硬度试验作为金属材料力学性能评价中最基础、应用最广的测试方法之一,在材料研发、生产过程控制、产品质量检验与贸易中具有重要作用。国际标准化组织“金属力学试验”技术委员会下属的“硬度试验”分技术委员会(ISO/TC164/SC3)作为国际硬度试验标准的主要制定机构,已形成涵盖布氏、维氏、洛氏、努氏、里氏硬度试验以及仪器化压入试验的完整标准体系,并不断在不确定度评估、标准硬度块溯源和试验机校准等方面完善国际规则。与此同时,国际计量局下属的质量及相关量咨询委员会设立的硬度工作组(BIPM/CCM-WGH)在计量学层面通过国际比对和不确定度规范,确保硬度量值的全球统一与互认。我国在此领域的标准化体系主要由中国国家标准化管理委员会“全国钢标准化”技术委员会“力学及工艺性能试验方法”分技术委员会(SAC/TC183/SC4)和“全国试验机标准化”技术委员会(SAC/TC122),以及“全国力值硬度重力计量”技术委员会(MTC7)构成,既负责方法标准和设备标准的制定和修订,也承担计量溯源和国际合作任务。近年来,我国专家在硬度试验国际标准化工作中话语权显著提升,主导制定和修订多项关键ISO标准,使国际标准更加契合国内需求。总体来看,硬度试验标准化未来的发展趋势包括传统方法的进一步规范、新型压入方法的拓展、极端环境测试方法的推进,为先进制造与工程应用提供更加坚实的支撑。

以新一代高强韧XCrMo系列油套管为例,为解决难以用KIC指标评价其断裂韧性的技术难题,本研究基于仪器化压入(IIT)技术,采用原位非破坏性分析方法,结合有关最新制订的国标开展了相关试验研究。针对API牌号125ksi、140ksi和165ksi共3类高强韧油套管,通过常规试验获取其拉伸性能与经J积分转化的断裂韧度K_JC数据作为参考;同时利用仪器化压入试验,基于Oliver-Pharr-Tabor 多重解耦修正模型及能量释放率(ERR)模型,感知材料的压痕拉伸性能(屈服强度、抗拉强度等)和断裂韧度。结果显示,仪器化压入技术感知的拉伸性能与断裂韧度较常规试验结果的总体相对偏差可控制在5%与10%以内,准确性较高,将为超高强韧钢铁材料的非破坏表征与服役评价提供广阔的应用前景。

针对金属材料依据断裂韧性测试标准进行Ⅰ型裂纹的临界应力强度因子(K_IC)的测试时,韧带尺寸或最大载荷与条件载荷之比P_max/P_Q无法满足判定条件导致试验结果无效的问题,本文以5083铝合金板材为研究对象,对不同厚度的无侧槽试样、侧槽试样进行试验,结合有限元计算的方法,探讨了侧槽对K_IC试验结果的影响。结果表明:侧槽试样的P_max/P_Q相比无侧槽试样的P_max/P_Q明显降低,不同厚度的侧槽试样均可以获得有效的K_IC值。对于直裂纹10%试样厚度的侧槽在增加裂纹尖端应力分布一致性上即能达到较好的效果。既使初始裂纹尺寸符合标准要求,裂纹的平直度降低仍会导致K_IC的测试结果偏大。试样先开侧槽能够增加初始裂纹的平直度,有利于获得较为准确的K_IC测试结果。

1J85铁镍合金是一种性能优异、应用广泛的软磁材料,在一些情况下需作为高温结构体使用,但目前关于其高温变形力学特性的研究尚不充分。为此,本文研究了1J85铁镍合金的高温拉伸性能,分析了其高温变形过程中的组织演变与断裂机制。研究结果表明:室温条件下,1J85铁镍合金呈现出低屈强比、高均匀延伸、高塑性的特点;随着变形温度升高,1J85铁镍合金的强度和塑性均下降;从室温到400 ℃,塑性下降幅度很小;500 ℃以上开始显著下降;600 ℃到700 ℃时出现陡降;随温度升高,断口形貌从韧窝状断裂转变为沿晶脆性断裂。从室温到高温,1J85铁镍合金力学性能受到晶界强度和高温组织软化(位错运动容易进行)的共同作用。随着温度升高,材料软化导致材料强度下降,同时也有利于塑性变形能力提高,但另一方面,晶界弱化将导致材料的塑性变形能力下降。高温变形段,材料软化和晶界弱化同时影响塑性变形能力。

为明确直升机主减速器ZL205A铝合金机匣的高周疲劳行为及显微疏松的失效机制,采用升降法开展对称循环(应力比R=-1)高周疲劳试验(循环基数周次10⁷),结合扫描电子显微镜(SEM)与光学显微镜(OM)分析断口及疏松缺陷。结果表明:ZL205A铝合金室温下的中值疲劳极限为81.9 MPa;疲劳裂纹均萌生于表面显微疏松处,疏松面积百分比(f)从0.14%增至0.32%时,裂纹扩展寿命降幅达52%;疏松通过“应力集中-塑性应变积累-快速扩展”机制缩短寿命。本研究为机匣寿命预测与工艺优化提供了关键依据。

X65管线钢是天然气掺氢混输的主力管道用钢之一,本文通过原位高压氢气条件下的慢应变速率拉伸试验,研究了热机械轧制X65管线钢板材的氢脆敏感性。研究结果表明,高压氢气显著降低了X65管线钢的塑性,断后伸长率和断面收缩率分别下降37.4%~57.7%和49.9%~86.3%,而下屈服强度和抗拉强度变化不明显。断口分析显示,高压氮气下试样呈典型韧性断裂,而高压氢气下则出现以变形晶粒带为裂纹源和裂纹扩展主干的脆性解理断裂。变形晶粒带作为氢的快速扩散通道和强陷阱区域,具有促进局部氢富集并引发氢致开裂的作用,是对X65管线钢氢脆敏感性不利的微观组织。

本文系统研究了两种不同批次轧制7N01铝合金板材,利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和电子背散射衍射(EBSD)从不同尺度表征了其显微组织特征,通过剥落腐蚀和晶间腐蚀性能测试获取了不同板材的耐腐蚀性能,利用拉伸性能测试获取了两种板材不同取向的力学性能,明晰了7N01铝合金组织与性能的关联性。研究了不同板材的相分布、晶粒形态及择优取向等显微组织特征对拉伸性能、剥落腐蚀性能和晶间腐蚀性能的影响,发现析出相的分布和晶界组成是影响耐腐蚀性能的重要因素,而不同方向的力学性能与晶体学择优取向密切相关。对比分析了两种铝合金的各向异性指数和屈强比,为它们的工程应用提供了指导。

准确评估高强弹性铜合金的使役性能,关键在于理解其高温应力松弛行为,而其中的核心难点在于高温条件下弯曲应力的精确测量。本文依据ASTM E328-21《材料和结构件应力松弛标准试验方法》的要求,设计了一种铜合金高温应力松弛测试设备并提出了一种铜合金弯曲应力松弛过程的应力测量方法。采用夹具固定铜合金样品以及压杆施加载荷模拟悬臂弯曲工况,使用管式炉作为环境箱提供高温条件,通过力传感器测量并记录铜合金应力松弛过程中的弯曲应力。以Cu-Ti合金为例分别在300、375和450 ℃进行弯曲应力松弛试验。结果表明,Cu-Ti合金在300、375 ℃下保载100 h的应力松弛率分别为15.0%和28.7%,在450 ℃保载16 h的应力松弛率达到69.7%。该设备能自动准确地测量铜合金高温应力松弛过程中的应力,具有很高的实用性和推广价值。

为研究并量化分析钛合金压缩蠕变试验影响因素,加工了不同规格及精度的TC4钛合金圆柱形压缩蠕变试样。设计了5组对照试验,获取了各组试样的蠕变曲线,并计算分析了关键的蠕变结果参数。研究发现,试样的长径比以及尺寸效应与TC4钛合金的压缩蠕变行为未表现出显著的相关性。说明在合理的几何比例范围内,试样尺寸对最终的蠕变性能结果影响不大。试样两端面的平面度对试验过程和最终的蠕变结果具有显著影响。平面度偏差过大会导致应力分布不均,严重干扰试验数据的准确性和可重复性。为确保试验结果的可靠性,平面度偏差应当控制在0.02 mm以内。在压盘形式的对比中发现,球形压盘相较于平面压盘,对试样端面平面度不佳的情况表现出更好的兼容性。球形压盘能有效补偿一定范围内的平面度误差和初始不对中,有助于改善应力分布的均匀性,从而在试样加工精度受限时仍能获得相对更可靠的试验结果。关于位移测量,研究证实增加光栅尺的数量对于提高蠕变位移测量的准确性和结果的可靠性更为有利。多光栅尺布局有助于消除试样可能发生的微小偏转或倾斜对轴向位移测量的干扰,从而更真实地反映试样的轴向压缩蠕变变形。

风电齿轮因承受交变载荷而易发生疲劳失效,因此,其用钢18CrNiMo7-6钢的疲劳性能研究备受关注。本研究以风电齿轮18CrNiMo7-6钢零件本体取样为对象,探究了其力学性能及微观组织,表征了其疲劳性能,揭示了疲劳断裂主要影响因素,为风电齿轮箱关键部件的可靠性设计提供了理论依据。采用拉伸试验得到材料的力学性能,进行旋转弯曲疲劳试验获取了材料的S_max-lgN(S_max为最大弯曲应力;N为疲劳寿命)曲线及疲劳极限数据,利用扫描电子显微镜(SEM)、光学显微镜(OM)等表征手段对疲劳断口形貌进行多尺度观测,同时采用夹杂物现场检测设备对材料中非金属夹杂物进行分析统计。结果表明,齿轮钢18CrNiMo7-6的抗拉强度R_m为1 180 MPa,屈服强度R_p0.2为930 MPa,平均晶粒尺寸为11 μm,旋转弯曲疲劳强度σ_-1为473 MPa;疲劳裂纹主要萌生于表层非金属夹杂物处,以穿晶断裂+沿晶断裂的混合断裂为主要失效模式;钢中非金属夹杂物平均尺寸为23.15 μm,类型以Mn、Al的硫化物和氧化物为主。

本研究聚焦于三维集成电路中硅通孔(TSV)铜填充材料的力学性能表征与反演问题。硅通孔铜(TSV-Cu)在热循环载荷下的力学响应直接影响封装结构的可靠性,而现有研究对其几何尺寸效应的系统分析相对缺乏。为此,本文通过将纳米压痕实验与有限元反演相结合,系统研究了不同直径TSV-Cu在高温退火后的力学行为与微观机制。结果表明,TSV-Cu退火后弹性模量与纳米压痕硬度均与直径呈正相关。仿真反演结果表明,退火后屈服强度稳定于35 MPa,塑性行为趋于稳定。中等直径TSV-Cu纳米压痕(20 μm)表现出较为均衡的力学性能(纳米压痕硬度1.62 GPa,弹性模量133.66 GPa)。微观结构分析表明,中等直径TSV-Cu更易发生晶粒粗化,具有更好的热机械可靠性。不同直径TSV-Cu展现的力学性能差异可为先进封装中TSV-Cu的选型与性能调控提供一定的依据。

G54钢是我国自主研发的新型二次硬化超高强度钢,在保持极高屈服强度的同时,兼具优异的综合力学性能。然而,其在高温高应变速率条件下的动态力学行为与失效机理研究仍相对不足,因而研究其在此条件下的动态力学行为具有重要意义。本文基于分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,分别在100、200、300 ℃和1 000、2 000、3 000 s^-1的应变速率条件下开展了G54钢的动态压缩试验,获得了G54钢在高应变速率加载下的流动应力和塑性响应规律。结果表明,G54钢在动态变形中表现出应变速率敏感性和热软化效应:随应变速率升高,流动应力增加,而在高温下材料的承载能力降低。结合试验数据,采用最小二乘法对Johnson-Cook(J-C)本构模型进行了参数标定,所建立的模型能够较好地模拟G54钢在高温高应变速率条件下的力学响应。研究结果为揭示G54钢的动态变形机理及其在极端服役条件下的工程应用提供了可靠理论依据。

为探究X60管线钢多变量条件下的热变形规律,揭示其微观组织演变机理,利用Gleeble3180-GTC热模拟试验机,通过热压缩实验研究不同变形条件(变形温度为750~950 ℃,应变率为1~5 s^-1,变形量为10%~30 %)下X60管线钢的热变形行为,建立材料热变形本构方程。采用有限元分析软件DEFORM-3D对热变形过程进行仿真分析,研究不同变形条件下材料的损伤和动态再结晶行为演变。结果表明,在进行热加工时,选择较低应变速率与较高变形温度可避免产生较高损伤值,此条件下再结晶过程会受到明显抑制。较高的变形温度、应变速率及变形量则有利于动态再结晶的发生与扩展,加速晶粒细化,进而改善材料的塑性。

为提升三点弯曲试验中J积分计算精度与可重复性,本研究针对拟合、积分方法中噪声敏感、积分精度的问题,提出一种融合数据预处理、差商分析与非等距积分的系统方法。本文将差商特征用于线性区域识别,并以非等距积分取代等距假设,以提高计算的适用性与精度。研究中首先对原始载荷-位移数据进行唯一化、插值及高斯滤波,消除重复点、倒退点及噪声,确保曲线单调平滑。随后通过1阶中心差商的峰值与趋势分析确定拟合范围,采用非等距积分法完成积分计算,同时利用高阶差商估计积分误差。结果表明,该方法在保持数据真实性的同时显著提升积分精度与稳定性,避免了因违背单调性导致的误差失效,为J积分计算提供了一种可靠、可复现的技术路径。

利用扫描电子显微镜(SEM)原位观测技术,在对TC4 ELI合金试样进行原位拉伸过程中,通过SEM二次电子成像(SE)和电子背散射衍射成像(EBSD)技术,同步进行微观形貌观测和相关晶体学信息收集,实现加载过程中试样的微观变形情况的实时分析,以揭示TC4 ELI合金拉伸过程的失效机理。拉伸过程中TC4 ELI合金试样组织的演变规律和断后的断口形貌表明,试样的断裂形式为微孔聚集型断裂;变形过程中,TC4 ELI合金内部位错密度升高,取向差增大,α和β变形能力和晶粒取向存在差异使其变形不协调进而产生微小孔洞,随着变形量增加,微小孔洞相互连接形成裂纹,并最终断裂。

柔性复合管具有连续性好、拉伸强度高、耐酸碱腐蚀能力强、不易结垢和结蜡等特点,近年来在国内油气田得到了快速推广和使用。胜利油田临盘采油厂于2013年10月选择某注水井首次开始井下试验,试验历时8个月,试验期间各注水作业指标均正常,试验结束后起出该柔性复合管并进行综合性能评价。结果表明,该管材较传统金属油管的实际防结垢效果明显,其内、外螺旋铠装层材料的弯曲模量分别降为92.66%和87.14%,弯曲强度分别降为84.74%和69.18%,全尺寸整管的拉伸刚度降低了9.70%,内压刚度降低了8.39%,但其整管拉伸极限提高了2.54%,仍可保证该柔性复合管在内压15 MPa、外压5 MPa下继续安全运行和生产。