采用球壓痕法測(cè)16MnR鋼的拉伸性能

伍聲寶，徐 彤，喻 燦，陸彥琰，關(guān)凱書

（1.華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，承壓系統(tǒng)安全科學(xué)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，上海200237；2.中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京100013）

0 引 言

在石油化工、火電、核電等行業(yè)中，需要定時(shí)對(duì)大量的在役壓力容器和管道進(jìn)行非破壞性檢測(cè)，以確保生產(chǎn)的安全進(jìn)行。常規(guī)評(píng)價(jià)設(shè)備性能的方法有現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)和取樣試驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)（如超聲檢測(cè)、射線檢測(cè)和滲透檢測(cè)等）具有非破壞性，目的是找出在役設(shè)備構(gòu)件中的危險(xiǎn)部位，但大多只能探測(cè)出設(shè)備當(dāng)前狀況下缺陷的宏觀尺寸，在評(píng)價(jià)材料力學(xué)性能（如真應(yīng)力-應(yīng)變曲線、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度）上存在不足。取樣試驗(yàn)則是在危險(xiǎn)部位取樣進(jìn)行試驗(yàn)，屬于破壞性力學(xué)性能測(cè)試，通過取樣試驗(yàn)可以了解設(shè)備長期運(yùn)行后力學(xué)性能的水平和變化，但該方法不適合用于服役中的設(shè)備。球壓痕法正是在這一背景下快速發(fā)展起來的一種具有無損特性、能夠準(zhǔn)確可靠評(píng)價(jià)金屬材料拉伸性能的新型試驗(yàn)方法。

1951年，Tabor［1］發(fā)現(xiàn)壓痕平均接觸壓力與相對(duì)壓痕尺寸a/R的關(guān)系（a和R分別為壓痕投影圓半徑和球壓頭半徑）和大多數(shù)金屬材料應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系相似；基于Tabor的發(fā)現(xiàn)，Haggag及其研究小組提出了 ABI（Automated Ball Indentation，自動(dòng)球壓痕）技術(shù)［2-4］，在ABI技術(shù)的基礎(chǔ)上，更多研究人員陸續(xù)加入到了研究球壓痕法的行列中［5-6］。

目前國內(nèi)對(duì)該領(lǐng)域的研究報(bào)道很少。之前，作者利用軟件ABAQUS實(shí)現(xiàn)了球壓痕試驗(yàn)的有限元模擬，并探討了不同壓頭剛度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，為球壓痕試驗(yàn)的實(shí)際運(yùn)用提供了參考和指導(dǎo)［7］。16MnR鋼是我國壓力容器常用鋼，因此作者對(duì)此鋼進(jìn)行了球壓痕試驗(yàn)（利用球形壓頭對(duì)試樣表面同一位置進(jìn)行多次局部加載卸載循環(huán)的試驗(yàn)）來測(cè)試其拉伸性能，重點(diǎn)分析不同壓痕試樣厚度和不同球壓頭直徑對(duì)拉伸性能的影響，并與常規(guī)拉伸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料為24mm厚的16MnR鋼板，其化學(xué)成分見表1，鋼中酸溶鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.022%。將該鋼板切割成為30mm×30mm×15mm和30mm×30mm×1.5mm的兩種厚度不同的試樣，用于研究壓痕試樣厚度對(duì)拉伸性能的影響。

表1 16MnR鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of 16MnR steel（mass） %

1.2 試驗(yàn)方法

考慮到剛度低的球壓頭材料會(huì)使試驗(yàn)結(jié)果的偏差較大，故選用碳化鎢硬質(zhì)合金作為球壓頭材料。球壓頭直徑D分別為0.5mm和1mm，用于研究不同球壓頭直徑對(duì)拉伸性能的影響。在INSTRON5965型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行球壓痕試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)載荷容量為5kN，具體試驗(yàn)參數(shù)見表2。為了檢驗(yàn)球壓痕試驗(yàn)的重復(fù)性，每種試驗(yàn)方案分別進(jìn)行兩次球壓痕試驗(yàn)。

球壓痕法是通過定義壓痕的表征應(yīng)力、表征應(yīng)變，把球壓痕試驗(yàn)得到的載荷-深度曲線轉(zhuǎn)化為一系列表征應(yīng)力、應(yīng)變的點(diǎn)，之后用最小二乘法擬合，獲得的真應(yīng)力-真應(yīng)變的關(guān)系見式（1）。

表2 球壓痕試驗(yàn)方案Tab.2 Experimental schemes for ball indentation

式中：σ為真應(yīng)力；ε為真應(yīng)變；K為材料的強(qiáng)度系數(shù)；n為材料的加工硬化指數(shù)。

球壓痕法測(cè)試材料拉伸強(qiáng)度是通過真應(yīng)力-真應(yīng)變的關(guān)系式推算得到的。應(yīng)用0.2%應(yīng)變偏移的概念，即屈服強(qiáng)度用產(chǎn)生0.2%塑性應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力來近似表示，通過式（3）計(jì)算材料的屈服應(yīng)變?chǔ)舮，進(jìn)而代入式（1）計(jì)算出材料的屈服強(qiáng)度。

式中：E為材料的彈性模量，可通過O-P法獲得［8］。

應(yīng)用材料拉伸失穩(wěn)的概念（即材料在拉伸時(shí)試驗(yàn)過程中達(dá)到最大載荷后開始發(fā)生頸縮從而失穩(wěn)），并結(jié)合金屬材料體積不可壓縮的準(zhǔn)則和發(fā)生失穩(wěn)的條件dP＝0（P為拉伸時(shí)加載的載荷）可獲得失穩(wěn)的關(guān)系式：

聯(lián)合式（2）和式（4）可知頸縮發(fā)生時(shí)的真應(yīng)變與材料的加工硬化指數(shù)相等，即ε＝n，最終通過式（5）可計(jì)算出材料的抗拉強(qiáng)度σuts［9］。

式中：e為自然對(duì)數(shù)。

為了驗(yàn)證球壓痕試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，將其與拉伸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。參照GB/T 228-2010，在16MnR鋼板上截取拉伸試樣，在INSTRON8032型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)載荷容量為100kN，加載速度為1mm·min-1。通過式（6）和式（7）可將拉伸試驗(yàn)得到的工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)化材料的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。

σ＝σe（1＋εe） （6）

ε＝ln（1＋εe） （7）

式中：σe和εe分別為工程應(yīng)力和工程應(yīng)變。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 試樣厚度和球壓頭直徑對(duì)壓痕載荷-深度曲線的影響

由圖1～3可見，在相同的試驗(yàn)方案下，兩條試驗(yàn)曲線的重合度很高，這表明球壓痕試驗(yàn)具有很高的可重復(fù)性。

由圖4可見，直徑為0.5mm的球壓頭在15mm和1.5mm厚壓痕試樣上進(jìn)行球壓痕試驗(yàn)后獲得的載荷-深度曲線幾乎是重合在一起的，這表明壓痕試樣厚度對(duì)壓痕載荷-深度曲線的影響不大，這也從側(cè)面說明了球壓痕試驗(yàn)對(duì)壓痕試樣厚度的要求不高，試樣厚度可以薄至1.5mm。

圖1 采用方案1獲得的壓痕載荷-深度曲線Fig.1 Indentation load-depth curves got from scheme 1

圖2 采用方案2獲得的壓痕載荷-深度曲線Fig.2 Indentation load-depth curves got from scheme 2

圖3 采用方案3獲得的壓痕載荷-深度曲線Fig.3 Indentation load-depth curves got from scheme 3

圖4 不同厚度試樣的壓痕載荷-深度曲線Fig.4 Indentation load-depth curves for the samples with different thicknesses

由圖5可見，不同直徑的球壓頭在15mm厚壓痕試樣上進(jìn)行球壓痕試驗(yàn)后獲得的壓痕載荷-深度曲線的差別較大；產(chǎn)生同樣的壓痕深度時(shí)，大直徑的球壓頭需要施加更大的載荷，這表明球壓頭直徑對(duì)壓痕載荷-深度曲線的影響比較明顯。

圖5 采用不同直徑球壓頭獲得的壓痕載荷-深度曲線Fig.5 Indentation load-depth curves got from different indenter diameters

2.2 球壓頭直徑對(duì)真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線以及拉伸強(qiáng)度的影響

為了比較不同球壓頭直徑對(duì)真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線的影響，將圖5所示的壓痕載荷-深度曲線轉(zhuǎn)化為一系列表征應(yīng)力應(yīng)變的點(diǎn)，并與室溫拉伸試驗(yàn)獲得的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。可見，兩種不同直徑球壓頭進(jìn)行球壓痕試驗(yàn)后獲得的一系列表征應(yīng)力、應(yīng)變的點(diǎn)的變化趨勢(shì)幾乎一樣，與拉伸試驗(yàn)得到的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線的吻合度較高。這表明使用0.5mm和1mm兩種直徑球壓頭進(jìn)行球壓痕試驗(yàn)都能有效表征材料的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。

圖6 不同直徑球壓頭獲得的表征應(yīng)力、應(yīng)變的點(diǎn)與拉伸試驗(yàn)得到的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線的對(duì)比Fig.6 Comparison between characteristic stress-strain points got from different indenter diameters and true stress-true strain curve got from conventional tensile test

將球壓痕試驗(yàn)曲線（方案1-1和方案3-1）計(jì)算得到的拉伸強(qiáng)度與常規(guī)室溫拉伸試驗(yàn)得到的強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3所示。可見，采用兩種直徑球壓頭進(jìn)行壓痕試驗(yàn)獲得的強(qiáng)度與拉伸試驗(yàn)獲得的強(qiáng)度之間的偏差都很小，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的最大誤差分別為6.8%和1.9%，這表明使用0.5mm和1mm兩種直徑的球壓頭進(jìn)行球壓痕試驗(yàn)都能有效測(cè)得材料的強(qiáng)度。

表3 16MnR鋼拉伸試驗(yàn)和球壓痕試驗(yàn)得到的強(qiáng)度對(duì)比Tab.3 Comparison of strength from ball indentation test with one from conventional tensile test MPa

3 結(jié) 論

（1）在相同的試驗(yàn)條件下進(jìn)行多次球壓痕試驗(yàn)獲得的壓痕載荷-深度曲線重合度高，表明球壓痕試驗(yàn)具有很高的可重復(fù)性。

（2）球壓痕試驗(yàn)對(duì)試樣厚度的要求不高，試樣厚度可以薄至1.5mm。

（3）選用0.5mm和1mm兩種直徑的球壓頭進(jìn)行球壓痕試驗(yàn)獲得的壓痕載荷-深度曲線差別比較明顯；但通過試驗(yàn)曲線轉(zhuǎn)化獲得的一系列表征應(yīng)力、應(yīng)變的點(diǎn)的變化趨勢(shì)幾乎一樣，并與常規(guī)拉伸試驗(yàn)獲得的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線高度吻合，計(jì)算得到的強(qiáng)度與常規(guī)拉伸試驗(yàn)獲得的強(qiáng)度的偏差小，表明這兩種直徑的球壓頭都能有效評(píng)估材料的拉伸性能。

［1］TABOR D.The hardness of metals［M］.Oxford：Oxford University Press，1951.

［2］HAGGAG F M.In-situ measurements of mechanical properties using novel automated ball indentation system［C］//Small Specimen Test Techniques Applied to Nuclear Reactor Vessel Thermal Annealing and Plant Life Extension.Philadelphia：A-merican Society for Testing and Materials，1993：27-44.

［3］HAGGAG F M，WANG J A，THEISS T J.Using portable/in-situ stress-strain microprobe system to measure mechanical properties of steel bridges during service［C］//Nondestructive Evaluation Techniques for Aging Infrastructure and Manufacturing.Scottsdale：International Society for Optics and Photonics，1996：65-75.

［4］MIRAGLIA P Q，MATHEW M D，MURTY K L，et al.Nondestructive evaluation of mechanical properties of A533B steel qeld using automated ball indentation testing［C］//ASM Proceedings of the International Conference.［S.l］：［s.n.］，1998：835-841.

［5］GHOSH S，SAHAY S K，DAS G.Ball indentation techniquean important and useful method for studying the flow properties of materials［J］.Transactions of the Indian Institute of Metals，2004，57（1）：51-60.

［6］JANG J I，CHOI Y，LEE J S，et al.Application of instrumented indentation technique for enhanced fitness-for-service assessment of pipeline crack［J］.International Journal of Fracture，2005，131（1）：15-34.

［7］伍聲寶，關(guān)凱書.球壓痕法評(píng)價(jià)材料拉伸性能的有限元分析［J］.壓力容器，2012，29（9）：33-38.

［8］OLIVER W C，PHARR G M.Improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments［J］.Journal of Materials Research，1992，7（6）：1564-1583.

［9］DIETER G E. Mechanical Metallurgy ［M］.New York：McGraw-Hill Book Company，1986：289-292.