小沖桿試驗(yàn)法對(duì)材料力學(xué)性能的研究摘要

1、小沖桿試驗(yàn)法對(duì)材料力學(xué)性能的研究摘要小沖桿試驗(yàn)技術(shù)是采用微小試樣評(píng)定材料力學(xué)性能的一種新的測(cè)試方法。小沖桿試驗(yàn)技術(shù)不僅在抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和高溫蠕變等領(lǐng)域取得了較大的發(fā)展，還促進(jìn)了相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。試驗(yàn)所選用的小沖桿試驗(yàn)機(jī)在核工業(yè)、石油化工以及航空航天方面的應(yīng)用前景是非常廣闊的，適用于不能取出傳統(tǒng)試樣或取樣不是非常經(jīng)濟(jì)的場(chǎng)合，主要用來(lái)測(cè)定材料的力學(xué)性能，同時(shí)利用Origin制圖軟件對(duì)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合進(jìn)而求出蠕變參數(shù)。關(guān)鍵詞：小沖桿試驗(yàn)；力學(xué)性能；曲線(xiàn)擬合；蠕變參數(shù)AbstractSmall punch test technique is to use a material assess

2、ment of the mechanical properties of small samples of new test methods. Small punch test technology not only in tensile strength, yield strength and high temperature creep and other fields has made great progress, but also promoted the development of related disciplines. Test the selected punch test

3、 machine in the nuclear industry, petroleum chemical industry and potential applications in aerospace area is very broad for traditional sample can not be removed or sampling is not very economical occasions, mainly used for measuring mechanical properties of materials , while using Origin graphics

4、software for test data obtained by curve fitting and then find the creep parameters.Keywords: small punch test; mechanical properties; curve fitting; creep parameters.目錄上海師范大學(xué)本科畢業(yè)論文誠(chéng)信聲明（設(shè)計(jì)）I上海師范大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）選題登記表II上海師范大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）指導(dǎo)記錄表IV摘要V1緒論12小沖桿試驗(yàn)法原理及存在的問(wèn)題22.1 試驗(yàn)材料的選取22.2 小沖桿試驗(yàn)法原理32.3 小沖桿試驗(yàn)法實(shí)驗(yàn)裝置32.4

5、 試驗(yàn)法存在的問(wèn)題72.5 試驗(yàn)法研究的目的73 小沖桿試驗(yàn)法的試驗(yàn)過(guò)程84 小沖桿試驗(yàn)法在評(píng)定材料性能方面的進(jìn)展134.1 對(duì)材料強(qiáng)度的研究134.2 對(duì)蠕變性能的研究165 結(jié)論236 展望24致謝25文獻(xiàn)典籍26VII1緒論小沖桿試驗(yàn)（又稱(chēng)小沖孔試驗(yàn)）技術(shù)誕生至今已近30年，期間在理論和應(yīng)用研究等方面都發(fā)展迅速，并慢慢地成為相關(guān)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，受到了很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者的一直關(guān)注。金屬構(gòu)件在航空航天和石油化工這些行業(yè)的服役環(huán)境是比較惡劣的，比如高溫、腐蝕和輻射等環(huán)境，因此對(duì)安全性方面的要求很高，也使在役構(gòu)件壽命評(píng)價(jià)的研究變得越來(lái)越重要。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法主要有兩種，一種是無(wú)損檢測(cè)，另外一種是取

6、樣試驗(yàn)。但是這兩種方法都有一些不足之處，例如前者操作簡(jiǎn)單，但是所得到的數(shù)據(jù)不是很精確；后者方法可靠，但是因?yàn)槿拥某叽绫容^大這將導(dǎo)致設(shè)備受到損傷，可能會(huì)造成使用年限縮短或者設(shè)備報(bào)廢的后果。傳統(tǒng)方法中的無(wú)損檢測(cè)方法是一個(gè)對(duì)材料進(jìn)行測(cè)量、檢驗(yàn)和分析的科學(xué)，當(dāng)然這還需要一個(gè)前提，那就是不破壞檢測(cè)對(duì)象，這種科學(xué)是完全可以應(yīng)用在科研和工程技術(shù)的所有方面的。尤其是無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)，這種新技術(shù)是與安全評(píng)估技術(shù)相結(jié)合的，例如：與微電腦技術(shù)相結(jié)合的智能化和自動(dòng)化檢測(cè)和安全評(píng)估電站設(shè)備方面；鍋爐和壓力容器構(gòu)件的聲發(fā)射檢測(cè)和安全評(píng)估方面；利用金屬磁記憶檢測(cè)系統(tǒng)評(píng)估鐵道材料的和長(zhǎng)輸管線(xiàn)的安全性方面。這種新的技術(shù)在很多現(xiàn)

7、代科技的部門(mén)都有在使用。小沖桿試驗(yàn)技術(shù)是一種新的評(píng)定材料力學(xué)性能的測(cè)試方法，因?yàn)檫@種方法是采用微小試樣來(lái)對(duì)材料的力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)定的。這種方法具有雙重優(yōu)勢(shì)，那就是“幾乎無(wú)損”和“取樣方便”，因此這種方法很適用于那種取樣不經(jīng)濟(jì)或者不能取出試樣的環(huán)境。小沖桿試驗(yàn)技術(shù)在材料力學(xué)性能領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足發(fā)展，它現(xiàn)在已經(jīng)不僅僅是一種簡(jiǎn)單的測(cè)試方法，也是一種重要的科學(xué)研究手段。可以預(yù)見(jiàn)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，小沖桿試驗(yàn)技術(shù)的研究將會(huì)取得更多的成果，并將對(duì)科技發(fā)展發(fā)揮重要作用。雖然小沖桿試驗(yàn)技術(shù)在理論和應(yīng)用等方面已經(jīng)取得了重要進(jìn)展和成績(jī)，但仍處在快速發(fā)展階段，與傳統(tǒng)拉伸試驗(yàn)等其他測(cè)試方法相比理論體系還不夠

8、完善，而且在一些領(lǐng)域的應(yīng)用尚處在探索和發(fā)展階段。因此，這項(xiàng)技術(shù)的研究發(fā)展還需要更多的支持。近年來(lái)，越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)小沖桿試驗(yàn)技術(shù)產(chǎn)生了較為濃厚的興趣，然而目前很少見(jiàn)到相關(guān)參考書(shū)籍，本文僅結(jié)合作者兩年的試驗(yàn)研究心得和研究成果，詳細(xì)闡述了高溫蠕變的試驗(yàn)系統(tǒng)、試樣制備、試驗(yàn)操作、試驗(yàn)結(jié)果處理及應(yīng)用，并指出目前該技術(shù)存在的主要問(wèn)題，分析了該技術(shù)在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用并預(yù)測(cè)了該技術(shù)的發(fā)展方向。2小沖桿試驗(yàn)法原理及存在的問(wèn)題2.1 試驗(yàn)材料的選取 單一的分子、金屬等材料現(xiàn)在已經(jīng)很難滿(mǎn)足逐漸增長(zhǎng)的物理性能和力學(xué)性能方面的要求。為了克服在性能上面的局限性，充分發(fā)揮各種材料特性，越來(lái)越多的人們開(kāi)始根據(jù)不同的材

9、料按照一定的方式、比例結(jié)合成復(fù)合材料進(jìn)而充分發(fā)揮組成材料的優(yōu)良特性。高純鈦具有良好的塑性，因?yàn)樗谋戎匦?，但是比?qiáng)度和強(qiáng)度卻很高，所以是航天工業(yè)的理想材料。它的另一特點(diǎn)是在高溫下能保持比較高的比強(qiáng)度。鈦合金的密度一般在4.5g/cm³左右，是一種重量輕強(qiáng)度高的金屬。當(dāng)鈦合金在海水介質(zhì)和潮濕的大氣中工作時(shí)，它的抗蝕性遠(yuǎn)勝于不銹鋼，對(duì)堿、酸和氯化物等有優(yōu)良的抗腐蝕性能，因此是石油、航海、化工等工業(yè)迫切需要的材料。小沖桿的試樣加工要求比較高，因此試樣材料必須要保證是表面光滑的試樣。如果要消除雜質(zhì)和組織不均勻?qū)υ囼?yàn)帶來(lái)的影響，那么就必須要保證試樣具有表面光滑和體積小的特點(diǎn)，光滑小試樣由于體積

10、小、表面光滑，可以減少雜質(zhì)、宏觀(guān)缺陷和組織不均勻?qū)υ囼?yàn)帶來(lái)的影響，這樣也能夠保證測(cè)定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為集中，也能夠更好地反映材料的力學(xué)性能。各個(gè)國(guó)家最初開(kāi)始設(shè)計(jì)的試樣尺寸并沒(méi)有比較多的理論作為依據(jù)，把試樣設(shè)計(jì)為直徑3mm也是為了更好地節(jié)省費(fèi)用，同時(shí)使試樣用于試驗(yàn)時(shí)更加方便。小沖桿試樣形狀主要以圓片或方片為主，但是圓片更加地較為常見(jiàn)，小沖桿試驗(yàn)所用試樣尺寸極小（圓形試樣直徑或方形試樣邊長(zhǎng)尺寸為310mm、厚度在0.250.50mm）。本試驗(yàn)系統(tǒng)采用圓形試樣，是因?yàn)閳A形試樣加工更為方便，本文所選用的試驗(yàn)材料為T(mén)i60，圖示2-1如下。圖2-1 Ti60材料圖2-1 Ti60圓片試樣2.2 小沖桿試驗(yàn)法

11、原理小沖桿試驗(yàn)法的原理是利用小沖桿以恒定的載荷沖壓試樣，并且通過(guò)計(jì)算機(jī)記錄試樣從開(kāi)始彈塑性變形到最終失效的整個(gè)過(guò)程的載荷-時(shí)間（或變形撓度）數(shù)據(jù)和曲線(xiàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)圖和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到最大變形、最大位移、最大負(fù)荷、最大溫度等數(shù)據(jù)，并借此分析材料強(qiáng)度、塑性和蠕變性能。2.3 小沖桿試驗(yàn)法實(shí)驗(yàn)裝置 本文所敘述的小沖桿試驗(yàn)方法所使用的蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)是ZRWS-K1小沖孔試驗(yàn)機(jī)，它的主要系統(tǒng)組成為主機(jī)、防氧化裝置、加熱及冷卻系統(tǒng)、數(shù)字控制器、溫度控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制單元及交流調(diào)速系統(tǒng)。試驗(yàn)機(jī)是一個(gè)由上橫梁、中臺(tái)板、底板和兩根立柱支撐起來(lái)的框架，在高溫電爐的下方安裝有測(cè)力傳感器，它固定在壓管上，在中臺(tái)板和底板上

12、安裝著加載驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。加載驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成主要有交流伺服電機(jī)、渦輪蝸桿減速機(jī)、滾珠絲杠、壓管支撐筒和導(dǎo)向裝置。在工作的時(shí)候交流伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒形帶帶動(dòng)渦輪蝸桿減速機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，減速機(jī)輸出軸與滾珠絲杠相連，滾珠絲杠是被一對(duì)深溝球軸承和一對(duì)推力球軸承固定在壓管支撐筒上的，加載壓桿被固定在滾珠絲杠的螺母上。在壓管上安裝一個(gè)導(dǎo)向臂，其上裝有兩個(gè)軸承，可沿固定在機(jī)架中臺(tái)板上的導(dǎo)向桿上下移動(dòng)，但不能轉(zhuǎn)動(dòng)，這就使得當(dāng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)，加載壓管只能上下運(yùn)動(dòng)，而不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)載荷的加載。加載方式主要有兩種：頂加載和底加載。這兩種加載方式各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，盡管底加載方式加載方便，并且加載精度易于控制，但顧慮到是在氬

13、氣保護(hù)條件下進(jìn)行的試驗(yàn)，使用底加載方式時(shí)氬氣保護(hù)的密封比較難于實(shí)現(xiàn)，因此決定采用頂加載方式。頂加載方式有兩種：垂直加載和杠桿加載。效果直接和加載方便是垂直加載的優(yōu)點(diǎn)是加載方便，但載荷不宜過(guò)大。鑒于本文試驗(yàn)載荷為480N和600N，載荷較小，故本試驗(yàn)采用垂直加載方式。工作時(shí)由計(jì)算機(jī)給出指令，通過(guò)交流伺服系統(tǒng)控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，控制精度高，傳動(dòng)平穩(wěn)。該結(jié)構(gòu)通過(guò)兩個(gè)圓柱形支桿作為支撐點(diǎn)，試樣放在夾具上后，通過(guò)定位銷(xiāo)將壓帽定位。夾具體開(kāi)有鋼球回收通道，一邊試驗(yàn)結(jié)束后回收壓球；夾具體開(kāi)有氣孔，以便保護(hù)性氣體充分進(jìn)入夾具內(nèi)部，有效防止試樣氧化，夾具采用特殊材料制造，即耐高溫又能滿(mǎn)足機(jī)械性能要求。本試

14、驗(yàn)機(jī)的測(cè)量控制系統(tǒng)采用的是長(zhǎng)春機(jī)械科學(xué)研究院有限公司研制的KWZ型數(shù)字控制器，其中負(fù)荷測(cè)量采用的是高精度負(fù)荷傳感器，變形測(cè)量采用的是光柵傳感器。KWZ型數(shù)字控制器具有負(fù)荷、變形、位移的測(cè)量和控制技能，它與交流伺服驅(qū)動(dòng)器組合在一起，對(duì)加載機(jī)構(gòu)的交流伺服電機(jī)進(jìn)行控制。拉桿移動(dòng)到上下極限位置時(shí)，控制器和交流伺服系統(tǒng)會(huì)控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并有蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警；當(dāng)向相反方向移動(dòng)時(shí)，操作有效。小沖桿蠕變?cè)囼?yàn)是在高溫下進(jìn)行的，因?yàn)樗x用的微型試樣很薄，所以不能忽略高溫氧化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，因此需要在試驗(yàn)過(guò)程中通入氬氣來(lái)對(duì)試樣進(jìn)行保護(hù)。在電加熱爐升溫之前以2L/min的流量往電加熱爐內(nèi)連續(xù)通入約30分鐘的氬氣

15、，以避免試樣出現(xiàn)高溫氧化的現(xiàn)象，從而進(jìn)一步確保小沖桿試驗(yàn)結(jié)果的正確性。防氧化裝置試驗(yàn)夾具裝配在一個(gè)石英管中，石英管內(nèi)部配置試樣夾具和試樣，它的上端裝配在上定位套內(nèi)，不采用密封，下端裝配在臺(tái)架的下支撐板上面，石英管兩端做適合的密封，下端設(shè)置有通入氬氣的接口，用來(lái)排除石英管內(nèi)的氧化性氣體，防止試樣被氧化。加熱及冷卻系統(tǒng)加熱裝置采用高溫爐，爐體為圓柱形對(duì)開(kāi)式，置于試驗(yàn)機(jī)空間內(nèi)；試樣變形尺寸微小，高溫爐采用一段電阻絲獨(dú)立加熱，在小于1000攝氏度的恒定溫度下可連續(xù)長(zhǎng)時(shí)工作。測(cè)溫?zé)犭娕检`敏度高、控制溫度準(zhǔn)確在高溫爐與測(cè)力傳感器之間設(shè)置冷卻水套，具有足夠的容量進(jìn)行熱量交換，確保負(fù)荷傳感器正常工作；高溫爐上

16、部設(shè)置隔熱板，利于熱量的擴(kuò)散。其設(shè)備主要包括：電爐、石英玻璃管、緊固螺釘、沖桿、試樣、陶瓷球、底座、立柱（兩根）、上定位套、上支撐板、下定位套、下支撐板、下密封套、支撐座、上夾具、下夾具、擋板、位移傳感器、蠕變機(jī)、計(jì)算機(jī)、氬氣瓶等主要器材。如圖2-3所示。圖2-3 氬氣瓶圖2-4 電爐圖2-5 蠕變機(jī)圖2-6 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2.4 試驗(yàn)法存在的問(wèn)題因?yàn)槠湫路f的微小試樣及近乎無(wú)損取樣的優(yōu)勢(shì)，小沖桿試驗(yàn)技術(shù)得到了越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。但是由于目前小沖桿試驗(yàn)裝置不盡相同，試驗(yàn)的環(huán)境條件也是各有差異，這些因素都對(duì)研究者信息的交流分享產(chǎn)生了不便，也更加不利于該方法形成一系列的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。試樣的尺寸對(duì)試驗(yàn)結(jié)

17、果影響較大，尤其是試樣厚度合理的尺寸精度是保證試驗(yàn)可重復(fù)性的重要手段。當(dāng)尺寸偏差超過(guò)±2%時(shí)，試驗(yàn)失去可重復(fù)性，也就是數(shù)據(jù)無(wú)效。因此為了確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，尺寸偏差應(yīng)限制在±1%以?xún)?nèi)，如果無(wú)法達(dá)到此精度，可允許大于±1%，但絕不允許大于2%。在試驗(yàn)過(guò)程中，不同研究者所選用的試驗(yàn)溫度、加載速率以及氬氣的流量各不相同，而這些環(huán)境因素均對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在不同程度的影響。2.5 試驗(yàn)法研究的目的因?yàn)楹斯I(yè)設(shè)備的逐漸老化，材料的性能測(cè)試就隨之變得越來(lái)越重要。因?yàn)橹茦尤拥南拗疲瑢?dǎo)致性能測(cè)試變得較為困難，小沖桿試驗(yàn)法采取微小試樣解決了這一大難題，而且逐漸發(fā)展到傳統(tǒng)制樣取樣及試驗(yàn)

18、條件限制而無(wú)法進(jìn)行試驗(yàn)的場(chǎng)合，由試驗(yàn)研究走向工程科研，并且會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。3 小沖桿試驗(yàn)法的試驗(yàn)過(guò)程首先打開(kāi)電腦和蠕變機(jī)，打開(kāi)應(yīng)用軟件，旋轉(zhuǎn)蠕變機(jī)右下角的旋鈕調(diào)到這個(gè)頁(yè)面，然后輕按按鈕，然后會(huì)出現(xiàn)“聯(lián)機(jī)準(zhǔn)備”的字樣。如圖3-1、3-2所示。圖3-1 蠕變機(jī)開(kāi)機(jī)界面圖3-2 等待聯(lián)機(jī)界面輕按按鈕之后，雙擊頁(yè)面上的系統(tǒng)狀態(tài)，在彈出頁(yè)面點(diǎn)擊確定。如3-3所示。圖3-3 電腦聯(lián)機(jī)界面檢查已經(jīng)連接好的試樣夾具連接是否緊固，將試樣用砂紙打磨后，放入上夾具中，將壓球放入試樣的中心，單手托著上夾具，用食指送入倒立的下夾具中，然后將下夾具放正，將下夾具安裝在下壓桿上，旋轉(zhuǎn)至完全貼合為止。使用棉繩將反饋元

19、件綁在下夾具上面，并保證元件頭部貼合在下夾具上面。然后石英玻璃管與上壓桿從試驗(yàn)機(jī)頂部進(jìn)行安裝，并用螺栓將上、下模連接緊固，同時(shí)使用旋鈕調(diào)節(jié)沖桿與上壓桿之間的距離，距離過(guò)大會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)加載到預(yù)負(fù)荷的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，距離過(guò)小或至貼合，則會(huì)產(chǎn)生負(fù)荷，影響試驗(yàn)結(jié)果。將電爐合上并扣緊，在電爐與石英玻璃管的上下縫隙處塞入棉花，隔絕散熱。將隔熱板裝上，有利于熱量的擴(kuò)散，之后將冷卻水套進(jìn)行連接，進(jìn)行熱量交換，形成與水箱的回路。并將水箱通電，檢查水套與試驗(yàn)機(jī)連接處是否漏水。然后連接氬氣瓶與臺(tái)架上面的導(dǎo)管，氬氣鋼瓶出口裝有氣體流量表，可以調(diào)整和控制氬氣流量并打開(kāi)氬氣瓶至1-3g/ml，在電加熱爐升溫之前以2L/min的流

20、量往電加熱爐內(nèi)連續(xù)通入約30分鐘的氬氣，以避免試樣高溫氧化，如下圖3-4、3-5所示。圖3-4 隔熱板圖3-5 氬氣用量點(diǎn)擊“設(shè)置文件”設(shè)置新的文件。設(shè)置新文件之后，填寫(xiě)相應(yīng)的條件與試驗(yàn)參數(shù)，并注明操作人，然后點(diǎn)擊“確定”存儲(chǔ)試驗(yàn)參數(shù)，在彈出的頁(yè)面點(diǎn)擊“清除緩沖區(qū)”。如下圖3-6所示。圖3-6 清除緩沖區(qū)在蠕變機(jī)上面旋轉(zhuǎn)旋鈕將負(fù)荷、變形、位移清除為零。（通過(guò)Bs按鍵調(diào)到下一個(gè)頁(yè)面）如下圖3-7所示。清除緩沖區(qū)之后，點(diǎn)擊“試驗(yàn)開(kāi)始”。等待約20分鐘左右，電腦頁(yè)面顯示由“預(yù)加負(fù)荷”到“正在升溫”，按下蠕變機(jī)上綠色加熱按鈕，試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行。圖3-7 蠕變機(jī)清零當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到末尾，壓桿移動(dòng)到上下極限位置時(shí)

21、，控制器和交流伺服系統(tǒng)會(huì)控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，試驗(yàn)結(jié)束后，將環(huán)境裝置斷電降溫，關(guān)掉主機(jī)電源、計(jì)算機(jī)電源、溫控及控制器電源。4 小沖桿試驗(yàn)法在評(píng)定材料性能方面的進(jìn)展4.1 蠕變的基本理論 本文采用了試驗(yàn)過(guò)程中的兩個(gè)典型的試驗(yàn)作為例子進(jìn)行介紹蠕變。在一定的溫度下，金屬受到持續(xù)應(yīng)力作用的情況下而產(chǎn)生緩慢的塑性變形現(xiàn)象即為蠕變。蠕變是材料溫度激化的結(jié)果，溫度對(duì)金屬材料力學(xué)性能的影響較大，隨著溫度升高，材料強(qiáng)度降低而塑性增加。在高溫下，載荷持續(xù)時(shí)間對(duì)材料力學(xué)性能也會(huì)產(chǎn)生影響。因此，在高溫下工作的材料力學(xué)性能與溫度和時(shí)間兩個(gè)因素有關(guān)。所謂高溫，是指金屬的服役溫度超過(guò)了它的再結(jié)晶溫度（約0.4Tm0.5Tm，T

22、m為熔點(diǎn)）。在高溫的情況下，構(gòu)件的變形與損傷是一種復(fù)雜現(xiàn)象，它主要依賴(lài)于時(shí)間和空間多軸應(yīng)力狀態(tài)。與此同時(shí)，蠕變是一個(gè)隨著時(shí)間積累的過(guò)程，當(dāng)進(jìn)入蠕變破壞溫度的時(shí)候，損傷就將會(huì)不斷地積累，并且隨著溫度的逐漸升高，損傷的速度也將會(huì)呈現(xiàn)明顯的一個(gè)加速趨勢(shì)。在這樣的高溫下長(zhǎng)時(shí)服役的金屬，其微觀(guān)機(jī)構(gòu)、變形和斷裂機(jī)制都會(huì)發(fā)生變化。在小沖桿的試驗(yàn)過(guò)程中，我們使用最小二乘法曲線(xiàn)擬合來(lái)確定數(shù)據(jù)。曲線(xiàn)擬合意指用連續(xù)曲線(xiàn)來(lái)近似地描繪離散點(diǎn)組代表的坐標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系，就是使用表達(dá)式的方式來(lái)逐漸逼近那些離散的數(shù)據(jù)。實(shí)踐中的離散點(diǎn)組或數(shù)據(jù)往往是有關(guān)量的多次觀(guān)測(cè)值或者實(shí)驗(yàn)值，它們是比較零散的，不規(guī)則的，不但不便于處理，而且不

23、能充分體現(xiàn)其固有的規(guī)律。曲線(xiàn)擬合的方法也就是求出一條這樣的曲線(xiàn)，使數(shù)據(jù)點(diǎn)均在這條曲線(xiàn)的附近，它不僅能夠反映離散數(shù)據(jù)的總體分布，還不會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，使求得的逼近函數(shù)與已知函數(shù)從總體上來(lái)說(shuō)其偏差達(dá)到最小。4.2 對(duì)蠕變性能的研究與傳統(tǒng)試驗(yàn)相比較，小沖桿試驗(yàn)法具有很多獨(dú)特的特點(diǎn)，比如用料少、設(shè)備小、測(cè)定特性時(shí)間短等特點(diǎn)。這種方法在測(cè)定材料的蠕變性能方面尤其是高溫蠕變性能方面取得了很大進(jìn)展。在低載荷水平下試樣中心撓度曲線(xiàn)的三個(gè)階段非常明顯，第一階段對(duì)應(yīng)的是蠕變速率的逐漸緩慢降低，第二階段為穩(wěn)態(tài)階段，其速率近似為常數(shù)，第三階段為加速階段，速率劇增，并最終導(dǎo)致試樣破裂。如下圖4-1、4-2所示。從蠕變變

24、形機(jī)制方面，也可以對(duì)蠕變的三個(gè)階段作如下解釋?zhuān)涸谌渥兊牡谝粋€(gè)階段，由于在施加載荷的瞬間從而產(chǎn)生大量位錯(cuò)并且出現(xiàn)了滑移運(yùn)動(dòng)，因此產(chǎn)生了快速變形，之后隨著應(yīng)變的逐漸硬化而減速，這就導(dǎo)致了曲線(xiàn)中第一階段的斜率變小。蠕變的第二個(gè)階段可以解釋為是應(yīng)變硬化和損傷弱化之間的平衡現(xiàn)象，就是位錯(cuò)缺陷產(chǎn)生進(jìn)而強(qiáng)化和位錯(cuò)缺陷消失進(jìn)而軟化的速率近似相等，這就導(dǎo)致了幾乎不變的蠕變速率。在蠕變的第三個(gè)階段則是由蠕變開(kāi)裂的機(jī)制所確定的，材料內(nèi)外的損傷開(kāi)始起影響作用，空洞或裂紋開(kāi)始逐漸產(chǎn)生，導(dǎo)致了載荷抗力的減小或凈截面應(yīng)力的增加，并與第二個(gè)階段的損傷弱化的過(guò)程相耦合，因此第二各階段所取得的平衡現(xiàn)象便會(huì)破裂，進(jìn)入第三階段的速率

25、快速增長(zhǎng)階段。圖4-1 變形-時(shí)間圖圖4-2 變形-時(shí)間圖本文選用的Ti60材料進(jìn)行小沖桿蠕變?cè)囼?yàn)，這種材料廣泛應(yīng)用于蒸汽發(fā)生器等高溫設(shè)備上面，進(jìn)行的小沖桿蠕變?cè)囼?yàn)中運(yùn)行溫度為600，載荷分別為480N和718N。試驗(yàn)過(guò)程中保持載荷和溫度恒定。小沖桿試樣變形可以分為兩種形式：彎曲變形和薄膜伸張變形。載荷和最小速率之間的關(guān)系可以用Norton公式來(lái)表示：min=A·Fn式中A為蠕變參數(shù)，F(xiàn)為載荷，代表速率。對(duì)公式兩邊分別取對(duì)數(shù)可得：log10min=log10A+log10Fn由上述的兩個(gè)試驗(yàn)經(jīng)過(guò)制圖軟件Origin可以分別求出最小速率（Origin的前提條件是同一溫度下不同載荷），上

26、述公式可求得n=1.0653,A=8.0213×10-5。如下圖4-3、4-4所示圖4-3 Origin擬合圖圖4-4 Origin擬合圖以上兩幅圖是經(jīng)過(guò)Origin直線(xiàn)擬合所得到的，Origin主要有兩大功能：數(shù)據(jù)分析和繪圖。Origin的數(shù)據(jù)分析包括信號(hào)處理、峰值分析、圖像處理、曲線(xiàn)擬合和統(tǒng)計(jì)等各種數(shù)學(xué)分析功能。將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，只需要選擇需要分析的數(shù)據(jù)，再選擇需要的菜單命令即可。用戶(hù)可自定義數(shù)學(xué)函數(shù)、繪圖模板，可以和各種圖像處理軟件連接。 5 結(jié)論本文的計(jì)算結(jié)果，對(duì)制定相應(yīng)的小沖桿試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范提供了技術(shù)參考，可以通過(guò)控制樣品和試驗(yàn)裝置的制作，制定小沖桿試驗(yàn)的相

27、關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。文章對(duì)Ti60材料進(jìn)行特定溫度和載荷下的小沖桿蠕變?cè)囼?yàn)，得到Ti60材料的小沖桿蠕變Norton參數(shù)，證明小沖桿法能夠得到材料的蠕變性能。從敘述試驗(yàn)材料的選取到小沖桿試驗(yàn)法的原理、試驗(yàn)裝置，從選取材料的原則到試驗(yàn)裝置的功能作用，同時(shí)探討了小沖桿試驗(yàn)法的存在的一些問(wèn)題和展望前景及研究目的來(lái)系統(tǒng)描述了試驗(yàn)法的可取之處，之后通過(guò)一系列的規(guī)范嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟襟E來(lái)描述小沖桿試驗(yàn)法的試驗(yàn)過(guò)程，使整個(gè)過(guò)程完善無(wú)缺，最后通過(guò)最小二乘法曲線(xiàn)擬合和Origin制圖軟件的分析以及Norton公式求得蠕變參數(shù)。 6 展望到目前為止，對(duì)小沖桿蠕變的研究，不同實(shí)驗(yàn)室得到的結(jié)果都不太一樣，但至少都證明了小沖桿試驗(yàn)法可以合理的測(cè)試材料的蠕變性能。試樣厚度、壓球