摘要
小冲杆试验作为一种微试样测试技术，可对在役设备微损取样，进而评估设备的材料力学性能，最终实现设备安全评定。目前，小冲杆试验评价材料屈服强度和抗拉强度的方法已大量报道，但以往的方法没有考虑材料是否含有屈服平台，更没有系统的研究屈服平台对试验结果的影响。本文将对小冲杆试验如何评价含屈服平台材料拉伸强度开展研究，采用有限元模拟澄清屈服平台对小冲杆试验力-挠度曲线的影响。在此基础上，提出小冲杆试验获取含屈服平台材料屈服平台长度和拉伸强度性能的方法，并应用该方法评估了15CrMoG高温球化后性能的劣化。具体研究成果如下: （1）屈服平台长度对小冲杆试验结果影响的研究。当材料屈服强度和抗拉强度不变时，屈服平台长度越长，相同挠度下，小冲杆试验力越小;当两种材料的屈服强度和抗拉强度都相同，但一种材料含屈服平台、另一种无屈服平台时，基于现有经验关联方法获得的两种材料屈服强度相差较大，表明小冲杆试验评价材料拉伸强度值时需要考虑材料的屈服平台。 （2）小冲杆试验获取材料屈服平台长度的方法研究。借助有限元模拟和材料幂硬化模型，获得了不同屈服平台长度材料的小冲杆试验力-挠度曲线，进而建立了基于BP神经网络的小冲杆试验力-挠度曲线映射材料屈服平台长度方法。采用Q345R和A106钢对该方法进行验证，结果表明:通过该方法获取的Q345R钢屈服平台长度比标准拉伸试验获得的结果短0.004，误差为26.7％;该方法获得的A106钢屈服平台长度比标准拉伸试验获得的结果长0.001,误差为12.5％。 （3）小冲杆试验评价含屈服平台材料屈服强度和抗拉强度的方法研究。基于混合粒子群算法和有限元模拟同时获取材料的屈服强度、抗拉强度和屈服平台长度时，精度较差。先采用BP神经网络确定材料屈服平台长度，再借助混合粒子群算法和有限元模拟从小冲杆试验力-挠度曲线提取材料屈服强度和抗拉强度的方法精度较高，并采用A106钢、Q345R和A350钢三种材料进行验证，误差均在可接受的范围内。 （4）小冲杆试验评估材料劣化性能的应用研究。通过金相分析发现三种热处理工艺下，15CrMoG的球化等级分别为3,4,5级。基于上述研究成果获取材料不同球化程度的屈服强度和抗拉强度，并与标准拉伸试验结果对比，屈服强度的最大误差为3.8％，抗拉强度的最大误差为6.7％，且三种热处理之间的拉伸强度偏差不大，约为10MPa。不同球化程度材料的拉伸强度相差较小，说明小冲杆试验比金相分析更适合评估在役设备的拉伸性能。
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