CN105699204A - 一种微型试样及一种液压鼓胀试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属材料力学性能测试领域，提出了一种微型试样及一种液压鼓胀试验方法；本发明提出的微型试样包括试样本体，试样本体为片状体，在试样本体的表面上设有朝向标识物，所述朝向标识物朝向或背向所述试样本体的弯曲方向，本发明能够降低微型试样的初始变形对试验结果的影响，提高液压鼓胀试验结果的准确度。

Description

一种微型试样及一种液压鼓胀试验方法

技术领域

本发明涉及金属材料力学性能测试，特别涉及一种微型试样及一种液压鼓胀试验方法。

背景技术

核设施、电站和石油化工等设备是高度危险的设施,所以这些设施的一些结构设计都是按比较保守的原则来设计的。二十世纪七十年代末，当时一些国家的核电站运行时间即将到达设计的寿命，人们面临停止使用或继续运行的选择。因此，必须对在役设备结构的材料力学性能进行测试。由于这些材料长期处于高温或幅射等条件下运行，在服役一段时间以后，需要确定材料的性能有没有变化，从而确定这些结构能否延寿安全运行。用传统的方法来测试材料力学性能，所需标准试件的体积较大，若从在役结构上提取，必将对结构造成损伤，是不可行的。于是迫切需要有新的测量技术。从上世纪八十年代开始，一些科技工作者分别提出了各种微型试样试验方法。所谓微型试样试验方法是指从设备上取下不足以对设备构成损伤的较小试样，然后对其进行研究。在这个领域中，最引人注目的就是小冲杆试验技术。小冲杆试验是一种以微型圆盘状试样为试验对象的力学性能试验方法，该方法通过固定圆盘试样边缘，以机械加载方式利用冲杆的半球形冲头或冲杆顶端的钢珠对试样中心处进行加载直至破裂，通过试验数据关联确定材料的力学性能。小冲杆试验的微型试样为通常为厚度0.5mm，直径10mm以下的圆片。由于其与传统标准试样相比极为微小，使得从在役设备上取样并确定材料实际性能成为可能。

二十多年以来，微型试样测试技术得到了极大发展，现在这个技术已经开始用于测量材料的弹塑性性能、断裂韧度、韧-脆转变温度(DBTT)等各种力学参数，并开始在蠕变和损伤的研究中发挥作用，并应用到电厂、压力容器等化工设施和核设施等多个领域。此外，有些材料在实际应用时就较薄，厚度仅几毫米，例如焊缝及其热影响区、涡轮机中的叶片和修复牙齿的聚合材料等，用小冲杆试验技术来测量它们的力学性能更接近实际应用条件。

但是，小冲杆试验过程中小圆片试样的受力状态复杂，难以进行有效的理论分析以获得解析解，因而其研究主要集中在试验的数据积累，以及在数据积累的基础上得到小冲杆试验结果与材料力学性能相关联的经验公式，以及通过有限元计算对试验过程进行仿真，并用各种假设对数据进行解读上。然而由于小冲杆试验对试样的加工方法、表面状况，冲杆的对中度，下夹具平台的孔径等因素极为敏感，而上述因素在试验准备和进行过程中较难控制，所得到的数据中包含有过多失控因素造成的差异，造成小冲杆试验的可靠性不能得到有效保证。

基于上述原因，为了能挣准确的反映试样的真实受力，提高试验的可靠性，本发明人提出了一种液压鼓胀试验方法(申请号为201410612056.2)，该液压鼓胀试验方法使试样在液压油的压力的作用下鼓胀变形，直至试样破裂；并用工业相机获取所述位移传导部件的位移值,同步记录试样所受的压力值。由于在加载过程中，只存在液体的压力，避免了小冲杆试验技术中的试样需要承受球形冲头的压力，冲头与试样之间的摩擦力，试样受力状况更简单，试样仅承受均匀的压力，因而，有效保证了测试结果的准确性和可靠性。

由此可以看出，上述液压鼓胀试验方法具有更加广泛的应用前景，因此，有必要对上述液压鼓胀试验方法进行进一步的完善和改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种微型试样及一种液压鼓胀试验方法，能够降低微型试样的初始变形对试验结果的影响，提高液压鼓胀试验结果的准确度。

为达到上述目的，本发明提出一种微型试样，其中，所述微型试样包括试样本体，所述试样本体为片状体，在所述试样本体的表面上设有朝向标识物，所述朝向标识物朝向或背向所述试样本体的弯曲方向。

如上所述的微型试样，其中，所述试样本体还设置有表示身份信息的唯一性标识物。

如上所述的微型试样，其中，所述试样本体为正多边形的片状，所述正多边形有n条边，其中n为大于3的整数，所述唯一性标识物设置于所述试样本体的侧面。

如上所述的微型试样，其中，所述试样本体还设置有方向标识物，所述方向标识物用以标记所述试样本体的装夹方向。

如上所述的微型试样，其中，所述试样本体为正多边形的片状，所述正多边形有n条边，其中n为大于3的整数，在所述正多边形的顶点处具有切角，所述切角的数量小于或等于n，在任意一所述切角处设置有方向标识物。

如上所述的微型试样，其中，所述试样本体为正多边形的片状，所述正多边形有n条边，其中n为大于3的整数，在所述正多边形的顶点处具有切角，所述切角的数量小于或等于n。

如上所述的微型试样，其中，所述试样本体的厚度为0.4mm至0.6mm。

本发明还提出一种液压鼓胀试验方法，其中，所述液压鼓胀试验所使用的微型试样为如上所述的微型试样，所述试验包括：

步骤A：检测所述微型试样初始变形的弯曲方向；

步骤B：对所述微型试样进行朝向标识，在所述试样本体的表面上设置朝向标识物，所述朝向标识物朝向或背向所述试样本体的弯曲方向；

步骤C：将所述微型试样安装于液压鼓胀试验装置内并固定，其中，所述微型试样以所述朝向标识物朝上的方式安装；

步骤D：向所述液压鼓胀试验装置内通入液压油，使所述微型试样在液压油的压力作用下鼓胀变形，直至所述微型试样破裂，并记录试验数据。

如上所述的液压鼓胀试验方法，其中，所述步骤B还包括：在所述试样本体的侧面设置唯一性标识物对所述微型试样进行身份标识，以及在所述试样本体的侧面设置方向标识物，以标记所述试样本体的装夹方向。

如上所述的液压鼓胀试验方法，其中，所述方法还包括步骤E：对所述唯一性标识物进行扫描，由计算机读取所述唯一性标识物中的信息。

与现有技术相比，本发明具有以下特点和优点：

本发明中，在微型试样的试样本体表面设置有朝向标识物，该朝向标识物朝向或背向试样本体的弯曲方向，通过该朝向标识物，进行微型试样试验的试验人员可以明确地知道试样本体其初始变形的弯曲方向，也就可以采取相应的措施减少由初始变形引起的测量误差，提高检测的精度。例如可以统一将同一材料的微型试样以被朝向标记物所标记的表面朝上的方式安装在试样夹具上，这样在进行试验结果分析时，对于同一材料的不同微型试样之间由初始变形而引起的数值差距就可以明显减少，使得试验结果与材料力学性能相关联的经验公式能够更真实的反映微型试样力学性能的实际情况。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

图1为本发明提出的微型试样的俯视图；

图2为本发明提出的微型试样的侧视图；

图3位本发明提出的微型试样的仰视图；

图4为本发明微型试样初始变形的示意图；

图5为微型试样试验装置的结构示意图。

附图标记说明：

100-微型试样；110-本体；111-上表面；120-朝向标识物；130-唯一性标识物；140-方向标识物；150-切角；A-压紧区域；B-边缘区域；

1-底座；2-夹持螺母；4-压盖；5-把手；6-液压腔；7-注油孔；8-位移传导部件；9-标尺条纹；10-工业相机；11-吸收板。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。

请参考图1至图3，其中图1为本发明提出的微型试样的俯视图；图2为本发明提出的微型试样的侧视图；图3位本发明提出的微型试样的仰视图。如图1至3图所示，本发明提出的微型试样100例如为厚度0.5mm，直径10mm以下的圆片或10mm×10mm的方片，微型试样100包括试样本体110，试样本体110为片状体，在试样本体110的表面111上设有朝向标识物120，被朝向标识物120所标记的表面111朝向或背向试样本体110的弯曲方向。

微型试样100为待测金属经过机加工而成，在上述加工过程中会引起微型试样100的轻微变形，即微型试样100的初始变形。虽然这种初始变形人类的肉眼很难观察到，但对于微型试样的液压鼓胀试验而言却会引入测量误差，进而影响测量精度。本发明提出的微型试样100，通过朝向标识物120有效的对微型试样100的初始变形情况进行了标识，明确的反映了微型试样100初始变形的弯曲方向；同时通过该朝向标识物120还可以规定微型试样100的安装方向。这样，在进行试验时，试验人员不但可以明确地知道微型试样100初始变形的弯曲方向，还能通过统一微型试样100的安装方向有效地减少由初始变形引起的测量误差，提高检测的精度。其中，如图1所述，朝向标识物120可以为由喷涂于试样本体110表面111上的层状物，例如为颜料喷涂所形成的圆点或圆斑或圆盘，又或者，朝向标识物120为圆形标签，粘贴于试验本体110的表面111上；当然，朝向标识物120还能以本领域技术人员知晓的其它形式及方式设置于试样本体110的表面111上。

在本发明一个可选的例子中，如图1、图2、图3和图4(图4为本发明微型试样初始变形的示意图，意在更清楚地说明初始变形的弯曲方向，在实际的试验中这种初始变形十分微小是肉眼很难分辨的)和图5所示，试样本体110向上弯曲，朝向标识120设置于试样本体110的上表面，并将该微型试样100以朝向标识物120向上的方式安装在试验装置上。如图5所示，在进行试验时，液压油由试样本体110的下表面向上冲击，微型试样100在液压油的压力作用下鼓胀变形，直至微型试样100破裂。由于在放置微型试样100时，保持了同一材料的微型试样100的弯曲方向一致进而减少了不同微型试样之间初始变形的差别，在进行试验结果分析时，对于同一材料的不同微型试样100的压力变形曲线的偏差就可以明显减少，使得该压力变形曲线能够更真实的反映微型试样力学性能的实际情况。并且，在上述过程中，与试样本体110向下弯曲的情况相比，减少了试样本体110由向下弯曲到基本水平再到向上弯曲的过程，也就相应避免了微型试样100自身弹性变形对变形位移的消减作用，由其得到的压力变形曲线也就能够更真实的反映微型试样的变形位移与其所受到的压力之间的关系，进一步的提高了试验的精度。

在本发明一个可选的例子中，如图1、图2所示，试样本体110设置有唯一性标识物130，该唯一性标识物130中含有微型试样的唯一性身份信息。通过该唯一性标识物130能够有效防止微型试样100的混淆和误用，便于对微型试样100的管理和使用，同时也进一步保证了试验结果的准确性。

优选的，唯一性标识物130为条形码，条形码中含有微型试样的唯一性身份信息，该信息能够被计算机顺利读取，以便于更好的记录的相关数据。条形码以喷涂的方式设置于试样本体110的侧面，以防止微型试样100鼓胀破裂时条形码受到破坏。当然条形码也可以通过本领域技术人员知晓的其它方式或其他形式设置在试样本体110上。条形码可以采用黑底白条或白底黑条，条码的方向垂直于试样本体110。并且，朝向标识120还可以同时用于标记条形码的朝向，进而利于约定计算机对条形码的读取方向。

在本发明一个可选的例子中，如图1、图2和图3所示，试样本体110设置有方向标识物140，用以标记试样本体110的装夹方向，方向标识物140与朝向标识物120相结合，可以保证微型试样100装夹时与夹具的唯一组合，更进一步的减少因装夹位置的微小不同而产生的误差，保证试验结果的准确性。方向标识物140与唯一性标识物130相结合，还可以方便计算机读取唯一性标识130中的信息。

在本发明的一个可选的例子中，如图1和图3所示，试样本体110为正多边形的片状体，该正多边形有n条边，其中n为大于3的整数，在正多边形的顶点处具有切角，切角的数量小于等于n。现有技术中的微型试样多呈圆盘形，其更容易被夹具夹紧，但这也导致了试验结果被引入了由夹具的夹持力所带来的不必要的误差。与现有技术相比，本实施例中的微型试样100呈具有切角的正多边形，能够有效降低夹具的夹持力对试验结果的影响。具体的，如图1所示，压盖4(即夹具)对于试样本体110的压紧区域A呈环形，在压紧区域A之外为边缘区域B。由于压盖4用以压紧试样本体110的下端面难以加工的完全平整，在试样本体110被压盖4压紧时，边缘区域B处会发生少许的变形，但是边缘区域B的这种变形恰恰弥补了压盖4下端面的不平整，更有利于压盖4与试样本体110之间的密封，同时也降低了压盖4所产生的压紧力(也就是夹持力)对试验结果的影响。同时，在本发明中，在正多边形的顶角处具有切角，适当减少了边缘区域B处的面积，既保留了边缘区域B处的少许变形，又避免了因边缘区域B的面积过大而引起的初始翘曲或变形过大，相应的也就避免了由于初始翘曲过大所引起的试验结果的不准确。

在本发明一个可选的例子中，试样本体110的厚度为0.4mm至0.6mm，由待测金属经过机加工而成。加工时，首先将试样本体110加工为呈正方形(10mm×10mm)的片状体。之后，在其四个顶角处进行切角，其中，切角处距离正方形顶点的长度的范围为试样本体厚度的1倍至4倍，试样本体110的厚度优选为0.5mm，切角处距离正方形顶点的长度优选为2mm(切角后由正方形的边长所形成的长边的长度为6mm)；切角的角度a为45度，即由切角所形成的短边与正方形的长边之间的夹角为135度，由切角所形成的短边的边长为2.82mm。最后，对试样本体110进行检测和标识，检测试样本体110的弯曲方向并将经检测后的试样本体110按初始变形弯曲方向朝上的方式放置；将朝向标识物120设置于试样本体110上表面的中心处，唯一标识物130设置于试样本体110的一侧面上，方向标识物140设置于试样本体110任意一切角处的侧面上且不与唯一性标识物130重合。其中，试样本体110的厚度为0.4mm至0.6mm，可以保证爆破压力在300MPa以内完成；若试样本体110太厚，则不利于试验用整体设备的设计，若试样本体110太薄，将其试验结果作为确定材料性能参数不准确。试样本体110为呈正方形(10mm×10mm)的片状体，在制作该试样本体110时，可以方便地选用进行完冲击试验后的冲击试样作为取样基础，不但使取样操作更为简单方便，也减少了重复取样对设备的伤害。

本发明还同时提出了一种液压鼓胀试验方法，该试验方法包括：

步骤A：检测微型试样100初始变形的弯曲方向；

步骤B：对微型试样100进行朝向标识，在试样本体110的表面上设置朝向标识物120，朝向标识物120朝向或背向试样本体110的弯曲方向；

步骤C：将微型试样100安装于液压鼓胀试验装置内并固定，其中，微型试样100以朝向标识物120朝上的方式安装；

步骤D：向液压鼓胀试验装置内通入液压油，使微型试样100在液压油的压力作用下鼓胀变形，直至微型试样100破裂，并记录试验数据。

具体的，在进行微型试样的液压鼓胀试验时，首先进行步骤A，检测微型试样100初始变形的弯曲方向；再进行步骤B，根据该弯曲方向对微型试样100进行朝向标识，之后进行步骤C，如图5所示，将微型试样100以朝向标识物120朝上的方式放置在液压鼓胀试验装置的试样安装槽(图中未标出)内，并用压盖4压紧微型试样100的边缘；最后进行步骤D，在液压腔6内通入液压油，使微型试样100在液压油的压力作用下鼓胀变形，直至微型试样100破裂；在微型试样100鼓胀变形直至破裂的整个过程中，用工业相机10获取位移传导部件8的位移值，并同步记录微型试样100所受到的压力值，并由计算机得出压力变形曲线。由于在放置微型试样100时，保持了同一材料的微型试样100的弯曲方向一致进而减少了不同微型试样之间初始变形的差别，在进行试验结果分析时，对于同一材料的不同微型试样100的压力变形曲线的偏差就可以明显减少，使得该压力变形曲线能够更真实的反映微型试样力学性能的实际情况。

在本发明一个可选的例子中，步骤B还包括：在试样本体110的侧面设置唯一性标识物130以对微型试100样进行身份标识，以及在所述试样本体110的侧面设置方向标识物140，以标记微型试样100的装夹方向。通过唯一性标识物130能够有效防止微型试样100的混淆和误用，便于对微型试样100的管理和使用，也进一步保证了试验结果的准确性。方向标识物140与朝向标识物120相结合，还可以保证微型试样100装夹时与夹具的唯一组合，更进一步的减少因装夹位置的微小不同而产生的误差，保证试验结果的准确性；同时方向标识物140与唯一性标识物130相结合，还可以方便计算机读取唯一性标识130中的信息。

在本发明一个可选的例子中，还包括步骤E：对唯一性标识物130进行扫描，由计算机读取该唯一性标识物130中的信息。这样，不但减少了试验人员人工记录的工作量，提高了效率，也大大减少了由人工记录可能引起的误差，进一步提高了试验结果的准确性。其中，步骤E可以在步骤D之间进行，即在向液压鼓胀装置通入液压油之前，微型试样100完整时，先对唯一性标识物130进行扫描记录信息；又或者步骤E可以在步骤D之后进行，即当微型试样100破裂后在对唯一性标识物130进行扫描，由于唯一性标识物130是设置在试样本体110的侧边上，在微型试样鼓胀破裂后仍然可以保持完好。

在本发明一个可选的例子中，还包括在步骤A之前进行的步骤A0：加工微型试样100。具体为：首先，将待测金属经过机加工为呈正方形(10mm×10mm)的片状的试样本体110；之后，在试样本体110的四个顶角处进行切角，其中，切角处距离正方形顶点的长度的范围为试样本体厚度的1倍至4倍，试样本体110的厚度优选为0.5mm，切角处距离正方形顶点的长度优选为2mm(切角后由正方形的边长所形成的长边的长度为6mm)；切角的角度a为45度，即由切角所形成的短边与正方形的长边之间的夹角为135度，由切角所形成的短边的边长为2.82mm。经过步骤A0之后，可以在后续的试验过程中，对微型试100样进行身份标识，以及标记微型试样100的装夹方向。例如，经过步骤A0以及步骤A之后，在步骤B中，对试样本体110的侧面设置唯一性标识物130以对微型试100样进行身份标识，以及在所述试样本体110的侧面设置方向标识物140，以标记微型试样100的装夹方向，接着可以再进行步骤C和步骤D。

针对上述各实施方式的详细解释，其目的仅在于对本发明进行解释，以便于能够更好地理解本发明，但是，这些描述不能以任何理由解释成是对本发明的限制，特别是，在不同的实施方式中描述的各个特征也可以相互任意组合，从而组成其他实施方式，除了有明确相反的描述，这些特征应被理解为能够应用于任何一个实施方式中，而并不仅局限于所描述的实施方式。

Claims (10)

1.一种微型试样，其特征在于，所述微型试样包括试样本体，所述试样本体为片状体，在所述试样本体的表面上设有朝向标识物，所述朝向标识物朝向或背向所述试样本体的弯曲方向。

2.如权利要求1所述的微型试样，其特征在于，所述试样本体还设置有表示身份信息的唯一性标识物。

3.如权利要求2所述的微型试样，其特征在于，所述试样本体为正多边形的片状，所述正多边形有n条边，其中n为大于3的整数，所述唯一性标识物设置于所述试样本体的侧面。

4.如权利要求1所述的微型试样，其特征在于，所述试样本体还设置有方向标识物，所述方向标识物用以标记所述试样本体的装夹方向。

5.如权利要求4所述的微型试样，其特征在于，所述试样本体为正多边形的片状，所述正多边形有n条边，其中n为大于3的整数，在所述正多边形的顶点处具有切角，所述切角的数量小于或等于n，在任意一所述切角处设置有所述方向标识物。

6.如权利要求1所述的微型试样，其特征在于，所述试样本体为正多边形的片状，所述正多边形有n条边，其中n为大于3的整数，在所述正多边形的顶点处具有切角，所述切角的数量小于或等于n。

7.如权利要求1所述的微型试样，其特征在于，所述试样本体的厚度为0.4mm至0.6mm。

8.一种液压鼓胀试验方法，其特征在于，所述液压鼓胀试验所使用的微型试样为权利要求1至7中任意一项所述的微型试样，所述试验包括：

步骤A：检测所述微型试样初始变形的弯曲方向；

步骤B：对所述微型试样进行朝向标识，在所述试样本体的表面上设置朝向标识物，所述朝向标识物朝向或背向所述试样本体的弯曲方向；

步骤C：将所述微型试样安装于液压鼓胀试验装置内并固定，其中，所述微型试样以所述朝向标识物朝上的方式安装；

步骤D：向所述液压鼓胀试验装置内通入液压油，使所述微型试样在液压油的压力作用下鼓胀变形，直至所述微型试样破裂，并记录试验数据。

9.如权利要求8所述的液压鼓胀试验方法，其特征在于，所述步骤B还包括：在所述试样本体的侧面设置唯一性标识物对所述微型试样进行身份标识，以及在所述试样本体的侧面设置方向标识物，以标记所述试样本体的装夹方向。

10.如权利要求9所述的液压鼓胀试验方法，其特征在于，所述方法还包括步骤E：对所述唯一性标识物进行扫描，由计算机读取所述唯一性标识物中的信息。