孫標(biāo)

（神華國(guó)華（北京）電力研究院有限公司，北京100025）

電站金屬微創(chuàng)試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

孫標(biāo)

（神華國(guó)華（北京）電力研究院有限公司，北京100025）

微創(chuàng)試驗(yàn)技術(shù)是以對(duì)部件微小損傷為代價(jià)獲取微小試樣進(jìn)行材料性能及組織研究，微創(chuàng)試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用于電站金屬評(píng)估方面可以解決電站傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)信息不全面、常規(guī)取樣試驗(yàn)方法破壞性大且成本昂貴等問(wèn)題。通過(guò)對(duì)微創(chuàng)試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展、方法及應(yīng)用的闡述，對(duì)比分析其與傳統(tǒng)試驗(yàn)方法在電站金屬試驗(yàn)方面應(yīng)用的優(yōu)劣，認(rèn)為采用微創(chuàng)試驗(yàn)技術(shù)獲取電站金屬材料在長(zhǎng)期高溫服役下的組織、性能等劣化數(shù)據(jù)，對(duì)電站高溫金屬部件剩余壽命評(píng)估是可行的，突破傳統(tǒng)取樣試驗(yàn)對(duì)評(píng)估工作的限制，具有較好的發(fā)展和應(yīng)用空間，對(duì)電站后續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行十分必要。

微創(chuàng)試驗(yàn)技術(shù)；電站金屬；高溫服役；壽命評(píng)估

0　引　言

隨著我國(guó)對(duì)能源利用效率及環(huán)境需求不斷提高，近年來(lái)我國(guó)大力發(fā)展和建設(shè)先進(jìn)的超超臨界鍋爐等高效節(jié)能環(huán)保電廠，新型耐熱鋼材料如P92、HR3C、Super304H等開(kāi)始在火電機(jī)組中得到廣泛應(yīng)用［1-2］。機(jī)組中大量高溫承壓部件，如鍋爐壓力容器、主蒸汽管道等，其運(yùn)行溫度與壓力相對(duì)較高、服役環(huán)境惡劣。隨著節(jié)能環(huán)保高參數(shù)機(jī)組的大力建設(shè)，機(jī)組運(yùn)行溫度和壓力將進(jìn)一步提高，使得材料服役條件更加惡劣。金屬材料長(zhǎng)期在高溫高壓和腐蝕條件下運(yùn)行，容易受到拘束應(yīng)力、熱應(yīng)力、化學(xué)腐蝕等因素的作用，材料會(huì)發(fā)生劣化，材料性能下降，縮短設(shè)備的使用壽命。為了保證電站機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，在金屬壽命評(píng)估過(guò)程中，需要對(duì)服役材料進(jìn)行性能和微觀組織結(jié)構(gòu)分析，評(píng)估高溫服役后材料的劣化程度，預(yù)測(cè)高溫部件的剩余壽命和評(píng)價(jià)含缺陷高溫部件的完整性［3］。

傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)方法和取樣檢測(cè)方法都一直在這些方面發(fā)揮著作用，可是兩者各有其局限性。傳統(tǒng)無(wú)損檢驗(yàn)方法如覆膜金相和里氏硬度法，雖然操作簡(jiǎn)單、無(wú)損，但是所知的信息量有限，也不足夠精確，尤其是近年來(lái)隨著超超臨界機(jī)組的發(fā)展，新型馬氏體和奧氏體耐熱鋼的應(yīng)用顯示，金相分析在老化評(píng)估方面己不能滿足要求，需要TEM、SEM等更深一步的微觀組織分析。傳統(tǒng)取樣性能測(cè)試方法，結(jié)果比較準(zhǔn)確，但對(duì)于高溫高壓下運(yùn)行的設(shè)備往往采用破壞性試驗(yàn)，即要獲得材料性能在長(zhǎng)期高溫高壓運(yùn)行后的材料劣化狀況，就需要從在役設(shè)備上截取足以完成性能試驗(yàn)的一塊試驗(yàn)段。對(duì)于多數(shù)設(shè)備來(lái)說(shuō)，這種做法是不允許的，成本高、破壞性大、還需補(bǔ)焊，限制了在役設(shè)備壽命評(píng)估技術(shù)的應(yīng)用。因此，基于“無(wú)損取樣”概念的新型試驗(yàn)方法——微創(chuàng)試驗(yàn)技術(shù)［4-5］得以快速發(fā)展，可以有效、經(jīng)濟(jì)、安全、小代價(jià)地評(píng)估在役設(shè)備材料性能和設(shè)備使用安全性。

1　微創(chuàng)試驗(yàn)技術(shù)

微創(chuàng)，就是微小創(chuàng)口、微小損傷。微創(chuàng)試驗(yàn)技術(shù)就是采用小尺寸試樣，以微小損傷的代價(jià)評(píng)價(jià)材料的性能。常見(jiàn)有：微斷裂韌性試驗(yàn)，采用微小夏比V型試樣、SENB試樣和CT試樣的斷裂韌性試驗(yàn)；微試樣拉伸試驗(yàn)以及小沖孔試驗(yàn)技術(shù)［6-8］。微創(chuàng)試驗(yàn)技術(shù)所需試樣尺寸小，可以直接從在役設(shè)備上制備，對(duì)設(shè)備損傷小，兼具無(wú)損取樣和取樣方便的優(yōu)勢(shì)，可以用來(lái)研究金屬材料、復(fù)合材料、無(wú)機(jī)材料以及研究涂層的性能。目前，微創(chuàng)試驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)用來(lái)測(cè)量材料的多軸應(yīng)力/應(yīng)變、屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、韌脆轉(zhuǎn)變溫度和斷裂韌性等，應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)涉及火電、核工業(yè)、石油化工、航空、航天等行業(yè)。

1.1微斷裂韌性試驗(yàn)

斷裂力學(xué)方法是評(píng)估壓力容器、管道等結(jié)構(gòu)完整性常用方法。斷裂力學(xué)評(píng)定需要涉及設(shè)備的服役壓力、材料的強(qiáng)度和斷裂韌性如J、CTOD、KIC和FATT等。材料的斷裂韌性一般通過(guò)CT、SENB和夏比沖擊試樣獲得。對(duì)于一些實(shí)際結(jié)構(gòu)，可能由于尺寸限制，無(wú)法制備標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小尺寸的常規(guī)試樣。因此，微小夏比V型、SENB和CT試樣的斷裂韌性試驗(yàn)方法得以發(fā)展，可采用小尺寸試樣進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)建立與常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比關(guān)系，間接地獲得材料的斷裂韌性［9］。這種方法在核電中目前應(yīng)用較為廣泛，還可以使用在無(wú)法破壞性取樣的設(shè)備上。Maloy［10］和Jia等［11］利用這種方法研究了核電受輻射材料的斷裂韌性。

1.2微拉伸試驗(yàn)

微拉伸試樣形式，和常規(guī)的拉伸試樣形式相同，區(qū)別是試樣的直徑更小或者寬度更窄，可以小到2mm［12］。對(duì)于不能加工或者不易加工標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣的材料，可以采用微拉伸試樣獲得拉伸性能。微拉伸試樣既能反映材料局部特性，也可以用來(lái)研究結(jié)構(gòu)不均勻材料的力學(xué)性能。微拉伸試驗(yàn)可以用來(lái)分析：

1）焊接接頭不同區(qū)域的材料性能以及各區(qū)域性能的梯度變化情況。

2）小截面半成品的材料性能測(cè)試。

3）無(wú)法制備標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣的材料力學(xué)性能分析，如失效分析。

4）小尺寸焊接接頭的力學(xué)性能測(cè)量，如激光焊件、等離子束焊件。

5）微型元件的力學(xué)性能測(cè)量，如電子封裝件。

此外，微拉伸試樣不僅可以分析材料常溫力學(xué)性能，還可以用于高溫力學(xué)性能以及高溫蠕變性能的測(cè)量。初瑞清等［13］用結(jié)構(gòu)均勻的X60鋼測(cè)試了微拉伸試樣的拉伸強(qiáng)度的可靠性，發(fā)現(xiàn)試樣尺寸對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響很小，微型試樣測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)全厚尺寸試樣測(cè)量結(jié)果的差別不大。Zhao等［14］利用有限元模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析了微拉伸試樣的尺寸和幾何形狀對(duì)材料力學(xué)性能的影響，為微拉伸試驗(yàn)提供指導(dǎo)。Nogami等［15］利用微試樣研究了鐵素體材料的疲勞性能，以及試樣的尺寸和形式對(duì)疲勞性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：對(duì)于圓棒試樣，試樣尺寸和形式對(duì)疲勞性能沒(méi)有影響；對(duì)于板材試樣，試樣尺寸沒(méi)有影響，試樣形式有影響。因此，其建議采用圓棒型微試樣評(píng)估材料的疲勞性能。

1.3小沖孔試驗(yàn)技術(shù)

小沖孔試驗(yàn)技術(shù)是在20世紀(jì)80年代，美國(guó)AMES實(shí)驗(yàn)室［16］為評(píng)定核電受輻射材料的性能開(kāi)發(fā)的。小沖孔試驗(yàn)裝置的示意圖如圖1所示，主要由沖桿、壓頭、上下固定平臺(tái)、加載裝置和測(cè)量裝置構(gòu)成。試樣的形式主要有圓形和方形兩種，試樣的尺寸一般是厚度0.1～0.5mm，直徑（邊長(zhǎng)）3～10mm。壓頭的形式主要有球形、錐形和圓柱形，目前廣泛應(yīng)用的是球形壓頭，一般是由陶瓷加工而成。其基本原理就是利用沖桿以恒定的速率或者在恒定的載荷下沖壓薄片試樣，記錄試樣從變形到斷裂整個(gè)過(guò)程中的載荷-位移（或者變形撓度）數(shù)據(jù)，并借此分析和獲得材料各種性能的試驗(yàn)方法。

圖1　小沖孔試驗(yàn)示意圖

小沖孔試驗(yàn)典型的載荷-位移曲線如圖2所示，可以看出其變形過(guò)程主要分為4個(gè)階段：

圖2　小沖孔試驗(yàn)的載荷-位移曲線

I彈性彎曲變形階段。和常規(guī)的拉伸試驗(yàn)相似，初期試樣發(fā)生彈性變形，不同的是小沖孔試驗(yàn)局部會(huì)發(fā)生塑形變形。

II塑形彎曲變形階段。該階段試樣的塑性變形逐漸增大，并從球形壓頭與試樣的接觸處沿厚度和半徑方向逐漸擴(kuò)展。

III薄膜伸張階段。在該階段導(dǎo)致試樣變形的不再是彎曲應(yīng)力，而是圓球壓頭與試樣接觸面的邊緣的拉伸應(yīng)力。

IV塑性失穩(wěn)和斷裂階段。在這一階段，主裂紋形成并沿塑性失穩(wěn)面逐漸擴(kuò)展。

基于小沖孔試樣變形的理論分析，就可以獲得材料的常規(guī)力學(xué)性能，如抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷裂韌性、韌脆轉(zhuǎn)變溫度等。Okada和García等［17-18］研究了小沖孔試驗(yàn)結(jié)果和常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果兩者之間的聯(lián)系，分析了兩者試驗(yàn)曲線的異同，利用載荷-位移曲線獲得材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等性能。Bulloch和Fleury等［19-20］利用該技術(shù)研究了未服役材料以及服役材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，建立了描述小沖孔試驗(yàn)測(cè)定的韌脆轉(zhuǎn)變溫度（TSP）與標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)測(cè)定的韌脆轉(zhuǎn)變溫度（FATT）之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中α和β都是無(wú)量綱參數(shù)。

Cuesta和Turba等［21-23］利用含裂紋的小沖孔試樣分析了材料的斷裂韌性，并分別針對(duì)脆性材料和韌性材料建立了小沖孔試驗(yàn)的有效斷裂應(yīng)變和斷裂應(yīng)力與常規(guī)的材料脆性斷裂韌性KIC以及材料延性斷裂韌性JIC之間的關(guān)系。

式中：εsp、σsp——試樣的應(yīng)變和應(yīng)力；

k、c、J0——材料參數(shù)。

1.4小沖孔蠕變?cè)囼?yàn)技術(shù)

小沖孔蠕變?cè)囼?yàn)技術(shù)是在小沖孔試驗(yàn)技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的，針對(duì)材料高溫蠕變性能的測(cè)量和分析，用以評(píng)估高溫構(gòu)件的完整性［24］。其基本原理和小沖孔試驗(yàn)一致，只是其試驗(yàn)環(huán)境為高溫環(huán)境，且一般需要?dú)鍤獾臍怏w保護(hù)防止試樣的氧化。小沖蠕變?cè)囼?yàn)曲線和常規(guī)蠕變?cè)囼?yàn)曲線對(duì)比如圖3所示。

圖3　小沖孔蠕變曲線和單軸蠕變曲線對(duì)比

小沖孔試驗(yàn)測(cè)得的蠕變曲線和單軸蠕變曲線類似，也是有3個(gè)不同階段組成：

I撓曲變形速率遞減階段，初始階段曲線的斜率逐漸減小，對(duì)應(yīng)于單軸蠕變初始階段。

II穩(wěn)定撓曲速率變形階段，第二階段曲線的斜率基本保持不變，對(duì)應(yīng)于穩(wěn)態(tài)蠕變階段。

III撓曲變形速率加速階段，第三階段的曲線斜率急劇增大，直至試樣發(fā)生斷裂速，對(duì)應(yīng)于單軸蠕變的快速變形階段。

常規(guī)的蠕變斷裂試驗(yàn)中，斷裂時(shí)間tr與承受應(yīng)力σ之間的關(guān)系為

而小沖孔蠕變?cè)囼?yàn)中，也發(fā)現(xiàn)破斷時(shí)間tr和施加的載荷FSP之間具有一定關(guān)系為

式中B和n是蠕變參數(shù)，取決于材料本身。

根據(jù)小沖孔試樣的變形過(guò)程，可獲得小沖孔蠕變時(shí)施加載荷FSP和試樣承受等效應(yīng)力σeq的關(guān)系［25］為

式中：RSP——壓頭的直徑；

t0——試樣的初始厚度；

r——變形區(qū)域的半徑；

KSP——無(wú)量綱的相關(guān)系數(shù)，取決于材料本身。

因此，利用小沖孔蠕變?cè)囼?yàn)技術(shù)也可以獲得材料的破斷時(shí)間和承受應(yīng)力的關(guān)系，進(jìn)而評(píng)價(jià)材料的剩余壽命［26］。

目前，歐洲、美國(guó)、中國(guó)等的電力研究院和試驗(yàn)室，如DEN、EPRI、IMT、IPM、CISE、JRC及IMMT等已經(jīng)在開(kāi)展小沖孔蠕變?cè)囼?yàn)技術(shù)評(píng)估材料的高溫蠕變性能，并逐漸延伸評(píng)估在役設(shè)備的使用安全性和剩余壽命評(píng)估。Zhai和Zhou等［27-28］利用有限元計(jì)算的手段，研究了小沖孔試樣的厚度、直徑、載荷水平、壓頭直徑、溫度以及保護(hù)氣體對(duì)小沖孔蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果的影響，且研究了小沖孔蠕變?cè)囼?yàn)過(guò)程中的變形情況，進(jìn)一步明確了小沖孔蠕變變形的機(jī)理。對(duì)于超超臨界機(jī)組新型耐熱鋼P(yáng)91、P92鋼的焊接接頭高溫服役時(shí)，易在接頭的細(xì)晶區(qū)發(fā)生IV型早期開(kāi)裂失效。Komazaki和Kato等［29-30］利用小沖孔蠕變?cè)囼?yàn)技術(shù)分析了焊接接頭各個(gè)微區(qū)（細(xì)晶區(qū)、粗晶區(qū)、母材和焊縫金屬）的高溫強(qiáng)度，試驗(yàn)得到的材料高溫強(qiáng)度和常規(guī)蠕變?cè)囼?yàn)的結(jié)果具有一致性，可以用來(lái)評(píng)價(jià)焊接接頭服役時(shí)的壽命。Izaki等［31］利用該技術(shù)評(píng)估了服役后2.25Cr-1Mo鋼過(guò)熱器的高溫性能，并評(píng)估了設(shè)備的剩余壽命。

1.5壓痕試驗(yàn)法

壓痕試驗(yàn)法是根據(jù)硬度測(cè)試衍生發(fā)展起來(lái)的表征材料力學(xué)性能的評(píng)價(jià)方法。通過(guò)在材料表面形成一個(gè)幾十微米到幾百微米級(jí)的壓痕，就可以實(shí)現(xiàn)材料的力學(xué)性能測(cè)試，如屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變曲線、應(yīng)變硬化指數(shù)和斷裂韌性等。由于壓痕很小，壓痕試驗(yàn)法測(cè)試過(guò)程不需破壞試樣和不需要從結(jié)構(gòu)上移走一部分測(cè)試試樣，與傳統(tǒng)的材料力學(xué)性能評(píng)價(jià)方法相比，具有無(wú)損、便捷、準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)，可評(píng)價(jià)高溫高壓設(shè)備服役后材料性能劣化程度，尤其是可以用來(lái)評(píng)價(jià)焊接接頭的局部區(qū)域，如焊縫和熱影響區(qū)的性能劣化情況。

按照壓頭形狀分類，壓痕法主要分為錐形壓頭和球形壓頭。兩種壓頭的測(cè)試方法相似，但由于球形壓頭的旋轉(zhuǎn)拋物面特性，與其他棱錐型或圓錐型壓頭相比，更容易獲得材料的各種力學(xué)性能，因此目前研究和應(yīng)用均集中在球形壓痕技術(shù)［32-34］。

壓痕試驗(yàn)法由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，自發(fā)展以來(lái)就成為了國(guó)內(nèi)外研究重點(diǎn)。Murty等［34］采用球形壓痕測(cè)試技術(shù)研究了高溫鋼SA-533B的力學(xué)性能梯度和焊接接頭斷裂性能梯度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，球形壓痕法測(cè)試母材和焊縫金屬的結(jié)果與拉伸結(jié)果一致，屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、強(qiáng)度系數(shù)和應(yīng)變硬化指數(shù)的相對(duì)誤差都低于7%；焊縫金屬的流變應(yīng)力和加工硬化速度比母材金屬低。Haggag等［35］開(kāi)發(fā)多循環(huán)的自動(dòng)球壓痕方法，利用壓痕載荷與壓痕深度數(shù)據(jù)計(jì)算材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，并用于服役中的航空鋁合金的力學(xué)性能的評(píng)價(jià)。湯杰［36］采用自動(dòng)壓痕試驗(yàn)法測(cè)量結(jié)構(gòu)鋼及其應(yīng)變時(shí)效后的力學(xué)性能。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)在一定程度上可代替常規(guī)試驗(yàn)方法。崔航等［37］采用量綱分析法，建立了球形壓頭的無(wú)量綱函數(shù)，通過(guò)此無(wú)量綱函數(shù)和有限元數(shù)值計(jì)算的方法，獲得了金屬材料的屈服強(qiáng)度和應(yīng)變硬化指數(shù)。饒德林［33］利用球形壓痕法試驗(yàn)法，通過(guò)多級(jí)循環(huán)加載方法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分析了5083鋁合金材料力學(xué)性能，測(cè)量結(jié)果和拉伸試驗(yàn)結(jié)果具有很好的一致性。

隨著球形壓痕技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，逐漸發(fā)展到可用來(lái)分析材料蠕變性能以及蠕變機(jī)理，這種技術(shù)又稱為壓痕蠕變?cè)囼?yàn)技術(shù)。壓痕蠕變?cè)囼?yàn)技術(shù)，與傳統(tǒng)拉伸蠕變相比較，試驗(yàn)過(guò)程需要的試樣數(shù)量少；可用于新型材料和特殊材料的蠕變研究；缺少拉伸蠕變的第三階段，變形較穩(wěn)定；在某些情況下可方便、快捷地實(shí)現(xiàn)在役、非破壞測(cè)量。Yue等［38］利用有限元數(shù)值模擬的方法，分析了壓痕蠕變法測(cè)量?jī)上嗖牧系娜渥冃阅芸赡苄?。Su等［39］用壓痕蠕變測(cè)試了材料的冪指數(shù)蠕變性能，測(cè)量結(jié)果和單軸蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果具有很好的一致性。Gao等［40］用該方法分析了單晶Cu蠕變性能對(duì)應(yīng)變速率的敏感型，并分析了壓痕蠕變的機(jī)理以及影響蠕變變形速率的因素。趙彬等［41］采用有限元方法分析了圓錐壓頭、球形壓頭和圓柱形平壓頭作用下鋁合金的壓痕蠕變行為。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于高溫壓痕蠕變，確定材料蠕變參數(shù)時(shí)，平壓頭具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)：壓頭下方的應(yīng)力場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定，可不考慮摩擦和堆積的影響，計(jì)算簡(jiǎn)便準(zhǔn)確。

2　與傳統(tǒng)試驗(yàn)方法對(duì)比分析

面對(duì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的雙重壓力，火電機(jī)組正向高參數(shù)的節(jié)能、環(huán)保和高效的超超臨界機(jī)組發(fā)展，一些高溫承載構(gòu)件的破壞往往會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果和重大的經(jīng)濟(jì)損失，這就需要定期對(duì)在役承壓部件材料劣化程度進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估部件的剩余壽命和安全性。微創(chuàng)試驗(yàn)技術(shù)可以利用從在役結(jié)構(gòu)的表面獲取比常規(guī)試樣尺寸小的試樣或者直接在結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行測(cè)試來(lái)評(píng)估構(gòu)件的性能，在不損壞在役結(jié)構(gòu)完整性的前提下，獲得材料服役后各種力學(xué)性能如蠕變持久強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷裂韌性等，進(jìn)而評(píng)價(jià)在役結(jié)構(gòu)的安全性和剩余壽命。微創(chuàng)試驗(yàn)技術(shù)，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以經(jīng)濟(jì)、高效地實(shí)現(xiàn)電站高溫金屬部件的完整性評(píng)估。微創(chuàng)技術(shù)和傳統(tǒng)方法的優(yōu)劣對(duì)比如表1所示。

表1　微創(chuàng)試驗(yàn)技術(shù)與傳統(tǒng)金屬監(jiān)督方法的對(duì)比

和傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法和破壞性試驗(yàn)方法對(duì)比，微創(chuàng)試驗(yàn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下：

1）可以兼具兩者的優(yōu)勢(shì)，既可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)的理化分析如金相覆膜、硬度分析，又可以幾乎無(wú)損、低成本、低風(fēng)險(xiǎn)、較短維修周期獲得服役后材料的各種力學(xué)性能變化。

2）對(duì)設(shè)備損傷小，避免割管帶來(lái)的焊接缺陷安全隱患和補(bǔ)焊施工的各項(xiàng)費(fèi)用。

3）可以實(shí)現(xiàn)對(duì)火電機(jī)組中金相組織異常、硬度變化異常、析出物變化異常、管系溫度危險(xiǎn)段、管系應(yīng)力危險(xiǎn)段部件等實(shí)際材料性能的測(cè)量，準(zhǔn)確分析材料性能的變化及評(píng)估設(shè)備后續(xù)服役能力。

3　微創(chuàng)試驗(yàn)技術(shù)存在問(wèn)題

微創(chuàng)試驗(yàn)技術(shù)采用的都是小尺寸試樣，試樣的尺寸均在是厘米級(jí)，試樣的長(zhǎng)度和厚度的差別不是很大，沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的尺寸效應(yīng)和拘束效應(yīng)，其測(cè)得試驗(yàn)結(jié)果和常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)試樣具有較好的一致性［13-15］。此外，微創(chuàng)試驗(yàn)技術(shù)直接利用在役部件上制備的小尺寸試樣或直接在部件表面上進(jìn)行材料性能測(cè)試，對(duì)大型在役部件幾乎無(wú)損，因此這種技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注。但實(shí)現(xiàn)彌補(bǔ)現(xiàn)有的在役機(jī)組關(guān)鍵設(shè)備的材料性能監(jiān)督以及壽命評(píng)估的不足，形成微創(chuàng)壽命評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)，還需解決以下問(wèn)題：

1）微創(chuàng)試驗(yàn)技術(shù)對(duì)材料結(jié)構(gòu)均勻度，相比常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，更為敏感，微創(chuàng)試驗(yàn)技術(shù)獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分散性要高于常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)試樣。因此在用微創(chuàng)試驗(yàn)反映材料力學(xué)性能時(shí)，還需要盡可能地采用較多的試樣，取試驗(yàn)結(jié)果的平均值［13］。微創(chuàng)試驗(yàn)技術(shù)分析主要針對(duì)結(jié)構(gòu)的表面，而大型部件內(nèi)外表面的材料性能具有一定的差異，因此還需要進(jìn)一步研究大型部件內(nèi)外表面材料性能的差距，才能保證評(píng)估的準(zhǔn)確性。

2）微創(chuàng)試驗(yàn)技術(shù)對(duì)小尺寸試樣的表面質(zhì)量、試樣尺寸等要求，要遠(yuǎn)高于常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)試樣，即使是相差很小也會(huì)導(dǎo)致結(jié)果有一定的偏差。錢珍梅［42］在研究小沖孔蠕變?cè)囼?yàn)技術(shù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)試樣的厚度變化為1μm，就會(huì)導(dǎo)致試樣斷裂時(shí)間相差約2%。Zhou［28］利用有限元計(jì)算的方法，分析小沖孔蠕變?cè)囼?yàn)條件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)試樣的厚度、壓頭直徑、溫度以及保護(hù)氣體都會(huì)影響小沖孔蠕變?cè)囼?yàn)的破斷時(shí)間，而試樣的直徑對(duì)破斷時(shí)間的影響不大。

微創(chuàng)試驗(yàn)技術(shù)由于其對(duì)試驗(yàn)精度要求高，試驗(yàn)中的微小差異都有可能會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。為了消除試驗(yàn)過(guò)程中參數(shù)的影響，在分析微創(chuàng)試驗(yàn)結(jié)果時(shí)，通常是建立相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式，用以消除不同試驗(yàn)參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

3）微創(chuàng)試驗(yàn)技術(shù)獲得試驗(yàn)結(jié)果和常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果通常具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為了得到常規(guī)材料性能數(shù)據(jù)，還需建立相應(yīng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系。且這種轉(zhuǎn)換關(guān)系一是會(huì)隨著材料的變化可能會(huì)發(fā)生變化，二是轉(zhuǎn)換關(guān)系的建立均借助有限元數(shù)值模擬的方法進(jìn)行系統(tǒng)分析。為了實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，還需對(duì)不同材料下的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)性的研究。

為了實(shí)現(xiàn)在役設(shè)備壽命的微創(chuàng)評(píng)估，還需建立相關(guān)的微創(chuàng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，用以規(guī)范各種試驗(yàn)參數(shù)和建立與常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)應(yīng)關(guān)系。美國(guó)和歐洲均在開(kāi)展微創(chuàng)實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)化研究，并已經(jīng)取得一些成果，我國(guó)起步較晚，還處于開(kāi)展階段。

4　結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)電站高溫金屬部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估以及延壽的研究，對(duì)保證高溫構(gòu)件的長(zhǎng)期安全工作具有重要意義。微創(chuàng)試驗(yàn)新技術(shù)可以采用微小尺寸試樣實(shí)現(xiàn)材料服役后各種性能測(cè)量，可以直接從在役設(shè)備上制取，對(duì)設(shè)備損傷在不影響在役設(shè)備正常運(yùn)行；并能解決制樣和取樣困難的在役設(shè)備的性能測(cè)試。微創(chuàng)試驗(yàn)技術(shù)將彌補(bǔ)目前電站高溫金屬部件壽命評(píng)估的不足。尤其是隨著超超臨界機(jī)組的大力建設(shè)，新材料的服役時(shí)間增加，對(duì)其服役后的性能進(jìn)行監(jiān)督分析，微創(chuàng)試驗(yàn)技術(shù)必將會(huì)在電站承壓在役設(shè)備壽命和安全性評(píng)估中越來(lái)越得到廣泛地應(yīng)用。

［1］于鴻垚，董建新，謝錫善.新型奧氏體耐熱鋼HR3C的研究進(jìn)展［J］.世界鋼鐵，2010（2）：42-49.

［2］趙林，董顯平，孫鋒，等.Super304H超超臨界鍋爐過(guò)熱器管長(zhǎng)期服役后的顯微組織及力學(xué)性能［J］.機(jī)械工程材料，2013（7）：28-32.

［3］軒福貞，涂善東.高溫環(huán)境下在用壓力容器檢測(cè)與安全評(píng)估技術(shù)研究進(jìn)展（二）——評(píng)估方法［J］.壓力容器，2002，19（10）：1-5.

［4］ODETTE G R，HE M，GRAGG D，et al.Some recent innovations in small specimen testing［J］.Journal of Nuclear Materials，2002，307-311（02）：1643-1648.

［5］張小亮，王兆希.小沖桿試驗(yàn)方法研究進(jìn)展及存在的問(wèn)題［J］.中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2008，34（1）：10-14.

［6］LUCAS G E.Review of small specimen test techniques for irradiation testing［J］.Metallurgical Transactions A，Physical Metallurgy and Materials Science，1990，21（5）：1105-1119.

［7］ROSINSKI S T，CORWIN W R.ASTM cross-comparison exercise on determination of material properties through miniature sample testing［J］.ASTM Special Technical Publication，1998（1329）：3-14.

［8］艾芒，楊鎮(zhèn).小沖孔試驗(yàn)法的起源，發(fā)展和應(yīng)用［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2000，22（4）：279-282.

［9］SHEKHTER A，KIM S，CARR D G，et al.Assessment of temper embrittlement in an ex-service 1Cr-1Mo-0.25V power generating rotor by Charpy V-Notch testing，KIc fracture toughness and small punch test［J］.International Journal of Pressure Vessels and Piping，2002，79（8-10）：611-615.

［10］MALOY S A，JAMES M R.The mechanical properties of316L/304Lstainlesssteels，Alloy718andMod 9Cr21Mo after irradiation in a spallation environment［J］. Journal of Nuclear Materials，2001，296（1-3）：119-128.

［11］JIA X，DAI Y.The change of f racture toughness of martensitic steels af ter irradiation in SINQ target-3［J］. Journal of Nuclear Materials，2006，356（1-3）：50.

［12］DJORDJE D，JUNGHANS E.Determination of the tensile properties of specimens with small dimensions［J］. Kovine，Zlitine，Tehnologije，1999，33（6）：451.

［13］初瑞清，段占強(qiáng)，董翰，等.微型拉伸試樣的設(shè)計(jì)及其在高性能管線鋼研究中的應(yīng)用［J］.金屬學(xué)報(bào)，2006，36（6）：626.

［14］ZHAO Y H，GUO Y Z，WEI Q，et al.Influence of specimen dimensions and strain measurement methods on tensile stress-strain curves［J］.Materials Science and Engineering，2009，525（1-2）：68-77.

［15］NOGAMI S，NISHIMURA A，WAKAI E，Tanigawa H，Itoh T，Hasegawa A.Development of fatigue life evaluation method using small specimen［J］.Journal of Nuclear Materials，2013，441（1-3）：125-132.

［16］BAIK J M，KAMEDA J，BUCK O.Small punch test evaluationofintergranularembrittlementofanalloy steel［J］.Scripta Metallurgica，1983，17（12）：1443-1447.

［17］OKADA A，LUCAS G E，KIRITANI M.Micro-bulge test and its application to neutron-irradiated metals［J］. Transactions of the Japan Institute of Metals，1988，29（2）：99-108.

［18］GARCíA T E，RODRíGUEZ C，BELZUNCE F J，et al. Estimation of the mechanical properties of metallic materials by means of the small punch test［J］.Journal of Alloys and Compounds，2014，582（1）：708-717.

［19］BULLOCH J H.A study concerning material fracture toughness and some small punch test data for low alloy steels［J］.Engineering Failure Analysis，2004，11（4）：635-653.

［20］FLEURY E，HA J S.Small punch tests to estimate the mechanical properties of steels for steam power plant：I. Mechanicalstrength［J］.International Journal of Pressure Vessels and Piping，1998，75（9）：699-706.

［21］CUESTA I I，RODRIQUEZ C，BELZUNCE F J，et al. Analysisofdifferenttechniquesforobtainingprecracked/notchedsmallpunch test specimens［J］.Engineering Failure Analysis，2011，18（8）：2282-2287.

［22］CUESTA I I，ALEGRE J M.Determination of the fracture toughness by applying astructural integrityapproach to pre-cracked Small Punch Test specimens［J］. Engineering Fracture Mechanics，2011，78（2）：289-300.

［23］TURBA K，GüL?IMEN B，LI Y Z，et al.Introduction of a new notched specimen geometry to determine fracturepropertiesbysmall punch testing［J］.Engineering Fracture Mechanics，2011，78（16）：2826-2833.

［24］凌祥，周志祥，解巧云.小沖孔試驗(yàn)技術(shù)研究及其應(yīng)用［J］.南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，31（2）：106-110.

［25］BLAGOEVA D T，HURST R C.Application of the CEN（european committee for standardization）small punch creep testing code of practice to a representative repair welded P91 pipe［J］.Materials Science and Engineering：A，2009，510-511（1）：219-223.

［26］MA Y W，SHIM S，YOON K B.Assessment of power law creep constants of Gr91 steel using small punch creeptests［J］.Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures，2009，32（12）：951-960.

［27］ZHAI P C，HASHIDA T，KOMAZAKI SI，et al.Numerical analysis for small punch creep tests by finiteelementmethod［J］.Journalof Testing and Evaluation，2005，33（4）：298-303.

［28］ZHOU Z，ZHENG Y，LING X，et al.A study on influence factors of small punch creep test by experimentalinvestigation and finite element analysis［J］.Materials Science and Engineering：A，2010，527（10-11）：2784-2789.

［29］KOMAZAKI S I，KATO T，KOHNO Y，et al.Creep property measurements of welded joint of reduced-activation ferritic steel by the small-punch creep test［J］. Materials Science and Engineering：A，2009，510-511（18）：229-233.

［30］KATO T，KOMAZAKI S I，KOHNO Y，et al.Hightemperature strength analysis of welded joint of RAFs by small punch test［J］.Journal of Nuclear Materials，2009，386（5）：520-524.

［31］IZAKI T，KOBAYASHI T，KUSUMOTO J，et al.A creep lifeassessmentmethodforboilerpipesusingsmall punchcreeptest［J］.InternationalJournal of Pressure Vessels and Piping，2009，86（9）：637-642.

［32］伍聲寶，關(guān)凱書(shū).球壓痕法評(píng)價(jià)材料拉伸性能的有限元分析［J］.設(shè)計(jì)計(jì)算，2012，29（9）：33-40.

［33］饒德林.5083鋁合金力學(xué)性能的球壓痕法檢測(cè)研究［J］.航空精密制造技術(shù)，2013，49（2）：35-38.

［34］MURTY K L，MATHEW M D，WANG Y，et al.Nondestructive determination of tensile properties and fracture toughness of cold worked A36 steel［J］.International Journal of Pressure Vessels and Piping，1998，75（11）：831-840.

［35］HAGGAG F M，LUCAS G E.Determination of luders strains and flow properties in steels from hardness/microhardness tests［J］.Metallurgical and Materials Transactions A，1983，14（8）：1607-1613.

［36］湯杰.自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)測(cè)定結(jié)構(gòu)鋼及其應(yīng)變時(shí)效后力學(xué)性能的研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2013.

［37］崔航，陳懷寧，陳靜，等.球形壓痕法評(píng)價(jià)材料屈服強(qiáng)度和應(yīng)變硬化指數(shù)的有限元分析［J］.金屬學(xué)報(bào)，2009，45（2）：189-194.

［38］YUE Z F，EGGELER G，ST?CKHERT B.A creep finite elementanalysis ofindentationcreeptestingintwo phase microstructures（particle/matrix-and thin film/substrate-systems）［J］.Computational Materials Science，2001，21（1）：37-56.

［39］SU C，HERBERT E G，SOHN S，et al.Measurement of power-law creep parameters by instrumented indentation methods［J］.Journal of the Mechanics and Physics of Solids，2013，61（2）：517-536.

［40］GAOY，WENS，PAN F.Creep rate sensitivities of materials by a depth-sensing indentation technique［J］. Journal of University of Science and Technology Beijing Mineral Metallurgy Material，2006，13（4）：308-312.

［41］趙彬，許寶星，岳珠峰.不同形狀壓頭作用下的壓痕蠕變數(shù)值研究［J］.力學(xué)季刊，2008，29（1）：143-150.

［42］錢珍梅.小沖孔蠕變?cè)囼?yàn)影響因素分析及應(yīng)用研究［D］.南京：南京工業(yè)大學(xué)，2005.

（編輯：李剛）

Development and application of micro damage testing technology for the power plant’s metal

SUN Biao
（Shenhua Guohua（Beijing）Electric Power Research Institute，Beijing 100025，China）

Micro damage testing technology is about studying the properties and structures of materials used at power stations at the cost of damaging a very tiny area of the parts for sampling.With respect to the evaluation of power stations，this technology can be used to solve theproblems suchasincomplete data of traditional nondestructive testing as well as large destruction and high cost of regular sampling test methods.Based on its development，methods and application as well as its advantages and disadvantages compared with conventional testing methods，it is believed that this technology is feasible in that the remaining service life of hightemperature metal parts can be estimated by obtaining the data for organization and property deterioration of metal materials after long-term high temperature service from power stations. Experiments suggest that this technology has broken the limitation of conventional sampling tests and has extensive development and application space，which is indispensible and significant for power stations to run safely and steadily.

micro damage testing technology；power plant’s metal；elevated temperature’s service；life prediction

A

1674-5124（2016）05-0011-07

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.05.003

2015-11-15；

2015-12-23

孫標(biāo)（1970-），男，吉林省吉林市人，高級(jí)工程師，主要從事電站金屬材料焊接、性能檢測(cè)、失效研究。