曲線，將得到的溫度-能量曲線和溫度-沖擊能量曲線作對(duì)比分析，從而得出兩者的關(guān)聯(lián)性。MAO X Y和TAKAHASHI H[22]對(duì)奧氏體鋼圓片進(jìn)行試驗(yàn)，得出了兩個(gè)轉(zhuǎn)變溫度的線性表達(dá)式如下：

T=0.4T（3）

式中 T——SCT沖擊試驗(yàn)的轉(zhuǎn)變溫度;

T——SP試驗(yàn)測試的轉(zhuǎn)變溫度。

斷裂性能方面的研究，早期是通過積累的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，通過轉(zhuǎn)變溫度預(yù)測斷裂性能，近年來研究熱點(diǎn)主要集中在直接建立MST試驗(yàn)結(jié)果與斷裂韌性（K或J）的關(guān)聯(lián)方法[23]。

2.3 特性分析

SPT作為新型試樣測試技術(shù)的代表，其具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)勢：

a. 相比于MST，SPT試樣尺寸更小、破壞性更小。SPT采用微型試樣進(jìn)行試驗(yàn)，近乎于“微損測試”。這種無損檢測方法特別適用于高價(jià)值、高靈敏或大型材料的測試。同時(shí)可在不影響現(xiàn)役設(shè)備正常運(yùn)行的條件下，測試獲得檢測結(jié)果。

b. 相比于MST，SPT試樣簡單、測試流程便捷。SPT是一種相對(duì)簡單易操作的試驗(yàn)方法，只需簡單的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)裝置、普通的拉伸試驗(yàn)機(jī)和部分附加裝置配合設(shè)計(jì)的夾具即可完成對(duì)材料的一系列測試。

c. 相比于ITT技術(shù)，SPT測試包含了從彈塑性變形直至斷裂的全過程，通過對(duì)全過程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)測試記錄，可獲得更加豐富的測試信息。

同時(shí)，SPT也存在著一些不足[19]：

a. 在試樣方面，試樣的形狀、尺寸及表面粗糙度等都是影響測試結(jié)果的重要因素，但由于SPT樣品尺寸較薄，當(dāng)前的機(jī)加工技術(shù)水平尚不能保證試樣參量尺寸的統(tǒng)一[24]。

b. 試樣承受集中載荷且變形過程含有大量非線性問題，難以得到理論解析解。由于集中載荷的作用，試樣在加載過程中會(huì)經(jīng)歷大變形、應(yīng)力集中及摩擦等影響，而這些因素往往是非線性的，非線性問題通常需根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合和估算，而難以通過簡單的理論模型進(jìn)行精確描述和解析。

c. SPT測試材料斷裂韌度時(shí)，大多采用基于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)分析的關(guān)聯(lián)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停@些模型多基于簡化或理性化的材料損傷機(jī)理，與實(shí)際的材料損傷機(jī)理存在偏差，導(dǎo)致測試結(jié)果與實(shí)際材料性能之間存在誤差。

3 ITT技術(shù)

3.1 基本原理

ITT技術(shù)的基本原理是在試樣表面施加恒定載荷，觀測試樣表面產(chǎn)生的壓痕形狀和尺寸的變化，從而得到材料的力學(xué)性能參數(shù)[25]?；诓牧显谕饬ψ饔孟碌淖冃涡袨?，當(dāng)壓頭施加載荷時(shí)，材料表面會(huì)發(fā)生彈性變形和塑性變形。其測試過程包括加載和卸載兩個(gè)階段，在加載階段，首先，將需要測試的材料樣品放置在壓痕機(jī)的工作臺(tái)上，然后將壓頭垂直地施加在材料表面上。壓頭施加的載荷大小可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。在卸載階段，壓頭緩慢上升，試樣發(fā)生彈性形變的部分逐漸恢復(fù)。在加載和卸載的同時(shí)，通過壓痕儀表可以實(shí)時(shí)監(jiān)測和記錄壓痕的深度、直徑等參數(shù)。根據(jù)ITT的原理，可以通過測量壓痕的深度、直徑等參數(shù)，計(jì)算出材料的硬度、韌性等力學(xué)性能參數(shù)[26]。

以球形壓頭測試材料的拉伸性能為例，1970年JOHNSON K提出了圖5所示的膨脹孔洞模型（圖中a為壓痕投影接觸半徑，pi為核心區(qū)邊界分布?jí)毫Γ7，27]，按照壓痕的變形狀態(tài)，將材料分為損傷核心區(qū)、彈塑性區(qū)和彈性區(qū)3個(gè)區(qū)域。

TABOR D提出通過球形壓入實(shí)驗(yàn)分別獲得塑性應(yīng)變和真應(yīng)力的關(guān)系[28]：

其中，σ和ε分別為單軸拉伸試驗(yàn)的真應(yīng)力和塑性應(yīng)變，R為球面壓頭半徑，ψ為壓痕控制因子（文獻(xiàn)[28]中ψ為常數(shù)3），p為平均接觸壓力。

由于TABOR D提出的模型是通過對(duì)特定種類金屬的實(shí)驗(yàn)得出的，所以通常稱之為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。在上述的?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，通過一系列的迭代計(jì)算來確定變量。采用Holloman本構(gòu)方程描述經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膽?yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)如下[29，30]：

式中 E——彈性模量;

K——強(qiáng)度系數(shù);

n——硬化指數(shù);

ε——真應(yīng)變;

ε——參考應(yīng)變。

3.2 發(fā)展?fàn)顟B(tài)

1881年ITT技術(shù)被首次提出，當(dāng)時(shí)Hertz就提出可以通過ITT測試材料的硬度，主要用于硬度的工業(yè)現(xiàn)場檢測實(shí)驗(yàn)，其測量精度不高，僅作為反映材料抵抗破壞能力的一種體現(xiàn)。直到20世紀(jì)中期，TABOR D提出采用傳統(tǒng)壓痕衍生出來的壓痕法表征除硬度以外的其他力學(xué)性能，且試驗(yàn)證明了壓痕邊緣的塑性變形和壓痕直徑、壓頭尺寸之間存在著一定關(guān)系。由此，ITT技術(shù)被逐漸應(yīng)用于材料性能測試中。

近年來，陳輝等基于能量等效，提出了關(guān)聯(lián)材料載荷、深度、球壓頭直徑和Hollomon律的四參數(shù)半解析球壓入模型，并對(duì)11種延性金屬材料完成了球壓入試驗(yàn)，結(jié)果表明，球壓入試驗(yàn)方法與單軸拉伸試驗(yàn)得到的彈性模量、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和抗拉強(qiáng)度結(jié)果有很好的吻合[31，32]。張?zhí)┤鸬韧ㄟ^測定殘余壓痕凹坑周邊的塑性區(qū)半徑等，克服了ITT測試依賴于材料本構(gòu)關(guān)系所導(dǎo)致的材料范圍場合局限性，實(shí)現(xiàn)了無需預(yù)假設(shè)材料本構(gòu)關(guān)系的ITT測試[7，33]。隨著理論研究的深入，ITT逐漸演變?yōu)橐环N綜合評(píng)估材料力學(xué)性能的方法，同時(shí)也涵蓋了材料屈服強(qiáng)度、斷裂韌性、殘余應(yīng)力等多種力學(xué)性能[34]。

3.3 特性分析

ITT作為一種最早被開發(fā)的力學(xué)性能測試方法，其技術(shù)優(yōu)勢包含[35]：

a. 相比于MST和SPT，ITT具有無需取樣的特征，可實(shí)現(xiàn)在線無損/微損測試。

b. 相比于MST和SPT，ITT適用于多尺度（毫米、微米、納米）和多用途（預(yù)測結(jié)構(gòu)整體的常規(guī)力學(xué)性能，如拉伸性能和斷裂韌度;預(yù)測局部力學(xué)性能，如晶界或特殊組織的局部性能）。

c. 操作便捷、迅速，適合儀器化和自動(dòng)化操作，ITT的原理和操作相對(duì)簡單，無需復(fù)雜的樣品制備過程，只需要將樣品表面處理平整、干凈，并按照測試要求進(jìn)行定位和固定即可?？赏ㄟ^采用標(biāo)準(zhǔn)化的測量方法和儀器快速得到測試結(jié)果，同時(shí)保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可比性。

盡管ITT取得了長足的發(fā)展，但仍存在一些不足：

a. 壓頭擠壓樣品時(shí)，壓頭周圍處于復(fù)雜的三向應(yīng)力狀態(tài)，此狀態(tài)難以進(jìn)行理論分析[36]。由于材料力學(xué)性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)的不同，三向應(yīng)力狀態(tài)對(duì)材料的變形和斷裂行為產(chǎn)生不同的影響。在復(fù)雜的三向應(yīng)力狀態(tài)下，材料的力學(xué)性能不僅取決于材料的類型和性質(zhì)，還受到應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)變率、溫度等因素的影響。因此建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型和理論分析方法來描述這種復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)和材料行為十分困難。

b. 相比于SPT技術(shù)，ITT技術(shù)缺乏斷裂過程的測試階段，斷裂應(yīng)變、斷裂韌度等斷裂指標(biāo)的預(yù)測機(jī)理有待進(jìn)一步闡釋。

c. 由于夾持裝置的存在，夾持裝置可能會(huì)改變試樣的受力狀態(tài)，在原位測試時(shí)位移采集精度受影響較大;由于夾持裝置的制造誤差或長時(shí)間使用導(dǎo)致的磨損，可能會(huì)導(dǎo)致每次測試時(shí)夾持裝置與試樣的接觸狀態(tài)不一致，導(dǎo)致測試的重復(fù)性較差[37]。

4 結(jié)論

4.1 基于近年發(fā)展的新型高精度斷裂評(píng)價(jià)模型，采用MST同樣可獲得較高精度的測試結(jié)果。對(duì)于可取微試樣的情況，MST技術(shù)可在不改變損傷機(jī)理的前提下獲得材料服役性能參數(shù)，也可對(duì)原有標(biāo)準(zhǔn)測試試樣進(jìn)行再加工利用，獲取材料更多的服役性能參數(shù)。MST測試機(jī)理與測試方法相比常規(guī)方法來說一致性更好，更加容易被用戶接受，且避免了SPT和ITT兩種方法因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)而引入的測量誤差。

4.2 SPT技術(shù)采用微型試樣進(jìn)行試驗(yàn)，近乎于微損測試，相比于MST試樣簡單，測試流程簡化。SPT適用于高價(jià)值、高靈敏或大型材料的測試。相比于ITT，SPT包含了從彈塑性變形直至斷裂的全過程，測試信息更加充分，但測試材料斷裂韌度時(shí)采用關(guān)聯(lián)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ǜ淖兞瞬牧闲阅軐?duì)應(yīng)參數(shù)的損傷機(jī)理），存在取樣位置受限的困擾。

4.3 相比于SPT技術(shù)，ITT技術(shù)具有無需取樣的特征，可實(shí)現(xiàn)在線無損/微損測試，適用于多尺度、多用途的常規(guī)拉伸力學(xué)性能測試，對(duì)于難以取樣的情況，ITT更適用于現(xiàn)場檢測測試。

參 考 文 獻(xiàn)

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