蠕变现象的小冲杆试验研究——-蠕变应力分析

    1　简介

    在高温设备的安全评估中常常会遇到常规的力学性能测试由于不能对设备取样而无法完成的问题。如果采用小冲杆试验法对在役设备进行取样测试,可以得到解决这个问题,因为小冲杆试验法所需试样量少且试样尺寸微小(通常为Φ10×0·5mm),基本可以在无损情况下取得[1]。

    如果能够证明小冲杆法与标准蠕变试验方法两者得到的材料蠕变曲线和稳定蠕变速率曲线相似或是具有一定关系,则小冲杆法将适用于进行高温在役设备的材料蠕变性能测试。蠕变曲线和稳定蠕变速率曲线分别代表蠕变应变与时间,稳定蠕变速率与外加(蠕变)应力之间的关系,因此,求解小冲杆试样中的蠕变应变和应力分布是两个最根本的问题。

    文献[2]已对蠕变应变的求解作出了详细讨论,本文将主要阐述小冲杆试样蠕变应力的计算方法。

　　2　应力计算难点分析

小冲杆试验常用的试验装置如图1所示,由图中可见试样被夹持在上下模中,受由冲杆传递的外加恒定载荷作用,类似受横向载荷作用和固支约束的圆形轴对称薄板。试样在受载瞬间及随后的蠕变过程中将发生变形,其基本变形形貌如图2所示:试样中心部分与球形冲头贴合,变形类似受均匀内压作用的球状压力容器的薄膜变形;试样被夹持部分基本不发生变形;试样与冲头非接触部分(除被夹持部分)处于一种类似圆锥的变形状态。

    以上分析说明:与标准的单向受载试样相比,小冲杆试样受力状态复杂。各点变形不尽相同,在轴对称变形情况下只有相同半径处的点才有相同的变形状态,可归属为二维轴对称问题。不仅如此,图2所示仅为某个时间点对应的变形状态,而在实际的试验过程中,每一时间点对应的试样变形也在发生变化。

    由此可知,对于小冲杆试样不能再采用标准蠕变试验中的方法来计算蠕变应力,而必须从二维甚至三维的角度对其进行分析。另一方面,试样受力状态的复杂性决定了应力计算的复杂性,但是要逐点计算试样应力值以及它们随时间的变化显然是不现实的。如果选择试样中的某一个点来代表整片试样进行应力状态分析,可以合理地简化计算,这样的方法称为取“表征值”的方法。在工程上,当计算无法取得解析解时,该方法往往较为有用。在解决小冲杆试样蠕变应变计算问题时也采用了相似的方法[2]。

    文献[2]及本文都将试样中心点作为表征点,理由是:(1)为了与蠕变应变计算结果相对应;(2)中心点定义明确,位置特殊,便于计算和对比分析。以下针对试样中心点的应力计算展开讨论。

　　3　应力计算模型及公式推导

    首先,推导必须遵循蠕变研究的基本假设:(1)假设材料各向同性;(2)假设材料在蠕变过程中保持体积不变;(3)在多向应力状态下假设材料可以用Von Mises应力作为等效的单向应力。其次,推导假设冲杆和圆板间润滑条件良好,摩擦作用可忽略。