CN1050262A - 高温陶瓷蠕变试验机 - Google Patents

Abstract

本发明利用两套双杠杆加力系统及对比试件法 量测高温陶瓷材料的蠕变性能，可有效地消除加力系 统的热膨胀，支座及炉膛受力变形，以及试件局部承 压变形等带来的误差，大大提高了蠕变量测的准确 性。双杠杆加力系统测力的线性相关系数可达 0.9995，不受杠杆俯仰影响。在结构不太复杂的情况 下，消除了往难以消除的误差，提高了蠕变量测的准 确性。

Description

本发明属于材料力学性能试验机领域。

高温力学性能是高温结构陶瓷的重要性能之一。高温力学性能之一是在长期荷载下材料的蠕变及蠕变断裂行为，其对材料在高温受力下使用寿命起决定性作用。迄今为止，同类试验机从加力方式上可分为两类，一类是在电子拉伸机上加装高温电炉，另一类是静态杠杆加力系统，这两类方法尽管在测力、恒温等方面已相当考究，但在测量试件的变形或挠度上往往存在不可克服的缺陷，有的试验机，如岛津AG-2000A（带高温弯曲试验附件），只能量测试验机动梁的位移。有的试验机考虑到支座整体沉陷，而无法考虑支座处的试件承压变形;有的采用光学望远镜方法以免除机构的热膨胀变形带来的量测误差，但试件支点处承压变形的影响也不能免除。因此，目前高温陶瓷蠕变量测值，相对来说还比较粗糙，国标抗弯试验方法规定，技术陶瓷试件尺寸是4×3×30毫米。一般蠕变量仅在几十到几百微米的尺度范围，而支座承压变形达五十微米以上，机构热膨胀带来的误差甚至超过几百微米。如附图2所示为常见的一种弯曲蠕变试验机，用以量测陶瓷材料的蠕变性能。试件[31]的弯曲变形，通过氧和铝棒[33]传递，最后由千分表[30]量测压杆[34]的位移来实现的。显然，在千分表读数中，除包括试件[31]蠕变弯曲变形外，还包括体系热膨胀，试件[31]的支座[35]沉陷，以及试件[31]承压变形在内，这是无法分辨的。

本发明的目的正是为了克服上述不足之处而提供一种结构简单，并通过对比消除法，排除上述多种造成误差的因素的高精度蠕变试验机。

为达到上述之目的，在发明中，采用在同一高温炉[1]内，对称地设置两套双杠杆加力系统[2]（图中只画了一套），用砝码[3]加固定载荷，其中一套进行蠕变量测的试件为待测陶瓷，而另一套进行蠕变量测的试件是对比试件。在上述双杠杆加力系统中上面杠杆的一端设置接触式位移传感器[4]。还有在上下杠杆加力系统中，最好使力点，各部件重心以及支点落在同一直线上，从而保证施加荷载与量测试件变形之间，无相互干扰，这样，变形示值所需的杠杆比值，就不受荷载大小的影响。

上述对比试件可采用与待测试件同种材料，但对比试件尺寸甚大，刚度甚高。

如上所述，由于在同一高温炉，对称设置两套双杠杆加力系统，两套对应数据之差即可认为是待测试件的净蠕变，如果采用同样材料制作待测试件和对比试件，且对比试件尺寸甚大刚度甚高，在相同荷载下，对比试件的蠕变甚微。利用上述装置可免除或抵消已有技术中设备各部件的热膨胀，试件支座沉陷，试件支点处承压变形，以及加力系统各受力部件的蠕变带来的量测误差。

另外采用上述双杠杆加力系统，同时用来放大变形值，在杠杆的一端设置接触式位移传感器[4]，可测出＜1微米的试件变形来。

由于严格使力点，重点、支点在一条直线上，那么施加荷载与量测试件变形之间无互相干扰。

下面结合附图1来介绍本发明的一个实施例。首先选择二硅化钼发热元件高温电阻炉[1]，炉膛尺寸为150×150×200毫米，用以获得均匀稳定的高温环境，并容纳两套加力系统及试件。上述高温电炉由炉体[1.1]、炉门[1.2]组成，在炉体上方中心部穿孔[1.3]，设置双铂铑热电偶[1.4]，在其左右40毫米处，再从炉顶各穿一个φ18的孔[15]，[16]。加力系统的Sic压杆[17][18]即从两个孔中穿入炉膛，一左一右对称地压到完全相同的两套弯曲试验夹具[19][20]上，在夹具上装有待测试件[14]及对比试件[13]，对比试件与待测试件选用相同材料，不过对比试件，尺寸大得多，因而刚度很好。另外由于炉膛系箱式的，在高温下长期经受试验压力的作用，可以认为炉膛底的下沉变形，在左右两套支座[a]下面，是对称一致的。另外，高温下长期受载时，与试件接触的上压头[9]及两支座的顶面，由于是R＝2.0～3.0毫米的圆弧，接触面积较小，致使在试验之后，这三处的试件表面上，落有宽为1.5毫米的印痕，有玻璃相粘连断开的痕迹，按上述尺寸计算出的压陷值，上、下各50微米左右，是个不小的误差，此误差大小与温度、承压应力、持续时间和材料，采用前后两套数据之差，做为净蠕变，当可消除上述误差。

双杠杆加力系统，均由上下杠杆组合而成，支点刀架[5]和付支点刀架[6]作为支点、力的传递通过重点刀架[7]和下刀架[8]至压头[9]，为使压头始终保持垂直向下，采用轴承[10]与下杠杆[2.2]相接，同时使用定位装置[11]，压杆[12]的上、下范围可调。采用的是双向正反扣螺丝构成的连接器，从而使得调接压杆上下位置时方向可以不变，应注意，加载测试时，使用定位螺母紧固，设计及加工时尽量使主杠杆支点，砝码重心及标尺中心线处于同一条直线上。上述两套双杠杆加力系统，各构件的材料形状、尺寸都相同，并且在热场左右对称，在试验机周围环境不吹风的情况下，可以认为两套加力系统的热膨胀值是相等的。从而，采用两套测试数据之差作为净蠕变，能消除加力系统热膨胀带来的量测误差。

如果采用的对比试件[13]的宽度和高度分别是待测试件[14]尺寸的2倍和4倍时，则前者的惯性矩为后者的128倍，在一般约为10公斤的集中载荷下，三点受弯试件的中点弹性挠度为14.3微米，而对比试件的挠度仅为0.144微米，测不出来，可以忽略。在1250℃高温下，弹性模量实测为92GPa，上述两个挠度分别是46.63微米及0.47微米，后者仍可忽略。如果从蠕变角度考虑，在相同的10公斤荷载下，待测试件的应力为95.35MPa，而对比试件的应力则为3.56MPa，仅为前者的1/26.7，如果这种材料的蠕变应力指数为4.0（1200℃时），则对比试件在同样时间段内的应变值仅为待测试件的1/508212，也可忽略不计。因此，用两种试件挠度之差来计算净蠕变，不受对比试件本身变形的影响。上述上下两套杠杆，各支点采用刀口及滚珠轴承为之，目的是为了获得稳定的放大值和尽量减小系统的摩擦阻力。另外，高温炉内的试件变形采用测定上压杆的下垂值来反映试件中点的弯曲变形值，此值最大可达2.0毫米。但其精确度要求很高，必须能测出1微米的变化来，即其测读灵敏度小于1微米，本实施例中通过双杠杆两次放大，在上杠杆的端部设置与其垂直的电感式位移传感器[4]。本系统的线性度很高。如果试件变形值超过传感器的量程时，还可调节本发明特殊设计的反正扣法改变量程。

利用本发明可以达到以下效果，由于采用两套对称的双杠杆加力系统，进行对比量测，可消除加力系统热膨胀对蠕变量测的影响，可消除试件支座沉陷，支座承压处试件局部受压变形等带来的蠕变量测误差。提高了蠕变量测的准确性。附图3中虚线所示为未考虑对比试件所得的蠕变曲线，实线为考虑了对比试件所得蠕变曲线，所测蠕变应变相差25%，即若不采用本发明，在所测蠕变变形内增加了25%的误差。从中不难看出利用本发明大大提高了蠕变量测的准确性。另外如果上下双杠杆设计中，严格使力点，各部件重心以及支点落在同一直线上，那么施加荷载与量测试件变形之间无互相干扰，即保证荷载示值，不受杠杆因试件变形而有俯仰的影响。使加力系统测力的线性相关系数达0.9995。总之，本发明在结构不太复杂的情况下，还能自动消除多种误差，大大提高了蠕变量测的精度。

附图的简单说明：图1为本发明-高温陶瓷蠕变试验的结构示意图。图2已有弯曲蠕变试验机结构示意图。图3蠕变曲线。

其中，1-高温电阻炉;1.1-炉体;1.2-炉门;1.3-测温孔;1.4-双铂铑热电偶;2-双杠杆加力系统;2.1-上杠杆;2.2-下杠杆;3-砝码;4-位移传感器;5-支点刀架;6-付支点刀架;7-重点刀架;8-下刀架;9-压头;10-轴承;11-定位杆;12-压杆;13-对比试件;15，16-压杆孔;17，18-Sic压杆;19，20-夹具;30-千分表;31-试件;33-氧化铝棒;34-压杆;35-试件支座;图3中的f-挠度，T-时间。

Claims (3)

1、一种高温陶瓷蠕变试验机，由高温炉、加力、应力应变量测系统构成，其特征在于，在同一高温炉[1]内，对称地设置两套双杠杆加力系统[2](另一加力系统图中略)，用砝码[3]加固定载荷，其中一套加力系统[2]用以量测待测陶瓷试件[14]的蠕变。另一套加力系统用以量测对比试件[13]的蠕变。在上述双杠杆加力系统杠杆的一端分别设置接触式位移传感器[4]，上述对比试件[13]的尺寸要比待测试件的尺寸要大。

2、根据权利要求1所说的高温陶瓷蠕变试验机，上述的两套双杠杆加力系统[2]，每套中的上下两杠杆的力点、各部件重心及支点要在同一直线上。

3、根据权利要求1、2中所说的高温陶瓷蠕变试验机，上述的对比试件[13]采用与待测试件[13]同种材料。

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