CN112924278A - 一种用于高能重离子辐照样品的小冲杆测试装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于高能重离子辐照样品的小冲杆测试装置和方法，该装置包括：下夹具，设置于底座上，所述下夹具上设置有样品槽，用于容纳高能重离子辐照样品；上夹具，其与所述下夹具相适配，所述上夹具内容纳有冲压球，用于挤压所述高能重离子辐照样品；冲杆，所述冲杆的上端与连接杆连接，所述冲杆的下端为自由端，用于挤压所述冲压球；线性位移传感器和固定杆，所述固定杆与所述连接杆活动连接，所述线性位移传感器设置于所述下夹具上，并与所述固定杆固定连接，用于测定所述连接杆的位移。本发明装置能够使得离子辐照样品在小冲杆测试过程中不会进入薄膜拉伸阶段进而能够获得其屈服应力等有效参数。

Description

一种用于高能重离子辐照样品的小冲杆测试装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于高能重离子辐照样品的小冲杆测试装置和方法，属于材料辐照效应研究技术领域。
背景技术
在反应堆结构组件中，长期的中子辐照会对材料内部造成辐照损伤，造成材料力学性能的退化，进而影响反应堆结构的安全性。然而中子辐照实验受损伤率低，样品放射活性高和价格昂贵等因素限制了反应堆结构部件的安全评估。离子辐照实验由于具有损伤率高，样品放射活性低以及便于控制，辐照实验精度等优点而被广泛用于模拟中子辐照试验。然而离子辐照受辐照面积和辐照的射程分布影响，离子辐照样品的力学性能测试通常采用纳米压痕方法进行测试，但由于离子辐照样品在深度方向损伤分布不均匀，因此该方法只能得到离子辐照样品一定深度范围内的综合硬度信息。
小冲杆试验测试技术由于测试样品的尺寸较小，测试设备简易，操作简单等优点而被广泛用于核能和化工等领域。小冲杆试验的试样按尺寸通常分为
Figure RE-GDA0003049496570000011
和
Figure RE-GDA0003049496570000012
两种，而离子辐照样品的深度一般从几微米到几十微米，离子辐照样品由于太薄而在小冲杆测试过程中直接进入薄膜拉伸阶段而无法获得到其屈服应力等有效参数。
综上所述，现有离子辐照样品力学性能测试技术主要存在的问题是：离子辐照样品受离子辐照体积和射程方向损伤分布的影响，力学性能测试尤其是本构关系的测试存在较大困难。
发明内容
针对上述突出问题，本发明提供一种用于高能重离子辐照样品的小冲杆测试装置和方法，该装置结构简易，操作简单，精度高；该测试方法能够有效测定重离子辐照样品的弹塑性本构关系，为在役设备的安全和寿命评估提供有效方法，而且后续可以在进行控温测试后计算出辐照层的断裂能，进而得到重离子辐照样品的韧脆转变温度。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
本发明第一方面提供一种用于高能重离子辐照样品的小冲杆测试装置，包括：
下夹具，设置于底座上，所述下夹具上设置有样品槽，用于容纳高能重离子辐照样品；
上夹具，其与所述下夹具相适配，所述上夹具内容纳有冲压球，用于挤压所述高能重离子辐照样品；
冲杆，所述冲杆的上端与连接杆连接，所述冲杆的下端为自由端，用于挤压所述冲压球；
线性位移传感器和固定杆，所述线性位移传感器与所述连接杆活动连接，所述固定杆设置于所述下夹具上，并与所述线性位移传感器固定连接，所述线性位移传感器用于测定所述连接杆的位移。
所述的小冲杆测试装置，优选地，自所述下夹具的上端面向下依次同轴开设有容纳所述上夹具的夹具槽、底部留有小孔的所述样品槽以及竖直向下的下夹具孔，所述下夹具孔用于容纳所述高能重离子辐照样品受所述冲压球挤压后所产生的凸起。
所述的小冲杆测试装置，优选地，所述上夹具上设置有竖向通孔，用于容纳所述冲杆贯穿其中，且所述上夹具上的竖向通孔、所述样品槽底部的小孔以及所述下夹具孔同轴心设置。
所述的小冲杆测试装置，优选地，所述冲压球与所述冲杆为分体式设计，当需要试验时，所述冲压球由所述上夹具的下端装入其通孔中。
所述的小冲杆测试装置，优选地，所述上夹具的外侧壁上设置有外螺纹，所述下夹具的内侧壁上设置有与所述外螺纹相适配的内螺纹。
本发明第二方面提供一种上述小冲杆测试装置的测试方法，包括如下步骤：
a高能重离子通过减能装置后在样品表面及内部形成一定深度且均匀分布的离位损伤坪区，形成具有辐照层和未辐照层的层状复合辐照样品；
b通过标准单轴拉伸试验测得另一未辐照样品的弹塑性本构关系，并对该未辐照样品的弹塑性本构关系进行参数化，建立高能重离子辐照样品的小冲杆试验有限元模型；
c利用小冲杆试验获取所述步骤a中层状复合辐照样品的载荷-位移曲线，通过比较载荷-位移曲线与所述步骤b中的小冲杆试验有限元模型中有限元数值模拟结果，对所述步骤a中层状复合辐照样品的辐照层本构关系参数进行调整，再将调整后的辐照层本构关系赋给所述步骤b中的小冲杆试验有限元模型进行有限元模拟，直至满足收敛条件，即得到所述步骤a中层状复合辐照样品的辐照层材料的弹塑性本构关系。
所述的测试方法，优选地，所述步骤a中，所述减能装置为匀速旋转的盘式减能装置，所述离位损伤坪区的深度为25～100μm。
所述的测试方法，优选地，所述步骤c利用反向有限元方法求解高能重离子辐照样品的弹塑性本构关系，具体包括：
1)未辐照样品的弹塑性本构关系包括弹性模量、泊松比、屈服强度及极限拉伸强度，均来自于未辐照样品单轴拉伸试验曲线；将未辐照样品单轴拉伸试验曲线进行参数化处理，未辐照样品的弹塑性本构关系参数化处理选用Hollomon、Ludwick或Voce 拟合模型分别进行拟合，再根据以上几种形式的拟合度选用最佳弹塑性本构关系参数化形式，各参数化形式如下：
Hollomon:σ＝Kεn (1)
Ludwick σ＝σy+Kεn (2)
Voce:σ＝σs+(σs-σy)exp(-ε/εc) (3)
式中，σ是应力，ε为应变，K为硬化参数，n为硬化指数，σy为屈服应力，σs为饱和应力，εc是特征应变；
高能重离子辐照样品后，样品的弹性模量和泊松比保持不变，其他弹塑性本构关系参数(K，n，σy，σs，εc)通过反向有限元方法测定；
2)建立高能重离子辐照样品的小冲杆测试有限元模型，高能重离子辐照样品辐照层向上，未辐照层的材料属性为单轴拉伸试验获得的弹塑性本构关系，辐照层的属性初始弹塑性本构关系与未辐照层相同，将有限元计算所得的载荷-位移曲线与辐照样品小冲杆试验曲线插值后应用式(4)进行处理，通过采用Nelder–Mead方法进行搜索迭代更新辐照层样品的弹塑性本构关系参数，以实现式(4)的计算残差最小化：
Figure RE-GDA0003049496570000041
式中，S代表拟合度，数值越小代表该组弹塑性本构关系参数越精准；N为载荷- 位移曲线插值数目，Pi exp代表试验曲线，
Figure RE-GDA0003049496570000042
代表试验曲线的均值，
Figure RE-GDA0003049496570000043
代表数值模拟曲线。
所述的测试方法，优选地，所述步骤c的收敛是指随着迭代的进行，拟合度S的值小于等于预先设置的收敛值0.005，即当计算得到拟合度S值大于0.005时，采用 Nelder–Mead方法更新辐照层本构参数继续计算，直至计算拟合度S小于等于0.005 时，结束计算，并认为此时的本构关系即为辐照样品辐照层的本构关系。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明中冲杆与冲压球为分体式设计，与传统的冲压球固定在冲杆的下端不同，当需要试验时，只需将冲压球从上夹具的下端装入其通孔即可，更换方便，而且本发明的冲压球采用更耐磨的陶瓷冲压球，降低磨损率。
2、本发明在下夹具中设置样品槽，以保证超薄样品有效夹持并和试样中心与冲杆、冲压球的球心在一条竖直的直线上。该样品槽用于容纳超薄(110～200μm)辐照样品，样品直径为3mm厚度为110～200μm圆片，使得离子辐照样品在小冲杆测试过程中不会进入薄膜拉伸阶段进而能够获得其屈服应力等有效参数。
3、常规使用的小冲杆装置中上、下夹具是通过4个螺栓固定在一起，在螺栓固定过程中容易存在四个螺栓用力不一致的情况导致样品所受压力不均匀，而本发明通过在上、下夹具上设置单个螺纹将二者连接，能够保证样品所受压力均匀，在装配过程中使用力矩扳手以保证样品在不变形的前提下有效夹持，同时也能保证超薄样品小冲杆试验的精度和重复性。
4、本发明所提供的测试装置简易，操作简单，精度高；该测试方法能够有效测定重离子辐照样品的弹塑性本构关系，解决了由于离子辐照材料深度方向上损伤分布不均匀及损伤层厚度过小而导致的常规力学性能测试无法测定材料的弹塑性本构关系的问题。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的用于高能重离子辐照样品的小冲杆装置示意图；
图2为本发明该实施例提供的采用减能装置后高能重离子辐照样品的原子离位损伤分布的SRIM计算结果；
图3为本发明该实施例提供的高能重离子辐照样品示意图；
图4为本发明该实施例提供的利用小冲杆试验获取高能重离子辐照样品的方法流程图；
图5为本发明该实施例提供的利用小冲杆试验获取高能重离子辐照样品方法中的反向有限元计算残差收敛图；
图中各标记如下：
1-连接杆；2-冲杆；3-线性位移传感器；4-固定杆；5-上夹具；6-冲压球；7-样品；8-下夹具；9-底座；10-样品槽；11-下夹具孔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
本发明一方面将冲杆与冲压球为分体式设计，当需要试验时，只需将冲压球从上夹具的下端装入其通孔即可，更换方便，而且本发明的冲压球采用更耐磨的陶瓷冲压球，降低磨损率；另外一方面在下夹具中设置样品槽，以保证超薄样品竖直方向的有效夹持和试样中心与冲杆、冲压球的球心在一条竖直的直线上。该样品槽用于容纳超薄(110～200μm)辐照样品，样品直径为3mm厚度为110～200μm圆片，使得离子辐照样品在小冲杆测试过程中不会直接进入薄膜拉伸阶段进而能够获得其屈服应力等有效参数。
根据文献记载(Moreno,M.F.,Effects of thickness specimen on theevaluation of relationship between tensile properties and small punch testingparameters in metallic materials.Materials&Design,2018.157:p.512-522.)，小冲杆实验过程中弹性弯曲与塑性弯曲的转变点的载荷值与厚度平方的倒数成正比，
Figure RE-GDA0003049496570000071
即当样品厚度较小时，转变点的载荷值较小，而与万能实验机认定的实验开始载荷接近而无法区分。
如图1所示，本发明提供一种用于高能重离子辐照样品的小冲杆测试装置，包括：
下夹具8，设置于底座9上，下夹具8上设置有样品槽10，用于容纳高能重离子辐照样品；
上夹具5，其与下夹具8相适配，上夹具5内容纳有冲压球6，用于挤压高能重离子辐照样品；
冲杆2，冲杆2的上端与连接杆1连接，冲杆2的下端为自由端，用于挤压冲压球6；
线性位移传感器3和固定杆4，线性位移传感器3与连接杆1活动连接，固定杆4 设置于下夹具8上，并与线性位移传感器3固定连接，线性位移传感器3用于测定连接杆1的位移。
本具体实施方式中，优选地，自下夹具8的上端面向下依次同轴开设有容纳上夹具5的夹具槽、底部留有小孔的样品槽10以及竖直向下的下夹具孔11，下夹具孔11 用于容纳高能重离子辐照样品受冲压球6挤压后所产生的凸起。
本具体实施方式中，优选地，上夹具5上设置有竖向通孔，用于容纳冲杆2贯穿其中，且上夹具5上的竖向通孔、样品槽10底部的小孔以及下夹具孔11同轴心设置。
本具体实施方式中，优选地，冲压球6与冲杆2为分体式设计，当需要试验时，冲压球6由上夹具5的下端装入其通孔中。
本具体实施方式中，优选地，上夹具5的外侧壁上设置有外螺纹，下夹具8的内侧壁上设置有与外螺纹相适配的内螺纹。
本发明还提供一种上述小冲杆测试装置的测试方法，包括如下步骤：
a高能重离子通过减能装置后在样品表面及内部形成一定深度均匀分布的离位损伤坪区，形成具有辐照层和未辐照层的层状复合辐照样品；
b通过标准单轴拉伸试验测得另一未辐照样品的弹塑性本构关系，并对该未辐照样品的弹塑性本构关系进行参数化，建立高能重离子辐照样品的小冲杆试验有限元模型；
c利用小冲杆试验获取步骤a中层状复合辐照样品的载荷-位移曲线，通过比较载荷-位移曲线与步骤b中的小冲杆试验有限元模型中有限元数值模拟结果，对步骤a中层状复合辐照样品的辐照层本构关系参数进行调整，再将调整后的辐照层本构关系赋给步骤b中的小冲杆试验有限元模型进行有限元模拟，直至满足收敛条件，即得到步骤a中层状复合辐照样品的辐照层材料的弹塑性本构关系。
本具体实施方式中，优选地，步骤a中，减能装置为匀速旋转的盘式减能装置，离位损伤坪区的深度为25～100μm。
本具体实施方式中，优选地，步骤c利用反向有限元方法求解高能重离子辐照样品的弹塑性本构关系，具体包括：
1)未辐照样品的弹塑性本构关系包括弹性模量、泊松比、屈服强度及极限拉伸强度，均来自于未辐照样品单轴拉伸试验曲线；将未辐照样品单轴拉伸试验曲线进行参数化处理，未辐照样品的弹塑性本构关系参数化处理选用Hollomon、Ludwick或Voce 拟合模型分别进行拟合，再根据以上几种形式的拟合度选用最佳弹塑性本构关系参数化形式，各参数化形式如下：
Hollomon:σ＝Kεn (1)
Ludwick:σ＝σy+Kεn (2)
Voce:σ＝σs+(σs-σy)exp(-ε/εc) (3)
式中，σ是应力，ε为应变，K为硬化参数，n为硬化指数，σy为屈服应力，σs为饱和应力，εc是特征应变；
高能重离子辐照样品后，样品的弹性模量和泊松比保持不变，其他弹塑性本构关系参数(K，n，σy，σs，εc)通过反向有限元方法测定；
2)建立高能重离子辐照样品的小冲杆测试有限元模型，高能重离子辐照样品辐照层向上，未辐照层的材料属性为单轴拉伸试验获得的弹塑性本构关系，辐照层的属性初始弹塑性本构关系与未辐照层相同，将有限元计算所得的载荷-位移曲线与辐照样品小冲杆试验曲线插值后应用式(4)进行处理，通过采用Nelder–Mead方法进行搜索迭代更新辐照层样品的弹塑性本构关系参数，以实现式(4)的计算残差最小化：
Figure RE-GDA0003049496570000091
式中，S代表拟合度，数值越小代表该组弹塑性本构关系参数越精准；N为载荷- 位移曲线插值数目，
Figure RE-GDA0003049496570000092
代表试验曲线，
Figure RE-GDA0003049496570000093
代表试验曲线的均值，
Figure RE-GDA0003049496570000094
代表数值模拟曲线。
本具体实施方式中，优选地，步骤c的收敛条件是指随着迭代的进行，拟合度S 的值小于等于预先设置的收敛值(0.005)，即当计算得到拟合度S值大于0.005时，采用Nelder–Mead方法更新辐照层本构参数继续计算，直至计算拟合度S小于等于0.005 时，结束计算，并认为此时的本构关系即为辐照样品辐照层的本构关系。
图2是SRIM计算得到的在离子辐照实验中，高能重离子通过匀速旋转的减能装置后，在样品内一定深度准均匀分布的原子平均离位损伤，有效地解决了单能离子辐照样品辐照深度方向上原子平均离位损伤不均匀而无法有效进行力学性能测试的问题。通过以上方式可以得到部分厚度的辐照样品，如图3所示。
图5是拟合度随迭代次数的关系的变化，说明计算在迭代40步以后基本趋于稳定，即说明数值方法有效，实验结果可靠。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种用于高能重离子辐照样品的小冲杆测试装置，其特征在于，包括：
下夹具(8)，设置于底座(9)上，所述下夹具(8)上设置有样品槽(10)，用于容纳高能重离子辐照样品；
上夹具(5)，其与所述下夹具(8)相适配，所述上夹具(5)内容纳有冲压球(6)，用于挤压所述高能重离子辐照样品；
冲杆(2)，所述冲杆(2)的上端与连接杆(1)连接，所述冲杆(2)的下端为自由端，用于挤压所述冲压球(6)；
线性位移传感器(3)和固定杆(4)，所述线性位移传感器(3)与所述连接杆(1)活动连接，所述固定杆(4)设置于所述下夹具(8)上，并与所述线性位移传感器(3)固定连接，所述线性位移传感器(3)用于测定所述连接杆(1)的位移。
2.根据权利要求1所述的小冲杆测试装置，其特征在于，自所述下夹具(8)的上端面向下依次同轴开设有容纳所述上夹具(5)的夹具槽、底部留有小孔的所述样品槽(10)以及竖直向下的下夹具孔(11)，所述下夹具孔(11)用于容纳所述高能重离子辐照样品受所述冲压球(6)挤压后所产生的凸起。
3.根据权利要求1所述的小冲杆测试装置，其特征在于，所述上夹具(5)上设置有竖向通孔，用于容纳所述冲杆(2)贯穿其中，且所述上夹具(5)上的竖向通孔、所述样品槽(10)底部的小孔以及所述下夹具孔(11)同轴心设置。
4.根据权利要求3所述的小冲杆测试装置，其特征在于，所述冲压球(6)与所述冲杆(2)为分体式设计，当需要试验时，所述冲压球(6)由所述上夹具(5)的下端装入其通孔中。
5.根据权利要求1所述的小冲杆测试装置，其特征在于，所述上夹具(5)的外侧壁上设置有外螺纹，所述下夹具(8)的内侧壁上设置有与所述外螺纹相适配的内螺纹。
6.一种如权利要求1-5任意一项所述的小冲杆测试装置的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
a高能重离子通过减能装置后在样品表面及内部形成一定深度且均匀分布的离位损伤坪区，形成具有辐照层和未辐照层的层状复合辐照样品；
b通过标准单轴拉伸试验测得另一未辐照样品的弹塑性本构关系，并对该未辐照样品的弹塑性本构关系进行参数化，建立高能重离子辐照样品的小冲杆试验有限元模型；
c利用小冲杆试验获取所述步骤a中层状复合辐照样品的载荷-位移曲线，通过比较载荷-位移曲线与所述步骤b中的小冲杆试验有限元模型中有限元数值模拟结果，对所述步骤a中层状复合辐照样品的辐照层本构关系参数进行调整，再将调整后的辐照层本构关系赋给所述步骤b中的小冲杆试验有限元模型进行有限元模拟，直至满足收敛条件，即得到所述步骤a中层状复合辐照样品的辐照层材料的弹塑性本构关系。
7.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于，所述步骤a中，所述减能装置为匀速旋转的盘式减能装置，所述离位损伤坪区的深度为25～100μm。
8.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于，所述步骤c利用反向有限元方法求解高能重离子辐照样品的弹塑性本构关系，具体包括：
1)未辐照样品的弹塑性本构关系包括弹性模量、泊松比、屈服强度及极限拉伸强度，均来自于未辐照样品单轴拉伸试验曲线；将未辐照样品单轴拉伸试验曲线进行参数化处理，未辐照样品的弹塑性本构关系参数化处理选用Hollomon、Ludwick或Voce拟合模型分别进行拟合，再根据以上几种形式的拟合度选用最佳弹塑性本构关系参数化形式，各参数化形式如下：
Hollomon:σ＝Kεn (1)
Ludwick：σ＝σy+Kεn (2)
Voce：σ＝σs+(σs-σy)exp(-ε/εc) (3)
式中，σ是应力，ε为应变，K为硬化参数，n为硬化指数，σy为屈服应力，σs为饱和应力，εc是特征应变；
高能重离子辐照样品后，样品的弹性模量和泊松比保持不变，其他弹塑性本构关系参数K，n，σy，σs，εc通过反向有限元方法测定；
2)建立高能重离子辐照样品的小冲杆测试有限元模型，高能重离子辐照样品辐照层向上，未辐照层的材料属性为单轴拉伸试验获得的弹塑性本构关系，辐照层的属性初始弹塑性本构关系与未辐照层相同，将有限元计算所得的载荷-位移曲线与辐照样品小冲杆试验曲线插值后应用式(4)进行处理，通过采用Nelder-Mead方法进行搜索迭代更新辐照层样品的弹塑性本构关系参数，以实现式(4)的计算残差最小化：
Figure FDA0002918573360000031
式中，S代表拟合度，数值越小代表该组弹塑性本构关系参数越精准；N为载荷-位移曲线插值数目，
Figure FDA0002918573360000032
代表试验曲线，
Figure FDA0002918573360000033
代表试验曲线的均值，
Figure FDA0002918573360000034
代表数值模拟曲线。
9.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于，所述步骤c的收敛条件是指随着迭代的进行，拟合度S的值小于等于预先设置的收敛值0.005，即当计算得到拟合度S值大于0.005时，采用Nelder-Mead方法更新辐照层本构参数继续计算，直至计算拟合度S小于等于0.005时，结束计算，并认为此时的本构关系即为辐照样品辐照层的本构关系。
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