钢材冶炼和钢结构制造技术已经得到了很大提升,同时材料力学性能的测试技术也有了较大进步。当前,工业生产和设备服役的安全已经被提到了一个前所未有的高度,而事实上,影响工业设备安全评估的材料性能的获得却一直是瓶颈,也是专家学者的研究重点。但近年来安全生产事故频发,其中包括多起由于材料应变时效脆化引起或加剧的低碳钢高压管道事故。通常,结构钢加工制造成设备并服役后,一般只能定期对其进行缺陷检测和日常维护,而由于常规力学性能测试大都需要破坏性取样试验,难以在线对在役设备的力学性能进行试验进而作出准确评价。金属材料应变时效脆化将产生非常严重的后果,对工业生产和设备服役存在重大安全隐患。鉴于此,结构钢及其应变时效后力学性能的测试研究具有非常重大的意义。对自动球压痕试验原理进行了系统分析和研究。自动球压痕试验法是简单快速、无需取样、近乎无损、满足现场在线的新型测试方法,通过加载卸载循环周期实现连续压痕,同步记录测试过程中的载荷和深度对应数据,形成压痕曲线(载荷-位移曲线)。通过对准硬度/准显微硬度试验衍生导出的σt-εp关系与常规拉伸试验测定的材料真应力应变曲线具有对应性关联的分析研究,从而实现自动球压痕试验对材料真应力-真塑性应变曲线的测定。详细分析研究了自动球压痕试验测定材料屈服强度、工程极限拉伸强度、压痕变形能量等相关性能的原理,并对相关经验公式进行了分析。自动球压痕试验测定结构钢及其应变时效后力学性能的研究,以常规力学试验获得性能参数与自动球压痕试验测定的性能数据进行比对分析为主要技术手段,完成对整体试验方案的综合设计。选定工程中常见的国产低碳钢、低合金钢为试验研究对象,包括15CrMoR钢板(含3个状态)、Q235B冈板、Q245R钢板、Q345R钢板、20钢新管(含3批次4种状态)、20钢失效管等6种8批次共计7大类状态的材料。对应变时效及其比对状态试件的取样与制备进行了具体研究确定,并对试验的应变量、热处理工艺等参数进行分析确定。通过对选定钢板和钢管材料分别开展常规力学性能试验和自动球压痕试验,并将两类试验测定的数据进行关联比对分析,开展对相关参数的取值修正分析,最终完成了用自动球压痕试验测定结构钢及其应变时效后力学性能的研究。试验比对分析研究表明,自动球压痕试验与常规力学性能试验测定的数据具有较好的吻合匹配性,屈服强度与抗拉强度均能得到很好的关联。文中首次提出采用自动球压痕试验检测材料是否发生应变时效,且试验证明对应变时效材料进行去应力退火后性能得到改善,但无法完全回复以消除应变时效的影响,且其性能回复的百分比随着氮含量的升高而降低,在一定程度上表明了含氮量高的材料发生应变时效程度更深或者其要想得到同等程度的性能回复将更加困难,充分体现了氮元素对材料性能和应变时效的影响。此外,针对国产试验钢材,通过对自动球压痕试验相关关联参数的取值修正分析,提高了自动球压痕试验测试国产钢材性能的精确度。因此,综合研究分析认为自动球压痕试验在一定程度上可代替常规试验方法开展结构钢及其应变时效后力学性能的测试,并利用便携式球压痕试验机实施对在役设备或结构的现场在线检测,具有非常重要的工程推广价值和广阔的发展前景。