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引文格式：
Kim S, Ro U, Kim Y H, et al. Evaluation of creep properties using small punch creep test for modified 9Cr-1Mo steel[J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2022, 36(9): 4549-4561.
Kim, Sangyeop, et al. "Evaluation of creep properties using small punch creep test for modified 9Cr-1Mo steel." Journal of Mechanical Science and Technology 36.9 (2022): 4549-4561.
Kim, S., Ro, U., Kim, Y. H., Lee, T., & Kim, M. K. (2022). Evaluation of creep properties using small punch creep test for modified 9Cr-1Mo steel. Journal of Mechanical Science and Technology, 36(9), 4549-4561.
背景简介
超高温反应堆（VHTR）的压力容器由于在较高温度下长期运行，会发生蠕变损伤，对构件安全运行产生致命的不利影响。9Cr-1Mo钢被认为是VHTR压力容器的合适候选材料。为了克服传统单轴拉伸蠕变试验(UCT)的缺陷，尤其在不破坏在役设备结构完整性的角度，采用小冲杆蠕变试验(SPCT) 进行结构完整性评估，因此必须建立UCT的应变和应力与SPCT的位移和载荷之间的关系。
目前，已有一些学者将SPCT载荷和位移转化为UCT应力和应变数据，如何基于这些转换后的数据，并遵循Norton、Larson-Miller和Monkman-Grant的三角关系，构建在一定温度下仅使用SPCT对改性9Cr-1Mo钢进行蠕变性能评估的模型，对评估9Cr-1Mo蠕变性能参数具有重要的意义。
成果介绍
（1）在550℃的高温下，在四种不同的载荷条件下对改性9Cr-1Mo钢进行SPCT：62.5 kgf、65 kgf、70 kgf 和75 kgf。图1显示了冲头位移随时间的曲线，与UCT应变随时间的变化曲线相似。
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图1 550°C下改性9Cr-1Mo钢的小冲头蠕变试验曲线：（a）62.5 kgf；（b）65kgf；（c）70kgf；（d）75kgf
（2）基于Chakrabarty的膜拉伸理论，将SPCT的位移转换为UCT的应变，等效应变εeq可以用以下形式表示，其中h是冲头的位移：
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基于Chakrabarty的膜拉伸理论，将SPCT的载荷转换为UCT的应力，并且考虑了冲头和试样的接触角以及摩擦影响，等效应力σeq可以用以下形式表示：
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与UCT的应变曲线一样，等效应变曲线由四个阶段组成：瞬时变形、一次蠕变、二次蠕变和三次蠕变阶段。Norton和Monkman-Grant模型使用最小应变率而非应变来评估金属材料的蠕变特性，因此需要从等效应变曲线中选择最小应变率的额外过程。第二蠕变阶段的蠕变应变速率最小且恒定，因此选择基于蠕变寿命的30%-70%范围内的等效应变率平均值作为代表性最小等效应变率。
UCT在施加应力的整个时间内具有恒定的应力值，因为试样处于单轴应力状态。然而，与UCT不同，SPCT等效应力值在应力施加开始时迅速减小，在试样断裂前迅速增大，这是因为试样处于多轴应力状态。由于Norton和Larson- Miller模型使用应力来评估金属材料的蠕变特性，因此同样必须在变化的等效应力值中选择30%-70%范围内的等效应力平均值作为代表值，如图2所示。表1给出了仅通过SPCT得出的各荷载条件下的代表性等效最小应变率和代表性等效应力值。
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图2 550℃下改性9Cr-1Mo钢的等效应变、应变率和应力曲线：（a）62.5 kgf；（b）65 kgf；（c）70 kgf；（d）75 kgf
表1 550℃下改性9Cr-1Mo钢的等效应变和应力分析结果
（3）通过SPCT数据构建的三个蠕变性能评估模型之间建立三角关系。Norton和Larson-Miller模型将应力作为共同变量，Larson-Miller和Monkman-Grant模型包含蠕变寿命，Monkman Grant和Norton模型包含最小应变率。通过与这些二元集合中的公共变量之间的三角关系，重新定义两个模型的每个集合的公共变量来构建最终模型，如图3所示。通过SPCT和三角关系构建的蠕变性能评估模型显示出非常相似的结果。
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图3 改性9Cr-1Mo钢的蠕变性能评估模型，用于实验和方程式之间的比较：（a）Norton; (b) Larson-Miller; (c) Monkman-Grant
（4）用通过UCT得出的数据构建了Norton、Larson-Miller和Monkman-Grant蠕变特性评估模型，并通过与SPCT构建的模型进行比较，验证了仅通过SPCT得出的数据的有效性。特别是，Norton和Larson-Miller模型在两种测试方法之间显示出相当大的一致性。然而，在Monkman-Grant模型中，两种试验方法之间出现了差异，可能是因为与最小应变率相比，由于SPCT方法将非常薄的试样置于多轴应力状态下，导致断裂时间被低估。
  
图4 用小冲头和单轴蠕变试验比较的改性9Cr-1Mo钢的蠕变性能评估模型：（a）Norton；（b）Larson-Miller；（c）Monkman-Grant
致谢
本研究由教育部资助的韩国国家研究基金会（NRF）基础科学研究计划（2021R1A6A1A 03039696）支持。本文通讯作者：Kim M K（School of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University, 2066 Seobu-ro, Jangan-gu, Suwon-si, Gyeonggi-do, Korea; SKKU Advanced Institute of Nano Technology (SAINT), Sungkyunkwan University, 2066 Seobu-ro, Jangan-gu, Suwon-si, Gyeonggi-do, Korea）。
本期小编：王家兴（整理）
徐浩波（校对）
王康康（审核）
闵 琳（发布）
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