CN107462468A - 用于关键核材料复杂服役环境下材料性能测试装置 - Google Patents

用于关键核材料复杂服役环境下材料性能测试装置 Download PDF

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赵宏伟
王赵鑫
张富
张世忠
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    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • GPHYSICS
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    • G01N3/20Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady bending forces

Abstract

本发明涉及一种用于关键核材料复杂服役环境下材料性能测试装置,属于材料性能测试技术领域。主要由机架模块、提升装置、弯曲加载模块、原位观测模块、反应釜模块和拉伸加载模块组成。本发明可以实现“拉伸‑弯曲”复合载荷加载与超临界水强氧化腐蚀环境的耦合加载,能够较真实地模拟超临界水堆堆内关键核材料的真实工况,可进一步研究关键核材料的微观力学性能。本发明采用模块化设计并集成有原位观测模块,具有结构简单、布局紧凑等优点,能够对材料表面微观组织形貌进行监测,实时反映材料腐蚀行为,对于研究材料的微观组织形貌和宏观力学性能之间的内在联系以及应力腐蚀裂纹的萌生和扩展规律提供有效地测试方法。

Description

用于关键核材料复杂服役环境下材料性能测试装置
技术领域
[0001] 本发明涉及材料性能测试技术领域,用于关键核材料复杂服役环境下材料性能测 试装置。
背景技术
[0002] 核电作为一种清洁能源,己成为电力工业的重要组成部分,国内外都在积极推进 核电建设。作为唯——个以轻水作为冷却剂的核反应堆——超临界水堆(SCWR),它是最有 希望实现应用的第四代(GEN-IV)概念堆型之一,其具有可将核能产生的蒸汽采用直接循环 的方式推动透平发电机发电,并具有热效率高和简化核电站建设等优点。
[0003] SCWR的冷却剂是超过水临界点(374°C、22.1MPa)的超临界水(SCW),其对堆内结构 材料具有极高的要求,尤其是SCWR堆芯结构材料中的燃料棒包壳材料的工作条件最为苛 亥IJ,在正常工况下其表面热点设计温度超过600 °C,瞬时或者发生事故时可达到750°C。为满 足包壳材料高温、高压水环境、超薄壁厚(0.5-0.6mm),高中子通量和超长期服役等使用要 求,燃料包壳需要具有足够高的蠕变强度、辐照损伤抗力和机械性能,并具有对由SCW和裂 变产物导致的均匀腐蚀和应力腐蚀断裂(SCC)的抵抗能力。
[0004]目前,有关锆合金、镍基合金等核电工业领域关键核材料服役性能测试分析的研 究也受到国内外学术界和工程界的广泛关注。尤其是针对服役条件更为苛刻的SCWR堆内关 键核材料的材料性能测试装置的设计还不是很多,并且一般无法将原位观测技术与其他在 位测试技术集成,如中国发明(CN 101520402 A),采用广泛用于测试材料腐蚀性能的电化 学阻抗谱(EIS)等方法对高温高压环境下的材料在位测试,但是,在超临界水环境下三电极 系统的使用寿命及测试精度都会受到很大影响。再如中国发明(CN 103226091 A),可同时 获得高温高压环境下材料加载过程中电化学信号和声发射信号,尽管声发射(AE)检测是根 据腐蚀、裂纹的声发射特征进行缺陷定位和定量的一种无损检测技术,但是对于材料腐蚀 速率与声发射信号之间的关系研宄还尚不透彻。
[0005]因此,设计开发用于关键核材料复杂服役环境下材料性能原位测试装置也已成为 研究关键核材料的机械性能,均匀腐蚀,应力腐蚀断裂,蠕变和辐照损伤等重要课题的发展 趋势。
发明内容
[0006]本发明的目的在于提供一种用于关键核材料复杂服役环境下材料性能测试装置, 模拟SCWR堆内环境的材料性能测试,解决了现有相关材料试验机施加载荷单一、不能进行 原位测试等缺陷,本发明可以实现“拉伸-弯曲”两种形式载荷的加载、结合超临界水强氧化 腐蚀环境,可进一步研究材料在接近SCWR堆内服役工况下的微观力学性能。
[0007]本发明的上述目的通过以下技术方案实现: 用于关键核材料复杂服役环境下材料性能测试装置,包括机架模块1、提升装置2、弯曲 加载模块4、原位观测模块8、反应釜模块10和拉伸加载模块U组成,所述弯曲加载模块4和 原位观测模块8分别由支架13和支架n 7固连在机架模块1的右立柱110及左立柱114A上;所 述提升装置2和拉伸加载模块11分别固连在横梁19上;所述反应釜模块10置于剖分式上箱 体9和下箱体6中,在其周围填充有聚氨酯保温材料进行隔热保温,并通过拉伸端缸盖101与 提升装置2相连;所述下箱体6通过桁架支架5固连在气浮隔振台113A上。
[0008]所述的机架模块1是:底座111A通过八组L形连接板组件112A固连在气浮隔振台 113A上,其上与左立柱114A、右立柱110及龙门顶16相连;蜗轮丝杠升降机13两端蜗杆伸出 轴分别通过弹性联轴器112与动力源三相异步电动机11A和轴角编码器15相连,并固连在龙 门顶16上;梯形丝杠117A与丝杠保护套14套接,下端通过法兰盘116A与横梁19固连;所述横 梁19通过两组滑块115A与矩形-燕尾形复合导轨17装配在一起,安装在左立柱114A、右立柱 110上,并且其上对称分布两个吊环螺钉18。
[0009]所述的提升装置2是:半月形连接板21通过四个内六角圆柱头螺钉122固定在横梁 19上,并通过两根双头螺杆25与拉伸端缸盖101相连,通过六角螺母123、六角螺母1126、弹 簧垫圈124和垫片127进行螺纹连接。
[0010] 所述的拉伸加载模块11是:交流伺服电动机n 1110经由直角伺服行星减速器119 固连在电机固定支架n 1117上;滚珠丝杠n 116通过弹性联轴器m 1 is与交流伺服电动机n 1110外伸轴相连,并利用EK固定侧角型支撑单元n 117采用单端悬臂的安装方式,通过滚珠 丝杠n 116上的螺母n 115与螺母座n 114相连;所述螺母座n 114通过四块ssr滑块n 1116 与两根ssr直线导轨n ill 2装配在一起,安装在电机固定支架n ill 7上;两个限位行程开关 n mi分别固定在ssr直线导轨n m2两端极限位置之内的电机固定支架n 1117上;增量 式直线光栅尺n 1115连接在螺母座n 114上;外部读数头n 1114固定在外部读数头安装板 n m3上,并与电机固定支架n 1117共同固定在横梁19上;力传感器n ill通过螺纹与连接 套筒112相连,并通过胀紧套1118与连接体113固连在螺母座n 114上。
[0011] 所述的弯曲加载模块4是:交流伺服电动机141固连在电机固定支架142上;滚珠丝 杠145通过弹性联轴器1143与交流伺服电动机141外伸轴相连,并利用EK固定侧角型支撑单 元144及EF支撑侧角型支撑单元410采用一端固定一端游动的安装方式,通过滚珠丝杠145 上的螺母146与螺母座147相连;所述螺母座147通过四块SSR滑块1415与两根SSR直线导轨I 416相连,连接在电机固定支架142上;两个限位行程开关1411分别固定在SSR直线导轨1416 两端极限位置之内的电机固定支架142上;增量式直线光栅尺1412连接在螺母座147上;夕卜 部读数头1413固定在外部读数头安装板1414上,并与电机固定支架142共同固定在支架13 上;力传感器149与连接板148螺纹连接,固定在螺母座147上。
[0012] 所述的反应釜模块10是:热电偶套管1033、压力表1010、放气塞1109和爆破安全阀 组件1036螺纹连接在反应釜釜盖108上,对釜内温度和压力进行实时监控及保证试验过程 的安全性;短直连管接口 1026和长直连管接口 1027分别螺纹连接在反应釜釜体1011底部凸 台上;拉伸轴102采用一体式活塞杆结构设计,其凹槽中装有支撑环1105和方形同轴密封组 件1106进行密封,利用端部连接的导向组件1103进行导向并通过0形密封圈n 1035进行密 封,并与拉伸端缸筒104及拉伸端缸盖101构成液压缸结构,并且利用放气塞II 1034维持活 塞两侧压差恒定,拉伸轴102—端通过螺纹与拉伸加载模块11的力传感器II111相连,另一 端与夹具组件1025相连,并对薄板试件1014施加拉伸载荷;所述拉伸端缸筒104固连在反应 釜釜体1011上,并利用八角金属环1107进行密封;弯曲压杆1016采用一体式活塞杆结构设 计,其凹槽中装有支撑环n 1021和方形同轴密封组件n 1022进行密封,利用端部连接的导 向组件n 1019进行导向并通过0形密封圈I 1018进行密封,并与弯曲端缸筒1020及弯曲端 缸盖1017构成液压缸结构,其一端通过螺纹与弯曲加载模块4的力传感器149相连,另一端 与压头1013通过螺纹连接对薄板试件1014施加弯曲集中载荷,且保证弯曲压杆1016与拉伸 轴102的轴线相互垂直;所述弯曲端缸筒1020固连在反应釜釜体1011上,其与弯曲压杆1016 和反应釜釜体1011分别利用增强石墨填料环1015、石墨盘根环1024和八角金属环II1023进 行密封;镜头保护套1032与压套1029螺纹连接,并将凸透镜镜片1031压紧在压套1029上进 行轴向定位;所述压套1029通过镜筒1030固定在反应釜釜体1011上,且保证凸透镜镜片 1031轴线与弯曲压杆1016的轴线同轴。
[0013] 所述的夹具结构1025整体置于反应釜釜体1011之内,通过置于反应釜釜盖108内 部的导向板243,保证拉伸轴102与薄板试件1014轴线同轴;上夹具体245通过圆柱销III2416 与拉伸轴102下端相连;下夹具体248与连接板II 1028相连;所述薄板试件1014分别通过圆 柱销1247和圆柱销II 2415与上、下夹具体245、248相连,并处于四根立柱1012中心,构成单 端拉伸加载方式,与此同时通过立柱1012之间的缝隙布置与拉伸轴102相互垂直的弯曲压 杆1016,构成非标准三点弯曲加载方式。
[00M]所述的原位观测模块8是:光学成像设备82固定于Z向位移平台组件81上,并逐层 固定叠加在Y向位移平台组件83和X向位移平台组件84上,进而实现三个自由度方向的移 动,能够动态监控整个试验过程中材料的变性损伤机制、微观组织变化以及性能演变规律。 [0015]所述夹具结构和反应釜模块中处于超临界水环境的零部件,其材料均采用I nconel 62;5,具有较好的耐腐蚀性和高温力学性能;所述凸透镜镜片选用耐高温腐蚀的蓝 宝石玻璃材质,并根据实际需要按照特定放大倍率进行定制安装;所述原位观测模块中的 光学成像设备可以根据试验过程中实际需要的放大倍数进行调换。
[0016] 本发明的有益效果在于: 1、本发明结构简单,布局紧凑,能够较为真实地模拟关键核材料在SCWR堆内复杂服役 环境,并可对薄板试件施加“拉伸-弯曲”两种不同形式的载荷,其中两种载荷既可以单独加 载,也可同时进行组合加载,便于更加真实的模拟SCWR中关键核材料的受力状态。
[0017] 2、本发明采用模块化设计,以机架模块为基础,集成拉伸加载模块、弯曲加载模 块、反应釜模块和原位观测模块,便于整机组合安装、改进优化及维护保养。
[0018] 3、本发明集成有原位观测模块,通过光学成像设备可以对材料表面微观组织的形 貌进行监测,实时反映材料腐蚀行为,对于研究材料的微观组织形貌和宏观力学性能之间 的内在联系以及应力腐蚀裂纹的萌生和扩展规律提供有效地测试方法。
附图说明
[0019^此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本申请的一部分,本发 明的示意性实例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
[0020]图1为本发明整体布置轴测图; 图2为发明机架模块轴测图; 图3为本发明提升装置轴测图; 图4为本发明拉伸加载模块轴测图; 图5为本发明弯曲加载模块轴测图; 图6为本发明反应釜模块轴测图; 图7为本发明夹具结构轴测图; 图8为本发明原位观测模块轴测图; 图9为本发明薄板试件轴测图; 图1〇为本发明试验系统整体结构和工作原理图。
[0021]图中:1 •机架模块,11A•三相异步电动机,12 •弹性联轴器I,13.蜗轮丝杠升降机, 14.丝杠保护套,15.轴角编码器,16.龙门顶,17.矩形-燕尾形复合导轨,18.吊环螺钉,19 • 横梁,110 •右立柱,111A.底座,112A.L形连接板组件,113A.气浮隔振台,114A•左立柱, 11M.滑块,116A.法兰盘,117A•梯形丝杠,2 •提升装置,21 •半月形连接板,22 •内六角圆柱 头螺钉I,23 •六角螺母I,24.弹簧垫圈I,25 •双头螺杆,26.六角螺母n,27 •垫片I,3 •支架I, 4•弯曲加载模块,41 •交流伺服电动机1,42•电机固定支架I,43.弹性联轴器n,44.EK固定 侧角型支撑单元I,45 •滚珠丝杠I,46 •螺母I,47 •螺母座I,48 .连接板I,49 •力传感器I, 410.EF支撑侧角型支撑单元,411.限位行程开关1,412•增量式直线光栅尺1,413•外部读数 头I,414.外部读数头安装板I,415.SSR滑块I,416.SSR直线导轨I,5.桁架支架,6.下箱体, 7 •支架H,8.原位观测模块,81 • Z向位移平台组件,82 •光学成像设备,83 • Y向位移平台组 件,84.X向位移平台组件,9.上箱体,10.反应釜模块,101.拉伸端缸盖,102.拉伸轴,103.导 向组件I,104•拉伸端缸筒,105.支撑环I,106•方形同轴密封组件I,107•八角金属环I,108. 反应釜釜盖,109 _放气塞I,1〇1〇 •压力表,i〇u •反应釜釜体,1012.立柱,1013.压头,1014. 薄板试件,1015 •增强石墨填料环,1〇 16 •弯曲压杆,1 〇 17 •弯曲端缸盖,1018.0形密封圈I, 1019•导向组件II,1020•弯曲端缸筒,1〇21.支撑环n,1022.方形同轴密封组件D,1023.八 角金属环n,1〇24 •石墨盘根环,1025 •夹具组件,1026 •短直连管接口,1027.长直连管接口, 1〇28 •连接板n,1029.压套,1030.镜筒,1031 •凸透镜镜片,1032.镜筒保护套,1033 •热电偶 套管,1034.放气塞n,1035 • 0形密封圈n,1〇36.爆破安全阀组件,11.拉伸加载模块,丨【丄• 力传感器n,ii2•连接套筒,ii3•连接体,;l14.螺母座n,ii5•螺母n,ii6.滚珠丝杠n, 117. EK固定侧角型支撑单元n,118•弹性联轴器m,119•直角伺服行星减速器,1110.交流 伺服电动机n,im•限位行程开关n,iii2.ssr直线导轨n,iii3•外部读数头安装板n, 1114 •外部读数头n,1115.增量式直线光栅尺n,1116 • ssr滑块n,1117.电机固定支架n, 1118.胀紧套,对3.导向板,245.上夹具体,247.圆柱销1,248•下夹具体,2415.圆柱销II, 2416 •圆柱销HI,52 •超纯水储液罐,54 •离子交换器〗,57 •储液罐,5g •离子交换器n,51丨.ph 调节器,514•热电耦,522.先导式背压阀,525 •低压栗,526.调速阀,527.低压背压阀〗,528. 低压背压阀n,529•冷却器I,530 •低压背压阀m,531 •冷却器n,532 •冷却器in,533.加热 器,534 •温度调节器,5:35 •高压泵,537 •循环栗。
具体实施方式
[0022]下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
[0023]参见图1至图9所示,本发明的用于关键核材料复杂服役环境下材料性能测试装 置,可以实现“拉伸-弯曲”复合载荷加载与超临界水强氧化腐蚀环境的耦合加载,能够较真 实地模拟超临界水堆堆内关键核材料的真实工况,可进一步研宄关键核材料的微观力学性 能。本发明采用模块化设计并集成有原位观测模块,具有结构简单、布局紧凑等优点,能够 对材料表面微观组织形貌进行监测,实时反映材料腐蚀行为,对于研宄材料的微观组织形 貌和宏观力学性能之间的内在联系以及应力腐蚀裂纹的萌生和扩展规律提供有效地测试 方法。主要由机架模块1、提升装置2、弯曲加载模块4、原位观测模块8、反应釜模块10和拉伸 加载模块11组成。所述弯曲加载模块4和原位观测模块8分别由支架I 3和支架II 7固连在 机架模块的右立柱110及左立柱114A上。所述提升装置2和拉伸加载模块11分别固连在横梁 19上。所述反应釜模块10置于剖分式上箱体9和下箱体6中,在其周围填充有聚氨酯保温材 料进行隔热保温,并通过拉伸端缸盖101与提升装置2相连。所述下箱体6通过桁架支架5固 连在气浮隔振台113A上。
[0024]参见图2所示,本发明的机架模块1,主要由蜗轮丝杠升降机13、龙门顶16、左立柱 114A、右立柱110、横梁19、滑块115A、矩形-燕尾形复合导轨17、底座111A和气浮隔振台113A 组成。其中,底座111A通过八组L形连接板组件112A固连在气浮隔振台113A上,其上与左、右 两立柱114A、110及龙门顶16相连。蜗轮丝杠升降机13两端蜗杆伸出轴分别利用弹性联轴器 I 12与动力源三相异步电动机11A和检测装置轴角编码器15相连,并固连在龙门顶16上,其 中梯形丝杠117A利用丝杠保护套14保护,下端通过法兰盘116A与横梁19相固连。横梁19通 过两组滑块115A与矩形-燕尾形复合导轨17装配在一起,安装在左、右两立柱114A、110上, 并且其上对称分布两个吊环螺钉18,便于吊升安装横梁19。
[0025] 参见图3所示,本发明的提升装置2,主要由两根双头螺杆25、半月形连接板21和拉 伸端缸盖101组成。其中,半月形连接板21由四个内六角圆柱头螺钉122固定在横梁19上,并 通过两根双头螺杆25与拉伸端缸盖101相连,利用六角螺母I 23、六角螺母II 26、弹簧垫圈 I 24和垫片I 27进行螺纹连接。
[0026] 参见图4所示,本发明的拉伸加载模块11,主要由直角伺服行星减速器119、交流伺 服电动机n mo、电机固定支架n iii7、ek固定侧角型支撑单元n 117、滚珠丝杠n 116、螺母n 115、螺母座n 114、连接套筒112、胀紧套组件ms、力传感器n 111、限位行 程开关n mi、增量式直线光栅尺n 1115、外部读数头n iii4、ssr滑块n 1116和ssr直 线导轨n m2组成。所述交流伺服电动机n mo经由直角伺服行星减速器119固连在电 机固定支架n 117上。所述滚珠丝杠n 116通过弹性联轴器m us与交流伺服电动机n 1110外伸轴相连,并利用EK固定侧角型支撑单元II 117采用单端悬臂的安装方式,通过滚 珠丝杠n 116上的螺母n 115与螺母座n 114相连。所述螺母座n 114通过四块ssr滑块 n 1116与两根ssr直线导轨n m2装配在一起,安装在电机固定支架n 117上。所述两个 限位行程开关n mi分别固定在ssr直线导轨n m2两端极限位置之内的电机固定支架 n 117上,避免螺母座n 114在加载过程中与电机固定支架n 117发生干涉。所述增量式 直线光栅尺n 1115连接在螺母座n 114上。所述外部读数头n 1114固定在外部读数头安 装板n m3上,并与电机固定支架n 117共同固定在横梁19上。所述力传感器n ill利用 螺纹与连接套筒112相连,并通过胀紧套1118与连接体113固连在螺母座II 114上。
[0027] 参见图5所示,本发明的弯曲加载模块4,主要由交流伺服电动机I 41、电机固定支 架I 42、EK固定侧角型支撑单元I 44、滚珠丝杠I 45、螺母I 46、螺母座I 47、连接板I 48、 力传感器I 49、EF支撑侧角型支撑单元410、限位行程开关I 411、增量式直线光栅尺I 412、 外部读数头I 413、SSR滑块I 415和SSR直线导轨I 416组成。其中,交流伺服电动机I 41固 连在电机固定支架I 42上;滚珠丝杠I 45通过弹性联轴器II 43与交流伺服电动机I 41外 伸轴相连,并利用EK固定侧角型支撑单元I 44及EF支撑侧角型支撑单元410采用一端固定 一端游动的安装方式,通过滚珠丝杠I 45上的螺母I 46与螺母座I 47相连。其中,螺母座I 47通过四块SSR滑块I 415与两根SSR直线导轨I 416装配在一起,安装在电机固定支架I 42 上;两个限位行程开关I 411分别固定在SSR直线导轨I 416两端极限位置之内的电机固定 支架I 42上,避免螺母座I 47在加载过程中与电机固定支架I 42发生干涉。增量式直线光 栅尺I 412连接在螺母座I 47上,与其配合使用的外部读数头I 413固定在外部读数头安装 板I 414上,并与电机固定支架I 42共同固定在支架I 3上,用于对弯曲加载位移大小进行 精确测量并与交流伺服电动机I 41内部编码器间接测量值构成位移闭环控制;力传感器I 49利用螺纹与连接板I 48相连,固定在螺母座I 47上,用于精确测量弯曲加载载荷的大小。 [0028] 参见图6所示,本发明的反应釜模块10,主要由拉伸端缸盖101、拉伸轴102、导向组 件I 103、拉伸端缸筒104、反应釜釜盖108、压力表1010、反应釜釜体1011、弯曲压杆1016、弯 曲端缸盖1017、导向组件n 1019、弯曲端缸筒1020、短直连管接口 1026、长直连管接口 1027、连接板II 1028、压套1029、镜筒1030、凸透镜镜片1031、镜筒保护套1032、热电偶套管 1033和爆破安全阀组件1036组成。其中,热电偶套管1033、压力表1010、放气塞I 109和爆破 安全阀组件1036通过管螺纹连接在反应釜釜盖108上,可对釜内温度和压力进行实时监控 及保证试验过程的安全性。短直连管接口 1026和长直连管接口 1027分别通过管螺纹连接在 反应釜釜体1011底部凸台上。拉伸轴102采用一体式活塞杆结构设计,其凹槽中装有支撑环 I 105和方形同轴密封组件I 106进行密封,利用端部连接的导向组件I 103进行导向并通 过0形密封圈n 1035进行密封,并与拉伸端缸筒104及拉伸端缸盖101构成液压缸结构,并且 利用放气塞II 1034维持活塞两侧压差恒定,拉伸轴102—端通过螺纹与拉伸加载模块11的 力传感器n 111相连,另一端与夹具组件1025相连,并对薄板试件1014施加拉伸载荷,其中 拉伸端缸筒104固连在反应釜釜体1011上,并利用八角金属环I 107进行密封。弯曲压杆 1016采用一体式活塞杆结构设计,其凹槽中装有支撑环n 1021和方形同轴密封组件n 1022进行密封,利用端部连接的导向组件n 1019进行导向并通过0形密封圈I 1018进行密 封,并与弯曲端缸筒1020及弯曲端缸盖1017构成液压缸结构,其一端通过螺纹与弯曲加载 模块4的力传感器I 49相连,另一端与压头1013通过螺纹连接对薄板试件1014施加弯曲集 中载荷,且保证弯曲压杆1016与拉伸轴102的轴线相互垂直,其中弯曲端缸筒1020固连在反 应釜釜体1011上,其与弯曲压杆1016和反应釜釜体1011分别利用增强石墨填料环1015、石 墨盘根环1024和八角金属环II 1023进行密封。镜头保护套1032利用管螺纹与压套1029相 连,并将凸透镜镜片1031压紧在压套1029上进行轴向定位,其中压套1029利用镜筒1030固 定在反应釜釜体1011上,且保证凸透镜镜片1031轴线与弯曲压杆1016的轴线同轴。利用该 模块可模拟实现SCWR堆内服役环境下的构建并为拉伸/弯曲加载模块和原位观测模块提供 可靠的连接接口。
[0029] 参见图7和图9所示,本发明的夹具结构1025,主要由薄板试件1014、上夹具体245、 下夹具体248和四根立柱1012组成。其中,夹具结构1025整体置于反应釜釜体1011之内,利 用置于反应釜釜盖108内部的导向板243,保证拉伸轴102与薄板试件1014轴线同轴;上夹具 体245通过圆柱销m 2416与拉伸轴102下端相连;下夹具体248与连接板n 1028相连;所述 薄板试件1014分别通过圆柱销1247和圆柱销II 2415与上、下夹具体245、248相连,并处于四 根jr柱ioi2中心,构成单_拉伸加载方式,与此同时通过立柱1012之间的缝隙布置与拉伸 轴1〇2相互垂直的弯曲压杆1016,构成非标准三点弯曲加载方式。利用该模块可实现对薄板 试件1014不同形式的加载。
[0030]参见图8所示,本发明的原位观测模块8,包括响位移平台组件81、Y向位移平台组 件83、X向位移平台组件84和光学成像设备把。其中,光学成像设备82固定于z向位移平台组 件81上,并逐层固定叠加在Y向位移平台组件抑和x向位移平台组件84上,进而实现三个自 由度方向的移动,能够动态监控整个试验过程中材料的变性损伤机制、微观组织变化以及 性能演变规律。
[0031]在具体的测试过程中,参见图1至图10所示,测试之前首先确定需要施加载荷的类 型以及模拟服役f境的温度和压力。通过向超纯水储液罐52、储液罐57中添加化学试剂或 者利用回路中的离子交换器I、II 54、59的方法改变试验溶液的离子成分,利用回路中的Ph 调节器511配合循环泵537改变试验溶液的Ph值并实现试验回路循环功能。根据试验目标温 度及压力的要求,利用高压泵535和先导式背压阀522实现反应釜模块10内试验溶液的压力 加载;利用温度调节器534、加热器533以及反应釜釜体1011外部的电阻丝对试验溶液进行 加热,共同实现反应釜釜体1011内部稳定的温度加载,并利用置于热电偶套管1033中的热 电偶514进行温度监测,实现闭环控制。
[0032]为实现反应釜模块10内拉伸轴1〇2和弯曲压杆1016的压力平衡及冷却降温,外部 冷却水经由低压栗525及低压背压阀I 527、低压背压阀II 528和低压背压阀m 530,并配 合调速阀526对流经冷却器n 531和冷却器m 532的冷却水压力及流速进行监控,以保证 试验载荷加载的平稳无波动。同时,利用冷却器I 529对试验过程中反应釜内循环产生的高 温废液进行冷却降温,保证循环管路的安全可靠。
[0033]测试过程中,利用机架模块1中位于龙门顶ie上的蜗轮丝杠升降机13提升横梁19, 进而通过提升装置2整体提出反应釜模块10,实现薄板试件1014的更换和安装。利用工控机 多路控制器控制拉伸加载模块11、弯曲加载模块4的加载过程,实现预定的试验要求。同时, 通过多路采集卡获取各加载模块中的载荷、位移数据连同原位观测模块8采集的图像信息 一同传递到工控机调试软件中,实时动态的将材料表面微观组织形貌显示在相应的成像屏 幕上,完成整个基于关键核材料复杂服役环境下的原位测试试验。
[0034]以上所述仅为本发明的优选实例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术 人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等, 均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1. 一种用于关键核材料复杂服役环境下材料性能测试装置,包括机架模块(1)、提升装 置⑵、弯曲加载模块⑷、原位观测模块⑻、反应釜模块(10)和拉伸加载模块(11)组成,其 特征在于:所述弯曲加载模块(4)和原位观测模块(8)分别由支架I (3)和支架n (7)固连在 机架模块⑴的右立柱(110)及左立柱(114A)上;所述提升装置⑵和拉伸加载模块(11)分 别固连在横梁(19)上;所述反应釜模块(10)置于剖分式上箱体(9)和下箱体(6)中,在其周 围填充有聚氨酯保温材料进行隔热保温,并通过拉伸端缸盖(101)与提升装置(2)相连;所 述下箱体(6)通过桁架支架(5)固连在气浮隔振台(113A)上。
2. 根据权利要求1所述的用于关键核材料复杂服役环境下材料性能测试装置,其特征 在于:所述的机架模块(1)是:底座(111A)通过八组L形连接板组件(112A)固连在气浮隔振 台(113A)上,其上与左立柱(114A)、右立柱(110)及龙门顶(16)相连;蜗轮丝杠升降机(13) 两端蜗杆伸出轴分别通过弹性联轴器1(12)与动力源三相异步电动机(11A)和轴角编码器 (15)相连,并固连在龙门顶(16)上;梯形丝杠(117A)与丝杠保护套(14)套接,下端通过法兰 盘(116A)与横梁(19)固连;所述横梁(19)通过两组滑块(115A)与矩形-燕尾形复合导轨 (17) 装配在一起,安装在左立柱(114A)、右立柱(110)上,并且其上对称分布两个吊环螺钉 (18) 〇
3. 根据权利要求1所述的用于关键核材料复杂服役环境下材料性能测试装置,其特征 在于:所述的提升装置(2)是:半月形连接板(21)通过四个内六角圆柱头螺钉1(22)固定在 横梁(19)上,并通过两根双头螺杆(25)与拉伸端缸盖(101)相连,通过六角螺母I (23)、六角 螺母II (26)、弹簧垫圈I (24)和垫片I (27)进行螺纹连接。
4. 根据权利要求1所述的用于关键核材料复杂服役环境下材料性能测试装置,其特征 在于:所述的拉伸加载模块(11)是:交流伺服电动机n (1110)经由直角伺服行星减速器 (119)固连在电机固定支架n (1117)上;滚珠丝杠n (116)通过弹性联轴器m (118)与交流 伺服电动机n (mo)外伸轴相连,并利用ek固定侧角型支撑单元n (117)采用单端悬臂的 安装方式,通过滚珠丝杠n (lie)上的螺母n (115)与螺母座n (114)相连;所述螺母座n (114)通过四块SSR滑块II (1116)与两根SSR直线导轨II (1112)装配在一起,安装在电机固 定支架n (1117)上;两个限位行程开关n (mi)分别固定在ssr直线导轨n (m2)两端极 限位置之内的电机固定支架n (1117)上;增量式直线光栅尺n (ms)连接在螺母座n (114)上;外部读数头n (1114)固定在外部读数头安装板n (m3)上,并与电机固定支架n (1117)共同固定在横梁(19)上;力传感器n (111)通过螺纹与连接套筒(112)相连,并通过 胀紧套(1118)与连接体(113)固连在螺母座n (114)上。
5. 根据权利要求1所述的用于关键核材料复杂服役环境下材料性能测试装置,其特征 在于:所述的弯曲加载模块(4)是:交流伺服电动机I (41)固连在电机固定支架I (42)上;滚 珠丝杠I (45)通过弹性联轴器II (43)与交流伺服电动机I (41)外伸轴相连,并利用EK固定侧 角型支撑单元1(44)及EF支撑侧角型支撑单元(410)采用一端固定一端游动的安装方式,通 过滚珠丝杠I (45)上的螺母I (46)与螺母座I (47)相连;所述螺母座I (47)通过四块SSR滑块I (415)与两根SSR直线导轨1(416)相连,连接在电机固定支架1(42)上;两个限位行程开关I (411)分别固定在SSR直线导轨1(416)两端极限位置之内的电机固定支架1(42)上;增量式 直线光栅尺I (412)连接在螺母座I (47)上;外部读数头I (413)固定在外部读数头安装板I (414)上,并与电机固定支架I (42)共同固定在支架I (3)上;力传感器I (49)与连接板I (48) 螺纹连接,固定在螺母座I (47)上。
6. 根据权利要求1所述的用于关键核材料复杂服役环境下材料性能测试装置,其特征 在于:所述的反应釜模块(10)是:热电偶套管(1033)、压力表(1010)、放气塞I (109)和爆破 安全阀组件(1〇36)螺纹连接在反应釜釜盖(108)上,对釜内温度和压力进行实时监控及保 证试验过程的安全性;短直连管接口(1026)和长直连管接口(1027)分别螺纹连接在反应釜 釜体(1011)底部凸台上;拉伸轴(102)采用一体式活塞杆结构设计,其凹槽中装有支撑环I (1〇5)和方形同轴密封组件1(1〇6)进行密封,利用端部连接的导向组件1(103)进行导向并 通过0形密封圈II (1〇35)进行密封,并与拉伸端缸筒(104)及拉伸端缸盖(101)构成液压缸 结构,并且利用放气塞II (1034)维持活塞两侧压差恒定,拉伸轴(1〇2)—端通过螺纹与拉 伸加载模块(11)的力传感器n (111)相连,另一端与夹具组件(1025)相连,并对薄板试件 (1014)施加拉伸载荷;所述拉伸端缸筒(104)固连在反应釜釜体(1〇11)上,并利用八角金属 环I (i〇7)进行密封;弯曲压杆(loi6)采用一体式活塞杆结构设计,其凹槽中装有支撑环n (1021)和方形同轴密封组件n (1022)进行密封,利用端部连接的导向组件n (1019)进行导 向并通过0形密封圈1(1018)进行密封,并与弯曲端缸筒(1020)及弯曲端缸盖(1017)构成 液压缸结构,其一端通过螺纹与弯曲加载模块(4)的力传感器I (49)相连,另一端与压头 (1013)通过螺纹连接对薄板试件(1014)施加弯曲集中载荷,且保证弯曲压杆(1016)与拉伸 轴(102)的轴线相互垂直;所述弯曲端缸筒(1020)固连在反应釜釜体(1011)上,其与弯曲压 杆(1016)和反应釜釜体(1011)分别利用增强石墨填料环(1015)、石墨盘根环(1024)和八角 金属环II (1023)进行密封;镜头保护套(1032)与压套(1029)螺纹连接,并将凸透镜镜片 (1031)压紧在压套(1029)上进行轴向定位;所述压套(1029)通过镜筒(1030)固定在反应釜 釜体(1011)上,且保证凸透镜镜片(1031)轴线与弯曲压杆(1016)的轴线同轴。
7. 根据权利要求6所述的用于关键核材料复杂服役环境下材料性能测试装置,其特征 在于:所述的夹具结构(1025)整体置于反应釜釜体(1011)之内,通过置于反应釜釜盖(108) 内部的导向板(243),保证拉伸轴(102)与薄板试件(1014)轴线同轴;上夹具体(245)通过圆 柱销IE (2416)与拉伸轴(102)下端相连;下夹具体(248)与连接板II (1028)相连;所述薄板 试件(1014)分别通过圆柱销I (247)和圆柱销II (2415)与上、下夹具体(245、248)相连,并处 于四根立柱(1012)中心,构成单端拉伸加载方式,与此同时通过立柱(1012)之间的缝隙布 置与拉伸轴(102)相互垂直的弯曲压杆(1016),构成非标准三点弯曲加载方式。
8. 根据权利要求1所述的用于关键核材料复杂服役环境下材料性能测试装置,其特征 在于:所述的原位观测模块(8)是:光学成像设备(82)固定于Z向位移平台组件(81)上,并逐 层固定叠加在Y向位移平台组件(83)和X向位移平台组件(84)上,进而实现三个自由度方向 的移动,能够动态监控整个试验过程中材料的变性损伤机制、微观组织变化以及性能演变 规律。
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CN108716973A (zh) * 2018-03-07 2018-10-30 西北工业大学 高温振动疲劳试验装置及高温振动疲劳试验方法

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