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背景简介

小冲杆测试方法，是微试样测试技术，自1981年诞生以来，已经广泛用于测试材料的拉伸、蠕变、断裂韧性以及韧脆转变温度，近年来也被用于裂纹扩展与疲劳性能的测试。然而，由于标准的小冲杆测试试样受到双应力作用，导致其不能被用于测试各向异性力学性能。这限制了小冲杆测试方法在具有各向异性力学性能的功能梯度材料、增材制造材料、焊接接头等领域的进一步使用。

燃料包壳管不仅具有各向异性力学性能的特点，而且几何尺寸小，厚度约为0.5mm、外径约为10mm，因此，无法使用常规的小冲杆标准试样进行测试。为了测试燃料包壳管的周向力学性能，研究人员通常将燃料包壳管制成环形试样，但环向的应变不容易测试；也有研究人员把燃料包壳管压平进行测试，但这将改变微观组织导致测试的力学性能不准。因此，需要开发新的测试方法来解决这一问题。

成果介绍

从2023年开始，基于微试样的小冲杆测试方法，赖焕生博士与中国核动力研究设计院ATF研发团队杜沛南博士、钟运涛博士生，以及福州大学郭金泉博士等开展联合研究，解决了小冲杆测试方法自诞生以来一直不能测试各向异性力学性能的问题，解决了微试样测试各向异性力学性能的基础共性问题，开辟了燃料包壳管各向异性力学性能研究新途径，相关研究成果发表于机械工程和力学领域中科院一区TOP期刊《International Journal of Mechanical Sciences》等，具体如下：

（1）创新地设计开发了单应力小冲杆测试装置，其装置原理如图1所示，冲杆冲头设计为半圆柱形，试样为镂空状，试样被上下夹具固定，冲头的力施加到试样的冲击区，试样变形后只受到单向应力作用。因此，理论上可以利用单应力小冲杆测试方法来研究燃料包壳管的各向异性力学性能。另外，试样直接由燃料包壳管原位制取，确保制样时不破坏燃料包壳管的微观组织而使力学性能发生改变。

图1    单应力小冲杆测试方法测试燃料包壳管周向力学性能：(a)试验装置的剖示图，(b)试样受力原理图，(c) FeCrAl燃料包壳管制成的小冲杆试样

（2）有限元分析表明，用单应力小冲杆测试方法测试燃料包壳管的周向拉伸力学性能具有很高的精度，试样的断口与常规标准拉伸试样类似，断口与轴线成一定角度，见图2所示，表明试样是塑性剪切断裂。

图2    单应力小冲杆测试方法测试FeCrAl燃料包壳管的周向拉伸性能：(a)试验结果，(b)拉伸断裂试样

（3）有限元分析表明，用单应力小冲杆测试方法测试燃料包壳管的周向拉伸蠕变性能时，该方法与标准小冲杆测试方法具有相同精度。对燃料包壳管的周向拉伸蠕变测试结果见图3(a)，试样断裂与标准拉伸蠕变试样类似，断口与轴线平行，见图3(b)。

图3    单应力小冲杆测试方法测试FeCrAl燃料包壳管在600°C时的周向蠕变性能：(a)试验结果，(b)蠕变断裂试样

（4）将试样制成板状试样时，见图4，单应力小冲杆测试方法可用于测试其它功能梯度材料、增材料制造与焊接接头等具有各向异性力学性能的材料或结构。

图4    板状的单应力小冲杆测试方法试验试样

目前团队成员，正致力于用单应力小冲杆测试方法研究更广泛的力学性能，已经申请了将单应力小冲杆测试方法用于断裂韧性、韧脆转变温度、裂纹扩展、疲劳性能等力学性能测试研究的相关专利，并已经研发出单应力小冲杆试验机。欢迎企业、高校和科研院所一起合作，共同推进单应力小冲杆测试方法的成果转化与标准化。

致谢

这些工作主要得到了国家自然科学基金（No. 52103363）和江苏省工业装备重点实验室制造与数字控制技术支助。本文通讯作者：Huan Sheng Lai (Sun Yat-sen University), Jinquan Guo (Fuzhou university), Peinan Du(Nuclear Power Institute of China)。

本期小编：赖焕生（整理）

王永杰（校对）

程　航（审核）

王永杰（发布）