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自动球压痕试验测定结构钢及其应变时效后力学性能的研究

作　者: 汤杰
导　师: 王威强; 曹怀祥
学　校: 山东大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 自动球压痕试验应变时效力学性能无损测试结构钢
分类号: TG115.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

钢材冶炼和钢结构制造技术已经得到了很大提升,同时材料力学性能的测试技术也有了较大进步。当前,工业生产和设备服役的安全已经被提到了一个前所未有的高度,而事实上,影响工业设备安全评估的材料性能的获得却一直是瓶颈,也是专家学者的研究重点。但近年来安全生产事故频发,其中包括多起由于材料应变时效脆化引起或加剧的低碳钢高压管道事故。通常,结构钢加工制造成设备并服役后,一般只能定期对其进行缺陷检测和日常维护,而由于常规力学性能测试大都需要破坏性取样试验,难以在线对在役设备的力学性能进行试验进而作出准确评价。金属材料应变时效脆化将产生非常严重的后果,对工业生产和设备服役存在重大安全隐患。鉴于此,结构钢及其应变时效后力学性能的测试研究具有非常重大的意义。对自动球压痕试验原理进行了系统分析和研究。自动球压痕试验法是简单快速、无需取样、近乎无损、满足现场在线的新型测试方法,通过加载卸载循环周期实现连续压痕,同步记录测试过程中的载荷和深度对应数据,形成压痕曲线(载荷-位移曲线)。通过对准硬度/准显微硬度试验衍生导出的σt-εp关系与常规拉伸试验测定的材料真应力应变曲线具有对应性关联的分析研究,从而实现自动球压痕试验对材料真应力-真塑性应变曲线的测定。详细分析研究了自动球压痕试验测定材料屈服强度、工程极限拉伸强度、压痕变形能量等相关性能的原理,并对相关经验公式进行了分析。自动球压痕试验测定结构钢及其应变时效后力学性能的研究,以常规力学试验获得性能参数与自动球压痕试验测定的性能数据进行比对分析为主要技术手段,完成对整体试验方案的综合设计。选定工程中常见的国产低碳钢、低合金钢为试验研究对象,包括15CrMoR钢板(含3个状态)、Q235B冈板、Q245R钢板、Q345R钢板、20钢新管(含3批次4种状态)、20钢失效管等6种8批次共计7大类状态的材料。对应变时效及其比对状态试件的取样与制备进行了具体研究确定,并对试验的应变量、热处理工艺等参数进行分析确定。通过对选定钢板和钢管材料分别开展常规力学性能试验和自动球压痕试验,并将两类试验测定的数据进行关联比对分析,开展对相关参数的取值修正分析,最终完成了用自动球压痕试验测定结构钢及其应变时效后力学性能的研究。试验比对分析研究表明,自动球压痕试验与常规力学性能试验测定的数据具有较好的吻合匹配性,屈服强度与抗拉强度均能得到很好的关联。文中首次提出采用自动球压痕试验检测材料是否发生应变时效,且试验证明对应变时效材料进行去应力退火后性能得到改善,但无法完全回复以消除应变时效的影响,且其性能回复的百分比随着氮含量的升高而降低,在一定程度上表明了含氮量高的材料发生应变时效程度更深或者其要想得到同等程度的性能回复将更加困难,充分体现了氮元素对材料性能和应变时效的影响。此外,针对国产试验钢材,通过对自动球压痕试验相关关联参数的取值修正分析,提高了自动球压痕试验测试国产钢材性能的精确度。因此,综合研究分析认为自动球压痕试验在一定程度上可代替常规试验方法开展结构钢及其应变时效后力学性能的测试,并利用便携式球压痕试验机实施对在役设备或结构的现场在线检测,具有非常重要的工程推广价值和广阔的发展前景。

全文目录

目录  5-8
CONTENT  8-11
摘要  11-13
ABSTRACT  13-15
符号说明  15-16
第1章绪论  16-30
  1.1 选题背景  16-17
  1.2 国内外研究现状综述  17-28
    1.2.1 材料性能常规测试方法研究  17-18
    1.2.2 材料性能无损微损测试方法研究  18-25
    1.2.3 应变时效及其影响因素研究  25-26
    1.2.4 应变时效的测试方法研究  26-27
    1.2.5 压痕试验设备的研究应用现状  27-28
  1.3 问题的提出  28-29
  1.4 主要研究内容  29-30
第2章自动球压痕试验原理  30-38
  2.1 引言  30
  2.2 真应力-真塑性应变曲线的关联  30-33
    2.2.1 应力应变关系的简化模型  30-31
    2.2.2 关联真应力-真塑性应变曲线的经验方程  31-33
  2.3 屈服强度与工程极限拉伸强度的关联  33-35
    2.3.1 测试屈服强度  33-34
    2.3.2 估算工程极限拉伸强度  34-35
  2.4 其他材料性能的关联  35-37
    2.4.1 估算压痕变形能量  35-36
    2.4.2 测试强度系数和应变硬化指数  36
    2.4.3 测试吕德斯应变  36-37
  2.5 本章小结  37-38
第3章试验方案与试样制备  38-54
  3.1 引言  38
  3.2 试验的基本原则  38-39
  3.3 试验材料  39-44
    3.3.1 15CrMoR钢板  39-41
    3.3.2 Q235B钢板  41-42
    3.3.3 Q245R钢板  42
    3.3.4 Q345R钢板  42
    3.3.5 20钢新管  42-43
    3.3.6 20钢失效管  43-44
  3.4 应变时效及其比对状态试件的取样与制备  44-48
    3.4.1 应变时效与比对状态条件的确定  45
    3.4.2 试验应变量的确定  45-46
    3.4.3 热处理工艺的确定  46-47
    3.4.4 试件取样与制备  47-48
  3.5 拉伸试样与冲击试样的取样与制备  48-51
    3.5.1 拉伸试验的取样与制备  48-49
    3.5.2 冲击试验的取样与制备  49-51
  3.6 自动球压痕试验方案与试样  51
    3.6.1 自动球压痕试验方案  51
    3.6.2 自动球压痕试样的取样与制备  51
  3.7 本章小结  51-54
第4章钢板力学性能常规试验与自动球压痕试验比对研究  54-86
  4.1 引言  54
  4.2 拉伸试验与数据分析  54-59
    4.2.1 拉伸试验条件与过程  54-55
    4.2.2 拉伸试验数据分析  55-59
  4.3 冲击试验与数据分析  59-61
    4.3.1 冲击试验条件与过程  59-60
    4.3.2 冲击试验数据分析  60-61
  4.4 自动球压痕试验与数据分析  61-75
    4.4.1 试验条件与过程  61-63
    4.4.2 试验数据分析  63-75
  4.5 常规试验与自动球压痕试验测定数据的比对分析  75-83
    4.5.1 屈服强度比对分析  75-80
    4.5.2 工程极限拉伸强度与抗拉强度的比对分析  80-82
    4.5.3 压痕变形能量的分析  82-83
  4.6 本章小结  83-86
第5章钢管力学性能常规试验与自动球压痕试验比对研究  86-130
  5.1 引言  86
  5.2 拉伸试验与数据分析  86-92
    5.2.1 试验条件及过程  86-87
    5.2.2 试验数据分析  87-92
  5.3 冲击试验与数据分析  92-96
    5.3.1 试验条件及过程  92
    5.3.2 试验数据分析  92-96
  5.4 自动球压痕试验与数据分析  96-113
    5.4.1 试验条件与过程  96-97
    5.4.2 试验数据分析  97-113
  5.5 常规试验与自动球压痕试验数据比对分析  113-128
    5.5.1 屈服强度比对分析  113-121
    5.5.2 工程极限拉伸强度与抗拉强度比对分析  121-127
    5.5.3 压痕变形能量的分析  127-128
  5.6 本章小结  128-130
结论与展望  130-134
参考文献  134-150
致谢  150-152
攻读硕士学位期间发表论文与参加科研项目及获奖情况  152-154
学位论文评阅及答辩情况表  154

自动球压痕试验测定结构钢及其应变时效后力学性能的研究

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