CN102621011A - 超小型微创高温蠕变疲劳试验机及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了超小型微创高温蠕变疲劳试验机及其应用，主要驱动系统、加载装置、恒温大气炉、温控系统、高温气体保护系统、测量控制系统和水冷系统构成。本发明的加载方式为顶部垂直加载，试样位于上下固定平台之间，加载时，利用伺服电机控制下加载杆向上运动，通过冲杆与上加载杆相接触，冲杆的下端通过压头，进而冲压试样。本发明针对高温下的在役结构、微区结构，用以获得材料的各种高温性能，对高温结构的剩余寿命蠕变以及安全运行状态等进行评估。该试验机操作方便，试验温度均匀，试验精度高，可以实现材料多种高温性能的测试如高温蠕变性能、高温松弛性能、高温蠕变疲劳性能以及高温断裂韧性等。

Description

超小型微创高温蠕变疲劳试验机及其应用

技术领域

本发明涉及一种材料高温性能的测试领域，更具体地说，涉及一种采用微小试样的材料高温性能的试验机及其应用。

背景技术

目前随着中国经济的高速发展，对能源的需求越来越高，造成环境的污染也随之加重，因此提高能源的利用效率、发展新型能源、减少有害气体及温室气体的排放成为经济可持续发展的重要支撑点。在研制新能源的同时，提高工业装置的操作参数是提高现有能源的使用效率和物质转化效率的最有效手段。因此，现代的发电、石油、化工和冶金等工业装置都向着高温、高压、结构大型化的趋势发展。对于这些高温、高压、高温腐蚀情况下服役的构件，获得其在役条件下材料的高温性能，准确评价在役高温结构的剩余寿命，对于保证高温结构的完整性以及安全运行具有重要意义。目前常规的高温性能测试，所需要的试样几何尺寸比较大，如标准蠕变试样尺寸在100mm左右，会对在役结构具有比较大的破坏性，因此导致无法直接从在役结构取样。此外，由于高温结构均比较复杂，其接头部位往往采用焊接结构制造而成，而在高温服役的情况，易在接头的热影响区发生早期失效，对高温结构的寿命具有重要影响。由于热影响区尺寸比较小，无法采用常规高温性能测试方法，获得其性能。因此减少取样对在役结构的破坏就成了研究重点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的测试不足，针对高温下的在役结构、微区结构，提供一种在高温下利用微型试样测试材料性能的试验机，用以获得材料的各种高温性能，对高温结构的剩余寿命蠕变以及安全运行状态等进行评估。该试验机操作方便，试验温度均匀，试验精度高，可以实现材料多种高温性能的测试如高温蠕变性能、高温松弛性能、高温蠕变疲劳性能以及高温断裂韧性等，成本低。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现：

超小型微创高温蠕变疲劳试验机，包括机架、驱动系统、温控系统、高温气体保护系统、测量控制系统、加载装置和水冷系统，其中：

机架包括底板、中台板、上横梁以及连接它们的立柱支撑，其中底板用于安装和固定伺服电机和减速机；中台板用于安装和固定传感器和流量计；上横梁用于和上加载杆固定连接；立柱支撑用于将底板、中台板和上横梁的连接和加固；

驱动系统包括伺服电机、减速机和传动机构，其中伺服电机用于产生加载的原始动力，经过减速机后通过传动机构向传动杆输出动力；

温控系统包括加热炉、热电偶、固定套和温度控制器，其中加热炉用于产生高温环境，炉腔内设置加载系统和石英管，采用立式、对开式管式炉；固定套用于安装和固定加热炉，其一端可与加热炉固定，另一端和机架的立柱连接在一起；热电偶的一端穿过下密封套筒进入石英管中靠近试样放置位置的地方，另一端与温度控制器相连；温度控制器根据热电偶采集的温度信号，对加热炉的加热进行控制，以实现对炉腔温度的控制；

高温气体保护系统包括上密封套筒、下密封套筒、石英管、气瓶和流量计，其中上密封套筒、下密封套筒分别设置上下加载杆上，且与石英管的两端相连；石英管的长度稍大于加热炉的炉腔长度；气瓶中充满惰性气体，例如氮气或者氦气或者氩气，通过气体管路和流量计通过下密封套筒的气体流入孔进行石英管内，由于在测试过程中试样一直处于高温环境中，为避免试样的氧化，需要在整个测试过程中保持一定的气体流速，以减少或者排除氧气的影响；由于惰性气体是自下而上地充斥石英管，需要保证下密封套筒紧密连接的同时，上密封套筒与上加载杆的连接可以保证气体的流出；流量计根据需要调整惰性气体的流入量；

加载装置包括上下加载杆、压杆、压球、锁紧螺母、导向块、上下固定平台和加载杆连接夹具，其中上加载杆的一端固定在上横梁上，另一端穿过上密封套筒进入石英管内部再与压杆相连；压杆穿过锁紧螺母和导向块，与上固定平台相接触，其顶端与压球相接触；压球位于待测试试样的表面上，且与压杆的顶端和上固定平台相接触，一般采用陶瓷制作而成，耐高温，具有较高的硬度，不易发生变形；在上下固定平台之间放置待测试的试样，并通过锁紧螺母和加载杆连接夹具固定在一起，加载杆连接夹具通过螺纹连接在下加载杆上，下加载杆穿过下密封套筒与传动杆相连，加载杆连接夹具上设置有夹具进气孔，以实现惰性气体进行夹具，为测试提供惰性气体氛围；

水冷系统包括水箱、水泵、循环管路和传动杆，由于加热炉实施加热时，整个传动和加载系统的金属部分都会难以避免地产生升温现象，这一现象会对位于整个试验机底部的传感器产生不利影响，故在位于传感器之上的传动杆上设置进水和出水口，通过水箱、水泵和循环管路实现水循环对传动杆的降温，避免温度升高对下部传感器的影响；

测量控制系统包括测量控制器、载荷传感器、位移传感器和数据采集卡，其中载荷传感器为高精度载荷传感器，加载精度为试验力的1％左右，直接与传动机构相连，通过导线与测量控制器相连以采集加载载荷的信息；位移传感器采用线性差动位移传感器，其固定在中台板上，测量头垂直接触固定在传动杆上的测量片，同时位移传感器通过导线与测量控制器相连，以采集位移的信息；测量控制器用于采集载荷和位移的信息，并反馈控制伺服电机，以实现载荷和位移的控制；测量控制器与数据采集卡相连，既可以实现在电脑屏幕上的时时显示，又可以对试验数据进行存储。

整个试验机中还可以设置隔热板，所述隔热板位于加热炉的上方，降低热辐射对机器影响。

采用伺服电机加载一方面可以保证加载的稳定性，控制精度比较高，传动平稳，可以保证测试系统的精度；另一方面，可以实现功能多样化，由于采用伺服电机，本试验机不仅可以给定恒定的力值来测试蠕变性能，给定恒定的变形测试蠕变松弛性能，给定加载速率测定高温断裂韧性以及改变载荷波形测定材料的蠕变疲劳性能，使本试验机具有更广泛的适用性。加载方式为顶部垂直加载，加载时，伺服电机根据控制指令，控制传动杆向上移动，与之相连的下加载杆也向上移动，使得压杆上端和上加载杆下端相接触。上加载杆端通过螺栓固定与上横梁。因此，使得压杆下端挤压压球，进而冲压试样。

试验未开始时，首先装入试样，把热电偶固定到试样上，随后装石英管。打开气体瓶，通入气体，调节流量计控制气体流量，使石英管内充满保护气体。根据测试温度，控制大气炉升到指定温度，保温一定时间后，开始加载。试验过程中，试样的变形情况，通过位移传感器测得传动杆的移动，进而测得试样的变形，并通过数据线传递给测量控制器，测量控制器与计算机中的数据采集卡相连，传递数据到电脑，实时显示试样变形情况，并可以实现试验数据的存储以及后续处理等。

本发明的超小型微创高温蠕变疲劳试验机，采用伺服电机加载，提高了加载的精度及稳定性，采用了高温气体保护装置，降低高温氧化对试验结果的影响，可以实现高温下蠕变、松弛以及蠕变疲劳等多种性能的测量。开有通气孔，使得保护气体与试样接触，很好的防止测试过程中试样氧化。恒温大气炉为对开式加热炉，炉内装置以及试样的安装均比较方便，采用整体加热的方法，可以很好保证试样的温度；同时电加热炉通过悬臂装置与立柱相连，方便试验操作。

附图说明

图1本发明试验机的结构示意图。

图2图1中A部分的放大剖面图。

其中各个部件的标号为：1底板；2伺服电机；3左立柱；4减速机；5传动机构；6中台板；7载荷传感器；8流量计；9下密封套筒；10通气管；11下加载杆；12加热炉；13石英管；14上加载杆；15气压表；16上横梁；17隔热板；18上密封套筒；19加热炉固定套；20热电偶；21冷却水进出口；22传动杆；23测量片；24线性差动位移传感器；25右立柱；26下加载杆连接夹具；27夹具进气孔；28下固定平台；29上固定平台；30导向块；31锁紧螺母；32压杆；33压球；34试样。

图3利用本发明的试验机进行高温性能测试的测试曲线(1)。

图4利用本发明的试验机进行高温性能测试的测试曲线(2)。

图5利用本发明的试验机进行高温性能测试的测试曲线(3)。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

本发明的超小型微创高温蠕变疲劳试验机，包括机架、驱动系统、温控系统、高温气体保护系统、测量控制系统、加载装置和水冷系统，其中：

机架包括底板1、中台板6、上横梁16以及连接它们的立柱支撑3和25，其中底板用于安装和固定伺服电机和减速机；中台板用于安装和固定传感器和流量计；上横梁用于和上加载杆固定连接；立柱支撑用于将底板、中台板和上横梁的连接和加固；

驱动系统包括伺服电机2、减速机4和传动机构5，其中伺服电机用于产生加载的原始动力，经过减速机后通过传动机构向传动杆输出动力；

加载装置主要由下加载杆连接夹具26、夹具通气孔27、下固定平台28、上固定平台29、定位块30、锁紧螺母31、压杆32、压球33组成，其中试样34。本试验机加载方式为顶部垂直加载，如图2所示。试样32位于下固定平台28和上固定平台29之间，下固定平台28开有倒角，防止试样与其接触的区域产生过大应力集中。上下固定平台通过定位块30、锁紧螺母31与下加载杆连接夹具26连接在一起，其中定位块和锁紧螺母主要起到固定上下平台作用，防止测试过程中平台发生转动，进而可以防止试样转动。下加载杆连接夹具通过螺纹和下加载杆11相连，其上开有通气孔25，可以保证测试过程中，保护气体从此进入上下固定平台与试样相接触，防止试样高温氧化。下加载杆11通过螺纹固定于传动杆21上，伺服电机通过控制传动杆进而控制下加载杆移动。压杆30位于夹具的中心孔内，位于压球33的上方，压球33直接与试样接触，位于上下固定平台的中心孔中，正好对应于试样的中心区域。加载时，伺服电机根据控制指令，控制传动杆向上移动，与之相连的下加载杆也向上移动，使得冲杆32上端和上加载杆14下端相接触。上加载杆14上端通过螺栓固定与上横梁16。因此，使得压杆下端挤压压球33，进而冲压试样。压球一般采用陶瓷制作而成，耐高温，具有较高的硬度，不易发生变形。

加载装置与下加载杆位于石英管13内。石英管13下端位于下密封套筒9之中，上端位于上密封套18之中，使得石英管内部处于相对密封环境。下密封套9固定在传动杆21上，石英管位于加热炉12中。石英管的长度稍大于加热炉的炉腔长度；气瓶中充满惰性气体，例如氮气或者氦气或者氩气，通过气体管路和流量计通过下密封套筒的气体流入孔进行石英管内，由于在测试过程中试样一直处于高温环境中，为避免试样的氧化，需要在整个测试过程中保持一定的气体流速，以减少或者排除氧气的影响；由于惰性气体是自下而上地充斥石英管，需要保证下密封套筒紧密连接的同时，上密封套筒与上加载杆的连接可以保证气体的流出；流量计根据需要调整惰性气体的流入量。

加热炉12采用立式、对开式管式炉，采用整体加热，通过固定套19固定于右立柱25上，防止其上下移动，且固定套采用悬臂固定装置，与大气炉之间通过转轴相连，大气炉和固定套之间可以转动，方便试验操作。热电偶20置于石英管内部，靠近试样的位置，测量测试过程中石英管内试样处的实际温度，热电偶与温度控制器相连，对加热炉的加热进行控制，以实现对炉腔温度的控制。

整个测试过程中要处于保护气氛下，保护气体由气瓶中通过气压表15中流出，气压表用来控制气体的通断，并实时显示气体剩余量，利于及时更换气瓶。气体通过通气管10与流量计8相连，流量计8用以控制气体流量。气体通过流量计以后，直接进入从下密封套通的进气孔进入石英管内部，使得气体充满密封的石英管，并通过夹具进气孔27，以实现惰性气体进行夹具，为测试提供惰性气体氛围从而使试样在测试过程中处于保护气氛中。

由于在高温情况下，加热炉会产生热辐射，测试系统中还配备冷却系统，水箱、水管、和冷却水可以在测试过程中实现冷却水的循环，在位于传感器之上的传动杆上设置进水和出水口，通过水箱、水泵和循环管路实现水循环对传动杆的降温，对传动杆以及和其相连的传感器进行循环水冷，降低温度对传感器的影响，保证试验精度。同时隔热板17位于大气炉的上方，降低热辐射对机器影响。

测量控制系统包括测量控制器、载荷传感器7、位移传感器24和数据采集卡，其中载荷传感器为高精度载荷传感器，加载精度为试验力的1％左右，直接与传动机构相连，通过导线与测量控制器相连以采集加载载荷的信息；位移传感器24采用线性差动位移传感器，其固定在中台板上，测量头垂直接触固定在传动杆上的测量片23，同时位移传感器通过导线与测量控制器相连，以采集位移的信息；测量控制器用于采集载荷和位移的信息，并反馈控制伺服电机，以实现载荷和位移的控制；测量控制器与数据采集卡相连，既可以实现在电脑屏幕上的时时显示，又可以对试验数据进行存储。

采用伺服电机加载一方面可以保证加载的稳定性，控制精度比较高，传动平稳，可以保证测试系统的精度；另一方面，可以实现功能多样化，由于采用伺服电机，本试验机不仅可以给定恒定的力值来测试蠕变性能，给定恒定的变形测试蠕变松弛性能，给定加载速率测定高温断裂韧性以及改变载荷波形测定材料的蠕变疲劳性能，使本试验机具有更广泛的适用性。加载方式为顶部垂直加载，加载时，伺服电机根据控制指令，控制传动杆向上移动，与之相连的下加载杆也向上移动，使得压杆上端和上加载杆下端相接触。上加载杆端通过螺栓固定与上横梁。因此，使得压杆下端挤压压球，进而冲压试样。试验未开始时，首先装入试样，把热电偶固定到试样上，随后装石英管。打开气体瓶，通入气体，调节流量计控制气体流量，使石英管内充满保护气体。根据测试温度，控制大气炉升到指定温度，保温一定时间后，开始加载。试验过程中，试样的变形情况，通过位移传感器测得传动杆的移动，进而测得试样的变形，并通过数据线传递给测量控制器，测量控制器与计算机中的数据采集卡相连，传递数据到电脑，实时显示试样变形情况，并可以实现试验数据的存储以及后续处理等。

利用发明的试验机进行微小试样的高温性能测试(蠕变性能测试)，试验的材料为超超临界火电机组主蒸汽管道用钢P92钢焊接接头热影响区。取样时，平行于焊接方向，在接头的热影响区取样。试样为圆片状试样，尺寸为：直径为10mm，厚度为0.5mm，试样表面的光洁度为0.5μm。试验温度为650℃，试验所施加的载荷为300N，附图3显示了试验过程中，利用位移传感器测得试样中心的挠曲变形随着试验时间的变化情况。

利用发明的试验机进行微小试样的高温性能测试(蠕变疲劳性能测试)，试验的材料为超超临界火电机组主蒸汽管道用钢P92钢。试样为圆片试样，尺寸为：直径为10mm，厚度为0.5mm，试样表面光洁度为0.5μm，试验温度为650℃，试验所施加的载荷，为矩形波循环载荷，最大应力为300N，最小应力为30N，加载和卸载速率均为0.5N/s，在最大应力和最小应力处应力保持时间为1min，附图4显示了试验过程中，试样中心的挠曲变形随着循环次数的变化情况。

利用发明的试验机进行微小试样的高温性能测试(蠕变松弛性能测试)，试验的对象为圆台型螺旋压缩弹簧，材料为T9A冷拔碳素钢，上圆台直径为2mm，下圆台直径为10mm，弹簧丝直径为1mm，圈数为5圈，自由高度6为mm，试验过程中弹簧压缩距离为4.5mm。试验温度为350℃，附图5显示了试验过程中弹簧的应力随时间的变形情况。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.超小型微创高温蠕变疲劳试验机，包括机架、驱动系统、温控系统、高温气体保护系统、测量控制系统、加载装置和水冷系统，其中：机架包括底板、中台板、上横梁以及连接它们的立柱支撑，其中底板用于安装和固定伺服电机和减速机；中台板用于安装和固定传感器和流量计；上横梁用于和上加载杆固定连接；立柱支撑用于将底板、中台板和上横梁的连接和加固；驱动系统包括伺服电机、减速机和传动机构，其中伺服电机用于产生加载的原始动力，经过减速机后通过传动机构向传动杆输出动力；其特征在于，

温控系统包括加热炉、热电偶、固定套和温度控制器，其中加热炉用于产生高温环境，炉腔内设置加载系统和石英管；固定套用于安装和固定加热炉，其一端可与加热炉固定，另一端和机架的立柱连接在一起；热电偶的一端穿过下密封套筒进入石英管中靠近试样放置位置的地方，另一端与温度控制器相连；温度控制器根据热电偶采集的温度信号，对加热炉的加热进行控制，以实现对炉腔温度的控制；

高温气体保护系统包括上密封套筒、下密封套筒、石英管、气瓶和流量计，其中上密封套筒、下密封套筒分别设置上下加载杆上，且与石英管的两端相连；石英管的长度稍大于加热炉的炉腔长度；气瓶中充满惰性气体，通过气体管路和流量计通过下密封套筒的气体流入孔进行石英管内；下密封套筒与下加载杆紧密连接的同时，上密封套筒与上加载杆的连接可以保证气体的流出；流量计根据需要调整惰性气体的流入量；

加载装置包括上下加载杆、压杆、压球、锁紧螺母、导向块、上下固定平台和加载杆连接夹具，其中上加载杆的一端固定在上横梁上，另一端穿过上密封套筒进入石英管内部再与压杆相连；压杆穿过锁紧螺母和导向块，与上固定平台相接触，其顶端与压球相接触；压球位于待测试试样的表面上，且与压杆的顶端和上固定平台相接触；在上下固定平台之间放置待测试的试样，并通过锁紧螺母和加载杆连接夹具固定在一起，加载杆连接夹具通过螺纹连接在下加载杆上，下加载杆穿过下密封套筒与传动杆相连，加载杆连接夹具上设置有夹具进气孔，以实现惰性气体进行夹具，为测试提供惰性气体氛围；

水冷系统包括水箱、水泵、循环管路和传动杆，在位于传感器之上的传动杆上设置进水和出水口，通过水箱、水泵和循环管路实现水循环对传动杆的降温，避免温度升高对下部传感器的影响；

测量控制系统包括测量控制器、载荷传感器、位移传感器和数据采集卡，其中载荷传感器直接与传动机构相连，通过导线与测量控制器相连以采集加载载荷的信息；位移传感器采用线性差动位移传感器，其固定在中台板上，测量头垂直接触固定在传动杆上的测量片，同时位移传感器通过导线与测量控制器相连，以采集位移的信息；测量控制器用于采集载荷和位移的信息，并反馈控制伺服电机，以实现载荷和位移的控制；测量控制器与数据采集卡相连，既可以实现在电脑屏幕上的时时显示，又可以对试验数据进行存储。

2.根据权利要求1所述的超小型微创高温蠕变疲劳试验机，其特征在于，所述加热炉采用立式、对开式管式炉。

3.根据权利要求1所述的超小型微创高温蠕变疲劳试验机，其特征在于，所述气瓶中充满的惰性气体为氮气或者氦气或者氩气。

4.根据权利要求1所述的超小型微创高温蠕变疲劳试验机，其特征在于，所述压球一般采用陶瓷制作而成，耐高温，具有较高的硬度，不易发生变形。

5.根据权利要求1所述的超小型微创高温蠕变疲劳试验机，其特征在于，整个试验机中还可以设置隔热板，所述隔热板位于加热炉的上方，降低热辐射对机器影响。

6.如权利要求1所述的超小型微创高温蠕变疲劳试验机在测定超小型微创试样高温蠕变、松弛以及疲劳性能中的应用。

Images