辐照用小尺寸样品力学性能表征技术研究进展

钟巍华，佟振峰，宁广胜，周子扬，鱼滨涛，杨 文

(中国原子能科学研究院 反应堆工程技术研究部，北京 102413)

结构材料是核反应堆的基石，其在服役过程中将受到堆内高能中子辐照，造成离位损伤、元素嬗变和元素偏析等一系列辐照损伤，导致力学性能劣化，从而影响核能系统部件的结构完整性。因此核反应堆结构材料的辐照力学性能是评价其应用性能的关键指标。

在材料的辐照力学性能研究中，往往会因为标准样品的尺寸大，造成一系列的困难。首先，由于样品的体积与辐照后样品的放射性强度呈正比，大尺寸样品放射性较强，不利于试验操作，从而提高了试验难度。其次，在辐照考验中，由于辐照空间有限，所能容纳的样品数量往往不足以获得可信度较高的测试结果。并且，反应堆中辐照参数(包括温度和剂量)梯度大，标准样品存在辐照参数的不均匀性问题。因此，国际上往往采用非标准小尺寸样品来测试分析材料照后的性能，尤其是在聚变材料研究方面，小尺寸样品技术是国际聚变材料辐照设施(IFMIF)的主要研究内容之一[1]，目前已开展了大量研究[2-7]。

但样品尺寸的缩小也会带来一系列问题，主要有：1) 存在尺寸效应，导致微观尺度和宏观尺度的变形行为不同[8-9]，使小尺寸样品和标准样品的测试结果存在显著偏差，对于尺寸效应敏感的试验需建立有效的数据归一化方法[10]；2) 对测试精度要求高，需建立合理的测试方法或提高现有设备性能，保障测试数据的可靠性；3) 受样品形貌及材质均匀性的影响大，需建立标准化制样方法，使测试结果具有代表性和可重复性[11-12]。

目前，国内外已针对聚变堆、现役压水堆等反应堆结构材料辐照性能的研究需求，开发并使用了多种不同大小和几何形状的小尺寸样品，其中小尺寸样品尺寸的大小主要取决于测试结果的有效性，而几何形状取决于材料的可用性和测试方法的特异性[13]。本文就目前国内外对辐照后小尺寸样品的力学性能测试技术的研究进展进行综述和讨论。

1 小尺寸样品力学试验

1.1 拉伸

拉伸试验是指在承受轴向拉伸载荷下测定材料特性的试验方法，可根据得到的数据确定材料强度、延伸率等其他拉伸性能指标，标准拉伸(对于厚度>3 mm的材料)一般为圆形截面试样和矩形截面试样，其最小的直径和宽度分别为3 mm和12.5 mm，对应的样品平行段长为16.5 mm和67.8 mm。小尺寸拉伸试样广泛用于辐照后结构材料的力学性能和形变硬化行为研究[10,13-14]。按构型分，目前开发和应用的小拉伸样品主要有片状试样、棒形试样和圆片试样等。片状试样是应用最多的小拉伸样品，其大小一般是在标准样品的基础上按比例缩小。SS-J(源自Small Specimen- Japan)样品又是其中最常用的一种样品，它是从SS-1、SS-2、SS-3逐步发展来的，样品尺寸如图1所示(R为半径，T为厚度)。SS-1是20世纪80年代在EBR-2材料辐照研究项目中开发的[15]。随后，为减少单个样品所占体积，降低残余活性水平，研制了SS-2试样类型[16]；由于SS-2试样较薄，特别适用于离子辐照试验，但试样对操作精度要求高而且对缺陷敏感，因此在随后的快堆试验装置辐照时改变了SS-2试样的尺寸，使用了标距进一步缩短的SS-3试样[17]。20世纪90年代，日本在其文部科学省资助的聚变材料研发项目支持下开发了尺寸较SS-3更小的SS-J样品[18]，这种样品在随后的辐照研究中得到了广泛应用[19-20]。除这些小尺寸样品外，20世纪90年代瑞士保罗谢尔研究所(PSI)曾针对散列中子源(SINQ)辐照需求，开发并应用了S-Tensile和L-Tensile两种试样[14,21-22]，其构型与SS-J非常相近；近几年，上海交通大学沈耀团队在现有片状试样的基础上，提出了一种厚度0.2 mm、宽度1 mm、平行段长2 mm的新型小试样[23]，该样品较其他样品更小，但对测试和样品提出更严格的要求。从以上片状试样的发展历程可见，小尺寸试样的发展趋势是在保障测试结果的准确、可靠的前提下，尽量缩小尺寸样品的尺寸。

图1 SS系列拉伸样品尺寸[13]Fig.1 Dimension of SS type tensile specimen[13]

以上小拉伸样品相比标准样品减少了试样的体积，而且样品测试技术也得到了验证。但应用时需考虑尺寸效应。一般来说，尺寸效应对屈服强度(YS)、抗拉强度(UTS)和均匀延伸率(UE)对试样尺寸的敏感性相对较低，但对总延伸率(A)和局部变形影响较大[13,24]。

对于目前最常用的片状小尺寸试样，影响尺寸效应的主要因素有：厚度、厚/宽比、标距长度和晶粒尺度。

1) 厚度可对A造成影响。一般A会随试样厚度的增加不断增加，其原因是，厚样品在标距段具有更多的材料，使试样延长，尤其在颈缩段，能维持裂纹生长和抵抗断裂。对于较薄的样品，这种抵抗断裂的能力与较厚样品相比停止得更快，是因为前者的失效原因主要是剪切变形，而后者的原因主要是空洞形成和长大[8]。

2) 厚/宽比(T/W)也会对A造成影响。研究认为，随着T/W的减小，A和局部延伸率会减小，这与试样的颈缩部位应力状态的差异有关[24]；而且当T/W大于其临界值时，均匀延伸率(UE)与T/W无关，该临界值与辐照温度和剂量水平有关，一般会随辐照温度的升高而下降[25]。

3) 标距长度对A的影响较厚度的影响小，但对弹性模量和杨氏模量的影响较大[9]。

4) 晶粒尺度对A有较大的影响。如果在样品厚度范围内只剩下少量的晶粒(如少于10倍的晶粒度)，那么整体的力学响应将会受到单个晶粒取向的严重影响，从而导致数据分散；一般地，A会随厚度/晶粒尺度比(T/d)的增加逐渐增加[8,26]。

除以上因素外，与拉伸样品的尺寸效应有关的因素还包括微观结构和晶体结构引起的各向异性、微观结构与化学成分的不均匀性、表面效应与残余应力等相关[8]，尺寸的减小也会增加对这些因素的敏感性。

1.2 冲击

冲击试验是用以测定金属材料抗缺口敏感性(韧性)的试验，可得到材料的冲击吸收能、韧脆转变温度(DBTT)和上平台能量(USE)等冲击性能指标，标准冲击样品的尺寸为10 mm×10 mm×55 mm。小尺寸冲击样品从20世纪80年代以来得到了广泛的研究。目前国际上已在标准冲击样品的基础上开发了多种不同尺寸的小尺寸样品[27]，用于聚变堆材料研究[2]、在役RPV原位退火对力学性能影响的研究[28-30]、放射性冲击断头样品的复用以及材料研发中的合金筛选[31-32]。

图2 KLST小尺寸试样尺寸[36]Fig.2 Dimension of KLST specimen[36]

小尺寸冲击样品是在标准样品构型的基础上建立的，其尺寸包括：3 mm×4 mm×27 mm、5 mm×5 mm×23.6 mm、3.3 mm×3.3 mm×23.6 mm、2.0 mm×2.0 mm×20 mm、1.5 mm×1.5 mm×20 mm、1.0 mm×1.0 mm×20 mm和5 mm×5 mm×55 mm等[27,33-35]。其中，最常用的小尺寸冲击样品为KLST(源自德国Kleinst-probe)，其尺寸为：厚3 mm、宽4 mm、长27 mm、缺口深1 mm(图2)。KLST试样是第1个被纳入ISO标准的小尺寸样品[36]，其他测试标准也推荐使用这种试样[37]。近几年美国国家标准与技术学会曾将KLST作为标准样品，组织国际上9家著名的科研机构(芬兰国家技术研究中心(VTT)、卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)、比利时国家核能研究中心(SCK)等)对标准小尺寸冲击机测量的力和能量值进行校验研究[38]。除KLST外，现有标准推荐的样品还有半尺寸、准半尺寸和1/3尺寸的小尺寸样品[37]。

冲击吸收能是缺口根部裂纹萌生和扩展前后试样的弹塑性变形的能量总和，裂纹萌生和扩展过程对应力状态很敏感，而应力状态与样品几何尺寸相关，因此试样的几何尺寸将对冲击试验结果产生较大的影响，主要影响因素包括试样尺寸和缺口尺寸。

试样尺寸的影响主要来自约束和统计效应。约束的影响规律是，约束大易发生脆性断裂，造成其冲击吸收能更低。Kurishita等[39]得出了一种定量评价约束的方法——塑性约束指数α，α=σ*/σy，其中，σy为在DBTT和冲击应变速率下的屈服强度；σ*为临界解理断裂应力，为材料常数，可由基于临界应力-应力面积的有限元分析(FEA)确定。统计效应则是由于断裂体积的差异造成的，与样品的宽度和韧带尺寸相关，小尺寸样品在断裂过程中试样体积越小，其吸收的能量越小。

缺口尺寸的影响取决于试验温度和材料状态。有研究认为：缺口对USE影响不大，因为小尺寸样品与标准样品USE的关系主要取决于试样厚度和韧带尺寸，这种影响是由于与断裂相关的试样体积的差异造成的。但缺口对DBTT的影响很大，尤其是缺口深度和缺口根部半径，但随着样品脆性的增加，缺口对DBTT的影响逐渐降低[40]。

由上可见，小尺寸样品的构型可造成小尺寸样品与标准样品数据之间存在不小的差别。如何将小尺寸样品数据归一化(即将小尺寸样品数据转化为标准样品数据)是小尺寸样品技术的难点，国际上对此开展了大量的研究，主要包括：USE、DBTT和冲击吸收能的标准化。

1) USE标准化

最常用的USE标准化方法为，基于归一化因子(NF)将小尺寸样品与标准样品的数据进行关联，即：

USE标样=NF标样/NF小样品×USE小样品

(1)

式中，NF可从试验数据中按经验推导出来，也可结合相关的几何参数(断裂面积、断裂体积和缺口根部的应力集中)而得。

目前国际上已先后报道了多种NF计算方法。

NF1=Bb

(2)

其中：B为试样厚度；b为缺口根部下的韧带宽度。此NF为断裂面积参数，适用于以平面断口为主的脆性样品[32]。

NF2=Bb3/2

(3)

此NF2为断裂体积参数，主要适用于USE>150 J的样品[32]。

NF3=Bb2

(4)

此NF3为断裂体积参数，主要适用于USE>200 J的样品[41]。

NF4=Bb2/LKt

(5)

其中：L为跨距；Kt为与韧带尺寸和缺口根部半径有关的弹性集中系数。采用该公式可较准确地转换从300 J到小于100 J的USE[27]。

NF5=(Bb)3/2/QKt

(6)

其中，Q为塑性应力集中系数，Q=1+(π-θ)/2,θ为缺口角度。此公式考虑了缺口角度、塑性约束的影响，由此公式得到的1 mm×1 mm×20 mm和1.5 mm×1.5 mm×20 mm的标准化USE与标准样品的USE符合得很好[33]。

NF6=(Bb)3/2/QKtL

(7)

由此公式得到的未辐照的标准化USE偏差不大于7%，辐照后样品USE的偏差不大于11%[35]。

除利用修正因子对USE进行标准化外。近几年，Lucon等[38]基于试验数据，专门针对KLST样品建立了小尺寸样品USE(USEKLST)与标准样品USE(USEfs)的指数型经验关系式：

USEfs=29.454e0.237 8USEKLST

(8)

此外，最近几年，Wallin等[42]基于大量试验数据提出了利用参数KV10-US/B进行USE归一化，其公式如下：

(9)

其中：KVB-US为小尺寸样品的上平台能量，J；KV10-US为标准样品的上平台能量，J。

2) 转变温度标准化

与USE数据归一化方法相同，常用的DBTT转换的方法也是基于归一化因子将小尺寸样品与标准样品的数据进行关联，但DBTT的关系式相对复杂。目前DBTT的数据归一化方法主要有基于临界解理断裂应力(σ′)的归一化和基于试验数据的归一化两种。

(1) 基于临界解理断裂应力(σ′)的归一化

此方法假设断裂是由垂直于断裂面的裂纹尖端最大拉应力造成的，裂纹扩展时，当应力超过临界值σ′时会造成断裂。由此得到DBTT的归一化值(DBTTn)定义为DBTT和σ′的比[27,43]，即：

(10)

或：

(11)

式中，σ′=3KtLPm/2Bb2，Pm为冲击过程中发生屈服时的最大荷载。

标准样品与小尺寸样品的归一化DBTT间的关系又可表述如下：

DBTTn,标样=DBTTn,小样品+A

(12)

其中，A为与尺寸和材料相关但与合金状态(预开裂或热失效)无关的常数。此公式说明辐照引起的标准样品和小尺寸样品的DBTT变化相同[35]，即：

ΔDBTTn,标样=ΔDBTTn,小样品

(13)

(2) 基于试验数据的归一化

将小尺寸样品与标准样品的DBTT数据直接进行比较，需要对小尺寸样品和大尺寸样品的DBTT进行合理定义。

Korolev等[44]基于固体中相似变形得出，为使小尺寸样品和标准样品的DBTT对应，需要保持DBTT处能量与USE之比恒定；认为水-水高能反应堆(VVER)压力容器标准样品T47J(冲击吸收能为47 J对应的温度)和小尺寸样品(5 mm×5 mm×27 mm)试样的T6J(冲击吸收能为6 J对应的温度)相互对应，并得出小尺寸样品和标准样品DBTT的关系：

DBTT标样=50+DBTT小样品±2σ

(14)

式中，σ=21 ℃。

同样的思路，Bohme等[45]认为RPV小尺寸样品(KLST)的DBTT标示能量1.9 J和3.1 J对应的标准样品能量为41 J和68 J，并由此建立了以下关系式：

DBTT标样=DBTT小样品+50 ℃

(15)

Moitra等[46]基于小尺寸样品和标准样品缺口根部体积的比值，推导出了小尺寸样品DBTT与标准样品DBTT的幂定律关系：

(16)

当USE在20%～80%范围内变化时，m在0.05～0.25之间变化。

3) 冲击吸收能标准化

小尺寸冲击试验样品数据归一化最理想的是开展冲击吸收能标准化。但小尺寸冲击试验尺寸效应的主要影响因素来自塑性约束损失和尺寸(厚度)统计效应，机制复杂[39]，因此不同温度下的尺寸效应也不同，由此会造成不同变形区域(如上平台、下平台和韧脆转变区)的关联系数不同。以上原因使得冲击吸收能数据归一化难度很大。

目前报道的冲击吸收能归一化方法主要是Sokolov等[47]提出的，该方法将断裂过程划分为低能脆性和高能塑性模式，其表达式如下：

E=E小样品×(NF脆性×(1-SHEAR)+

NF塑性×SHEAR)

(17)

其中：E为冲击吸收能；NF脆性=(Bb)标样/(Bb)小样品；NF塑性为几何特性经验系数；SHEAR为剪切断口百分比。

从上述冲击样品数据归一化方法的研究进展可见，目前国内外对小尺寸样品的数据归一化方法尚没有达成统一的认识，而且大部分是基于试验数据的半经验关系。当材料的本构行为发生重大变化时(如辐照后)，这些基于经验的关系将很不准确[39]。因此尚需基于样品本构关系及冲击失效过程，针对小尺寸样品数据转换方法开展深入研究，如可通过材料本构关系和冲击示波曲线，建立小尺寸样品与标准样品间的关系。

1.3 断裂韧性

断裂韧性试验是测量预制裂纹试样在外力加载下抵抗失稳断裂能力的试验方法，可测得材料的线弹性断裂韧性值KIC、弹塑性断裂韧性值KJC。其中，KIC要求厚试样在规定的裂纹尖端建立平面应变条件，对于铁素体钢，其试样厚度必须大于150 mm，无法使用小尺寸样品[6]；而KJC是通过J积分法确定的断裂韧性，其尺寸要求更为宽松，因此断裂韧性小尺寸样品均用于KJC测试。常用的标准断裂韧性样品为紧凑拉伸试样(CT)和三点弯曲试样(SEB)，厚度为25.4 mm(1 in)，对应的样品尺寸分别为：25.4 mm×63.6 mm×60.96 mm和25.4 mm×50.8 mm×279.4 mm。

断裂韧性小尺寸样品的构型包括CT、SEB和C形环状样品等。其中，研究较多的小尺寸样品包括SEB(厚度为1/2、1/6 in，记为1/2SEB和1/6SEB)和CT(厚度为1/6、1/4 in，记为1/6CT、1/4CT)，均是在相应的标准样品基础上进一步缩小尺寸的试样。其中厚度为1/6 in的SEB又被称为DFMB (Deformation and Fracture MiniBeam)，是在聚变堆材料领域有着重要应用前景的样品。

影响断裂韧性小尺寸样品尺寸效应的主要因素是厚度和构型。

厚度是影响断裂韧性小尺寸样品的重要因素。因为断裂韧性值对约束度要求较高，厚度的减小可降低样品约束度时，导致KJC增大，严重时会导致数据无效。一般认为，只要能满足有效数据的测量要求，小尺寸样品可小至ASTM E399样品的1/20。对于辐照脆化后的样品，厚度还可进一步减小[6]。

样品构型也是影响断裂韧性小尺寸样品数据的重要因素。如在相同的厚度下，SEB的数据有效性不如1/6CT样品[48]。此外，有研究表明，不同构型试样的KJC随试样厚度的变化规律不同：对于仅减薄厚度的CT样品，其KJC随试样厚度的减小逐渐减小；而对于全尺寸等比例缩小的样品(1/2CT、1/4CT)，其KJC却随厚度的减小逐渐增大。分析认为，前者是因为小尺寸样品裂纹尖端附近的塑性区尺寸增大导致的；而后者是因为小尺寸样品的韧带区尺寸小导致的[49]。近期中国原子能科学研究院对A508-3钢的研究[50]表明，随着试样从1/6CT增大到1/2CT，其韧脆转变参考温度T0会逐渐增大(图3)，说明随着尺寸的减小KJC会逐渐增大，这与该文献的结论一致。

图3 不同尺寸CT样品的韧脆转变参考温度T0[50]Fig.3 Nil ductile reference temperature of CT specimen with different sizes[50]

综上可见，断裂韧性小尺寸样品与标准样品在尺寸上的差异，使得小尺寸样品与标准样品数据存在偏差。因此需针对断裂韧性小尺寸样品的数据归一化开展研究。目前针对小尺寸样品的数据归一化，主要包括KJC标准化和主曲线(T0)的标准化。

KJC标准化是ASTM E1921推荐的小尺寸样品数据归一化计算方法，计算公式如下：

KJC,1T=20+(KJC,0-20)(B0/B1T)1/4

(18)

式中：KJC,0为小尺寸样品的弹塑性断裂韧性值；B0为小尺寸样品的厚度；B1T为标准样品的厚度。

主曲线偏移法是将小尺寸样品的主曲线通过偏移ΔT转换为标准样品主曲线的方法，也可认为是T0的数据归一化方法。ΔT在计算时需要考虑几何形状、辐照、加载率和安全裕度等的影响[51]。主曲线偏移法描述的是小尺寸样品与标准样品主曲线的关系，表达式如下：

Ke(T)=Kmc(T-(T0b+

ΔTg+ΔTi+ΔTr+ΔTm))

(19)

式中：Ke(T)为标准样品的主曲线；Kmc为小尺寸样品的主曲线；T0b为小尺寸样品的零塑性参考温度；ΔTg、ΔTi、ΔTr和ΔTm分别为由于约束(包括尺寸和构型)、辐照、应变速率和安全裕度造成的T0变化。

ΔTg与B(试样厚度)和韧带尺寸大小b有关，可结合有限元法(FEM)的模拟裂纹尖端场的临界应力(σ*)、临界区域面积(A*)和体心立方金属解理断裂的微观机制[1]计算得到。

综上，断裂韧性小尺寸样品的测试和数据转换已有相应的标准，相对于其他样品，其技术更为成熟。但标准方法也存在一定的缺陷，如高剂量中子辐照可大幅改变材料的本构关系从而影响KJC值，但KJC的标准转换方法并没有考虑辐照的影响。因此在辐照后小尺寸样品的KJC数据归一化方面，需考虑增加辐照的影响因子，以得到可靠的辐照后数据。

1.4 疲劳

疲劳试验是测量材料抵抗交变载荷能力的试验方法，得到的数据可确定材料的疲劳寿命、疲劳极限等性能指标，标准疲劳样品的直径为6.35 mm、总长为101.6 mm。疲劳试验所用小尺寸样品是在标准样品的基础上开发的，目前国际上已报道了多种疲劳试验用小尺寸样品，其中尺寸最小的试样的横截面直径为1 mm，测试结果显示，该样品与标准样品数据符合很好，无尺寸效应[52]。研究认为，当样品最小横截面上的晶粒数小于临界值(5～10)时才会有尺寸效应。

疲劳试验用小尺寸样品的构型主要有沙漏型和等截面型(图4，PL为平行段长度，GL为标距段长度)[52]。两种试样各有优缺点：沙漏型试件具有良好的抗弯曲能力，在拉压疲劳试验时具有优势；但沙漏型试样的轴向应变需通过直径应变的结果来估算，换算过程存在一定的难度和误差，因此在应变疲劳试验时，更倾向于用等截面型试样。

两种构型样品的试验数据在低应变幅(<0.6%)时存在差别，这是由于在此应变幅下的疲劳寿命主要取决于裂纹萌生的时间，沙漏型试样受应力集中的影响，裂纹萌生的时间更短。但在高应变幅(<0.8%)时，二者区别不大。这是因为在此应变幅下的疲劳寿命主要取决于裂纹扩展的时间，而裂纹扩展速率与总应变范围相关、与试件形状无关[53]。

综上可见，疲劳试验用小尺寸样品测试结果受尺寸的影响小，因此在数据归一化等方面不存在太大问题。目前疲劳小试样测试分析技术存在的问题主要集中在测试技术方面。这与施加拉压加载、应变疲劳等试验条件复杂、对测试技术要求高有关。随着试验技术的进步，加载精度、自动化样品装夹和非接触式应变测量等方面的技术也将得到提高，小尺寸样品疲劳试验技术方面的问题也有望得到解决。

1.5 蠕变

蠕变试验是测定金属材料在长时间恒温和恒应力作用下，抵抗缓慢的塑性变形能力的试验方法，可获得蠕变寿命、蠕变速率等性能参数，标准蠕变试样一般为圆形截面试样，其最小的直径为3 mm，标距段长为15 mm。小试件蠕变试验技术是近30年来发展起来的蠕变试验技术，蠕变用小试样在构型上主要包括小尺寸单轴蠕变试样、小冲杆蠕变试样、压痕蠕变试样、小环形蠕变试样和双杆蠕变试样等[54]。其中，小尺寸单轴蠕变试样是在标准单轴蠕变试样的基础上进行尺寸缩小的试样，其试验数据可通过相对简单的等效标距法转换为标准数据。而其他试样的构型与标准试样差别较大，其数据需要通过较为复杂的参考应力法将测试数据归一化[55]。近年来，中国原子能科学研究院利用与SS-J拉伸样品构型类似的微型片状试样开展了蠕变测试研究[56]，结果表明，微型片状小尺寸试样数据与标准试样大体上具有很好的一致性(图5)，但同时也存在着一定的数据偏差，两种试样的蠕变寿命比与应力之间呈对数线性关系(图6)。

图4 疲劳试验用小尺寸样品构型[52]Fig.4 Dimension of small specimen for fatigue test[52]

图5 微型片状试样与圆棒(标准)试样蠕变寿命[56]Fig.5 Creep life of small sheet specimen and rod specimen[56]

图6 微型片状试样与圆棒(标准)试样 蠕变寿命比与应力的关系[56]Fig.6 Relationship between creep life ratio and stress of small sheet specimen and rod specimen[56]

小尺寸棒状试样和微型片状试样的单轴蠕变测试简单、与标准试样测试结果的一致性较好，是相对于其他试样更具应用前景的蠕变小尺寸样品。但目前的数据转换方法经验性强，尚需在对长期蠕变断裂机理进行充分认识的基础上，建立不同试样的数据归一化方法。此外，小尺寸样品蠕变对试验技术要求高，辐照后样品试验的难度大，如何在热室环境下，实现高精度样品装夹和应变测量是需要重点解决的问题。

1.6 小冲杆

小冲杆测试(SPT)方法是利用冲杆冲压小薄圆片试样，记载样品的变形-失效过程，然后通过关系式将试验数据转换成标准试样数据的试验方法[57]。SPT方法使用的小圆片样品尺寸有多种，包括φ3 mm×0.3 m、φ8 mm×0.45 mm等。基于SPT测试的挠度-载荷曲线，可通过一系列数据归一化方法，将SPT的结果转换成常规性能数据，如拉伸性能、冲击DBTT或断裂韧性KJC等。目前国内外已报道了多种SPT与上述性能数据的转换方法[58-60]，但这些方法并不具备通用性，每种新材料在进行数据转换时都要进行重新验证[61]。因此，目前对小冲杆试验主要是一些定性的研究，需要基于力学测试的基本原理推导出通用性强的性能数据转换方法。此外，进一步规范化小尺寸样品尺寸以增加不同研究数据的可比性也是小冲杆技术的研究重点。

2 小尺寸样品力学试验技术推广

小尺寸样品力学试验技术应用时需考虑尺寸效应的影响，但目前国内外不同研究者采用的小尺寸样品尺寸尚未统一，造成由于尺寸效应不同导致的不同机构研究数据之间缺乏可比性，从而降低研究效率，因此有必要推广应用统一的小尺寸样品技术。小尺寸样品的统一和推广需要考虑的因素主要包括测试数据有效性、辐照试验适用性和技术成熟度等，本文对小尺寸样品力学试验技术的推广建议如下。

1) 拉伸测试。已开发的小尺寸样品均具有较好的数据有效性和辐照试验适用性，其中SS-J样品的应用最广，具备较好的推广应用条件。

2) 冲击测试。其小尺寸样品具有较好的数据有效性和辐照试验适用性，但测试数值受尺寸效应的影响较大，推广应用时侧重于样品测试技术成熟度。KLST试样研究范围广、研究基础好，具备较好的推广应用条件。

3) 断裂韧性测试。其小尺寸样品测试结果受尺寸的影响较大，对于测试数据的有效性，样品尺寸越大越好。但对于辐照试验，样品尺寸则越小越好。1/6CT试样兼具较好的数据有效性和较小的尺寸，在国内外已开展了大量研究，具备较好的推广应用条件。

4) 疲劳测试。其小尺寸样品具有较好的数据有效性和辐照试验适用性，但测试分析技术尚不成熟。当前研究结果表明，直径为1 mm的等截面型和沙漏型试样具备推广应用的潜力，但为达到推广应用的条件，尚需在测试技术方面进行深入研究。

5) 蠕变测试。其小尺寸样品具有较好的辐照试验适用性。当前的研究结果表明，小尺寸单轴蠕变试样和微型片状试样都具有较好的应用潜力，但测试分析技术尚不成熟，为达到推广应用的条件，尚需在测试技术和数据归一化方面进行深入研究。

6) 小冲杆测试。其样品的辐照试验适用性较好，但数据分析技术仍有待进行更进一步的研究；直径为3 mm的小冲杆样品具有体积小、研究基础好的优点，可推广应用于小冲杆测试技术研究。

3 总结与展望

小尺寸样品技术是开展高剂量中子辐照性能研究的重要方法。目前国内外已开发了一系列小尺寸样品测试分析技术，包括拉伸、冲击、断裂韧性、疲劳、蠕变和小冲杆等，在评价尺寸效应和小尺寸样品构型等对测试结果的影响方面取得了一系列的进展，其中尺寸效应的影响是研究的重点。冲击、断裂韧性、蠕变和小冲杆的小尺寸样品数据受尺寸效应的影响较大，国际上已开发了相应的数据归一化方法，但尚存在一些问题有待解决，主要包括以下几个方面。

1) 辐照可影响材料本构关系，但很多数据归一化方法未考虑辐照因素的影响，需在掌握辐照对本构关系的影响规律、不同本构关系对数据归一化影响规律的基础上，构建考虑辐照因素的小尺寸样品数据归一化方法。

2) 蠕变、小冲杆等数据转换方法的经验性强，但缺乏力学测试的断裂理论基础，需结合不同力学测试样品的基本断裂机制，构建具备理论基础的数据归一化方法。

3) 小尺寸样品还存在一些共性问题，如小尺寸样品对材料方向、表面状态和微观结构非常敏感，需制定统一的样品制备方法，提高小尺寸样品测试结果的重复性和可对比性；小尺寸样品测试对试验技术要求高，如何在热室环境下实现高精度样品装夹和试验参数测量，也是实现小尺寸样品应用需要重点关注的技术。

我国已针对第4代堆和聚变堆等先进核能系统的发展需求，开发了15-15Ti、RAFMs和ODS钢等先进反应堆结构材料。为掌握上述结构材料的服役性能，正在开展高剂量水平的中子辐照试验研究，这些研究的开展需要以小尺寸样品测试技术为基础。目前，已初步开展小尺寸样品测试技术研究，建立了拉伸、断裂韧性、蠕变和小冲杆等多种小尺寸样品测试分析技术，但不满足系统开展高剂量辐照后小尺寸样品测试分析的要求。尚需在现有研究的基础上深入开展小尺寸样品技术研究，充分吸收国外的经验和成果，解决小尺寸样品技术存在的数据归一化、热室测试技术等问题，系统建立有效的小尺寸样品测试分析标准化技术，为加快我国4代堆和聚变堆等先进核能系统的工程建造提供充分的数据支持和有力的技术保障。