物價變動的會計研究及小沖桿試驗法對材料力學性能的研究

緒論小沖桿試驗（又稱小沖孔試驗）技術(shù)誕生至今已近30年，期間在理論和應用研究等方面都發(fā)展迅速，并慢慢地成為相關(guān)領(lǐng)域研究的熱點之一，受到了很多國內(nèi)外學者的一直關(guān)注。金屬構(gòu)件在航空航天和石油化工這些行業(yè)的服役環(huán)境是比較惡劣的，比如高溫、腐蝕和輻射等環(huán)境，因此對安全性方面的要求很高，也使在役構(gòu)件壽命評價的研究變得越來越重要。傳統(tǒng)的檢測方法主要有兩種，一種是無損檢測，另外一種是取樣試驗。但是這兩種方法都有一些不足之處，例如前者操作簡單，但是所得到的數(shù)據(jù)不是很精確；后者方法可靠，但是因為取樣的尺寸比較大這將導致設備受到損傷，可能會造成使用年限縮短或者設備報廢的后果。傳統(tǒng)方法中的無損檢測方法是一個對材料進行測量、檢驗和分析的科學，當然這還需要一個前提，那就是不破壞檢測對象，這種科學是完全可以應用在科研和工程技術(shù)的所有方面的。尤其是無損檢測新技術(shù)，這種新技術(shù)是與安全評估技術(shù)相結(jié)合的，例如：與微電腦技術(shù)相結(jié)合的智能化和自動化檢測和安全評估電站設備方面；鍋爐和壓力容器構(gòu)件的聲發(fā)射檢測和安全評估方面；利用金屬磁記憶檢測系統(tǒng)評估鐵道材料的和長輸管線的安全性方面。這種新的技術(shù)在很多現(xiàn)代科技的部門都有在使用。小沖桿試驗技術(shù)是一種新的評定材料力學性能的測試方法，因為這種方法是采用微小試樣來對材料的力學性能進行評定的。這種方法具有雙重優(yōu)勢，那就是“幾乎無損”和“取樣方便”，因此這種方法很適用于那種取樣不經(jīng)濟或者不能取出試樣的環(huán)境。小沖桿試驗技術(shù)在材料力學性能領(lǐng)域取得了長足發(fā)展，它現(xiàn)在已經(jīng)不僅僅是一種簡單的測試方法，也是一種重要的科學研究手段?？梢灶A見，隨著計算機技術(shù)及測試技術(shù)的發(fā)展，小沖桿試驗技術(shù)的研究將會取得更多的成果，并將對科技發(fā)展發(fā)揮重要作用。雖然小沖桿試驗技術(shù)在理論和應用等方面已經(jīng)取得了重要進展和成績，但仍處在快速發(fā)展階段，與傳統(tǒng)拉伸試驗等其他測試方法相比理論體系還不夠完善，而且在一些領(lǐng)域的應用尚處在探索和發(fā)展階段。因此，這項技術(shù)的研究發(fā)展還需要更多的支持。近年來，越來越多的國內(nèi)學者對小沖桿試驗技術(shù)產(chǎn)生了較為濃厚的興趣，然而目前很少見到相關(guān)參考書籍，本文僅結(jié)合作者兩年的試驗研究心得和研究成果，詳細闡述了高溫蠕變的試驗系統(tǒng)、試樣制備、試驗操作、試驗結(jié)果處理及應用，并指出目前該技術(shù)存在的主要問題，分析了該技術(shù)在各個工業(yè)領(lǐng)域的應用并預測了該技術(shù)的發(fā)展方向。2小沖桿試驗法原理及存在的問題2.1試驗材料的選取單一的分子、金屬等材料現(xiàn)在已經(jīng)很難滿足逐漸增長的物理性能和力學性能方面的要求。為了克服在性能上面的局限性，充分發(fā)揮各種材料特性，越來越多的人們開始根據(jù)不同的材料按照一定的方式、比例結(jié)合成復合材料進而充分發(fā)揮組成材料的優(yōu)良特性。高純鈦具有良好的塑性，因為它的比重小，但是比強度和強度卻很高，所以是航天工業(yè)的理想材料。它的另一特點是在高溫下能保持比較高的比強度。鈦合金的密度一般在4.5g/cm3左右，是一種重量輕強度高的金屬。當鈦合金在海水介質(zhì)和潮濕的大氣中工作時，它的抗蝕性遠勝于不銹鋼，對堿、酸和氯化物等有優(yōu)良的抗腐蝕性能，因此是石油、航海、化工等工業(yè)迫切需要的材料。小沖桿的試樣加工要求比較高，因此試樣材料必須要保證是表面光滑的試樣。如果要消除雜質(zhì)和組織不均勻?qū)υ囼瀻淼挠绊懀敲淳捅仨氁ＷC試樣具有表面光滑和體積小的特點，光滑小試樣由于體積小、表面光滑，可以減少雜質(zhì)、宏觀缺陷和組織不均勻?qū)υ囼瀻淼挠绊?，這樣也能夠保證測定的試驗數(shù)據(jù)較為集中，也能夠更好地反映材料的力學性能。各個國家最初開始設計的試樣尺寸并沒有比較多的理論作為依據(jù)，把試樣設計為直徑3mm也是為了更好地節(jié)省費用，同時使試樣用于試驗時更加方便。小沖桿試樣形狀主要以圓片或方片為主，但是圓片更加地較為常見，小沖桿試驗所用試樣尺寸極?。▓A形試樣直徑或方形試樣邊長尺寸為3～10mm、厚度在0.25～0.50mm）。本試驗系統(tǒng)采用圓形試樣，是因為圓形試樣加工更為方便，本文所選用的試驗材料為Ti60，圖示2-1如下。圖2-1Ti60材料圖2-1Ti60圓片試樣2.2小沖桿試驗法原理小沖桿試驗法的原理是利用小沖桿以恒定的載荷沖壓試樣，并且通過計算機記錄試樣從開始彈塑性變形到最終失效的整個過程的載荷-時間（或變形撓度）數(shù)據(jù)和曲線，根據(jù)實驗曲線圖和實驗數(shù)據(jù)得到最大變形、最大位移、最大負荷、最大溫度等數(shù)據(jù)，并借此分析材料強度、塑性和蠕變性能。2.3小沖桿試驗法實驗裝置本文所敘述的小沖桿試驗方法所使用的蠕變試驗機是ZRWS-K1小沖孔試驗機，它的主要系統(tǒng)組成為主機、防氧化裝置、加熱及冷卻系統(tǒng)、數(shù)字控制器、溫度控制系統(tǒng)、計算機控制單元及交流調(diào)速系統(tǒng)。試驗機是一個由上橫梁、中臺板、底板和兩根立柱支撐起來的框架，在高溫電爐的下方安裝有測力傳感器，它固定在壓管上，在中臺板和底板上安裝著加載驅(qū)動系統(tǒng)。加載驅(qū)動系統(tǒng)的構(gòu)成主要有交流伺服電機、渦輪蝸桿減速機、滾珠絲杠、壓管支撐筒和導向裝置。在工作的時候交流伺服電動機通過齒形帶帶動渦輪蝸桿減速機進行轉(zhuǎn)動，減速機輸出軸與滾珠絲杠相連，滾珠絲杠是被一對深溝球軸承和一對推力球軸承固定在壓管支撐筒上的，加載壓桿被固定在滾珠絲杠的螺母上。在壓管上安裝一個導向臂，其上裝有兩個軸承，可沿固定在機架中臺板上的導向桿上下移動，但不能轉(zhuǎn)動，這就使得當滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)時，加載壓管只能上下運動，而不發(fā)生轉(zhuǎn)動，進而實現(xiàn)載荷的加載。加載方式主要有兩種：頂加載和底加載。這兩種加載方式各有其優(yōu)點和缺點，盡管底加載方式加載方便，并且加載精度易于控制，但顧慮到是在氬氣保護條件下進行的試驗，使用底加載方式時氬氣保護的密封比較難于實現(xiàn)，因此決定采用頂加載方式。頂加載方式有兩種：垂直加載和杠桿加載。效果直接和加載方便是垂直加載的優(yōu)點是加載方便，但載荷不宜過大。鑒于本文試驗載荷為480N和600N，載荷較小，故本試驗采用垂直加載方式。工作時由計算機給出指令，通過交流伺服系統(tǒng)控制交流電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，控制精度高，傳動平穩(wěn)。該結(jié)構(gòu)通過兩個圓柱形支桿作為支撐點，試樣放在夾具上后，通過定位銷將壓帽定位。夾具體開有鋼球回收通道，一邊試驗結(jié)束后回收壓球；夾具體開有氣孔，以便保護性氣體充分進入夾具內(nèi)部，有效防止試樣氧化，夾具采用特殊材料制造，即耐高溫又能滿足機械性能要求。本試驗機的測量控制系統(tǒng)采用的是長春機械科學研究院有限公司研制的KWZ型數(shù)字控制器，其中負荷測量采用的是高精度負荷傳感器，變形測量采用的是光柵傳感器。KWZ型數(shù)字控制器具有負荷、變形、位移的測量和控制技能，它與交流伺服驅(qū)動器組合在一起，對加載機構(gòu)的交流伺服電機進行控制。拉桿移動到上下極限位置時，控制器和交流伺服系統(tǒng)會控制電機停止轉(zhuǎn)動，并有蜂鳴器發(fā)出聲音報警；當向相反方向移動時，操作有效。小沖桿蠕變試驗是在高溫下進行的，因為所選用的微型試樣很薄，所以不能忽略高溫氧化對試驗結(jié)果的影響，因此需要在試驗過程中通入氬氣來對試樣進行保護。在電加熱爐升溫之前以2L/min的流量往電加熱爐內(nèi)連續(xù)通入約30分鐘的氬氣，以避免試樣出現(xiàn)高溫氧化的現(xiàn)象，從而進一步確保小沖桿試驗結(jié)果的正確性。防氧化裝置試驗夾具裝配在一個石英管中，石英管內(nèi)部配置試樣夾具和試樣，它的上端裝配在上定位套內(nèi)，不采用密封，下端裝配在臺架的下支撐板上面，石英管兩端做適合的密封，下端設置有通入氬氣的接口，用來排除石英管內(nèi)的氧化性氣體，防止試樣被氧化。加熱及冷卻系統(tǒng)加熱裝置采用高溫爐，爐體為圓柱形對開式，置于試驗機空間內(nèi)；試樣變形尺寸微小，高溫爐采用一段電阻絲獨立加熱，在小于1000攝氏度的恒定溫度下可連續(xù)長時工作。測溫熱電偶靈敏度高、控制溫度準確在高溫爐與測力傳感器之間設置冷卻水套，具有足夠的容量進行熱量交換，確保負荷傳感器正常工作；高溫爐上部設置隔熱板，利于熱量的擴散。其設備主要包括：電爐、石英玻璃管、緊固螺釘、沖桿、試樣、陶瓷球、底座、立柱（兩根）、上定位套、上支撐板、下定位套、下支撐板、下密封套、支撐座、上夾具、下夾具、擋板、位移傳感器、蠕變機、計算機、氬氣瓶等主要器材。如圖2-3所示。圖2-3氬氣瓶圖2-4電爐圖2-5蠕變機圖2-6傳動機構(gòu)2.4試驗法存在的問題因為其新穎的微小試樣及近乎無損取樣的優(yōu)勢，小沖桿試驗技術(shù)得到了越來越多的國內(nèi)外學者的重視。但是由于目前小沖桿試驗裝置不盡相同，試驗的環(huán)境條件也是各有差異，這些因素都對研究者信息的交流分享產(chǎn)生了不便，也更加不利于該方法形成一系列的行業(yè)標準。試樣的尺寸對試驗結(jié)果影響較大，尤其是試樣厚度合理的尺寸精度是保證試驗可重復性的重要手段。當尺寸偏差超過±2%時，試驗失去可重復性，也就是數(shù)據(jù)無效。因此為了確保試驗數(shù)據(jù)的有效性，尺寸偏差應限制在±1%以內(nèi)，如果無法達到此精度，可允許大于±1%，但絕不允許大于2%。在試驗過程中，不同研究者所選用的試驗溫度、加載速率以及氬氣的流量各不相同，而這些環(huán)境因素均對實驗結(jié)果存在不同程度的影響。2.5試驗法研究的目的因為核工業(yè)設備的逐漸老化，材料的性能測試就隨之變得越來越重要。因為制樣取樣的限制，導致性能測試變得較為困難，小沖桿試驗法采取微小試樣解決了這一大難題，而且逐漸發(fā)展到傳統(tǒng)制樣取樣及試驗條件限制而無法進行試驗的場合，由試驗研究走向工程科研，并且會得到越來越廣泛的應用。3小沖桿試驗法的試驗過程首先打開電腦和蠕變機，打開應用軟件，旋轉(zhuǎn)蠕變機右下角的旋鈕調(diào)到這個頁面，然后輕按按鈕，然后會出現(xiàn)“聯(lián)機準備”的字樣。如圖3-1、3-2所示。圖3-1蠕變機開機界面圖3-2等待聯(lián)機界面輕按按鈕之后，雙擊頁面上的系統(tǒng)狀態(tài)，在彈出頁面點擊確定。如3-3所示。圖3-3電腦聯(lián)機界面檢查已經(jīng)連接好的試樣夾具連接是否緊固，將試樣用砂紙打磨后，放入上夾具中，將壓球放入試樣的中心，單手托著上夾具，用食指送入倒立的下夾具中，然后將下夾具放正，將下夾具安裝在下壓桿上，旋轉(zhuǎn)至完全貼合為止。使用棉繩將反饋元件綁在下夾具上面，并保證元件頭部貼合在下夾具上面。然后石英玻璃管與上壓桿從試驗機頂部進行安裝，并用螺栓將上、下模連接緊固，同時使用旋鈕調(diào)節(jié)沖桿與上壓桿之間的距離，距離過大會導致試驗加載到預負荷的時間過長，距離過小或至貼合，則會產(chǎn)生負荷，影響試驗結(jié)果。將電爐合上并扣緊，在電爐與石英玻璃管的上下縫隙處塞入棉花，隔絕散熱。將隔熱板裝上，有利于熱量的擴散，之后將冷卻水套進行連接，進行熱量交換，形成與水箱的回路。并將水箱通電，檢查水套與試驗機連接處是否漏水。然后連接氬氣瓶與臺架上面的導管，氬氣鋼瓶出口裝有氣體流量表，可以調(diào)整和控制氬氣流量并打開氬氣瓶至1-3g/ml，在電加熱爐升溫之前以2L/min的流量往電加熱爐內(nèi)連續(xù)通入約30分鐘的氬氣，以避免試樣高溫氧化，如下圖3-4、3-5所示。圖3-4隔熱板圖3-5氬氣用量點擊“設置文件”設置新的文件。設置新文件之后，填寫相應的條件與試驗參數(shù)，并注明操作人，然后點擊“確定”存儲試驗參數(shù)，在彈出的頁面點擊“清除緩沖區(qū)”。如下圖3-6所示。圖3-6清除緩沖區(qū)在蠕變機上面旋轉(zhuǎn)旋鈕將負荷、變形、位移清除為零。（通過Bs按鍵調(diào)到下一個頁面）如下圖3-7所示。清除緩沖區(qū)之后，點擊“試驗開始”。等待約20分鐘左右，電腦頁面顯示由“預加負荷”到“正在升溫”，按下蠕變機上綠色加熱按鈕，試驗繼續(xù)進行。圖3-7蠕變機清零當試驗進行到末尾，壓桿移動到上下極限位置時，控制器和交流伺服系統(tǒng)會控制電機停止轉(zhuǎn)動，試驗結(jié)束后，將環(huán)境裝置斷電降溫，關(guān)掉主機電源、計算機電源、溫控及控制器電源。4小沖桿試驗法在評定材料性能方面的進展4.1蠕變的基本理論本文采用了試驗過程中的兩個典型的試驗作為例子進行介紹蠕變。在一定的溫度下，金屬受到持續(xù)應力作用的情況下而產(chǎn)生緩慢的塑性變形現(xiàn)象即為蠕變。蠕變是材料溫度激化的結(jié)果，溫度對金屬材料力學性能的影響較大，隨著溫度升高，材料強度降低而塑性增加。在高溫下，載荷持續(xù)時間對材料力學性能也會產(chǎn)生影響。因此，在高溫下工作的材料力學性能與溫度和時間兩個因素有關(guān)。所謂高溫，是指金屬的服役溫度超過了它的再結(jié)晶溫度（約0.4Tm～0.5Tm，Tm為熔點）。在高溫的情況下，構(gòu)件的變形與損傷是一種復雜現(xiàn)象，它主要依賴于時間和空間多軸應力狀態(tài)。與此同時，蠕變是一個隨著時間積累的過程，當進入蠕變破壞溫度的時候，損傷就將會不斷地積累，并且隨著溫度的逐漸升高，損傷的速度也將會呈現(xiàn)明顯的一個加速趨勢。在這樣的高溫下長時服役的金屬，其微觀機構(gòu)、變形和斷裂機制都會發(fā)生變化。在小沖桿的試驗過程中，我們使用最小二乘法曲線擬合來確定數(shù)據(jù)。曲線擬合意指用連續(xù)曲線來近似地描繪離散點組代表的坐標之間的函數(shù)關(guān)系，就是使用表達式的方式來逐漸逼近那些離散的數(shù)據(jù)。實踐中的離散點組或數(shù)據(jù)往往是有關(guān)量的多次觀測值或者實驗值，它們是比較零散的，不規(guī)則的，不但不便于處理，而且不能充分體現(xiàn)其固有的規(guī)律。曲線擬合的方法也就是求出一條這樣的曲線，使數(shù)據(jù)點均在這條曲線的附近，它不僅能夠反映離散數(shù)據(jù)的總體分布，還不會出現(xiàn)較大的波動，使求得的逼近函數(shù)與已知函數(shù)從總體上來說其偏差達到最小。4.2對蠕變性能的研究與傳統(tǒng)試驗相比較，小沖桿試驗法具有很多獨特的特點，比如用料少、設備小、測定特性時間短等特點。這種方法在測定材料的蠕變性能方面尤其是高溫蠕變性能方面取得了很大進展。在低載荷水平下試樣中心撓度曲線的三個階段非常明顯，第一階段對應的是蠕變速率的逐漸緩慢降低，第二階段為穩(wěn)態(tài)階段，其速率近似為常數(shù)，第三階段為加速階段，速率劇增，并最終導致試樣破裂。如下圖4-1、4-2所示。從蠕變變形機制方面，也可以對蠕變的三個階段作如下解釋：在蠕變的第一個階段，由于在施加載荷的瞬間從而產(chǎn)生大量位錯并且出現(xiàn)了滑移運動，因此產(chǎn)生了快速變形，之后隨著應變的逐漸硬化而減速，這就導致了曲線中第一階段的斜率變小。蠕變的第二個階段可以解釋為是應變硬化和損傷弱化之間的平衡現(xiàn)象，就是位錯缺陷產(chǎn)生進而強化和位錯缺陷消失進而軟化的速率近似相等，這就導致了幾乎不變的蠕變速率。在蠕變的第三個階段則是由蠕變開裂的機制所確定的，材料內(nèi)外的損傷開始起影響作用，空洞或裂紋開始逐漸產(chǎn)生，導致了載荷抗力的減小或凈截面應力的增加，并與第二個階段的損傷弱化的過程相耦合，因此第二各階段所取得的平衡現(xiàn)象便會破裂，進入第三階段的速率快速增長階段。圖4-1變形-時間圖圖4-2變形-時間圖本文選用的Ti60材料進行小沖桿蠕變試驗，這種材料廣泛應用于蒸汽發(fā)生器等高溫設備上面，進行的小沖桿蠕變試驗中運行溫度為600℃，載荷分別為480N和718N。試驗過程中保持載荷和溫度恒定。小沖桿試樣變形可以分為兩種形式：彎曲變形和薄膜伸張變形。載荷和最小速率之間的關(guān)系可以用Norton公式來表示：式中A為蠕變參數(shù)，F(xiàn)為載荷，QUOTE代表速率。對公式兩邊分別取對數(shù)可得：=+由上述的兩個試驗經(jīng)過制圖軟件Origin可以分別求出最小速率（Origin的前提條件是同一溫度下不同載荷），上述公式可求得n=1.0653,A=8.0213×10-5。如下圖4-3、4-4所示圖4-3Origin擬合圖圖4-4Origin擬合圖以上兩幅圖是經(jīng)過Origin直線擬合所得到的，Origin主要有兩大功能：數(shù)據(jù)分析和繪圖。Origin的數(shù)據(jù)分析包括信號處理、峰值分析、圖像處理、曲線擬合和統(tǒng)計等各種數(shù)學分析功能。將數(shù)據(jù)準備好后，進行數(shù)據(jù)分析時，只需要選擇需要分析的數(shù)據(jù)，再選擇需要的菜單命令即可。用戶可自定義數(shù)學函數(shù)、繪圖模板，可以和各種圖像處理軟件連接。5結(jié)論本文的計算結(jié)果，對制定相應的小沖桿試驗的標準與規(guī)范提供了技術(shù)參考，可以通過控制樣品和試驗裝置的制作，制定小沖桿試驗的相關(guān)標準。文章對Ti60材料進行特定溫度和載荷下的小沖桿蠕變試驗，得到Ti60材料的小沖桿蠕變Norton參數(shù)，證明小沖桿法能夠得到材料的蠕變性能。從敘述試驗材料的選取到小沖桿試驗法的原理、試驗裝置，從選取材料的原則到試驗裝置的功能作用，同時探討了小沖桿試驗法的存在的一些問題和展望前景及研究目的來系統(tǒng)描述了試驗法的可取之處，之后通過一系列的規(guī)范嚴謹?shù)牟襟E來描述小沖桿試驗法的試驗過程，使整個過程完善無缺，最后通過最小二乘法曲線擬合和Origin制圖軟件的分析以及Norton公式求得蠕變參數(shù)。6展望到目前為止，對小沖桿蠕變的研究，不同實驗室得到的結(jié)果都不太一樣，但至少都證明了小沖桿試驗法可以合理的測試材料的蠕變性能。試樣厚度、壓球直徑、加載速度等均會對試驗結(jié)果產(chǎn)生重要影響，并且小沖桿蠕變試驗本身也會受到諸如試樣表面氧化等因素的影響，導致試驗結(jié)果的偏差。如果在小沖桿試驗法的基礎上面，再使用CAE有限元模擬，結(jié)合曲線擬合的方法，就可以很大程度上減少了試驗本身以及試驗數(shù)據(jù)處理過程中出現(xiàn)的各種誤差對試驗結(jié)果的影響，同時大大的