仪器化压痕法在在役设备检测中的应用.docx

仪器化压痕法在在役设备检测中的应用朱涛;金鑫;许学龙【摘 要】仪器化压痕技术(IIT)是一种型的检测在役设备弹性模量、屈服强度、抗拉强度和硬度等力学性能的技术.IIT 是通过压头在材料外表下压得到载荷-深度曲线，然后通过分析载荷-深度曲线得到材料的各项力学性能.通过该技术可以实现对在役设备的非破坏力学性能检测.%Instrumented indentation technique (IIT ) is a new technique for measuring the mechanical properties,such as elastic modulus,yield strength,tensile strength and hardness of in-service equipments.By IIT, the load-depth curves could be obtained after the indenter pressing in the material surface,and then each mechanical properties could be gained by analyzing the load-depth curves.By this technique,the mechanical properties of in-service equipments can be detected nondestructively.【期刊名称】理化检验-物理分册【年(卷),期】2023(000)012【总页数】4 页(P863-866)【关键词】仪器化压痕技术;在役设备检测;力学性能【作 者】朱涛;金鑫;许学龙【作者单位】北京春秋阳光科技，北京 100102;北京春秋阳光科技，北京 100102;北京春秋阳光科技，北京 100102【正文语种】中 文【中图分类】TG113.25经过长时间积存的单轴拉伸试验、布氏硬度试验等材料力学性能测试方法已经很成熟，但是这些方法也有其局限性：一是单轴拉伸试验通常需要取样、制样，即属破坏性检测；二是某些特定区域的力学性能难以测试，比方对焊接各区域拉伸性能的测试等.韩国 Frontics 公司依据仪器化压痕技术Instrumented Indentation Technique ， IIT制造了 AIS 系列力学性能检测仪，并从 2023 年开头用于商业化.仪器化压痕技术可以通过压痕载荷-深度曲线测试各种力学性能，如弹性模量1、屈服强度、抗拉强度2-3、硬度等.AIS 系列检测仪可以用于检测在役设备的力学性能， 也可以用于检测不能制作标准拉伸试样材料的力学性能，例如小型焊接试样等.笔者主要介绍了用仪器化压痕法测试材料拉伸性能的原理及其在在役设备检测中的应用.传统的拉伸性能测试方法主要是靠单轴拉伸破坏试验，通过拉伸试验获得的应力- 应变曲线来反映材料的弹性和塑性变化.1951 年，Tabor 通过试验觉察压痕平均接触压力 F 与相对压痕尺寸 a/Ra 和 R 分别为压痕投影圆半径和球形压头半径的关系与大多数金属材料的应力-应变关系相像，即 Fa/R4，见图 1.基于Tabor 的觉察，Haggag 及其争论小组提出了自动球压痕Automated Ball Indentation，ABI技术5-6，之后进展出了多种通过压痕接触力和压痕尺寸计算获得应力-应变曲线的公式.基于以上技术，Frontics 争论人员研发出了用球形压头在材料同一位置连续加载并卸载的“局部卸载法”，将该方法测试得到的载荷和深度数据绘制成载荷-深度曲线，如图 2 所示图中 Fmax 为最大压入载荷，hmax 为最大压入深度，hi 是载荷为 Fmax 时压头与试件的接触深度，hf 是载荷为 Fmax 时试件移去后永久的压痕深度，S 为卸载曲线的初始斜率即材料刚度.在压头下压的过程中材料会在压痕区域产生弹塑性变形，其真实应力值和真实应变值可通过载荷和深度数据经数学理论公式计算得到.此外，在有限元拟合过程中充分考虑了压痕形成过程中的塑性挤出和凹陷的状况，见图 3.如上所述，考虑弹性变形的接触深度为：式中：hd 为凹陷深度；hpile 为挤出深度，结合压头的尺寸参数后确定实际接触面积 Ac7.利用仪器化压痕技术IIT获得了典型的应力、应变点，这些点适合于本构方程霍格蒙方程，= Kn， 是应力， 是应变，K 是材料常数，n 是加工硬化指 数.由 IIT 测试出卸载曲线初始切线的斜率即可得到弹性模量，屈服强度则可以从应力-应变曲线上弹性线与塑性曲线的交点计算得到7，从张力不稳定的理论可计算得到抗拉强度，见图 4图中 是压痕投影圆半径a 与球形压头半径 R 的夹角； 表示变形的常数值，如弹性变形、弹塑性变形和完全塑性变形； 是塑性约束因子，一般是 0.12；y，IIT 是压痕屈服强度；u，IIT 是压痕抗拉强度.SUS304 不锈钢和 SKD614Cr5MoSiV1模具钢通过仪器化压痕法IIT获得的真应力-真应变曲线与单轴拉伸试验获得的真应力-真应变曲线比照见图 5，试验结果比照见表 1.可见仪器化压痕法IIT获得的屈服强度、抗拉强度与单轴拉伸试验获得的屈服强度、抗拉强度之间的误差范围都在±5%以内.因此，当检测对象不能用单轴拉伸试验测试时在役设备、小尺寸试样、强度不均匀的热影响区、焊接部位等，可以用仪器化压痕法IIT代替.利用仪器化压痕法对石油注水压力管道进展力学性能检测，见图 6.管道材料为铸钢，牌号为 WCBZG230-450，直径为 250mm.现场检测时，应尽量避开泵房振动的影响.检测结果见表 2，可见仪器化压痕法不仅能够测试出管道焊缝及热影响区的拉伸性能，而且不同试验次数的测试结果差异较小.综上所述，通过仪器化压痕法测试材料的力学性能有以下结论.（1） 对于一样材料，用仪器化压痕法测试的拉伸性能与使用传统万能拉伸试验机测试的结果相比较，偏差很小，根本在±5%以内.（2） 仪器化压痕法测试属于非破坏在役检测，不会对设备产生破坏，属无损检测， 可以广泛地应用到在役设备的力学性能检测上.（3） 仪器化压痕法还可以用于检测不能制作标准拉伸试样材料的力学性能.【相关文献】1OLIVER W C，PHARR G M.An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experimentsJ.Journal of Materials Research，1992，76：1564-1583.2KIM J Y，LEE K W，LEE J S，et al.Determination of tensile properties by instrumented indentation technique：Representative stress and strain approach J. Surface and Coatings Technology ，2023，2017：4278-4283.3LEE J S，JANG J，LEE B W，et al.An instrumented indentation technique for estimating fracture toughness of ductile materials ：A critical indentation energy model based on continuum damage mechanics J.Acta Materialia，2023，544：1101- 1109.4TABOR D.The hardness of metals M.Oxford：Oxford University Press，2023.5DAS G，GHOSH S，SAHAY S K，et al.Influence of pre-straining on mechanical properties of HSLA steel by using ball indentation technique J.Zeitschrift für Metallkunde，2023，9512：1120-1127.6GHOSG S，SAHAY S K，DAS G.Ball indentation technique-An important and useful method for studying the flow properties of materials J. Transactions of the Indian Institute of Metals，2023，571：51-60.7AHN J H，KWON D.Derivation of plastic stressstrain relationship from ball indentations：Examination of strain definition and pileup effect J.Journal of Materials Research，2023，1611：3170-3178.8KIM J Y，LEE K W，LEE J S，et al.Determination of tensile properties byinstrumented indentation technique：Representative stress and strain approachJ.Surface and Coatings Technology ，2023，2017：4278-4283.