压痕法技术在电站设备材料力学性能检测中的应用.pdf

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第46卷增刊2
锅炉技术
Vol 46, Supplement 2
2015年10月
BOILER TECHNOLOGY
Oct.,2015
压痕法技术在电站设备材料力学性能检测中的应用
蒋云1,孙延松2,许学龙2,韩向文,王唐江,张吕华
(1.上海崇能电力技术有限公司,上海2003332.北京春秋阳光环保科技有限公司,北京10000
摘要:介绍了压痕法技术测量电站设备材料力学性能的基本原理,以及利用韩国 Frontics公司制造的
Ais3000型便携式万能力学性能检测仪对几种管道材料进行仪器化压痕力学性能检测结果准确性的论证试
验。试验结果表明,压痕法技术可以有效地对在役电站设备材料进行无损力学性能检测,该检测技术对电站
设备安全管理和日常维护具有有重大意义。
关键词:压痕法技术;无损检测;力学性能;安全评价
中图分类号:TK229.2
文献标识码:B
文章编号:1672-4763(2015)S2-0006-06
0前言
现场进行了应用性试验,同时闻述了压痕法技术
在电站在役设备材料力学性能检测中的应用
随着我国经济持续、稳定和快速的发展,近意义。
年来,我国大批超临界(SC)、超(超)临界(USC)
机组投产运行,锅炉管道选用大量的新型耐ね1压痕法技术基本原理
钢,如T23、T92/P92、 Super304H和HR3C等。1.1拉伸性能测量原理
由于机组运行压力、温度等参数的大大提高以及
金属材料力学性能的主要指标是屈服强度
材料种类的变化,国内对这些新型材料的性能,(o,)和抗拉强度(o)。传统的测量方法主要是靠
特别是在经过长期高温、高压运行后材料的力学单轴拉伸试验,通过拉伸获得的应力应变曲线来
性能的变化缺乏充分的认识,这必将对机组的安反映材料的弹性和塑性变化。1951年, Tabor通
全运行带来严重的隐患。因此,就需要自机组安过实验发现压痕平均接触压力F与相对压痕尺
装、投运开始,通过实时检测在役设备材料的力寸a/R的关系(a和R分别为压痕投影圆半径和
学性能,及时掌握、跟踪和研究材料性能变化的球形压头半径)与大多数金属材料的应力应变关
情况,以便对该设备作出准确的安全性评价,确系相似,即ε~a/R2(见图1)。基于 Tabor的发
保机组的安全稳定运行
现, Haggag等人提出ABI( automatedball inden
传统的材料力学性能检测方法通常都需要 tation)技术,之后发展出了多种通过压痕接
对设备进行破坏取样加工,然后在实验室条件下触力和压痕尺寸计算获得应力应变曲线的公式。
进行测试,这对于在役设备通常是不允许的。压
痕法技术则能够在不破坏的条件下,现场方便、
快捷、精确地检测在役设备的主要力学性能,如:
屈服强度、抗拉强度、断裂韧性、残余应力、硬度
和弹性模量等力学性能指标,这些指标对于正确
地评价在役设备的安全性显得至关重要。
本文对压痕法技术测量材料力学性能的基
本原理进行了介绍,对几种管子材料进行了检测
结果准确性(拉伸性能和残余应力)试验验证,在
图1应力与相对压痕尺寸关系
收稿日期:2015-03-20
作者简介:蒋云(1953-),男,高级工程师,主要从事电站金属材料和无损检测试验研究工作。
增刊2
蒋云,等:压痕法技术在电站设备材料力学性能检测中的应用
韩国 Frontics公司在此研究基础上采用“部
结合压头的形状参数,压头下压的实际接
分卸载法”采集球形压头对金属材料下压产生压触面积A=m(2Rh。-h2);将深度信息转化为实
痕过程中的信息们。这种方法是逐步增加压头际接触面积之后,可以通过有限元分析拟合绘
下压压力,到一定深度之后停止下压,卸载掉当制材料的真应力-应变曲线。根据材料的不同类
时载荷一半后继续下压,此时完成一个循环。当型,所拟合出的真应力-应变曲线分别符合本构
完成多个循环后,彻底卸载载荷,移去压头,获得方程
完整的多循环载荷深度曲线(曲线形状见图2)
g=KE
这种重复加载卸载的方法可以获得较大范围的
g=AB
压痕尺寸,使我们更好的考虑材料压痕点的弹塑
其中式(1)为幂函数型材料,式(2)为线性函
性变化,获得更为精确的测量结果。
数型材料。拟合出的真应力应变曲线见图4
510
嗓
340
170
深度/mm
(a)单次“部分卸载法”所得载荷深度曲线
0.400.600.801.00
应变
图4拟合所得真应力-应变曲线
由公式结合载荷一深度曲线所采集的材料信
抱燃出
息可以计算获得材料的屈服强度和抗拉强度
(om。2%)[8];具体的拟合和计算过程见图5。
00.050.100.150,200.250.30
确定压头下压时的真正接角触面积A
压痕深度/mm
Ac=m(2rhc-hc
b)多次循环“部分卸载法”载荷深度曲线
图2部分卸载法获得的载荷一深度曲线
由接触面积Ac、载荷Fmax、接触角、塑性约束因子y等
参数确定真应应变
得到载荷深度曲线之后,需要将采集的深度信
I Fmax
OT=stan e
息转化成接触面积信息。这就需要考虑压头下压过
程中产生的塑性堆积和沉入的情况?(见图3)。
将真应力应变点带入并求解出本构方程
(不同类型带人不同公式)
R
根据求解出的本构方程绘制真应力ー应变曲线
在曲线上计算确定屈服强度
(e)挤出
(y)和抗拉强度(b)
图5由载荷-深度曲线计算抗拉强度
和屈服强度的流程图
1.2残余应力測试原理
采用球形或136°四棱维氏压头,压头压下相
b)凹陷
同的深度,记录所需载荷的变化,当物体存在压
图3压痕沉入-堆积示意图
缩残余应力时,载荷量将变大,当物体存在拉伸