壓入試驗(yàn)在汽輪機(jī)材料中的應(yīng)用前景

吉昌兵 ， 余小強(qiáng) ， 楊明 ， 王天劍 ， 楊吉輝

（1. 東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽(yáng)， 618000； 2. 長(zhǎng)壽命高溫材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 德陽(yáng)， 618000）

0 引言

材料力學(xué)性能也稱機(jī)械性能， 指材料在外力作用下表現(xiàn)出來(lái)的性能， 包括彈性、 強(qiáng)度、 塑性、硬度、 韌性、 疲勞強(qiáng)度、 蠕變和磨損等。 這些性能指標(biāo)， 是按照相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制取標(biāo)準(zhǔn)試樣， 在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)單軸拉伸試驗(yàn)、 硬度試驗(yàn)等獲得各種數(shù)據(jù)， 也稱破壞性試驗(yàn)。 而壓入試驗(yàn)是一種能在不破壞產(chǎn)品的情況下進(jìn)行的力學(xué)性能試驗(yàn)， 并能獲取彈性模量、 應(yīng)力-應(yīng)變曲線等參數(shù)， 這些參數(shù)目前僅能通過(guò)破壞性試驗(yàn)獲取。 壓入試驗(yàn)具備此優(yōu)勢(shì)， 可適用于汽輪機(jī)材料焊接工藝評(píng)定、 失效分析、 尺寸受限取樣等情況。

汽輪機(jī)材料的設(shè)計(jì)選材[1-2]、開發(fā)、 應(yīng)用和失效分析， 都離不開對(duì)力學(xué)性能的測(cè)試， 尤其是材料的彈性模量和應(yīng)力-應(yīng)變曲線及硬度值測(cè)試， 這些數(shù)據(jù)為汽機(jī)材料設(shè)計(jì)和使用提供參考和依據(jù)。

壓入試驗(yàn)通過(guò)多年的發(fā)展， 現(xiàn)已可穩(wěn)定測(cè)定均質(zhì)、 各向同性、 拉伸硬化規(guī)律呈現(xiàn)冪指數(shù)特征（冪指數(shù)為常數(shù)）的金屬材料彈性模量、 抗拉強(qiáng)度、洛氏硬度和均勻變形階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線[3]。

1 壓入試驗(yàn)在測(cè)試領(lǐng)域的發(fā)展

壓入試驗(yàn)最早在十九世紀(jì)初由J. A. Brinell[4]和S. P. Rockewell[5]提出， 也就是現(xiàn)在最常用的布氏硬度和洛氏硬度的發(fā)明人。 其試驗(yàn)原理是對(duì)一定形狀的壓頭施加試驗(yàn)力壓入試樣表面， 通過(guò)測(cè)量壓痕， 然后用公式計(jì)算來(lái)獲取材料的硬度值。 隨后， 為了適應(yīng)不同材料， 出現(xiàn)了維氏硬度、 勃氏硬度、努氏硬度等，這些試驗(yàn)方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。

隨后很長(zhǎng)一段時(shí)間里， 許多學(xué)者在材料硬度與材料強(qiáng)度、 彈塑性的關(guān)系上進(jìn)行了大量研究[6]，但大多是基于假設(shè)條件、 限制條件基礎(chǔ)上給出的近似值， 沒(méi)有理論依據(jù)支撐。

1992 年， Oliver 和 Pharr[7]基于接觸理論， 提出了采用準(zhǔn)靜態(tài)納米級(jí)壓入試驗(yàn)方法獲取材料彈性模量E， 但該方法僅適用于納米級(jí)測(cè)試彈性模量， 無(wú)法獲取應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

1998 年， Cheng[8]基于有限元分析發(fā)現(xiàn)材料的折合彈性模量和壓入總功存在一定的關(guān)系。 并提出了Cheng-Cheng 方法用于求解材料的彈性模量。但因該方法采用的接觸剛度S 無(wú)法驗(yàn)證， 因此應(yīng)用并未得到推廣。

2010 年， 馬德軍[9]基于 FEA 和量綱分析， 提出一種無(wú)需接觸剛度， 通過(guò)壓入總功和硬度之比確定彈性模量的新方法， 但是該方法系數(shù)修正困難， 測(cè)試結(jié)果可靠性偏低， 還有待大量試驗(yàn)驗(yàn)證。

2017 年， 陳輝、 蔡立勛、 張志杰、 包陳等學(xué)者基于有限元分析及材料本構(gòu)關(guān)系[10-14]， 對(duì)經(jīng)典模型進(jìn)行改良， 將壓入試驗(yàn)從納米級(jí)應(yīng)用提升至微米級(jí)壓入測(cè)試[15]， 并起草制定了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)， 為采用壓入法測(cè)定金屬材料的彈性模量、 抗拉強(qiáng)度、 硬度和應(yīng)力-應(yīng)變曲線提供了標(biāo)準(zhǔn)方法和理論支撐。

2 壓入試驗(yàn)的基本原理

采用球形壓頭對(duì)試樣連續(xù)加載、 卸載獲得力-壓痕深度的曲線， 見圖1。 根據(jù)曲線的卸載段數(shù)據(jù)確定材料的彈性模量。

圖1 典型球形壓入試驗(yàn)力-深度曲線示意圖

基于能量等效原理， 提出SSI（Semi-analytical Spherical Indentation）模型。通過(guò)球壓入載荷深度試驗(yàn)關(guān)系獲取材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線以及抗拉強(qiáng)度[16]，見圖2， 并可給出試驗(yàn)結(jié)果的有效性判定依據(jù)。

圖2 16MnR 鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線示例

基于SSI 半解析模型， 根據(jù)彈塑性參數(shù)預(yù)測(cè)得到對(duì)應(yīng)的硬度值， 見圖3。

圖3 抗拉強(qiáng)度Rm 與HBW 的換算示例

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)， 壓入試驗(yàn)可通過(guò)簡(jiǎn)單的幾乎無(wú)損的測(cè)試過(guò)程， 再利用被驗(yàn)證的算法獲取僅能通過(guò)單軸拉伸試驗(yàn)和硬度試驗(yàn)等破壞性試驗(yàn)來(lái)獲取的參數(shù)。

3 汽輪機(jī)材料常用測(cè)試設(shè)備及方法

汽輪機(jī)材料的拉伸試驗(yàn)、 彈性模量測(cè)試通常采用符合GB/T 16825.1 精度的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。硬度測(cè)試通常采用布氏硬度計(jì)、 洛氏硬度計(jì)、 維氏硬度計(jì)等等。

常規(guī)試驗(yàn)中， 各項(xiàng)材料的性能參數(shù)是通過(guò)使用相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)， 制取符合標(biāo)準(zhǔn)的試樣， 運(yùn)用相應(yīng)的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)獲取各項(xiàng)性能指標(biāo)。 金屬材料的抗拉強(qiáng)度、 屈服強(qiáng)度、 斷后伸長(zhǎng)率、 斷面收縮率等性能指標(biāo)是通過(guò)拉伸試驗(yàn)獲取。 拉伸試樣的最常用毛坯尺寸為φ18 mm×120 mm， 彈性模量和泊松比等是通過(guò)靜態(tài)法測(cè)定， 試樣尺寸與拉伸試樣尺寸相同。 硬度試驗(yàn)由壓痕大小要求決定試樣的尺寸， 通常也在 15 mm×15 mm×10 mm以上。

對(duì)比壓入試驗(yàn)， 測(cè)試方法繁多， 設(shè)備成本較高， 試樣尺寸要求嚴(yán)格等限制了某些材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)獲取。

4 壓入試驗(yàn)在汽輪機(jī)材料測(cè)試中的應(yīng)用前景

4.1 失效分析

在汽輪機(jī)材料各類失效分析中， 經(jīng)常會(huì)將電廠失效的殘件帶回進(jìn)行分析， 這些殘樣大到重百噸的轉(zhuǎn)子， 小到金屬碎屑， 其尺寸、 形狀各異，有的無(wú)法制取力學(xué)試樣，如已焊接的薄壁管材[17]等。

針對(duì)破損葉片[18]、 螺栓等重要部件， 失效分析的第一步就是獲取其力學(xué)性能， 大葉片可按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)技術(shù)規(guī)范在規(guī)定位置進(jìn)行取樣， 但有的葉片由于尺寸小， 葉型復(fù)雜， 無(wú)法制取符合標(biāo)準(zhǔn)的試樣， 有的甚至連非標(biāo)試樣也無(wú)法制取。壓入試驗(yàn)則可以輕松獲取其力學(xué)性能。

對(duì)于汽輪機(jī)材料的相關(guān)特殊工藝過(guò)程， 如：司太立堆焊失效分析[19-20]、鍍鋅螺栓失效分析[21]、噴丸強(qiáng)化處理后的性能研究[22]、 焊接工藝評(píng)定[23～24]等， 也可大量應(yīng)用壓入試驗(yàn)來(lái)獲取材料力學(xué)性能。

4.2 焊接工藝評(píng)定

焊接工藝評(píng)定均是按照相應(yīng)的規(guī)程或標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行， 對(duì)于常規(guī)的板接、 管接、 角接都有相應(yīng)的取樣和測(cè)試方法。 但對(duì)于尺寸較小的對(duì)接件[25]， 如薄壁管焊接、 釬焊縫等尺寸很小的焊接件， 要獲取其力學(xué)性能， 目前規(guī)范中針對(duì)異型件， 只對(duì)其顯微維氏硬度進(jìn)行了規(guī)定， 需要通過(guò)經(jīng)驗(yàn)換算來(lái)獲取其力學(xué)性能。 壓入試驗(yàn)則可以直接獲取其力學(xué)性能。

4.3 電廠現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

電廠現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)過(guò)程中， 對(duì)重要部件進(jìn)行日常巡檢， 如果存在異議時(shí)， 則需要對(duì)部件進(jìn)行非拆卸檢測(cè)， 通常的做法是做現(xiàn)場(chǎng)金相獲取材料的組織狀態(tài)。 再利用便攜式硬度計(jì)獲取其硬度值， 從而評(píng)估其性能。 壓入試驗(yàn)則可以在不影響部件結(jié)構(gòu)性能的情況下現(xiàn)場(chǎng)獲取其力學(xué)性能。

4.4 小型標(biāo)件的檢測(cè)

螺釘、 螺母等小型標(biāo)件的檢測(cè)通常是按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行， 但尺寸小到無(wú)法加工試樣時(shí)， 拉伸等項(xiàng)目則無(wú)法進(jìn)行， 壓入試驗(yàn)則可以直接獲取其力學(xué)性能。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了壓入試驗(yàn)的發(fā)展， 簡(jiǎn)述了壓入試驗(yàn)測(cè)試金屬材料抗拉強(qiáng)度、 應(yīng)力-應(yīng)標(biāo)曲線、 彈性模量的原理。 該試驗(yàn)方法具有在不破壞樣件本體的情況下準(zhǔn)確獲取由破壞試驗(yàn)獲取的試驗(yàn)參數(shù)的特點(diǎn)， 可以在汽輪機(jī)材料失效分析、 焊接工藝評(píng)定、 電廠服務(wù)、 小型標(biāo)件檢測(cè)等方面推廣應(yīng)用。且具有極高的工程應(yīng)用價(jià)值， 可節(jié)約大量因破壞試驗(yàn)而產(chǎn)生的潛在成本。

下一步， 還需對(duì)汽輪機(jī)常用材料開展對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)， 為壓入試驗(yàn)在汽輪機(jī)材料中的應(yīng)用提供實(shí)踐支撐； 另一方面， 在完成壓入試驗(yàn)后， 如何進(jìn)行壓痕對(duì)產(chǎn)品使用壽命的影響評(píng)估以及壓痕后處理也需做進(jìn)一步研究。