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背景简介

在材料可用性有限的情况下，例如在新合金开发过程中，或者在焊接接头、涂层等小长度尺度上存在性能梯度时，用标准尺寸试样评估材料的力学行为实际上是困难的。小冲杆试验技术广泛应用于火电、核电以及石化工厂的状态监测和剩余寿命评估。

针对现有的通过小冲杆试验确定极限抗拉强度(UTS)的方法，提出了一种改进的方法，该方法识别了薄膜拉伸区力-挠度曲线斜率中拐点对应的力。小冲杆变形时，材料塑性失稳的发生与这个拐点有关。与现有方法相比，在较宽的材料强度和延展性范围内，基于斜率法确定的UTS表现出较强的线性和较低的相对误差。

成果介绍

（1）采取瞬时斜率作为挠度的函数，可根据力-挠度曲线(FDC)的不同状态划分为四个不同阶段。在弹性弯曲阶段(a-b)，斜率-挠度曲线(SDC)呈线性递减，对应于塑性弯曲范围(b-c)的非线性增加。在膜拉伸区（c-d）的初始阶段，应变硬化的作用大于均匀厚度的减小，均匀厚度的减小导致斜率的增大。这之后是一个拐点，超过这个拐点， SDC在峰值力时逐渐减小到零，并进一步减小到试件完全破坏(d-e)。将该拐点确定为FDC中的失稳点，选择相应的力F_s与UTS进行关联（图1）。

图1 斜率-挠度曲线(SDC)与力-挠度曲线(FDC)绘制，描绘了拐点

（2）在变形的初始阶段，压头在试样表面产生初始压痕，试样中心出现厚度减小的现象。然而，增大冲头与试件接触面积和摩擦力会抑制变形，并使最大平面应变和最小厚度的峰值位置远离试件中心。在膜拉伸区域，最大平面应变和最小厚度的位置逐渐向外移动到试件的各个径向位置。在特定的径向位置上，最大平面应变和最小厚度开始局部化的挠度值被认为是试件失稳的点，该挠度值与从SDC拐点确定的值吻合（表1）。

表1 斜率法预测失稳位置与面内应变值的比较

（3）利用从拐点处确定的F_s和u_s，用各种材料的UTS绘制下式(1)所示参数(斜率法)，并与下式(2)(ALT法)和下式(3)(峰值力法)参数进行对比（图2）。利用最小二乘线性回归分析，确定了上述各参数与UTS的相关系数(β)。斜率法(F_s)的线性拟合系数R₂为0.998，峰值力法和ALT法的线性拟合系数R₂分别为0.984和0.974。峰值力法和ALT法的相对误差分别在(-)11-15%和(-)10-21%之间，而斜率法的相对误差在(-)4-5%之间，要小得多(图3)。对于延性范围较广的金属材料，斜率法比峰值力法和ALT法提供了更好的UTS估计。

UTS表示为

图2 不同材料的有限元模拟结果，比较斜率法与ALT法和峰值力法的UTS

图3 小冲杆有限元模拟结果估计UTS的相对误差

（4）实验数据得到的相关常数(β_UTS)与数值分析得到的相吻合。斜率法的相关系数较高(R² = 0.999)，其次是峰值力法(R² = 0.997)和ALT法(R² = 0.979)（图5）。三种方法的小冲杆试验估计的UTS相对于拉伸UTS的相对误差如图6所示。与数值结果相似，对于延性较高的材料(SS 316LN和Inconel 617)， ALT法对实验数据的UTS估计具有较高的相对误差(分别为15%和26%)。另一方面，峰值力法的相对误差在(-)10-11%之间。然而，与ALT法和峰值力法相比，斜率法的相对误差在(-)5%-4%之间。

图4 对实验SP数据进行了斜率法与ALT法和峰值力法的比较

图5 从小冲杆实验数据估计UTS的相对误差

致谢

作者非常感谢Shri Vinayak Sharma在有限元模拟中的支持，以及辐照后检验部门的同事们在工作过程中的支持。本文通讯作者：Karthik V（Indira Gandhi Centre for Atomic Research (IGCAR), Kalpakkam, 603102, Tamil Nadu, India）。

本期小编：王家兴（整理）

徐浩波（校对）

王康康（审核）

闵　琳（发布）