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摘 要

微试样技术的发展来源于石油化工和核工业，用于对在役压力容器和管道的安全评定和材料力学性能评估，其兼具无损和取样两种优势。本文选取304不锈钢作为试验材料，分别进行常规试样和微试样两种拉伸试验，在此基础上，进行了小冲孔演示研究，并运用Abaqus有限元软件针对微试样和带有缺陷微试样的进行数值模拟分析，其主要内容和结论如下：

1. 针对SUS304不锈钢，分别进行了常规拉伸试验和微试样拉伸试验，对比了试验中所获得的屈服强度、抗拉强度、断后延伸率等参数，证明了微试样试验验技术分析材料力学性能的可行性。
2. 在常规试验的基础上，进行了小冲孔微试样试验研究，得到相应的载荷-位移曲线（Load-Displacement Curve），通过双斜率法获得了材料的屈服载荷，进而通过屈服载荷和最大载荷成功评价了材料的屈服强度和抗拉强度。
3. 用有限元软件对微试样和带有缺陷的微试样做两组数值模拟试验，以便直观的观察拉伸过程中的应力应变情况。对带有缺陷的微试样分析得出，缺陷部分受到的应力最大，且最早发生失效变形。同时分析影响微试样拉伸试验结果的因素，即微试样的尺寸精度及细微裂纹都会影响着微试样试验的最终结果。

关键词： 微试样 力学性能 有限元模型

ABSTRACT

Petrochemical industry and nuclear industry contribute the development of small specimen test methods , which used for safety assessment and material mechanics performance assessment of in-service pressure vessel and piping, and it has both advantages of nondestructive and sampling. The present paper selects 304 stainless steel as the experimental material with two kinds of tensile tests of conventional specimen and small specimen respectively, on the basis of which, the small punch demo research is done and numerical investigation is carried out by using the finite element software of Abaqus for small specimen and small specimen with defects. The main contents and conclusions are as follows:

1. Tensile tests of conventional specimen and small specimen respectively for 304 stain steel are carried out. Comparing the yield strength, tensile strength, elongation and other parameters in the test, which proves the feasibility of small specimen test methods analysing mechanical properties of materials.
2. The present paper carried out small punch test methods research on the conventional test, which get the responding Load-Displacement Curve.The test obtains the materials’ yield load by the dual slope and evaluates the yield strength and tensile strength by the yield load and maximum load.
3. Using infinite element software to do two groups of numerical investigation of small specimen and small specimen with defects, in order to observe the tensile process of stress and strain directly. By analysing small specimen with defects, which can get the result of defects in part by stress is maximum and the early failure deformation. By analysing the affectional factors of small specimen test results, which the accuracy of size of small specimen and minor cracks will affect the final result of small specimen test.

Keywords: Small Specimen; Mechanical Properties; Finite Element Model

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2微试样技术简介 1

1.2.1小冲孔法 1

1.2.2压痕法 5

1.3基于微试样的材料力学性能分析 6

1.3.1屈服强度和抗拉强度 6

1.3.2韧脆转变温度 8

1.3.3伸长率 9

1.4微试样技术的研究意义 10

1.5 微试样技术的应用前景 10

第二章 材料常规力学性能及微试样试验 11

2.1 引言 11

2.2 常规力学性能试验 11

2.2.1试验材料 11

2.2.2试验过程 12

2.3 微试样性能试验 15

2.4 小冲孔试验 17

2.4.1 试验装置 17

2.4.2 微型试样的制备 18

2.4.3 试验结果 18

第三章 微试样试验的有限元模型 20

3.1 引言 20

3.2 ABAQUS有限元软件介绍 20

3.2.1 产品简介 20

3.2.2 软件主要功能模块 20

3.3 有限元分析过程 21

3.3.1 微试样的有限元模拟分析 21

3.3.2 带有孔的微试样的有限元模拟分析 24

3.4模拟结果分析 26

第四章 结论与展望 29

4.1 结论 29

4.2 展望 29

参考文献 31

致 谢 34

第一章 绪论

1.1 课题背景

众所周知压力容器和管道的应用，相对集中在石油化工、核工业等重工行业中，而且长期在高温、高压等恶劣环境下工作，材质易发生劣化，对生产安全产生重大威胁，所以准确评价在役设备材料的脆化和结构完整性，对于保证装置的安全运行具有重要意义。寿命预测技术就是在这样的情况下产生的，包括运行设备检验检测、取样和材料性能测试、设备失效机理分析、寿命预测模型建立等4大部分^[l-4]。

当前对于高温、高压运行设备进行取样及材料性能测试均采用破坏性试验，即要获得材料性能在长期高温、高压运行后的劣化状况，就需从在役设备上截取足以完成性能试验的一块试板或者试验管段^[5]，这种方法比较传统但是相对可靠，但是对于多数高温高压设备这种方法很不方便，影响企业生产而且有操作难度。

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