绪论
1.1课题的背景与意义
目前我国石化、电力等行业存在许多在恶劣环境下服役的压力管道等设备，这些设备长期在高温、高压、临氧腐烛等条件下运行，服役环境非常恶劣。经过长期服役后，这些设备的力学性能会逐渐下降，很容易发生失效而引发事故，造成严重的后果和重大的经济损失[1]。为保证服役期限内的安全，这些压力设备在设计时，往往采用较高的安全系数和留取较大的安全余量，以提高安全性。但是这样做也造成了一个问题：由于安全余量较大，这些设备在到达服役年限之后，还具有继续服役的价值。如果一到服役年限就进行更换，无疑会浪费，不符合经济性原则；但若不更换，则又因不清楚这些设备的实际力学性能而存在安全隐患，不符合安全性的要求。
综合考虑经济性和安全性两个方面的要求，人们希望在不影响设备服役的前提下，及时、准确的获知其力学性能，以便及时评估其性能劣化状况。要实现这样的目标，首先一步就是准确检测设备的力学性能。目前工程上使用的材料性能检测方法有取样检测和无损检测（NDT)两种。取样检测方法是对被检测设备截取一定试样，并进行一系列实验以测定材料的力学性能；无损检测是利用声、光、电、热、磁和射线等与被检测设备的相互作用，检测设备内部或表面的缺陷，并确定缺陷的位置、大小、形状和种类的检测方法⑴。这两种检测方法各有优劣。取样检测可以准确获知材料的力学性能，但取样检测进行实验所需的试样体积较大，且取样时设备需要停车，取样完成之后设备无法继续服役，是一种“破坏性”的检测方法[2]。相比而言，无损检测对设备不具有“破坏性”，检测过程不影响设备的性能和结构，具有较高的灵活性和经济性。目前常用的无损检测方法有射线照相检验法(RT)、超声检验法(UT)、液体渗透检测法(PT)、磁粉检测法(MT)等[3]。
虽然无损检测简单、方便，但其缺陷也很明显。相对于传统的取样检测，无损检测所得出的结果定量能力不足，且不能准确检测材料的性能退化程度。通常情况下，无损检测仅适用于初步评定，蹄选出管道中需要进一步进行取样试验的部位，其结果不能单独作为最终的结论[3]。因此，取样检测和无损检测都不能满足上述要求。要实现及时评估设备的力学性能而不影响其继续服役，需要一种能实现对设备力学性能进行在线精确检测的新技术。一些科学家于20世纪80年代初提出的微型杯突试验(Small Punch Tests, SPT)是一种新型的检测技术，具有广阔的应用前景。微型杯突试验技术结合了传统取样检测和无损检测的优势，同时克服了二者的劣势，可以满足设备在线精确检测的需求。
1.2微型杯突试验简介
微型杯突试验诞生于20世纪80年代初，最初由AmeS实验室Baik等人提出。提出该技术的最初的目的是用于评定材料受到福射之后，其断裂性能随温度和福照量变化的特征⑷。随着研究的深入，人们发现微型杯突试验还可以应用在其他领域，例如电厂和石化等行业设备性能的检测。研究的内容也转变为评估材料的冲击籾性和断裂靭性等。经过三十多年的发展，微型杯突试验己经可以用来测定材料的很多力学性能，比如屈服强度[5]转变温度DBTT[6]、断裂韧性等。除此之外，研究者还在研究利用该技术评定材料的其他性能，比如材料的蠕变、持久强度等[9]3]。微型杯突试验的核心思想是“无损取样”⑴。不同于传统的取样检测，微型杯突试验所用的试样很小，以致对设备而言，造成的损伤几乎可以忽略不计。同时，试样是从在被检测设备上取下的，因此试样中蕴含了设备的材质性能信息，通过这些试样获取的检测结果具有很高的精确性，完全可以反映在役设备的材质性能信息。
微型杯突试验最大的特点是所用的试样体积非常小（比如cDlOxO.Smm) ,极大的降低了取样对管道的损伤降程度。在役设备在取样完成后，经过一定的修复甚至不需要修复就可以继续服役。
1.2.1微型杯突试验原理
微型杯突试验的装置，整套装置由凹模、凸模、钢球、压紧螺钉等组成。实验时，将试样放入模具内，闭合上下模具，并通过压紧螺钉压紧上下模具。试验机以一定的速度给压杆加载，压杆通过钢球冲击试样直至将其压破。研究发现，利用微型杯突试验的结果会受到试样厚度、摩擦系数等参数的影响、由于微型杯突试验目前没有标准，因此，各位研究者试验时所釆用的参数各有不同，这也是目前各位研究者所得结论不具有通用性的原因。
1)试样尺寸的影响大多数研究者所用的试样形状为圆形或方形，大小为10mm(直径或边长)，厚度为0.7rmn。研究结果表明，如果试样的尺寸相对于其微观结构的尺寸较小时，试验测得的数据会有一定程度的发散，这就是微型杯突试验的尺寸效应。一般而言，当试样的厚度小于10倍的晶粒尺寸时，尺寸效应会比较明显。尺寸效应对试验结论的影响是不同的。当试样尺寸减小时，有些力学性能会随之下降，但也有力学性能会随之上升。造成这种状况的原因目前还不明，有些研究者认为尺寸效应与晶粒位向大小、试样厚度方向所包含晶粒个数以及边界条件等有关，其中最关键的是晶粒位向试样厚度对试验结果的影响较为明显，已有学者进行了这方面的研究。韩浩等对不同厚度的试样进行了微型杯突试验，并用有限元分析法对得到的结论进行了验证[16]。试验所用试样厚度分别为0.4mm、0.46mm、0.48mm、0.5mm、0.6mm。研究结果表明，试样厚度对微型杯突试验的结果影响是比较大的。韩浩用有限元模拟的不同厚度试样对微型杯突试验的载荷-烧度曲线的影响。
2微型杯突试验取样机的研究概况 ...............13
3取样机的设计 ...............18
3.1电镀金刚石线简介 ...............18
3.2取样机功能要求及技术指标 ...............21
3.3取样机的运动方案 ...............21
3.4方案的运动学分析 ...............24
3.5取样机的机械结构设计 ...............28
3.6取样机的操作 ............... 36
4不同加载速率对微型杯突试验力学性能的影响 ...............37
4.1 准备工作 ............... 37
4.2试验方法与结果 ...............39
4.3试验结果分析...............44
4.4 小结...............46
结论
微型杯突试验是是二十世纪八十年代初提出并发展起来的一种新型检测技术，相比传统的取样检测和无损检测，具有明显的优势，在材料在线取样检测方面具有广阔的应用前景。但没有合适的取样机制约了这项新技术在工程实践中的应用。本文对己开发的取样机进行了分析，结果发现，这两种取样机使用的切割工具不能满足微型杯突试验的要求是根本原因。
电镀金刚石线是通过电镀的方法将金刚石微粒固结在金属丝基体上而制成的一种先进加工工具，具有很多优点，非常适合作为微型杯突试验取样机的切割工具。为满足电力、石化等行业存在的高温高压下服役的.
参考文献
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