CN104390856B - 一种金属薄壁全段管材轴向拉压疲劳试验夹具 - Google Patents

Abstract

本发明是一种金属薄壁全段管材轴向拉压疲劳试验夹具，用于实现对薄壁管状试样在液态铅基合金环境疲劳试验时的夹持。该夹具由锥形芯棒旋接在带有锥形的芯套上，装配在带有倒T型凹槽的固定架上，用螺栓实现外夹套与固定架的连接；将锁紧螺母旋接在固定架上，直至与固定架锁紧形成夹具。采用本发明夹具利用内外夹持提高了对管状试样的夹持力，并降低了试验夹具的应力集中，减少了液态铅基合金与夹具内部的直接接触几率，降低了液态铅基合金对夹具内部主要结构件的腐蚀，延长了夹具的使用寿命。

Description

一种金属薄壁全段管材轴向拉压疲劳试验夹具

技术领域

本发明涉及疲劳试验领域，具体是一种金属薄壁全段管材轴向拉压疲劳试验夹具，用于金属薄壁管段试样在高温、液态铅基合金腐蚀环境中轴向拉压疲劳试验。

背景技术

包壳管包裹核燃料，是反应堆的第一道安全屏障。中国铅基研究堆采用液态铅基合金做冷却剂，包壳管在服役时，需要在高温环境中承受快中子辐照，冷却剂的腐蚀，不断增加的内外应力等复杂工况。包壳受到高温、腐蚀和循环载荷的作用，会导致包壳管发生疲劳失效甚至断裂。

为了考察金属材料的疲劳性能，目前国内外通常将材料加工成标准试样(如圆形横截面试样、矩形横截面试样等)进行疲劳试验，并且推出了一系列疲劳试样的标准。由于包壳管壁厚薄、内外应力存在差异等服役特点，标准试样无法直接反映出材料的高温、腐蚀性介质环境对包壳管疲劳性能的影响。因此需要直接以管材试样进行高温腐蚀环境的疲劳性能测试，研究包壳金属薄壁管材在高温、液态铅基合金环境中腐蚀疲劳的行为与微观机理，积累高温、铅铋腐蚀性介质环境疲劳强度数据，为中国铅基研究堆后续的选材优化和堆芯设计提供技术支持。

GB/T15248-2008《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》规定管材试样可以进行疲劳实验，但需设计成非标准试样，目前针对于薄壁管材疲劳试验的试样有两种类型：全管段试样和弧状试样。GB/T228-2010《金属材料拉伸实验第一部分：室温试验方法》规定当直径小于30mm时，建议采用弧状试样进行拉伸试验。考虑到疲劳试验对样品对称性以及对中度的要求苛刻，因此对于包壳管这种小直径的薄壁管材，有必要采用全管段试样进行疲劳试验。

目前已有的全管段薄壁试样的疲劳夹具非常少，且设计中有以下不足之处：(1)都是采用直插内塞头的形式，仅通过外侧的锁紧螺母提供夹持力，由于内塞头无法与管状内壁实现紧密贴合，因此这类夹具所提供的抱紧力不足；(2)同时仅有外侧的锁紧螺母提供夹持力，会造成锁紧螺母在疲劳过程中产生应力集中，进而使得夹具产生破坏。

值得注意的是，与传统的水介质不同的是，液态铅基合金具有很强的腐蚀性，会对夹具产生较强的腐蚀，进而减少了夹具的使用寿命，所以在设计夹具时还需考虑如何减少液态铅基合金对夹具的腐蚀影响。

同时，前期调研表明，国内外尚无金属薄壁管材在高温液态铅基合金环境中的疲劳性能数据的报道，没有可供参考的数据和经验。为了能更好地实现对金属薄壁管材的夹持，并尽量减少液态铅基合金对夹具的腐蚀影响，因此非常有必要开展全管段薄壁管材在液态铅铋合金环境下的疲劳试验夹具设计，从而开展液态铅基合金下金属薄壁管的疲劳试验。

发明内容

本发明技术的目的是，改善现有技术的不足，提供一种金属薄壁全段管材轴向拉压疲劳试验夹具，以实现对金属薄壁管材的夹持，在高温、液态铅基合金腐蚀环境中进行轴向拉压疲劳试验。该夹具不仅能增大对管段试样的夹持力；且不会使试样发生打滑、变形，减小试样和芯棒的应力集中；减小了液态铅基合金对夹具内部主要结构件的腐蚀，延长夹具的使用寿命。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种金属薄壁全段管材轴向拉压疲劳试验夹具，包括固定架、芯套、芯棒、外夹套、螺栓、锁紧螺母；

芯套—芯套上端为带有内螺纹的T型双台肩，下端为对称四瓣式内锥体套筒，芯套上端台肩内侧套筒部分为内螺纹，芯套下端内侧为光滑内锥体结构，芯套上端台肩外侧为外螺纹，下端为光滑外壁；

芯棒—芯棒上端为六角形螺帽，中端为外螺纹的螺杆，下端为光滑的外锥体形状；芯棒中端螺杆尺寸与芯套上端台肩内侧螺纹尺寸相配合，芯棒下端与芯套下端内侧尺寸相配合；芯棒与芯套连接，可实现对管状试样的内夹持；

固定架—固定架的上端为螺杆，实现固定架与疲劳试验机的固定；固定架的下端为圆柱体，圆柱体内侧为过轴心的倒T型的凹槽，倒T型凹槽下端内壁为内螺纹；倒T型凹槽下端内螺纹与芯套外侧的外螺纹尺寸相配合，实现芯套与固定架的连接；固定架下端端面有四个对称的小凹槽，小凹槽内有内螺纹，与外夹套凹槽尺寸相配合，可实现外夹套与固定架的连接；固定架外侧为外螺纹，其尺寸与锁紧螺母内螺纹尺寸相配合，实现固定架与锁紧螺母的连接；

外夹套—外夹套的上端为环形圆块，内部为T型沉孔，尺寸与芯套上端台肩外侧尺寸相配合；环形圆块上设有通孔，用螺栓可通过外夹套的通孔实现外夹套与固定架的连接；下端为对称四瓣式外锥体套筒，外锥体套筒根部对称开孔，开孔位置低于锁紧螺母内部的上端面，外锥体套筒内侧为光滑内壁，与锁紧螺母可实现紧密贴合；

锁紧螺母—锁紧螺母的外侧上端为光滑的圆柱体形状，下端为光滑的六角型螺帽；锁紧螺母上端内侧为外螺纹，中间过渡段为光滑内壁，下端为带有锥度的光滑内壁；将锁紧螺母上端由内螺纹与固定架外侧的外螺纹紧密旋接，使得锁紧螺母下端与外夹套的下端外锥面套筒紧密接触，实现对夹具内部的密封。

进一步的，薄壁管材内部采用带有双台肩和对称四瓣式内锥体结构的芯套与带有光滑外锥体结构的芯棒的锁紧配合实现对管材的内夹紧。

进一步的，薄壁管材外部采用带有光滑外锥体套筒的外夹套与带有内锥面的锁紧螺母的紧密配合实现对管材的外夹紧。

进一步的，外夹套套筒根部对称开孔，开孔位置低于锁紧螺母内部的上端面，锁紧螺母与固定架、外夹套的紧密贴合共同组成封闭结构，实现对夹具内部的密封。

进一步的，该试验夹具用于在高温、液态铅基合金腐蚀环境下，进行薄壁管段试样疲劳试验时，实现对管状试样的夹持。

本发明设计了一种金属薄壁全段管材轴向拉压疲劳试验夹具，与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明设计的夹具将芯棒与芯套固定连接后代替直插的塞头，并配合外夹套与锁紧螺母，对管状样品进行内外夹持，提高了对管状试样内壁的夹持力；

(2)本发明设计的夹具装配完成后，管状样品内侧的芯套和外侧的外夹套均可对试样起到作用力，减小了夹具的应力集中，避免夹具在疲劳过程中受到破坏；

(3)本发明设计的夹具中，锁紧螺母与固定架的旋接，实现了锁紧螺母与固定架和外夹套的密实连接，保护了夹具内部结构，减小了对夹具内部主要结构件的腐蚀，延长了夹具的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的带有螺棒、双台肩的管状试样的轴向剖视图；

图2为外夹套的三维外观图；

图3为本发明夹具的轴向剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步描述。

一种金属薄壁全段管材轴向拉压疲劳试验夹具；包括固定架1、芯套2、芯棒3、外夹套4、螺栓5、锁紧螺母6；

芯套2—芯套2上端为带有内螺纹的T型双台肩，下端为对称四瓣式内锥体套筒，芯套2上端台肩内侧套筒部分为内螺纹，芯套2下端内侧为光滑内锥体结构，芯套2上端台肩外侧为外螺纹，下端为光滑外壁；

芯棒3—芯棒3上端为六角形螺帽，中端为外螺纹的螺杆，下端为光滑的外锥体形状；芯棒3中端螺杆尺寸与芯套2上端台肩内侧螺纹尺寸相配合，芯棒3下端与芯套1下端内侧尺寸相配合；芯棒3与芯套1连接，可实现对管状试样的内夹持；

固定架1—固定架1的上端为螺杆，实现固定架1与疲劳试验机的固定；固定架1的下端为圆柱体，圆柱体内侧为过轴心的倒T型的凹槽，倒T型凹槽下端内壁为内螺纹；倒T型凹槽下端内螺纹与芯套2外侧的外螺纹尺寸相配合，实现芯套2与固定架1的连接；固定架1下端端面有四个对称的小凹槽，小凹槽内有内螺纹，与外夹套4凹槽尺寸相配合，可实现外夹套4与固定架1的连接；固定架1外侧为外螺纹，其尺寸与锁紧螺母6内螺纹尺寸相配合，实现固定架1与锁紧螺母6的连接；

外夹套4—外夹套4的上端为环形圆块，内部为T型沉孔，尺寸与芯套2上端台肩外侧尺寸相配合；环形圆块上设有通孔，用螺栓5可通过外夹套4的通孔实现外夹套与固定架1的连接；下端为对称四瓣式外锥体套筒，外锥体套筒根部对称开孔，开孔位置低于锁紧螺母6内部的上端面，外锥体套筒内侧为光滑内壁，与锁紧螺母6可实现紧密贴合；

锁紧螺母6—锁紧螺母6的外侧上端为光滑的圆柱体形状，下端为光滑的六角型螺帽；锁紧螺母6上端内侧为外螺纹，中间过渡段为光滑内壁，下端为带有锥度的光滑内壁；将锁紧螺母6上端由内螺纹与固定架1外侧的外螺纹紧密旋接，使得锁紧螺母6下端与外夹套4的下端外锥面套筒紧密接触，实现对夹具内部的密封。

如图1所示，将外锥形芯棒3旋接在芯套2上，后将带有内锥形双台肩的芯套2套在管状试样上，直至芯套2的台肩底端与管状试样的端面相接触；再将芯棒3外旋，直至实现芯棒3、芯套2与试样7的紧密夹持，装配成带有螺棒、双台肩的管状试样。芯套2和芯棒3的材料选用热膨胀系数较大的材料，在高温的环境中，芯套2和芯棒3受热膨胀，从而实现芯套2对材料的再次夹紧。

如图3所示，将已装配完成的带有螺棒、双台肩的螺杆管试样旋接在带有倒T型的凹槽的固定架1上，用芯套2外侧上台肩实现与固定架1的紧密连接；再将外夹套4紧密贴合在固定架1上，用螺栓5实现外夹套4与固定架1紧密连接；将锁紧螺母6螺旋接在固定架1上，直至与外夹套4的紧密连接锁紧；锁紧螺母6外侧直接接触液态铅基合金，因此锁紧螺母6选择耐铅基合金腐蚀性能较好的T91合金。注意锁紧螺母6在锁紧夹具后，与固定架1和外夹套4形成封闭结构，减少了液态铅基合金对外夹套的腐蚀作用，延长了夹具的使用寿命。

最后将装配完毕的夹具上端螺杆与试验机螺旋夹紧后，即可进行后续疲劳试验，进行薄壁全管段试样在高温、液态铅基合金腐蚀环境中轴向拉压疲劳试验。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种金属薄壁全段管材轴向拉压疲劳试验夹具，包括固定架(1)、芯棒(3)、外夹套(4)、螺栓(5)、锁紧螺母(6)，所述固定架(1)的上端为螺杆，实现固定架(1)与疲劳试验机的固定；固定架(1)的下端为圆柱体，固定架(1)外侧为外螺纹，其尺寸与锁紧螺母(6)内螺纹尺寸相配合，实现固定架(1)与锁紧螺母(6)的连接；所述外夹套(4)的上端为环形圆块，下端为对称四瓣式外锥体套筒，外锥体套筒内侧为光滑内壁，与锁紧螺母(6)可实现紧密贴合，所述锁紧螺母(6)的外侧上端为光滑的圆柱体形状，下端为光滑的六角型螺帽；锁紧螺母(6)上端内侧为内螺纹，中间过渡段为光滑内壁，下端为带有锥度的光滑内壁；将锁紧螺母(6)上端由内螺纹与固定架(1)外侧的外螺纹紧密旋接，使得锁紧螺母(6)下端与外夹套(4)的下端外锥面套筒紧密接触，实现对夹具内部的密封，其特征在于：所述夹具还包括芯套(2)，

所述芯套(2)上端为带有内螺纹的T型双台肩，下端为对称四瓣式内锥体套筒，芯套(2)上端台肩内侧套筒部分为内螺纹，芯套(2)下端内侧为光滑内锥体结构，芯套(2)上端台肩外侧为外螺纹，下端为光滑外壁；

所述芯棒(3)上端为六角形螺帽，中端为外螺纹的螺杆，下端为光滑的外锥体形状；芯棒(3)中端螺杆尺寸与芯套(2)上端台肩内侧螺纹尺寸相配合，芯棒(3)下端与芯套(1)下端内侧尺寸相配合；芯棒(3)与芯套(1)连接，可实现对管状试样的内夹持；

所述固定架(1)下端的圆柱体内侧为过轴心的倒T型的凹槽，倒T型凹槽下端内壁为内螺纹；倒T型凹槽下端内螺纹与芯套(2)外侧的外螺纹尺寸相配合，实现芯套(2)与固定架(1)的连接；固定架(1)下端端面有四个对称的小凹槽，小凹槽内有内螺纹，与外夹套(4)凹槽尺寸相配合，可实现外夹套(4)与固定架(1)的连接；

所述外夹套(4)上端的环形圆块内部为T型沉孔，尺寸与芯套(2)上端台肩外侧尺寸相配合；环形圆块上设有通孔，用螺栓(5)可通过外夹套(4)的通孔实现外夹套与固定架(1)的连接；下端的外锥体套筒根部对称开孔，开孔位置低于锁紧螺母(6)内部的上端面。

2.根据权利要求1所述的金属薄壁全段管材轴向拉压疲劳试验夹具，其特征在于，薄壁管材内部采用带有双台肩和对称四瓣式内锥体结构的芯套(2)与带有光滑外锥体结构的芯棒(3)的锁紧配合实现对管材的内夹紧。

3.根据权利要求2所述的金属薄壁全段管材轴向拉压疲劳试验夹具，其特征在于，薄壁管材外部采用带有光滑外锥体套筒的外夹套(4)与带有内锥面的锁紧螺母(6)的紧密配合实现对管材的外夹紧。

4.根据权利要求3所述的金属薄壁全段管材轴向拉压疲劳试验夹具，其特征在于，外夹套(4)套筒根部对称开孔，开孔位置低于锁紧螺母(6)内部的上端面，锁紧螺母(6)与固定架(1)、外夹套(4)的紧密贴合共同组成封闭结构，实现对夹具内部的密封。

5.根据权利要求1所述的金属薄壁全段管材轴向拉压疲劳试验夹具，其特征在于，该试验夹具用于在高温、液态铅基合金腐蚀环境下，进行薄壁全段管材试样疲劳试验时，实现对薄壁全段管材试样的夹持。