摘 要：小冲孔试验技术是一种微试样检测材料物理性能的新型方法，可广泛应用于火电，核电，石油化工等高温高压工况下的管道和设备的寿命预测。该方法具有取样近乎无损（半无损），简便快捷，经济效益好的多重优势。目前，小冲孔试验技术可以测量材料抗拉强度，屈服强度，断裂强度等常规材料力学性能。本文主要介绍了小冲孔试验技术的发展背景，其试验原理及该试验技术具体的应用范围。
关键词：小冲孔试验技术 微试样检测 材料力学性能
一、发展背景
在石油、化工、航空航天和核电等行业中，有许多金属设备在高温[1]，辐射，腐蚀等各种复杂，恶劣环境下工作，其中一些承载、承压的容器，管道等其他构件的意外破坏往往会导致灾难性的后果，为保证生产的正常进行，对在役设备在高温、高压条件下工作的构件寿命评价技术的研究日益重要[2]。传统的无损检测方法和常规取样试验检测方法都一直在这些方面发挥着作用，但两者却有着各自的局限性：前者快速，无损，但所获得的信息不全面，也不精确；后者测量的数据准确可靠，但由于取样繁琐，并且试样尺寸过大对在役设备具有很大破坏性[3]。
另外一方面，许多贵重金属材料因其突出的材料性能被广泛应用，如锆材、钛材、钽材等，如通过传统的试验方法来获得这些材料的物理性能势必因其昂贵的价格造成巨大经济浪费；另外，在役设备的某些特殊或重要薄弱部位，如材料表面的涂层，焊缝及其热影响区等，需要定期对其力学性能和寿命进行评价，这些部位所取试样过小，无法满足常规试验方法的要求，因此，必须采用微型试样才能获得其力学性能[4]。
小冲孔试验技术是以微型尺寸试样进行试验来获取材料力学性能的新方法，兼具无损（半无损），经济效益好和取样快速多重优势。因其试样尺寸小，可以快速从在役设备构件上直接取样，几乎达到对构件完整性无损的效果，是一种既有效又经济的快速，安全检测手段。因此，该技术的出现无疑为解决以上问题提供了极大的方便[5]。
二、小冲孔试验原理
近些年来，各个国家、各个不同领域的学者都开展了对小冲孔试验技术的研究，试验系统、夹具结构也不尽相同，但其大体的试验原理都基本趋于一致[6]。
小冲孔试验与早期的微型试样试验法比较相似，例如圆片弯曲试验、凸出试验等，其实验原理可以概括如下：利用微型冲杆以恒定的速度（或载荷）通过小球对薄片试样进行冲压，直到试样破裂，如图1-1所示，其中小球直径约为2.4mm，试样直径约为10mm，厚度约为0.5mm。在试验中记录试样从弹性变型到失效整个过程中的载荷（试样中心挠度）-位移（时间）曲线，即L-D曲线，并以此来分析材料屈服强度，抗拉强度，断裂强度，蠕变性能等。冲杆加载速度恒定的试验主要是用于评价材料低温，常温，高温下的材料力学性能；冲杆加载载荷恒定的试验主要是用于评价材料的蠕变性能，通常称之为小冲孔蠕变试验。
三、小冲孔试验技术研究成果及应用
近些年来小冲孔试验技术已经可以成功获取材料的各种基本力学性能，包括材料的强度、蠕变性能、断裂强度等，其中针对屈服强度的预测较为成熟。其中大多数的研究方向都是围绕建立小冲孔试验与常规试验之间的关联性展开的[7]。
Manahan[8， 9]通过在有限元模型中引入了材料、几何以及边界三重非线性，成功地从载荷-位移曲线（L-D曲线）中获取了试样从弹性变形直至产生裂纹而破裂这一整个过程中的应力应变行为。将L-D曲线分成了四个典型的区域，分别为：弹性弯曲阶段（I），塑性弯曲阶段（II），薄膜伸张阶段（III），塑性失稳阶段（IV）。
Mao[10] 针对10种材料进行了小冲孔试验，分别得到了屈服强度？s与 和抗拉强度σb与Pmax之间的经验关系，其中Py为第Ⅰ阶段和第Ⅱ阶段过渡点所对应的纵坐标值；Pmax为曲线峰值点所对应的纵坐标值，如图1-2所示。
四、结语
综合上述，材料的σs和σb与小冲孔试验曲线上的Py和Pmax值存在线性关系，这一点是毋庸置疑的，这意味着小冲孔试验存在取代常规拉伸试验的潜质。随着小冲孔试验技术的深入研究和不断发展，该技术必将在行业领域内占据一席之位，逐渐取代传统试验方法，为材料力学性能的分析及在役高温构件寿命的检测提供更为便捷快速的手段。
参考文献
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