小冲杆试验评价在役结构强度的微试样尺度效应研究

火电、核电、石油化工及冶金行业中有大量的在役压力容器、管道和构件，如何准确评价在役设备的结构完整性和剩余寿命对于保证装置的安全服役具有重要的意义。小冲杆微试样测试技术正是适应这一需求而发展起来的。但该技术与传统力学性能测试数据转换上仍无明显进展。小冲杆试样尺寸比常规拉伸试样的尺寸小2个数量级，试样变形更接近平面应力问题，与常规拉伸试样相比存在尺度效应。另外微观缺陷对小冲杆试验的影响也比较敏感。这是小冲杆测试的另一个尺度问题。关于小冲杆测试的尺度效应远未解决，所以目前用微试样法评定材料的力学性能都是基于建立在与常规试验数据经验关联的基础上的，没有统一的转换公式，使其在评价在役结构强度上无明显进展。本项目研究微试样的尺度效应以及缺陷尺寸对微试样力学性能的影响，为小冲杆试验评价材料的力学性能及在役结构强度奠定理论基础。

小冲杆试样尺寸为直径10mm厚度0.5mm的圆片，其尺寸和标准拉伸试样尺寸有很大的差异，而由小冲杆试验获得的材料拉伸性能和标准拉伸性能也存在尺度差异。本项目对试样的尺寸效应进行了研究，包括试样的几何尺寸和受力状态以及微观缺陷的影响。具体研究成果如下：(1) 阐明了试样变形过程中的应力状态从弹性弯曲应力占主导并逐步出现薄膜应力，再转化为以薄膜应力为主导而弯曲应力不断减小的演化过程。阐明了小冲杆试验数据中屈服载荷转化为单轴拉伸试验中屈服强度值ReL的关联式中采用试样原始厚度h2参数，以及最大载荷转化为抗拉强度Rm值时采用h参数的理论依据，并极大地提高了线性回归精度；(2)小冲杆试验测试得到的屈服强度、抗拉强度和试样的厚度以及厚度-晶粒度比h/dg有很好的相关性，得到了小冲杆试验中奥氏体不锈钢试样的尺度效应判断准则（最小厚度为0.2mm, 厚度-晶粒度比值h/dg＞~8）；(3)微观缺陷只对抗拉强度有影响而对屈服强度没有影响；（4）用局部法研究了小冲杆试样等效断裂应变和对应的单轴拉伸的断裂应变的关系；(5) 基于局部法理论，用反向有限元方法对小冲杆试验的强度进行了模拟，从而解决了尺寸效应问题，也可以直接从小冲杆试验获得材料的拉伸性能，实现了小冲杆技术从经验关联到理论的飞跃。.本项目发表论文15篇(国际期刊6篇，国内核心5篇，国际学术会议4篇)，其中7篇被SCI收录，7篇被EI收录；已毕业博士生2名，硕士生4名。