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核壓力容器輻照監督試樣非常有限，如何采用盡量小的試樣獲取材料力學性能有著十分廣闊的應用價值。目前，國際上較有發展前途的微試樣測試技術按測試試樣的種類主要可分為兩種：一種是常規微試樣測試型，另一種為非常規微試樣測試型。常規微試樣測試技術包括微試樣拉伸測試、微試樣夏比缺口測試；非常規微試樣測試技術包括液壓爆破測試、小沖桿測試和球形壓痕測試等。近20年來，采用小型試件的小沖桿試驗技術測量在役設備材料的各種力學參數已取得了很大進展。從試驗設備上看，小沖桿的核心部件（夾具、鋼珠、壓桿）已成功安裝在高精度的萬能試驗機上，使其對力和位移的測量精度大幅提升，并使其加載速率可控，為準確獲得載荷－位移曲線提供了便利。然而無論是小沖桿還是球形壓痕測試技術本身均存在鋼珠與試樣的非均勻接觸，不同的鋼珠半徑、不同的鋼珠材料均會影響這種固固接觸測試方式的試驗結果。由點及面的非線性接觸使得試樣與鋼珠接觸部分處于十分復雜的應力狀態，幾乎無法通過解析方法來獲得力與變形的關系。液壓爆破法借鑒爆破片工作原理，對圓形薄片試樣進行液壓加壓，使薄片鼓脹并爆破，避免了接觸材質影響，并使圓片頂部承受簡單的雙向拉伸的應力。本工作通過設計合理的試驗裝置來獲取圓片極頂處的壓力－位移信號，利用簡化解析模型準確獲得材料的屈服強度、抗拉強度，并將其應用于國產核電壓力容器材料A508上。

1測試原理及裝置

微試樣液壓爆破法借鑒爆破片工作原理，對圓形薄片試樣進行液壓加壓，使薄片鼓脹并爆破，在試驗過程中記錄載荷－圓形薄片中心點位移曲線。試驗中，微型試樣通過上、下夾具安裝在裝置上，液壓油在高壓泵作用下，以較低的加載速率對被夾持的小圓薄片進行準靜態加載。圖1為測試裝置原理圖。圖2為微型試樣的裝夾示意圖。圖2中，r為夾持圓角，d為爆破口徑，w0為極頂拱高，S0為初始厚度。

2微試樣爆破試驗

液壓爆破試驗試樣尺寸極小，對不同批次的A508材料（A508Ⅲa軸向取樣、A508Ⅲb徑向取樣，兩者為不同批次）根據現有試驗條件制作了尺寸為15mm×0．5mm的圓形小薄片試樣。而加工試樣則是采取線切割的方式將圓棒加工成厚度為0．6mm左右的圓片，再利用自行設計的真空吸附工裝裝夾試樣，放在金相研磨機上變換研磨方向進行研磨，直至厚度符合要求為止。根據試驗原理圖，安裝夾具、試樣及位移傳感器。如圖2所示，完成設備安裝后打開數據采集程序，開始加載。為了盡可能地使加載過程接近準靜態，在轉動低壓手輪直至有壓力信號出現時關閉中間閥緩慢轉動高壓手輪直至試樣爆破。A508Ⅲa、A508Ⅲb試驗載荷－位移曲線匯總如圖4所示。

2．1加載速率在加載速率方面，相對于常規單向拉伸試驗，根據GB／T228．1—2010［5］加載速率規定，試驗速率可分為以應變速率控制的方法A，或以應力速率控制的方法B來確定，規范中規定材料彈性模量大于150GMPa時，應力速率應在6～60MPa／s之間，借助有限元軟件計算得到極頂等效應力與壓力載荷之間的關系可知，當極頂等效應力為400MPa時，對應壓力約為10MPa左右，此階段為彈性彎曲階段，極頂等效應力的增長與壓力基本為線性關系，而在之后的階段極頂等效應力隨壓力的增長速率均低于彈性階段。因此，若確定加載介質（高壓油）的升壓速率為1MPa／s，則可保證整個加載階段的應力增長速率均滿足要求。由于在整個試驗中的壓力油進液量十分有限（通常為若干毫升），目前還無法實現用微型高壓泵進行應變速率控制，在試驗中通過控制高壓手輪（圖3）的轉速盡可能保證升壓速率的要求。在滿足升壓速率要求的基礎上從A508Ⅲa試驗載荷－位移曲線（圖4a）來看，微小的壓力波動對試驗曲線并不會產生明顯的影響。

2．2試驗曲線分析從液壓爆破試驗的載荷－位移曲線來看，其與典型小沖桿的載荷－位移曲線相似，同樣可分為彈性彎曲、塑性彎曲、膜拉伸、拉伸失穩4個階段。其中拉伸失穩階段相對小沖桿曲線并不明顯，這主要是由于小沖桿中采用變形控制的方法，當材料塑形失穩時對變形的控制導致了結構不會瞬間破壞，因此塑性失穩階段較明顯，而應力速率控制當結構塑形失穩時會導致瞬間破壞而壓力位移的采集速率無法跟上，因此，曲線最終的爆破壓力與小沖桿曲線中的Fmax（小沖桿的最大載荷，用于關聯小沖桿實驗中材料的抗拉強度）具有相同意義，對材料抗拉強度的關聯不會造成影響。A508Ⅲa（軸向取樣，試樣編號為1～5）試驗曲線的前3個階段的重合度很高（3號試樣因在加工研磨時造成厚度不均導致爆破時出現了明顯的偏心，在圖4a中將其曲線刪去，其特征載荷不計入最后的統計分析），證明了液壓爆破試驗對于性能均勻的材料具有很好的可重復性；A508Ⅲb（徑向取樣，由表層到芯部試樣編號為1～5）的試驗曲線各階段的重合度均較低，這與材料表面與芯部的力學性能存在差異有關，可見該試驗方法對材料不同部位的性能差異也有相當高的敏感性。液壓爆破后的試樣示于圖5。

3彈塑性力學參數的確定

彈塑性力學參數指材料的彈性模量（通常由共振法測得）、屈服強度和抗拉強度塑性本構方程中的硬化常數與指數。確定彈塑性力學參數最常用的方法是解析計算法及經驗公式法［6］。在小沖桿試驗中對于這些彈塑性力學參數往往采用經驗公式法關聯，使用經驗公式的前提是需對大量性能已知的材料進行試驗。對于圓片爆破試驗，較少的影響因素為解析計算確定彈塑性力學參數提供了有利的條件，本文對液壓爆破試驗下屈服強度和抗拉強度的解析計算進行了討論。

3．1屈服強度為確定材料的屈服強度，首先在爆破試驗的載荷－位移曲線上確定試樣從彈性變形向塑性變形過渡時的特征載荷P，屈服載荷特征點的判斷是關鍵，因曲線無明顯屈服平臺，故如何確定屈服點分析方法有很多，如0．2％殘余應變準則、Manahan最小二乘法［7］、兩倍彈性斜率準則、雙切線準則、零點曲率準則、塑性功準則等［8－9］。將Manahan最小二乘法與馬昀晟研究液壓爆破時采用的兩倍彈性斜率準則進行比較，發現Manahan最小二乘法更適合于解析方法的計算，以下屈服載荷的確定均采用Man－ahan最小二乘法。比較表1、2可得，A508Ⅲa計算所得的屈服強度相對離散程度較小，與單軸拉伸的屈服強度比較接近；A508Ⅲb環鍛件由于不同位置造成的力學性能差異導致不同位置、不同方向上屈服強度的差異，而這些差異可由液壓爆破試驗明顯地得到區分。

3．2抗拉強度為得到材料的抗拉強度需得到載荷－位移曲線對應的最大載荷。圓片爆破試驗極頂處所受的應力狀態為等比雙向拉伸，對于解析法，主要的研究目標是建立此類問題變形過程中材料的本構關系、變形幾何關系以及靜力平衡關系，結合適當的邊界條件，最終形成定解方程組得到具體的解析解。綜合多年來工程材料方面學者對此類問題的研究，發現對本構關系以及靜力平衡關系的分歧較小，而在幾何關系的描述上則有較大差異。同樣的問題也出現在簡化解析法中。在對前人的研究做出總結后發現近似解析法主要有3種（表3）。表3中，p為爆破壓力，＝w0／d為相對拱高。以上3種近似解析法常被用于一些問題的分析中，對508Ⅲa、508Ⅲb利用3種近似方法進行了比較（圖6），結果發現Lnglis的簡化模型與材料實際抗拉強度最接近，因此在之后的抗拉強度計算中使用Lnglis均勻減薄體積不變法。A508Ⅲ爆破試驗中的爆破壓力與抗拉強度列于表4。

3．3屈服載荷的另一種確定方法如前文所述，確定屈服強度的第1步是要確定結構的屈服載荷，而通過不同方法確定的屈服載荷與單向拉伸之間缺乏明確的聯系；液壓爆破試驗對試樣爆破時壓力位移的測量數據相對誤差較小，而最小二乘法確定的屈服載荷與單向拉伸間無明確的聯系，因此，本文期望通過位移信息找到液壓爆破試驗中的特征位移對應的載荷。對液壓爆破試驗而言無法直接精確測量試樣極頂處的等效應變，而有限元模擬可很好地反映極頂位移與極頂等效應變的關系（圖7）。圖7中的3條曲線為由3種不同材料（A508、16MnR、S30408）的真應力－真應變關系導入有限元軟件模擬得到的極頂位移－極頂等效應變曲線。在彈性彎曲塑性彎曲階段，3條曲線基本重合，即當試樣厚度相同、壓環尺寸相同時，在彈性彎曲塑性彎曲階段結構應變和極頂位移關系與材料無關。通過進一步對曲線的定量分析發現，對于本次模擬以及試驗采用的結構尺寸，極頂等效應變為0．2％時對應的極頂位移為0．1mm（100μm），參考數值模擬的結果，針對特定結構尺寸，對于結構屈服載荷的確定提出一種更加簡便準確的方法，即取結構極頂位移為100μm時對應的載荷作為結構的屈服載荷，再代入式（2）計算得到單向拉伸的屈服強度，計算結果列于表5。

4試驗數據匯總與分析

本文通過簡化模型解析法得到了材料屈服強度、抗拉強度的計算式，借鑒有限元軟件結合實際試驗尺寸得出100μm對應載荷計算屈服強度，現將兩種A508材料的分析結果匯總列于表6。如表6所列，采用簡化解析法計算得到的材料屈服強度、抗拉強度相對誤差不超過6％，符合工程應用的精度要求。對于屈服強度，簡化模型解析法與100μm對應載荷法對于同組數據的離散程度類似，從兩種方法的可操作性來說，100μm對應載荷法更簡便，最小二乘法工作量大，且屈服載荷的確定上存在較大的主觀誤差，而Py100的確定方法直接明確，其變形對應單軸拉伸也有明確的對應關系及物理意義，但所測數據波動幅度較大，因此，在工程中可采用3～5次試驗取平均的辦法減小誤差。

5小結

本文通過圓片液壓爆破試驗方法對不同批次的國產核電壓力容器材料A508Ⅲ進行試驗，得到如下結論：1）通過對A508Ⅲ的液壓爆破試驗驗證了試驗方法的可重復性以及對材料性能差異的敏感性；2）通過近似解析法得到了材料屈服強度、抗拉強度的解析表達式，并利用這些表達式在不同批次的A508Ⅲ材料上均取得了較為滿意的計算結果；3）借助有限元軟件得到試樣極頂位移與極頂等效應變的關系，提出了Py100為確定結構屈服載荷的方法，即一種由極頂位移確定結構屈服載荷從而計算材料屈服強度的方法，應用簡便，能滿足工程精度要求。

作者：董樑 惠虎 湯曉英 單位：華東理工大學 承壓系統與安全教育部重點實驗室 上海特種設備監督檢驗研究院