采用球压痕法测16MnR钢的拉伸性能

伍声宝，徐 彤，喻 灿，陆彦琰，关凯书

（1.华东理工大学机械与动力工程学院，承压系统安全科学教育部重点试验室，上海200237；2.中国特种设备检测研究院，北京100013）

0 引 言

在石油化工、火电、核电等行业中，需要定时对大量的在役压力容器和管道进行非破坏性检测，以确保生产的安全进行。常规评价设备性能的方法有现场检验和取样试验。现场检验（如超声检测、射线检测和渗透检测等）具有非破坏性，目的是找出在役设备构件中的危险部位，但大多只能探测出设备当前状况下缺陷的宏观尺寸，在评价材料力学性能（如真应力-应变曲线、屈服强度、抗拉强度）上存在不足。取样试验则是在危险部位取样进行试验，属于破坏性力学性能测试，通过取样试验可以了解设备长期运行后力学性能的水平和变化，但该方法不适合用于服役中的设备。球压痕法正是在这一背景下快速发展起来的一种具有无损特性、能够准确可靠评价金属材料拉伸性能的新型试验方法。

1951年，Tabor［1］发现压痕平均接触压力与相对压痕尺寸a/R的关系（a和R分别为压痕投影圆半径和球压头半径）和大多数金属材料应力-应变的关系相似；基于Tabor的发现，Haggag及其研究小组提出了 ABI（Automated Ball Indentation，自动球压痕）技术［2-4］，在ABI技术的基础上，更多研究人员陆续加入到了研究球压痕法的行列中［5-6］。

目前国内对该领域的研究报道很少。之前，作者利用软件ABAQUS实现了球压痕试验的有限元模拟，并探讨了不同压头刚度对试验结果的影响，为球压痕试验的实际运用提供了参考和指导［7］。16MnR钢是我国压力容器常用钢，因此作者对此钢进行了球压痕试验（利用球形压头对试样表面同一位置进行多次局部加载卸载循环的试验）来测试其拉伸性能，重点分析不同压痕试样厚度和不同球压头直径对拉伸性能的影响，并与常规拉伸试验结果进行了对比。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验材料为24mm厚的16MnR钢板，其化学成分见表1，钢中酸溶铝的质量分数为0.022%。将该钢板切割成为30mm×30mm×15mm和30mm×30mm×1.5mm的两种厚度不同的试样，用于研究压痕试样厚度对拉伸性能的影响。

表1 16MnR钢的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of 16MnR steel（mass） %

1.2 试验方法

考虑到刚度低的球压头材料会使试验结果的偏差较大，故选用碳化钨硬质合金作为球压头材料。球压头直径D分别为0.5mm和1mm，用于研究不同球压头直径对拉伸性能的影响。在INSTRON5965型试验机上进行球压痕试验，试验机载荷容量为5kN，具体试验参数见表2。为了检验球压痕试验的重复性，每种试验方案分别进行两次球压痕试验。

球压痕法是通过定义压痕的表征应力、表征应变，把球压痕试验得到的载荷-深度曲线转化为一系列表征应力、应变的点，之后用最小二乘法拟合，获得的真应力-真应变的关系见式（1）。

表2 球压痕试验方案Tab.2 Experimental schemes for ball indentation

式中：σ为真应力；ε为真应变；K为材料的强度系数；n为材料的加工硬化指数。

球压痕法测试材料拉伸强度是通过真应力-真应变的关系式推算得到的。应用0.2%应变偏移的概念，即屈服强度用产生0.2%塑性应变所对应的应力来近似表示，通过式（3）计算材料的屈服应变εy，进而代入式（1）计算出材料的屈服强度。

式中：E为材料的弹性模量，可通过O-P法获得［8］。

应用材料拉伸失稳的概念（即材料在拉伸时试验过程中达到最大载荷后开始发生颈缩从而失稳），并结合金属材料体积不可压缩的准则和发生失稳的条件dP＝0（P为拉伸时加载的载荷）可获得失稳的关系式：

联合式（2）和式（4）可知颈缩发生时的真应变与材料的加工硬化指数相等，即ε＝n，最终通过式（5）可计算出材料的抗拉强度σuts［9］。

式中：e为自然对数。

为了验证球压痕试验结果的可靠性，将其与拉伸试验结果进行对比。参照GB/T 228-2010，在16MnR钢板上截取拉伸试样，在INSTRON8032型试验机上进行拉伸试验，试验机载荷容量为100kN，加载速度为1mm·min-1。通过式（6）和式（7）可将拉伸试验得到的工程应力-工程应变曲线转化材料的真应力-真应变曲线。

σ＝σe（1＋εe） （6）

ε＝ln（1＋εe） （7）

式中：σe和εe分别为工程应力和工程应变。

2 试验结果与讨论

2.1 试样厚度和球压头直径对压痕载荷-深度曲线的影响

由图1～3可见，在相同的试验方案下，两条试验曲线的重合度很高，这表明球压痕试验具有很高的可重复性。

由图4可见，直径为0.5mm的球压头在15mm和1.5mm厚压痕试样上进行球压痕试验后获得的载荷-深度曲线几乎是重合在一起的，这表明压痕试样厚度对压痕载荷-深度曲线的影响不大，这也从侧面说明了球压痕试验对压痕试样厚度的要求不高，试样厚度可以薄至1.5mm。

图1 采用方案1获得的压痕载荷-深度曲线Fig.1 Indentation load-depth curves got from scheme 1

图2 采用方案2获得的压痕载荷-深度曲线Fig.2 Indentation load-depth curves got from scheme 2

图3 采用方案3获得的压痕载荷-深度曲线Fig.3 Indentation load-depth curves got from scheme 3

图4 不同厚度试样的压痕载荷-深度曲线Fig.4 Indentation load-depth curves for the samples with different thicknesses

由图5可见，不同直径的球压头在15mm厚压痕试样上进行球压痕试验后获得的压痕载荷-深度曲线的差别较大；产生同样的压痕深度时，大直径的球压头需要施加更大的载荷，这表明球压头直径对压痕载荷-深度曲线的影响比较明显。

图5 采用不同直径球压头获得的压痕载荷-深度曲线Fig.5 Indentation load-depth curves got from different indenter diameters

2.2 球压头直径对真应力-真应变曲线以及拉伸强度的影响

为了比较不同球压头直径对真应力-真应变曲线的影响，将图5所示的压痕载荷-深度曲线转化为一系列表征应力应变的点，并与室温拉伸试验获得的真应力-真应变曲线进行对比，如图6所示。可见，两种不同直径球压头进行球压痕试验后获得的一系列表征应力、应变的点的变化趋势几乎一样，与拉伸试验得到的真应力-真应变曲线的吻合度较高。这表明使用0.5mm和1mm两种直径球压头进行球压痕试验都能有效表征材料的真应力-真应变曲线。

图6 不同直径球压头获得的表征应力、应变的点与拉伸试验得到的真应力-真应变曲线的对比Fig.6 Comparison between characteristic stress-strain points got from different indenter diameters and true stress-true strain curve got from conventional tensile test

将球压痕试验曲线（方案1-1和方案3-1）计算得到的拉伸强度与常规室温拉伸试验得到的强度进行对比，结果如表3所示。可见，采用两种直径球压头进行压痕试验获得的强度与拉伸试验获得的强度之间的偏差都很小，屈服强度和抗拉强度的最大误差分别为6.8%和1.9%，这表明使用0.5mm和1mm两种直径的球压头进行球压痕试验都能有效测得材料的强度。

表3 16MnR钢拉伸试验和球压痕试验得到的强度对比Tab.3 Comparison of strength from ball indentation test with one from conventional tensile test MPa

3 结 论

（1）在相同的试验条件下进行多次球压痕试验获得的压痕载荷-深度曲线重合度高，表明球压痕试验具有很高的可重复性。

（2）球压痕试验对试样厚度的要求不高，试样厚度可以薄至1.5mm。

（3）选用0.5mm和1mm两种直径的球压头进行球压痕试验获得的压痕载荷-深度曲线差别比较明显；但通过试验曲线转化获得的一系列表征应力、应变的点的变化趋势几乎一样，并与常规拉伸试验获得的真应力-真应变曲线高度吻合，计算得到的强度与常规拉伸试验获得的强度的偏差小，表明这两种直径的球压头都能有效评估材料的拉伸性能。

［1］TABOR D.The hardness of metals［M］.Oxford：Oxford University Press，1951.

［2］HAGGAG F M.In-situ measurements of mechanical properties using novel automated ball indentation system［C］//Small Specimen Test Techniques Applied to Nuclear Reactor Vessel Thermal Annealing and Plant Life Extension.Philadelphia：A-merican Society for Testing and Materials，1993：27-44.

［3］HAGGAG F M，WANG J A，THEISS T J.Using portable/in-situ stress-strain microprobe system to measure mechanical properties of steel bridges during service［C］//Nondestructive Evaluation Techniques for Aging Infrastructure and Manufacturing.Scottsdale：International Society for Optics and Photonics，1996：65-75.

［4］MIRAGLIA P Q，MATHEW M D，MURTY K L，et al.Nondestructive evaluation of mechanical properties of A533B steel qeld using automated ball indentation testing［C］//ASM Proceedings of the International Conference.［S.l］：［s.n.］，1998：835-841.

［5］GHOSH S，SAHAY S K，DAS G.Ball indentation techniquean important and useful method for studying the flow properties of materials［J］.Transactions of the Indian Institute of Metals，2004，57（1）：51-60.

［6］JANG J I，CHOI Y，LEE J S，et al.Application of instrumented indentation technique for enhanced fitness-for-service assessment of pipeline crack［J］.International Journal of Fracture，2005，131（1）：15-34.

［7］伍声宝，关凯书.球压痕法评价材料拉伸性能的有限元分析［J］.压力容器，2012，29（9）：33-38.

［8］OLIVER W C，PHARR G M.Improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments［J］.Journal of Materials Research，1992，7（6）：1564-1583.

［9］DIETER G E. Mechanical Metallurgy ［M］.New York：McGraw-Hill Book Company，1986：289-292.