CN102042939B - 微试样蠕变试验系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控试验环境的微试样蠕变试验系统及试验方法，包括主机框架、高温炉、伺服电机加载装置、测距装置、测力装置、冷却系统、夹装机构、石英管、供气装置。伺服电机加载装置设置在主机框架底部，测力装置与伺服电机加载装置连接，置于其正上方；测距装置的传感头套于测力传感器和冷却系统之间；冷却系统置于测力传感器上方；夹装机构置于冷却系统上方，穿过石英管，上端固定在主机框架上端；高温炉套在石英管外，供气装置可通过进气管将气体输送到由夹装机构和石英管构成的空间内。本发明的系统及方法，取材少，可在多种气体环境中进行三点弯曲、四点弯曲和小冲孔蠕变试验，符合实际工况下材料的高温力学性能，整体精度高。

Description

微试样蠕变试验系统及试验方法

技术领域

本发明涉及一种微试样蠕变试验系统及试验方法。

背景技术

在火电、核电和石化等高能耗的行业中，需要提高温度、压强等技术参数来提高资源的利用率，实现节能减排的目标。对相关设备提出了更高的要求。如何保证设备在高温和恶劣环境中的安全稳定运行成为重大的研究课题。在高温环境下，主要的破坏形式是蠕变，需要充分了解在役设备的蠕变性能，从而进行寿命评估。

目前，在役设备的材料性能评估主要是无损检测和微试样试验。但现在的无损检测技术主要检验材料的缺陷，对于材料的力学性能主要采用微试样试验。

GB/T2039-1997《金属拉伸蠕变及持久试验方法》对单轴拉伸蠕变试验有统一标准。但试样尺寸较大，无法满足对在役设备取样进行试验的要求。凌祥等人的《小冲孔蠕变试验系统》和关凯书等人的《小冲杆蠕变测试装置》发明了用小冲孔微试样来进行蠕变试验的试验装置。欧洲标准委员会(CEN)在2006年制定了相关标准，名为《金属材料的小冲孔试验方法》(Small Punch Test Method forMetallic Materials)，统一试样尺寸为直径8mm，厚0.5mm。小冲孔蠕变试验试样破坏原理与传统的单轴拉伸蠕变试验的不同，还无法用相关的公式很好的联系起来，仍处于实验室阶段。

弯曲试验是测定材料承受弯曲载荷时的力学性能的试验。试样承受弯矩作用后，其内部应力主要为正应力，与单轴拉伸试验时产生的应力相类似。另外，弯曲试样并不是如传统拉伸试样那样受单向载荷作用，而许多设备构件在使用过程中都受到不同程度的弯曲负荷，因此弯曲试验对于实际工程应用有重要意义。弯曲试验的试样形状规则、试验操作简单，并可以用平面杆模型为基础，能推导出相关理论公式。而且弯曲试验试样的表面应力最大，能灵敏地反映材料表面缺陷。因此，用弯曲试验测材料的蠕变性能具有可行性。

弯曲试验一般分为两种：三点弯曲试验和四点弯曲试验。

马渊睿在《三点弯非标准试样预测蠕变性能的研究》中，建立三点弯直杆小试样模型并进行推导，假设弯曲变形为小变形，进行理论推导，得到：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ref}}=\frac{\mathrm{Pl}}{2b{h}^2}$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_c\left({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ref}}\right)={\left(\frac{2n}{2n+1}\right)}^n\frac{(n+2)h}{l^2}\stackrel{\·}{d}$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_c\left({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ref}}\right)=B{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ref}}^n$

其中B、n为材料常数，P为载荷，l为试样有效跨距的一半，h为试样高度的一半，b为试样宽度，

为变形位移速率，

为转换的稳态蠕变应变率，σ_ref为转换的应力。

从而实现三点弯蠕变试验结果与传统单轴拉伸蠕变试验之间的转换。他还采用ABAQUS对三点弯曲蠕变进行了数值模拟。

目前，Krause、Chen、Dusza和Lin等通过弯曲蠕变试验，分别对陶瓷、MoSi₂和硅铝氧氮聚合材料的蠕变性能进行评估，但用微试样对金属材料进行弯曲蠕变试验的很少。

此外，一些设备在实际使用中常常伴有氧化和蠕变，但结合氧化和蠕变同时进行的研究鲜有报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微试样蠕变试验系统。

本发明的另一目的在于提供一种微试样蠕变试验方法。

本发明的微试样蠕变试验系统，包括主机框架、高温炉、伺服电机加载装置、测距装置、测力装置、冷却系统、夹装机构、石英管、供气装置，其中，

所述主机框架包括底座、上横梁、中横梁，通过两根立柱连接；

所述伺服电机加载装置设置在所述主机框架底座上，其上端穿过中横梁；

所述测力装置与所述伺服电机加载装置连接，置于其正上方；

所述测距装置固定在所述主机框架的中横梁上，其传感头套于测力传感器和冷却系统之间；

所述冷却系统置于测力装置上方；

所述夹装机构置于冷却系统上方，包括下支撑杆、夹具套件、以及上支撑杆，所述夹具套件包括夹具、定位套及压杆，其中，所述定位套套在所述夹具上，所述夹具内嵌有所述微试样，所述压杆嵌入定位套中与所述微试样接触；所述上支撑杆与所述压杆连接，嵌在所述石英管上端，其上端固定在所述主机框架的上横梁上；所述下支撑杆嵌在所述石英管下端、与所述夹具连接；

所述石英管内设置热电偶，贴在所述夹具上，所述石英管外部套有高温炉；所述热电偶测量的温度反馈到一温度控制器，通过所述温度控制器调节所述高温炉的温度；

所述供气装置通过进气管将气体输送到由所述夹装机构和所述石英管构成的空间内。

根据本发明，所述伺服电机加载装置的上端与导向套配合，保证同轴度，所述导向套嵌在所述中横梁上。

根据本发明，所述测距装置为测距传感器，所述测力装置为测力传感器，均与外设计算机相联，所述外设计算机用于记录所述测距传感器、所述测力传感器测量的数据。

根据本发明，所述冷却系统由水箱提供循环水进行冷却，避免将所述高温炉的热量传递到所述测距装置、测力装置而影响测试精度。

根据本发明，所述主机框架上横梁还设置定位机构，用于将所述夹装机构的上端固定在所述主机框架的上横梁上。

根据本发明，所述夹具套件为三点弯曲夹具套件、四点弯曲夹具套件或小冲孔夹具套件。所述三点弯曲夹具套件的所述定位套套在所述夹具上，所述定位套中间开有长方形小孔，与所述压杆配合，所述夹具侧面开有小孔，便于与环境气体充分接触。所述四点弯曲夹具套件的所述定位套在所述夹具上，所述定位套中间开有两个长方形小孔，与所述压杆配合，所述压杆有两个压头。所述小冲孔夹具套件包括下模和上模，所述下模有外螺纹，与所述上模的内螺纹相配合，所述下模还有圆形凹孔，用于安放所述微试样，所述下模侧面开有小孔，便于与环境气体充分接触。

根据本发明，所述下支撑杆与所述夹具通过螺纹连接，所述压杆和所述上支撑杆通过螺纹连接。

根据本发明，所述气体为氩气、水蒸汽、氮气等，通过流量计控制流量。

本发明的微试样蠕变试验方法，包括：

(a)、将微试样嵌入夹装机构的夹具内，将定位套套在夹具上，将热电偶贴在夹具上；

(b)、将石英管从上往下套在下支撑杆上，使气体不能从底部漏出；将上支撑杆从上往下装入石英管中，使石英管与夹装机构之间形成封闭的空间；

(c)、旋转上支撑杆，使压杆嵌入定位套后将上支撑杆固定在上横梁上；

(d)、将测力装置调零，微调伺服电机加载装置，使下支撑杆向上移动至试样与压杆接触时停止，将测距装置调零，设定限位距离和限位力值；

(e)、将气体送入石英管内，将石英管内的空气除去；

(f)、开启高温炉，升温；

(g)、让伺服电机加载装置加载力；

(h)、测力装置和测距装置测试数值。

本发明采用微试样进行试验，取材少，若从在役设备取材，可以降低对设备的破坏，若对有限的材料进行试验时，可以获得更多的数据。试样结构规则，加工和安装方便。本发明可以在高温水蒸汽或高温氮气环境中进行试验，更符合实际工况下材料的高温力学性能。本发明的夹具和压杆与支撑杆采用螺纹连接，可根据需要替换成三点弯曲、四点弯曲和小冲孔等对应的夹具套件，进行相关试验。本发明采用伺服电机加载，可以对微试样进行蠕变试验和压-压疲劳蠕变试验。此外，采用测距传感器和测力传感器，保证了试验测量精度，用定位套进行定位，保证了安装精度，从而提高了试验的整体精度。

附图说明

图1是微试样蠕变试验装置正面和侧面结构示意图。

图2是三点弯曲夹具套件结构示意图。

图3是三点弯曲夹具结构示意图。

图4为三点弯曲定位套和压杆示意图。

图5为四点弯曲夹具套件结构示意图。

图6是四点弯曲定位套和压杆示意图。

图7是小冲孔夹具套件结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。

实施例1微试样蠕变试验系统

如图1所示，本发明的微试样蠕变试验系统，包括主机框架4、高温炉1、伺服电机加载装置7、测距装置、测力装置、冷却系统3、供气装置(图未示)、夹装机构30、石英管2。

所述主机框架4由底座40、上横梁41、中横梁42以及两根立柱43构成。

所述伺服电机加载装置7置于中横梁42下方，下端固定在底座40上。上端穿过中横梁42。伺服电机通过同步带带动减速机，减速机带动丝杠，丝杠螺母通过拉管带动下拉杆做轴向运动，可以做压-压疲劳试验，其中，所述下拉杆用于连接拉管和测力装置。为保证上下的同轴度，所述伺服电机加载装置的上端穿过中横梁42，与设置在中横梁42内的导向套相配合。

所述测距装置和测力装置分别为测距传感器6和测力传感器5，均与计算机相联，进行相关数据记录。测力传感器5与伺服电机加载装置7连接，置于其正上方。测距传感器6固定在中横梁42上，测距传感器6的传感头套于测力传感器5和冷却系统3之间。

所述冷却系统3置于测力传感器5上方，夹装机构置于冷却系统3上方，穿过石英管，上端固定在主机框架4的上横梁41上。所述的冷却系统3由水箱提供循环水进行冷却，避免将高温炉1的热量传递到传感器而影响其精度。

所述夹装机构30包括下支撑杆10、夹具套件31以及上支撑杆9，所述夹具套件31为三点弯曲夹具套件，能够实现三点弯曲的理论模型，精度高，能与环境气体充分接触，如图2所示，包括夹具14、定位套15、压杆16。其中，所述上支撑杆9嵌在所述石英管2上端、与所述压杆16通过螺纹连接；所述下支撑杆10嵌在所述石英管2下端、与所述夹具14通过螺纹连接。如图3所示，所述夹具14为三点弯曲夹具，为圆形，两根圆柱形滚子13嵌在夹具14上，形成试样的两个支点，夹具14在两根圆柱形滚子13之间有部分挖空，利于试样变形。微试样12置于圆柱形滚子13上，两端嵌入夹具约0.5mm，滴蜡固定。夹具14开有内螺纹，与下支撑杆10连接。夹具14外侧有部分削去，方便与定位套15配合。如图2所示，所述定位套15套在所述夹具14上。如图4所示，定位套15为三点弯曲定位套，中间部分内凹，可与夹具14配合，并留有一定高度。定位套15侧面有开小圆孔50，便于环境气体与试样12接触。定位套15中间开有长方形小孔51，对压杆16进行定位，压杆16具有一个压头52，如图2所示，压杆16可以穿过该小孔51与试样12接触，保证压杆16与试样12的垂直度。

高温炉1为对开立式高温炉。试验时，可转动并套在石英管2外。其温度由置于石英管2内贴在夹具上的热电偶测量温度后由温度控制器进行调节。高温炉与温度控制器用导线相连，热电偶与温度控制器相连。使用时，可以将高温炉1固定在主机框架4的立柱43上。

供气装置提供的气体通过进气管11通入由夹装机构和石英管构成的相对密闭的空间。气体部分包括氩气、水蒸汽和氮气等，通过流量计控制，由石英管2底部通入，从顶端排出，构成一个相对稳定的气体环境，用于研究在无氧、加速氧化和渗氮等环境作用下的高温力学性能。

本实施例中，所述主机框架4上横梁还设置定位机构8，用于将所述夹装机构30的上端固定在所述主机框架4的上横梁41上，具体的，将上支撑杆9固定在上横梁41上。

实施例2微试样蠕变试验系统

本实施例中微试样蠕变试验系统与实施例1基本相同，不同之处仅在于，所述夹具套件为四点弯曲夹具套件，结构如图5所示。四点弯曲夹具套件能够实现四点弯曲的理论模型，精度高，能与环境气体充分接触。与三点弯曲夹具套件结构基本相同，如图6所示，不同之处在于压杆和定位套，四点弯曲的定位套17中间开有两个长方形小孔51，压杆18有两个压头52。

实施例3微试样蠕变试验系统

本实施例中微试样蠕变试验系统与实施例1基本相同，不同之处仅在于，所述夹具套件为小冲孔夹具套件。如图7所示，小冲孔夹具套件的特点是上模21与下模23采用螺纹连接，将小冲孔试样22很好地固定在上模21和下模23之间，并在下模23侧面上开有小孔，使试样22的下表面能与环境气体充分接触，便于研究环境和蠕变耦合的影响。

小冲孔下模23为圆形，中间有一个浅的圆形凹孔，用于安放小冲孔试样22，另一端有内螺纹，可与下支撑杆10连接。下模23侧面开有小孔，使试样22的下表面能与环境气体充分接触，便于研究环境和蠕变耦合的影响。下模23外面有螺纹。小冲孔上模21为圆形，有内螺纹，与下模23配合。中间有圆柱孔，用于导向小冲孔压杆。小冲孔压杆19为圆柱形，下细上粗，上端有螺纹，与上支撑杆9相连。压球20为球形，置于小冲孔压杆19与试样22之间。

实施例4微试样蠕变试验方法

首先将试样12安放在圆柱形滚子13上，并嵌入夹具14中，用石蜡将其固定，将定位套15套在夹具上。将热电偶贴在夹具14上，然后将石英管2从上往下套在下支撑杆10上，使石英管2与安放在下支撑杆10上的“O”型密封圈良好接触，不让气体从底部漏出。将上支撑杆9从上往下装入石英管2中，使其部分嵌入石英管2上端，从而使石英管2部分形成相对封闭的空间。然后旋转上支撑杆9，使压杆16能嵌入定位套15中，然后用定位机构8将上支撑杆9固定。接着开启计算机，将测力传感器5调零，然后微调伺服电机加载装置7，使下支撑杆10缓慢向上移动，当试样12与压杆16接触，测力传感器5有很小读数时停止，将测距传感器6调零。设定限位距离和限位力值。然后让气体从进气管11进入，将石英管2内的空气除去，然后开启高温炉，将温度缓慢升温到600℃，并保温15min。然后让伺服电机加载装置7加200N的力，此时，根据测力传感器5和测距传感器6传回的数据，计算机会画出多种曲线，如中心变形-时间曲线、稳态蠕变速率-应力曲线。

试验结束后，首先调节温度控制仪，将高温炉1的温度缓慢降低，然后停掉供气装置，松开定位机构8，将上支撑杆9自下而上取出，将石英管2自下而上取出，将定位套15从夹具14上取下，然后取下试样12。如果还要继续做试验，则按上述步骤进行操作。若停止试验，则关掉计算机，切断电源。

本发明的有益效果是：

(1)采用微试样进行试验，取材少，若从在役设备取材，可以降低对设备的破坏，若对有限的材料进行试验时，可以获得更多的数据。试样结构规则，加工和安装方便。

(2)在高温水蒸汽或高温氮气环境中进行试验，更符合实际工况下材料的高温力学性能。

(3)夹具和压杆与支撑杆采用螺纹连接，可根据需要替换成三点弯曲、四点弯曲和小冲孔等对应的夹具套件，进行相关试验。

(4)采用伺服电机加载，加载力的大小可调，可以对微试样进行蠕变试验和压-压疲劳蠕变试验。

(5)采用测距传感器和测力传感器，保证了试验测量精度，用定位套进行定位，保证了安装精度，从而提高了试验的整体精度。

Claims (9)

1.一种微试样蠕变试验系统，其特征在于，包括主机框架、高温炉、伺服电机加载装置、测距装置、测力装置、冷却系统、夹装机构、石英管、供气装置，其中，

所述主机框架包括底座、上横梁、中横梁，通过两根立柱连接；

所述伺服电机加载装置设置在所述主机框架底座上，其上端穿过中横梁；

所述测力装置与所述伺服电机加载装置连接，置于其正上方；

所述测距装置固定在所述主机框架的中横梁上，其传感头套于测力装置和冷却系统之间；

所述冷却系统置于测力装置上方；

所述夹装机构置于冷却系统上方，包括下支撑杆、夹具套件、以及上支撑杆，所述夹具套件包括夹具、定位套及压杆，其中，所述定位套套在所述夹具上，所述夹具内嵌有所述微试样，所述压杆嵌入定位套中与所述微试样接触；所述上支撑杆与所述压杆连接、嵌在所述石英管上端，其上端固定在所述主机框架的上横梁上；所述下支撑杆嵌在所述石英管下端、与所述夹具连接；

所述石英管内设置热电偶，贴在所述夹具上，所述石英管外部套有高温炉；所述热电偶测量的温度反馈到一温度控制器，通过所述温度控制器调节所述高温炉的温度；

所述供气装置通过进气管将气体输送到由所述夹装机构和所述石英管构成的空间内。

2.如权利要求1所述的微试样蠕变试验系统，其特征在于，所述伺服电机加载装置的上端与导向套配合，保证同轴度，所述导向套嵌在所述中横梁上。

3.如权利要求1所述的微试样蠕变试验系统，其特征在于，所述测距装置为测距传感器，所述测力装置为测力传感器，均与外设计算机相联，所述外设计算机用于记录所述测距传感器、所述测力传感器测量的数据。

4.如权利要求1所述的微试样蠕变试验系统，其特征在于，所述冷却系统由水箱提供循环水进行冷却，避免将所述高温炉的热量传递到所述测距装置、测力装置而影响测试精度。

5.如权利要求1所述的微试样蠕变试验系统，其特征在于，所述主机框架上横梁还设置定位机构，用于将所述夹装机构的上端固定在所述主机框架的上横梁上。

6.如权利要求1所述的微试样蠕变试验系统，其特征在于，所述夹具套件为三点弯曲夹具套件、四点弯曲夹具套件或小冲孔夹具套件，其中，

所述三点弯曲夹具套件的所述定位套套在所述夹具上，所述定位套中间开有长方形小孔，与所述压杆配合，所述夹具侧面开有小孔，便于与环境气体充分接触；

所述四点弯曲夹具套件的所述定位套套在所述夹具上，所述定位套中间开有两个长方形小孔，与所述压杆配合，所述压杆有两个压头；

所述小冲孔夹具套件包括下模和上模，所述下模有外螺纹，与所述上模的内螺纹相配合，所述下模还有圆形凹孔，用于安放所述微试样，所述下模侧面开有小孔，便于与环境气体充分接触。

7.如权利要求1所述的微试样蠕变试验系统，其特征在于，所述下支撑杆与所述夹具通过螺纹连接，所述压杆和所述上支撑杆通过螺纹连接。

8.如权利要求1所述的微试样蠕变试验系统，其特征在于，所述气体为氩气、水蒸汽或氮气，通过流量计控制流量。

9.一种使用权利要求1的微试样蠕变试验系统的微试样蠕变试验方法，其特征在于，包括：

(a)、将微试样嵌入夹装机构的夹具内，将定位套套在夹具上，将热电偶贴在夹具上；

(b)、将石英管从上往下套在下支撑杆上，使气体不能从底部漏出；将上支撑杆从上往下装入石英管中，使石英管与夹装机构之间形成封闭的空间；

(c)、旋转上支撑杆，使压杆嵌入定位套后将上支撑杆固定在上横梁上；

(d)、将测力装置调零，微调伺服电机加载装置，使下支撑杆向上移动至微试样与压杆接触时停止，将测距装置调零，设定限位距离和限位力值；

(e)、将气体送入石英管内，将石英管内的空气除去；

(f)、开启高温炉，升温；

(g)、让伺服电机加载装置加载力；

(h)、测力装置和测距装置测试数值。

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