专利名称：一种用于反应堆压力容器钢的小冲杆测试方法
技术领域：
本发明属于材料辐照效应研究技术领域，具体涉及一种用于反应堆压力容器钢的小冲杆测试方法。
背景技术：
反应堆关键部件(如反应堆压力容器)在服役时，其材料在快中子的辐照下将造成辐照脆化，从而对反应堆运行安全造成严重的影响。而在进行反应堆压力容器(RPV)材料辐照脆化的研究时，往往会因为标准样品的尺寸过大，造成一系列的困难，如因试验辐照孔道小而导致的试验成本高、辐照时样品温度梯度大、辐照后样品感生放射性过高等。小冲杆测试技术(SP)由于测试样品小(测试样品尺寸约为Φ3Χ0. 3_)，从而很好地解决了这一系列问题，其测试方法如下利用小冲杆传力，冲压球仅对小薄圆片状的试样进行冲压，记录整个变形过程的样品载荷-位移曲线，然后从载荷-位移曲线中提取数据，并通过各种关系公式转换成标准样品的数据的方法。SP测试技术主要包括试验技术和数据标准化计算模型两个方面的内容，这两个方面的内容一直是国内外研究者对于SP研究的重要对象之一。在试验技术方面，由于SP测试技术是非标样测试方法，目前尚无标准规范，仅有行业内公认的几个模具尺寸参数要求。目前国际上SP的难点在于保证其试验操作的简便可靠，以便减小放射性样品测试时的操作难度；保证其试验温度的到温速度和控制精度，以减少长时间控温对样品或装置造成的干扰(如结霜、氧化等等)及减小温度波动。在数据标准化计算模型方面，目前国际上主要针对拉伸、冲击、断裂韧性等建立了一系列经验模型(文中称之为“传统模型”)。其中拉伸数据的传统模型是通过不同材料在室温下拟合而得的，其计算 精度应用于反应堆压力容器材料时精度将有所降低；断裂韧性数据的传统模型是通过断裂韧性与等效断裂应变进行间接线性拟合而得，缺乏断裂韧性理论依据。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的一个目的是提供一种用于反应堆压力容器钢的小冲杆测试方法，该方法简便可靠，易于实现，测试结果精度高。本发明的另一个目的是提供一种用于反应堆压力容器钢的小冲杆测试装置，该装置结构简单，易于操作，测试成本低。为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种用于反应堆压力容器钢的小冲杆测试方法，包括以下步骤( I)建立低温小冲杆测试装置；(2)将标准样品即辐照后的反应堆压力容器钢制成厚为O. 3mm的薄片作为小样品，将小样品放入小冲杆测试装置中，在20°C -150°C的温度范围内，利用小冲杆测试装置对小样品进行持续冲压，直至小样品断裂，记录冲压过程中载荷-位移曲线；
(3)将载荷-位移曲线中弹性段和塑性变形段切线的延长线交点所对应载荷作为屈服特征值py，将载荷-位移曲线中的最大载荷作为抗拉特征值Pu，然后将PyAtl2和Pytci2与各自对应的标准样品的标准屈服强度Oy和标准抗拉强度Ou进行线性拟合，得到小样品的屈服特征值Py和抗拉特征值Pu与标准样品的标准数据之间的关系O y=0. 154Py/t02+339 ①，σ u=0. 085Pu/t02+198 ②，其中，tQ表示小样品的厚度。进一步，步骤(I)中，小冲杆测试装置包括加载试验机和设在加载试验机的加载位置下方的低温环境系统；低温环境系统包括低温环境炉、与低温环境炉相连的温控仪以及自上而下设在低温环境炉中的冲杆压块、上冲模和下冲模，上冲模的底面和下冲模的顶部相接触；冲杆压块的底部中心处连接有竖直朝下的冲杆；上冲模的中心轴处设有提供冲杆的行程的通孔，上冲模的通孔中设有可移动的冲压球；下冲模的顶部中心轴处设有与上冲模的通孔同轴的样品槽，样品槽的底部设有与其同轴并贯通下冲模的中心轴的通孔。进一步，上冲模上设有贯通的螺丝孔，下冲模上设有与上冲模的螺丝孔对应的螺丝孔。进一步，上冲模、下冲模和冲杆压块呈圆柱体状，下冲模的样品槽为圆形；下冲模的样品槽的直径大于下冲模的通孔的直径，下冲模的通孔的直径大于上冲模的通孔的直径。再进一步，下冲 模的侧面设有位于样品槽下方并与下冲模的通孔相通的钼电阻插孔，设在钼电阻插孔中的钼电阻的顶部通过钼电阻插孔插至样品正下方。进一步，低温环境炉包括铜质炉体和缠绕在铜质炉体外表面的铜管，铜管内流通有液氮，低温环境炉的侧面设有与下冲模的钼电阻插孔对应的钼电阻插孔。再进一步，步骤(2)中，温控仪通过钼电阻探测样品槽中小样品的温度，并通过控制铜管内液氮的流量对小样品进行控温，控温范围在-50 _150°C，精度达±0. 2°C。本发明提供的一种用于反应堆压力容器钢的小冲杆测试装置，包括加载试验机和设在加载试验机的加载位置下方的低温环境系统；低温环境系统包括低温环境炉、与低温环境炉相连的温控仪以及自上而下设在低温环境炉中的冲杆压块、上冲模和下冲模，上冲模的底面和下冲模的顶部相接触；冲杆压块的底部中心处连接有竖直朝下的冲杆；上冲模的中心轴处设有提供冲杆的行程的通孔，上冲模的通孔中设有可移动的冲压球；下冲模的顶部中心轴处设有与上冲模的通孔同轴的样品槽，样品槽的底部设有与其同轴并贯通下冲模的中心轴的通孔；下冲模的侧面设有位于样品槽下方并与下冲模的通孔相通的钼电阻插孔。再进一步，低温环境炉包括铜质炉体和缠绕在铜质炉体外表面的铜管，铜管内流通有液氮；低温环境炉的侧面设有与下冲模的钼电阻插孔对应的钼电阻插孔。本发明所提供的一种用于反应堆压力容器钢的小冲杆测试方法，简便可靠，减小反射性样品测试时的操作难度，易于实现；在测试过程中能保证试验温度的到温速度和控制精度，以减少长时间控温对样品或装置造成的干扰，从而减少温度波动，因而测试结果精度高。本发明所提供的测试装置结构简单，易于操作，控温精度高，测试成本低。
图1是本发明提供的一种用于反应堆压力容器钢的小冲杆测试装置的结构示意图；图2是图1中样品槽处的放大示意图；图3是根据本发明提供的方法得到的载荷-位移曲线以及屈服特征值Py和抗拉特征值Pu的取值方法的示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步描述。本发明所提供的一种用于反应堆压力容器钢的小冲杆测试装置，包括加载试验机和设在加载试验机的加载位置下方的低温环境系统。如图1所示，低温环境系统包括低温环境炉、与低温环境炉相连的温控仪以及自上而下设在低温环境炉中的冲杆压块9、上冲模4和下冲模5(即SP测试模块)，上冲模4的底面和下冲模5的顶部相接触；冲杆压块9的底部中心处连接有竖直朝下的冲杆3 ;上冲模4的中心轴处设有提供冲杆的行程的通孔，上冲模4的通孔中设有可移动的冲压球6 ;下冲模5的顶部中心轴处设有与上冲模5的通孔同轴的样品槽10 (见图2)，样品槽10的底部设有与其同轴并贯通下冲模5的中心轴的通孔，试验时将待测小样品8放入样品槽10中即可。样品槽10的闻度应与待测小样品8的厚度相等。上冲模4上设有贯通的螺丝孔，下冲模5上设有与上冲模的螺丝孔对应的螺丝孔，安装时使用内六角螺丝将上冲模4、下冲模5连接在一起。优选情况下，上冲模4、下冲模5和冲杆压块9呈圆柱体状，下冲模5的样品槽10为圆形；下冲模5的样品槽10的直径大于下冲模5的通孔的直径，下冲模5的通孔的直径大于上冲模4的通孔的直径。此外，下冲模5的侧面设有位于样品槽10下方并与下冲模的通孔相通的钼电阻插孔7，并且钼电阻插孔7紧邻样品槽10的底部设置；低温环境炉I的侧面设有与下冲模5的钼电阻插孔7对应的钼电阻插孔，用于放置测温用钼电阻，钼电阻的顶部通过钼电阻插孔可插至待测的小样品的正下方。本装置中，低温环境炉I包括铜质炉体和缠绕在铜质炉体外表面的铜管2，铜管2内流通有液氮。以下详细说明如何使用上述装置实施本发明提供的小冲杆测试方法。试验前，首先装卡样品，装卡方法为将辐照后的反应堆压力容器钢制成厚度为
O.3mm的薄圆片状小样品8，将小样品8装入下冲模5的样品槽10中，然后盖上上冲模4，利用内六角螺丝固定上、下冲模4、5，接着由上冲模5的通孔装入冲压球6及冲杆3，最后再将冲杆3固定在冲压压块9的底部。试样装卡完毕后，将SP测试模块置入低温环境炉I内，将钼电阻穿过低温环境炉I的钼电阻插孔插入下冲模5的钼电阻插孔7中，并使钼电阻端头放置于小样品8的正下方。样品装卡完毕后，即可开启温控仪，对炉体进行控温。炉体的低温环境主要通过控制铜管内的液氮流量来获得。待炉体到温并稳定保温20分钟后，开启加载试验机进行冲压试验。冲压试验可在20°C _150°C的温度范围内进行，温控仪通过设在钼电阻插孔中的钼电阻探测样品温度，并通过控制铜管内液氮的流量对样品进行控温，精度可达±0. 2°C。进行冲压试验时，向冲杆压块9上持续不断加压，直至小样品断裂，由加载试验机自动记录载荷-位移曲线。通常，载荷-位移曲线中会包括四个变形阶段，依次是发生弹性形变的第I阶段、发生塑性形变的第II阶段、发生薄膜伸张形变的第III阶段和发生开裂破裂形变的第IV阶段。试验后，对加载试验机获得的载荷-位移曲线进行处理，处理方法如下选取载荷-位移曲线中变形第I阶段和第II阶段的拟合直线的交点纵坐标作为SP小样品的屈服特征值py，选取载荷-位移曲线中的最高点纵坐标作为SP小样品的抗拉特征值Pu，如图3所示，结合标准样品的标准拉伸数据(可通过常规的拉伸试验获得)，拟合得到式①、②。根据本发明，通过小冲杆试验测得辐照后反应堆压力容器钢小样品的屈服特征值Py和抗拉特征值Pu，结合式①、②即可计算出标准样品的标准屈服值和抗拉值。上述实施例只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。
权利要求
1.一种用于反应堆压力容器钢的小冲杆测试方法，其特征在于， (1)建立低温小冲杆测试装置； (2)将标准样品即辐照后的反应堆压力容器钢制成厚为O.3mm的薄片作为小样品，将小样品放入小冲杆测试装置中，在20°C _150°C的温度范围内，利用小冲杆测试装置对小样品进行持续冲压，直至小样品断裂，记录冲压过程中载荷-位移曲线； (3)将载荷-位移曲线中弹性段和塑性变形段切线的延长线交点所对应载荷作为屈服特征值Py，将载荷-位移曲线中的最大载荷作为抗拉特征值Pu，然后将PyAtl2和PuAci2与各自对应的标准样品的标准屈服强度oy和标准抗拉强度σ u进行线性拟合，得到小样品的屈服特征值Py和抗拉特征值Pu与标准样品的标准数据之间的关系σ y=0. 154Py/t02+339 ①，σ u=0. 085Pu/t02+198 ②， 其中，h表示小样品的厚度。
2.根据权利要求1所述的一种用于反应堆压力容器钢的小冲杆测试方法，其特征在于，步骤(I)中，小冲杆测试装置包括加载试验机和设在加载试验机的加载位置下方的低温环境系统； 低温环境系统包括低温环境炉、与低温环境炉相连的温控仪以及自上而下设在低温环境炉中的冲杆压块、上冲模和下冲模，上冲模的底面和下冲模的顶部相接触； 冲杆压块的底部中心处连接有竖直朝下的冲杆； 上冲模的中心轴处设有提供冲杆的行程的通孔，上冲模的通孔中设有可移动的冲压球； 下冲模的顶部中心轴处设有与上冲模的通孔同轴的样品槽，样品槽的底部设有与其同轴并贯通下冲模的中心轴的通孔。
3.根据权利要求2所述的一种用于反应堆压力容器钢的小冲杆测试方法，其特征在于，上冲模上设有贯通的螺丝孔，下冲模上设有与上冲模的螺丝孔对应的螺丝孔。
4.根据权利要求2或3所述的一种用于反应堆压力容器钢的小冲杆测试方法，其特征在于，上冲模、下冲模和冲杆压块呈圆柱体状，下冲模的样品槽为圆形；下冲模的样品槽的直径大于下冲模的通孔的直径，下冲模的通孔的直径大于上冲模的通孔的直径。
5.根据权利要求4所述的一种用于反应堆压力容器钢的小冲杆测试方法，其特征在于，下冲模的侧面设有位于样品槽下方并与下冲模的通孔相通的钼电阻插孔，设在钼电阻插孔中的钼电阻的顶部通过钼电阻插孔插至样品正下方。
6.根据权利要5所述的一种用于反应堆压力容器钢的小冲杆测试方法，其特征在于，低温环境炉包括铜质炉体和缠绕在铜质炉体外表面的铜管，铜管内流通有液氮，低温环境炉的侧面设有与下冲模的钼电阻插孔对应的钼电阻插孔。
7.根据权利要求5或6所述的一种用于反应堆压力容器钢的小冲杆测试方法，其特征在于，步骤(2)中，温控仪通过设在钼电阻插孔中的钼电阻探测样品温度，并通过控制铜管内液氮的流量对样品进行控温，控温范围在20 _150°C，精度可达±0. 2°C。
8.一种用于反应堆压力容器钢的小冲杆测试装置，其特征在于， 该装置包括加载试验机和设在加载试验机的加载位置下方的低温环境系统； 低温环境系统包括低温环境炉、与低温环境炉相连的温控仪以及自上而下设在低温环境炉中的冲杆压块、上冲模和下冲模，上冲模的底面和下冲模的顶部相接触； 冲杆压块的底部中心处连接有竖直朝下的冲杆； 上冲模的中心轴处设有提供冲杆的行程的通孔，上冲模的通孔中设有可移动的冲压球； 下冲模的顶部中心轴处设有与上冲模的通孔同轴的样品槽，样品槽的底部设有与其同轴并贯通下冲模的中心轴的通孔；下冲模的侧面设有位于样品槽下方并与下冲模的通孔相通的钼电阻插孔。
9.根据权利要求8所述的一种用于反应堆压力容器钢的小冲杆测试装置，其特征在于，低温环境炉包括铜质炉体和缠绕在铜质炉体外表面的铜管，铜管内流通有液氮；低温环境炉的侧面设有与下冲模的钼电阻插孔对应的钼电阻插孔。
全文摘要
本发明涉及一种用于反应堆压力容器钢的小冲杆测试方法，包括(1)建立低温小冲杆测试装置；(2)将标准样品即辐照后的反应堆压力容器钢切割成小样品，将小样品放入小冲杆测试装置中进行冲压试验，记录冲压过程中的载荷-位移曲线；(3)将载荷-位移曲线中弹性段和塑性变形段切线的延长线交点所对应载荷作为屈服特征值Py，将载荷-位移曲线中的最大载荷作为抗拉特征值Pu，然后将Py/t02和Pu/t02与标准拉伸数据进行线性拟合，得到小样品的屈服特征值Py和抗拉特征值Pu与标准数据之间的关系σy＝0.154Py/t02+339及σu＝0.085Pu/t02+198。本发明还提供了能实现上述方法的装置。采用本发明的方法和装置进行的小冲杆测试试验，简便可靠，易于操作，测试成本低，精度高。
文档编号G01N3/32GK103063529SQ20131000076
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月4日 优先权日2013年1月4日
发明者佟振峰, 张长义, 钟巍华, 杨文 申请人:中国原子能科学研究院