壓入試驗在汽輪機材料中的應用前景

吉昌兵 ， 余小強 ， 楊明 ， 王天劍 ， 楊吉輝

（1. 東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000； 2. 長壽命高溫材料國家重點實驗室， 四川 德陽， 618000）

0 引言

材料力學性能也稱機械性能， 指材料在外力作用下表現出來的性能， 包括彈性、 強度、 塑性、硬度、 韌性、 疲勞強度、 蠕變和磨損等。 這些性能指標， 是按照相應國家標準制取標準試樣， 在實驗室通過單軸拉伸試驗、 硬度試驗等獲得各種數據， 也稱破壞性試驗。 而壓入試驗是一種能在不破壞產品的情況下進行的力學性能試驗， 并能獲取彈性模量、 應力-應變曲線等參數， 這些參數目前僅能通過破壞性試驗獲取。 壓入試驗具備此優勢， 可適用于汽輪機材料焊接工藝評定、 失效分析、 尺寸受限取樣等情況。

汽輪機材料的設計選材[1-2]、開發、 應用和失效分析， 都離不開對力學性能的測試， 尤其是材料的彈性模量和應力-應變曲線及硬度值測試， 這些數據為汽機材料設計和使用提供參考和依據。

壓入試驗通過多年的發展， 現已可穩定測定均質、 各向同性、 拉伸硬化規律呈現冪指數特征（冪指數為常數）的金屬材料彈性模量、 抗拉強度、洛氏硬度和均勻變形階段的應力-應變曲線[3]。

1 壓入試驗在測試領域的發展

壓入試驗最早在十九世紀初由J. A. Brinell[4]和S. P. Rockewell[5]提出， 也就是現在最常用的布氏硬度和洛氏硬度的發明人。 其試驗原理是對一定形狀的壓頭施加試驗力壓入試樣表面， 通過測量壓痕， 然后用公式計算來獲取材料的硬度值。 隨后， 為了適應不同材料， 出現了維氏硬度、 勃氏硬度、努氏硬度等，這些試驗方法已經被廣泛應用。

隨后很長一段時間里， 許多學者在材料硬度與材料強度、 彈塑性的關系上進行了大量研究[6]，但大多是基于假設條件、 限制條件基礎上給出的近似值， 沒有理論依據支撐。

1992 年， Oliver 和 Pharr[7]基于接觸理論， 提出了采用準靜態納米級壓入試驗方法獲取材料彈性模量E， 但該方法僅適用于納米級測試彈性模量， 無法獲取應力-應變曲線。

1998 年， Cheng[8]基于有限元分析發現材料的折合彈性模量和壓入總功存在一定的關系。 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 無法驗證， 因此應用并未得到推廣。

2010 年， 馬德軍[9]基于 FEA 和量綱分析， 提出一種無需接觸剛度， 通過壓入總功和硬度之比確定彈性模量的新方法， 但是該方法系數修正困難， 測試結果可靠性偏低， 還有待大量試驗驗證。

2017 年， 陳輝、 蔡立勛、 張志杰、 包陳等學者基于有限元分析及材料本構關系[10-14]， 對經典模型進行改良， 將壓入試驗從納米級應用提升至微米級壓入測試[15]， 并起草制定了國家標準， 為采用壓入法測定金屬材料的彈性模量、 抗拉強度、 硬度和應力-應變曲線提供了標準方法和理論支撐。

2 壓入試驗的基本原理

采用球形壓頭對試樣連續加載、 卸載獲得力-壓痕深度的曲線， 見圖1。 根據曲線的卸載段數據確定材料的彈性模量。

圖1 典型球形壓入試驗力-深度曲線示意圖

基于能量等效原理， 提出SSI（Semi-analytical Spherical Indentation）模型。通過球壓入載荷深度試驗關系獲取材料的應力應變曲線以及抗拉強度[16]，見圖2， 并可給出試驗結果的有效性判定依據。

圖2 16MnR 鋼應力-應變曲線示例

基于SSI 半解析模型， 根據彈塑性參數預測得到對應的硬度值， 見圖3。

圖3 抗拉強度Rm 與HBW 的換算示例

簡單來說， 壓入試驗可通過簡單的幾乎無損的測試過程， 再利用被驗證的算法獲取僅能通過單軸拉伸試驗和硬度試驗等破壞性試驗來獲取的參數。

3 汽輪機材料常用測試設備及方法

汽輪機材料的拉伸試驗、 彈性模量測試通常采用符合GB/T 16825.1 精度的電子萬能試驗機。硬度測試通常采用布氏硬度計、 洛氏硬度計、 維氏硬度計等等。

常規試驗中， 各項材料的性能參數是通過使用相應的國家標準， 制取符合標準的試樣， 運用相應的試驗方法進行試驗獲取各項性能指標。 金屬材料的抗拉強度、 屈服強度、 斷后伸長率、 斷面收縮率等性能指標是通過拉伸試驗獲取。 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靜態法測定， 試樣尺寸與拉伸試樣尺寸相同。 硬度試驗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。

對比壓入試驗， 測試方法繁多， 設備成本較高， 試樣尺寸要求嚴格等限制了某些材料的力學性能數據獲取。

4 壓入試驗在汽輪機材料測試中的應用前景

4.1 失效分析

在汽輪機材料各類失效分析中， 經常會將電廠失效的殘件帶回進行分析， 這些殘樣大到重百噸的轉子， 小到金屬碎屑， 其尺寸、 形狀各異，有的無法制取力學試樣，如已焊接的薄壁管材[17]等。

針對破損葉片[18]、 螺栓等重要部件， 失效分析的第一步就是獲取其力學性能， 大葉片可按照國家標準和相應技術規范在規定位置進行取樣， 但有的葉片由于尺寸小， 葉型復雜， 無法制取符合標準的試樣， 有的甚至連非標試樣也無法制取。壓入試驗則可以輕松獲取其力學性能。

對于汽輪機材料的相關特殊工藝過程， 如：司太立堆焊失效分析[19-20]、鍍鋅螺栓失效分析[21]、噴丸強化處理后的性能研究[22]、 焊接工藝評定[23～24]等， 也可大量應用壓入試驗來獲取材料力學性能。

4.2 焊接工藝評定

焊接工藝評定均是按照相應的規程或標準進行， 對于常規的板接、 管接、 角接都有相應的取樣和測試方法。 但對于尺寸較小的對接件[25]， 如薄壁管焊接、 釬焊縫等尺寸很小的焊接件， 要獲取其力學性能， 目前規范中針對異型件， 只對其顯微維氏硬度進行了規定， 需要通過經驗換算來獲取其力學性能。 壓入試驗則可以直接獲取其力學性能。

4.3 電廠現場檢測

電廠現場服務過程中， 對重要部件進行日常巡檢， 如果存在異議時， 則需要對部件進行非拆卸檢測， 通常的做法是做現場金相獲取材料的組織狀態。 再利用便攜式硬度計獲取其硬度值， 從而評估其性能。 壓入試驗則可以在不影響部件結構性能的情況下現場獲取其力學性能。

4.4 小型標件的檢測

螺釘、 螺母等小型標件的檢測通常是按照國家標準進行， 但尺寸小到無法加工試樣時， 拉伸等項目則無法進行， 壓入試驗則可以直接獲取其力學性能。

5 結語

本文介紹了壓入試驗的發展， 簡述了壓入試驗測試金屬材料抗拉強度、 應力-應標曲線、 彈性模量的原理。 該試驗方法具有在不破壞樣件本體的情況下準確獲取由破壞試驗獲取的試驗參數的特點， 可以在汽輪機材料失效分析、 焊接工藝評定、 電廠服務、 小型標件檢測等方面推廣應用。且具有極高的工程應用價值， 可節約大量因破壞試驗而產生的潛在成本。

下一步， 還需對汽輪機常用材料開展對比驗證試驗， 為壓入試驗在汽輪機材料中的應用提供實踐支撐； 另一方面， 在完成壓入試驗后， 如何進行壓痕對產品使用壽命的影響評估以及壓痕后處理也需做進一步研究。