CN105910919A - 一种高温轴压试验装置和试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温轴压试验装置和试验方法，包括压力容器，压力容器水平方向内设置有对称密封的两轴向压杆，两压杆间放置试样，一压杆外端连接加载装置以及布置有位移检测装置，另一压杆外端连接压力传感器，所述加载装置、位移检测装置和压力传感器固定连接到底座上，压力容器外套接有加热试样的加热装置，所述加热装置置于底座的凹槽内，与压力容器接触面设置有温度传感器。本发明采用针对试样在轴向加压和高温条件下进行应力应变，能够在高温下原位测量固体样品的应力应变，原位观测固体样品的表面显微形貌特征及显微光谱测量，获得试样表面的拉曼光谱与应力应变之间的关系，测量数据更加接近实际，测得数据更加精确可靠，更有利于指导试样的正确实践使用分析。

Description

一种高温轴压试验装置和试验方法

技术领域

本发明涉及一种高温轴压试验装置和试验方法，属于高温材料力学试验设备技术领域。

背景技术

随着技术的不断发展，要求一些工件能够在更高的工作温度和应力条件下进行更长时间的运行。例如在高压蒸汽锅炉、汽轮机、燃气轮机、柴油机、航空发动机以及化工炼油设备中，很多机件长期在高温条件下服役。在工程应用中，金属材料常常处在高温高应变率耦合作用下的环境中，材料特性与应变率的依赖关系受材料使用环境温度的影响。近年来，材料与结构高温力学行为的研究，一方面要为在更加严苛条件下的重大装备的设计制造和使用提供相关理论基础，另一方面要支持先进的微小型高温装置(微化学机械系统、高温微电子设备等)的发展。先进能源系统的设计制造提出了许多挑战性的问题，例如当前致力发展的在600～700℃下工作的超临界电站装置、下一代的核能系统：超高温堆(氦气出口温度达1000℃)、液态金属堆(出口温度达550℃-800℃)等等，其中设备除了承受高温高压之外，腐蚀和辐射问题均是影响可靠性的重要因素。随着工业科技发展的需要，许多新材料(非金属材料及复合材料)不断地被研究和开发出来并获得应用，其中不少材料需要工作在恶劣环境下(例如高温或低温)，如用于航空发动机叶片的材料要工作在数百度的高温下，而用于航天飞机的头部材料在重返大气层时要承受数千度的高温。

材料的力学性能主要包括弹性和刚度，强度(屈服强度、极限强度、疲劳强度)和硬度以及塑性和韧性几方面。不同的机械设计用途要求具有不同力学性能的材料，同一种材料在不同工况、不同环境条件下会表现出不同的力学行为。例如航天航空、车辆、舰船发动机等性能的不断提高，对高温结构材料提出了更高的要求，需要材料更强、更刚、更耐热和更轻。

高温对于金属材料力学行为和力学性能的影响主要有以下几个方面：

（1）抗拉强度。金属材料的抗拉强度是随着温度的升高而逐渐下降的，并且高温下的抗拉强度也随载荷持续时间的增长而降低。且应力越低，持续时间越长，随着温度的升高载荷逐渐变小。

（2）高温蠕变。金属材料在高温条件下工作，即使受到较小的热应力，也会发生缓慢的持续的塑性变形，即高温蠕变。蠕变是高温对金属材料影响最为直观的表现，一般来说，随着工作温度的升高，金属材料的抗蠕变性能会下降，此外，温度波动也会加快金属材料的蠕变变形速度。

（3）塑性降低。高温长时间载荷下，金属材料的塑性显著降低，一般都呈现出沿晶断裂，且缺口敏感性增加，因此，其断裂往往呈现脆性破坏现象。此外，温度和持续时间也能影响金属材料的断裂形式，温度升高时晶粒强度和晶界强度都要降低。

（4）应力变化。高温下温度的不同和变化会引起金属材料的变形，当变形受到不同温度区域材料的约束时就会产生热应力，高温区产生压缩热应力，低温区产生拉伸热应力。金属材料在高温下的屈服强度称为流变应力，一般地，随着温度的升高而降低。

由以上所述可知进行高温条件下材料力学行为和力学性能的研究已经成为当下工程生产设计的迫切需要。目前，测试材料力学的仪器主要有液压万能材料试验机、电子万能材料试验机等，这些仪器大多是在常温或低温下进行测试，无法满足得到高温下的力学参数（如果弹性模量，剪切模量，泊松比），而这些参数对于相应机构零件的材料选择及理论模拟（如模拟高压锅炉在高温高压下的静态及动态过程）至关重要。

上述高压装置存在的问题主要有：

（1）无法在高温条件下，对固体样品单独加载轴向载荷，并原位测量固体样品的应力和应变；（2）现有力学试验机体积较大，难以与显微镜和各种光谱仪对接，无法原位观测固体样品的表面形貌特征和显微光谱特征；（3）现有测量应变的方法大多采用应变片的方式，但是能用于高温条件下的应变片价格比较高，且高温条件下应变片的温度补偿比较难处理。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种高温轴压试验装置和试验方法，可实现不同温度下应力应变的测量，测试精度高、测试数据更可靠，温度可到达700℃，以解决目前国内外同类试验装置中存在的上述各种问题。

本发明采取的技术方案为：一种高温轴压试验装置，包括压力容器，所述压力容器水平方向内设置有对称密封的两轴向压杆，所述两压杆间放置试样，一压杆外端连接加载装置以及布置有位移检测装置，另一压杆外端连接压力传感器，所述加载装置、位移检测装置和压力传感器固定连接到底座上，所述压力容器外套接有加热试样的加热装置所述加热装置置于底座的凹槽内，与压力容器接触面设置有温度传感器。

优选的，上述压力容器表面设置有光学窗口，所述光学窗口正对试样中心，且安装有观测试样的显微白光像和显微光谱的光学测量系统。

优选的，上述位移检测装置、压力传感器、温度传感器、加热装置、光学测量系统连接到控制器，并通过导线连接到上位机。

优选的，上述位移检测装置设置两个，分别分布在两压杆的两外端，其结构包括位移传感器和刚性薄片条，所述刚性薄片条一端连接在压杆端部，其另一端接触有位移传感器探头，所述位移传感器固定连接在底座侧壁上。

优选的，上述加载装置包括加力螺钉和转接件，所述加力螺钉可螺旋移动地连接在底座侧壁上，其螺纹端部中心连接有转接件，转接件端部设置有万向球头，万向球头将力传递到左侧压杆。

优选的，上述所述转接件为台阶轴，其小轴插入加力螺钉中部的盲孔内，并在小轴上套接有压缩弹簧，压缩弹簧一端抵靠在加力螺钉端面上，其另一端抵靠在转接件大轴端面上。

优选的，上述压力传感器通过调整螺钉连接到底座上，其连接右侧压杆一端设置有球头。

优选的，上述光学窗口包括正对相通第一通孔、第二通孔、透明部和第三通孔，第一通孔设置在压力容器上，第二通孔设置在加热装置上，所述第三通孔设置在底座侧壁上，所述透明部通过压块安装在第一通孔处，其设置在压块凹槽内，压块凹槽内设置有透光孔，其外表面紧贴在第一通孔处，设置在压力容器凹槽内。

一种高温轴压试验装置的试验方法，该方法包括以下步骤：

（1）将试样装入压力容器内，通过两对称压杆初始按压；

（2）加热装置通过加热压力容器将试样进行加热；

（3）在试样不同温度下测试轴向压力和位移变化，并通过光学测量系统观测试样在高温和轴向压力条件下的表面显微白光像和显微光谱。

步骤（3）中位移测试方法包括以下步骤：

（1）对固体样品在一定的温度压力条件下测量，通过压杆左侧位移检测装置的位移传感器测得的左侧位移X1，压杆右侧位移检测装置的位移传感器测得的右侧位移X2，则两刚性薄片条间的总变形位移量为X=X1+X2，其中位移传感器精度达到0.5μm和分辨率达到0.01μm；

（2）用与固体样品尺寸一样的碳化钨试样在相同温度、压力、流体条件下进行测试，测量两个刚性薄片条之间的总位移量为X’；

（3）试样的变形量为Y=X-X’。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明效果如下：

（1）本发明可以在高温和轴向压力下原位测量固体试样的应力应变，测量数据更加接近实际；

（2）本发明安装有光学窗口，可以原位观测试样表面的显微图像，这样就可以在不同温度和轴向压力下，利用显微镜直接观测试样表面的微观结构（如应力条件下表面的裂纹）及其动态变化；

（3）本发明安装有光学窗口，并能原位观测试样的显微光谱，如测量各种具有拉曼活性材料的拉曼光谱，拉曼光谱可精确测量材料的晶格振动能量。当材料受到应力作用时，其晶格结构就会产生变化，晶格振动能量也将发生改变，拉曼频移也将发生改变，根据应力与相对拉曼频移之间的关系可精确计算出晶体内部的应力，显微拉曼光谱法用于力学测量，具有非接触、无损、空间分辨率高和可以深度聚焦等特点，可以在不同温度和单轴应力条件下，系统的测量固体样品的应力应变与拉曼光谱，并建立拉曼频移与应力的理论关系模型，为科研工作及工程技术提供基础数据支持；

（4）本发明测量变形的方法采用相对的两个位移传感器测量样品两端的位移，从而得出固体样品的应变，由于位移传感器在压力容器和加热装置的外部，不受温度波动和围压的影响，因此测量固体试样的应变数据更精确也更经济；

（5）本发明测量变形的位移传感器安装方式，其测量精度达到0.5μm，分辨率达到0.01μm，能够更精确地测量固体样品的微小应变量；

（6）本发明结构简单，并具有体积小，重量轻的特点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图的布置图；

图2为图1的前视结构示意图；

图3为图1中的局部放大示意图A。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

实施例1：如图1-图3所示，一种高温轴压试验装置，包括压力容器2，压力容器2水平方向内设置有对称密封的两轴向左侧压杆3和右侧压杆4，左侧压杆3和右侧压杆4间放置试样5，一压杆3外端连接加载装置7以及布置有位移检测装置22，另一压杆4外端连接压力传感器8，加载装置7、位移检测装置22和压力传感器8固定连接到底座1上，压力容器2外套接有加热试样5的加热装置6，加热装置6置于底座1的凹槽26内，与压力容器2接触面设置有温度传感器29。

优选的，上述压力容器2表面设置有光学窗口10，光学窗口10正对试样5中心，且安装有观察试样5光谱的光学测量系统30，并能原位观测固体样品的表面显微形貌特征及显微光谱测量，获得试样表面的拉曼光谱与应力应变之间的关系。

优选的，上述位移检测装置22、压力传感器8、温度传感器29、加热装置6、光学测量系统30连接到控制器，并通过导线连接到上位机。

优选的，上述位移检测装置22设置两个，分别分布在左侧压杆3和右侧压杆4的两外端，其结构包括左位移传感器32、右位移传感器24和左刚性薄片条33、右刚性薄片条23，左刚性薄片条33和右刚性薄片条23一端分别连接在左侧压杆3和右侧压杆4端部，其另一端分别接触有左位移传感器32和右位移传感器24探头，左位移传感器32和右位移传感器24探头分别固定连接在底座1左、右侧壁上，通过两个位移传感器安装在压杆两端，对试样进行轴向变形的检测，检测出来后利用位移差，能够大大提高检测位移的精度和数据可靠性，大大降低检测误差。

优选的，上述加载装置7包括加力螺钉18和转接件19，加力螺钉18可螺旋移动地连接在底座1侧壁上，其螺纹端部中心连接有转接件19，转接件19端部设置有万向球头20，万向球头20将力传递到左侧压杆3，通过加力螺钉旋转将轴向力传递到转接件上，转接件推动压杆实现试样的轴向加载，万向球头的接触能够减少接触面，防止压杆转动对试样测试数据的影响，减少非轴向分力对轴向载荷的影响，大大提高轴向加载力的稳定性以及可靠性，提高试验测试精度。

优选的，上述转接件19为台阶轴，其小轴34插入加力螺钉18中部的盲孔35内，并在小轴34上套接有压缩弹簧21，压缩弹簧21一端抵靠在加力螺钉18端面上，其另一端抵靠在转接件19大轴端面上，采用压缩弹簧置于转接件和加力螺钉间，因弹簧的弹性缓冲作用，让加载的轴向力变化缓慢，更加均匀，更加便于控制加载力的变化，进一步提高数据测试精度和测试可靠性，操作更加方便容易，避免瞬时冲击力带来的测试数据效果差和不可靠以及传感器的损坏，大大提高了使用安全性。

优选的，上述压力传感器8通过调整螺钉25连接到底座1上，其连接右侧压杆4一端设置有球头43，通过调整螺钉25结合上述的加力螺钉18，实现左右侧压杆的移动，从而保证试样能够居于正中位置正对光学窗口，便于光学测试系统采集的数据更加精确和更加可靠，且通过调整螺钉和加力螺钉的拧动，调节方便快捷。

优选的，上述光学窗口10包括正对相通第一通孔14、第二通孔15、透明部13和第三通孔16，第一通孔14设置在压力容器2上，第二通孔15设置在加热装置6上，所述第三通孔16设置在底座1侧壁上，透明部13通过压块12安装在第一通孔14处，其设置在压块12凹槽内，压块12凹槽内设置有透光孔，其外表面紧贴在第一通孔14处，通过螺钉17将其固定连接在压力容器2凹槽内。

实施例2：一种高温轴压试验装置的试验方法，该方法包括以下步骤：

（1）将试样装入压力容器内，通过两对称压杆初始按压；

（2）加热装置通过加热压力容器将试样进行加热；

（3）在试样不同温度下测试轴向压力和位移变化，并通过光学测量系统观测试样在高温和轴向压力条件下的表面显微白光像和显微光谱。

步骤（3）中位移测试方法包括以下步骤：

（1）对固体样品在一定的温度压力条件下测量，通过压杆左侧位移检测装置的位移传感器测得的左侧位移X1，压杆右侧位移检测装置的位移传感器测得的右侧位移X2，则两刚性薄片条间的总变形位移量为X=X1+X2，其中位移传感器精度达到0.5μm和分辨率达到0.01μm；

（2）然后再用与固体样品尺寸一样的碳化钨试样在相同温度、压力、流体条件下进行测试，测量两个刚性薄片条之间的总位移量为X’；

（3）试样的变形量为Y=X-X’。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种高温轴压试验装置，其特征在于：包括压力容器（2），所述压力容器（2）水平方向内设置有对称密封的两轴向压杆（3，4），所述两压杆（3，4）间放置试样（5），一压杆（3）外端连接加载装置（7）以及布置有位移检测装置（22），另一压杆（4）外端连接压力传感器（8），所述加载装置（7）、位移检测装置（22）和压力传感器（8）固定连接到底座（1）上，所述压力容器（1）外套接有加热试样（5）的加热装置（6）所述加热装置（6）置于底座（1）的凹槽（26）内，与压力容器（2）接触面设置有温度传感器（29）。

2.根据权利要求1所述的一种高温轴压试验装置，其特征在于：所述压力容器（2）表面设置有光学窗口（10），所述光学窗口（10）正对试样（5）中心，且安装有观察试样（5）表面显微白光像和显微光谱的光学测量系统（30）。

3.根据权利要求1所述的一种高温轴压试验装置，其特征在于：所述位移检测装置（22）、压力传感器（8）、温度传感器（29）、加热装置（6）、光学测量系统（30）连接到控制器，并通过导线连接到上位机。

4.根据权利要求1所述的一种高温轴压试验装置，其特征在于：位移检测装置（22）设置两个，分别分布在两压杆（3，4）的两外端，其结构包括位移传感器（32，24）和刚性薄片条（33，23），所述刚性薄片条（33，23）一端连接在压杆（3，4）端部，其另一端接触有位移传感器（32，24）探头，所述位移传感器（32，24）固定连接在底座（1）侧壁上。

5.根据权利要求1所述的一种高温轴压试验装置，其特征在于：加载装置（7）包括加力螺钉（18）和转接件（19），所述加力螺钉（18）可螺旋移动地连接在底座（1）侧壁上，其螺纹端部中心连接有转接件（19），转接件（19）端部设置有万向球头（20），万向球头（20）将力传递到左侧压杆（3）。

6.根据权利要求5所述的一种高温轴压试验装置，其特征在于：所述转接件（19）为台阶轴，其小轴（34）插入加力螺钉（18）中部的盲孔（35）内，并在小轴（34）上套接有压缩弹簧（21），压缩弹簧（21）一端抵靠在加力螺钉（18）端面上，其另一端抵靠在转接件（19）大轴端面上。

7.根据权利要求1所述的一种高温轴压试验装置，其特征在于：压力传感器（8）通过调整螺钉（25）连接到底座（1）上，其连接右侧压杆（4）一端设置有球头（43）。

8.根据权利要求2所述的一种高温轴压试验装置，其特征在于：光学窗口（10）包括正对相通第一通孔（14）、第二通孔（15）、透明部（13）和第三通孔（16），所述第一通孔（14）设置在压力容器（2）上，所述第二通孔（15）设置在加热装置（6）上，所述第三通孔（16）设置在底座（1）侧壁上，所述透明部（13）通过压块（12）安装在第一通孔（14）处，其设置在压块（12）凹槽内，压块（12）凹槽内设置有透光孔，其外表面紧贴在第一通孔（14）处，设置在压力容器（2）凹槽内。

9.根据权利要求1-8任一所述的一种高温轴压试验装置的试验方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

（1）将试样装入压力容器内，通过两对称压杆初始按压；

（2）加热装置通过加热压力容器将试样进行加热；

（3）在试样不同温度下测试轴向压力和位移变化，并通过光学测量系统测量试样在高温和轴向压力条件下的表面显微白光像和显微光谱。

10.根据权利要求9所述的一种高温轴压试验装置的试验方法，其特征在于：步骤（3）中位移测试方法包括以下步骤：

（1）对固体样品在一定的温度压力条件下测量，通过压杆左侧位移检测装置的位移传感器测得的左侧位移X1，压杆右侧位移检测装置的位移传感器测得的右侧位移X2，则两刚性薄片条间的总变形位移量为X=X1+X2；

（2）用与固体样品尺寸一样的碳化钨试样在相同温度、压力、流体条件下进行测试，测量两个刚性薄片条之间的总位移量为X’；

（3）试样的变形量为Y=X-X’。