CN107462468B - 用于关键核材料复杂服役环境下材料性能测试装置 - Google Patents

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

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

核电作为一种清洁能源，已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。作为唯一一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。

SCWR的冷却剂是超过水临界点（374℃、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刻，在正常工况下其表面热点设计温度超过600℃，瞬时或者发生事故时可达到750℃。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。

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究还尚不透彻。

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

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。

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Ⅰ3和支架Ⅱ7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。

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Ⅰ12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。

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Ⅰ22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Ⅰ23、六角螺母Ⅱ26、弹簧垫圈Ⅰ24和垫片Ⅰ27进行螺纹连接。

所述的拉伸加载模块11是：交流伺服电动机Ⅱ1110经由直角伺服行星减速器119固连在电机固定支架Ⅱ1117上；滚珠丝杠Ⅱ116通过弹性联轴器Ⅲ118与交流伺服电动机Ⅱ1110外伸轴相连，并利用EK固定侧角型支撑单元Ⅱ117采用单端悬臂的安装方式，通过滚珠丝杠Ⅱ116上的螺母Ⅱ115与螺母座Ⅱ114相连；所述螺母座Ⅱ114通过四块SSR滑块Ⅱ1116与两根SSR直线导轨Ⅱ1112装配在一起，安装在电机固定支架Ⅱ1117上；两个限位行程开关Ⅱ1111分别固定在SSR直线导轨Ⅱ1112两端极限位置之内的电机固定支架Ⅱ1117上；增量式直线光栅尺Ⅱ1115连接在螺母座Ⅱ114上；外部读数头Ⅱ1114固定在外部读数头安装板Ⅱ1113上，并与电机固定支架Ⅱ1117共同固定在横梁19上；力传感器Ⅱ111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Ⅱ114上。

所述的弯曲加载模块4是：交流伺服电动机Ⅰ41固连在电机固定支架Ⅰ42上；滚珠丝杠Ⅰ45通过弹性联轴器Ⅱ43与交流伺服电动机Ⅰ41外伸轴相连，并利用EK固定侧角型支撑单元Ⅰ44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Ⅰ45上的螺母Ⅰ46与螺母座Ⅰ47相连；所述螺母座Ⅰ47通过四块SSR滑块Ⅰ415与两根SSR直线导轨Ⅰ416相连，连接在电机固定支架Ⅰ42上；两个限位行程开关Ⅰ411分别固定在SSR直线导轨Ⅰ416两端极限位置之内的电机固定支架Ⅰ42上；增量式直线光栅尺Ⅰ412连接在螺母座Ⅰ47上；外部读数头Ⅰ413固定在外部读数头安装板Ⅰ414上，并与电机固定支架Ⅰ42共同固定在支架Ⅰ3上；力传感器Ⅰ49与连接板Ⅰ48螺纹连接，固定在螺母座Ⅰ47上。

所述的反应釜模块10是：热电偶套管1033、压力表1010、放气塞Ⅰ109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Ⅰ105和方形同轴密封组件Ⅰ106进行密封，利用端部连接的导向组件Ⅰ103进行导向并通过O形密封圈Ⅱ1035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102一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Ⅰ107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Ⅱ1021和方形同轴密封组件Ⅱ1022进行密封，利用端部连接的导向组件Ⅱ1019进行导向并通过O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Ⅰ49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；镜筒保护套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。

所述的夹具组件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Ⅱ1028相连；所述薄板试件1014分别通过圆柱销Ⅰ247和圆柱销Ⅱ2415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。

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。

所述夹具组件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Ⅰnconel 625，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。

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。

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。

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

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。

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 为本发明夹具组件轴测图；

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10 为本发明试验系统整体结构和工作原理图。

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，115A.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Ⅱ，27.垫片Ⅰ，3.支架Ⅰ，4.弯曲加载模块，41.交流伺服电动机Ⅰ，42.电机固定支架Ⅰ，43.弹性联轴器Ⅱ，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Ⅰ，412.增量式直线光栅尺Ⅰ，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Ⅱ，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，1010.压力表，1011.反应釜釜体，1012.立柱，1013.压头，1014.薄板试件，1015.增强石墨填料环，1016.弯曲压杆，1017.弯曲端缸盖，1018.O形密封圈Ⅰ，1019.导向组件Ⅱ，1020.弯曲端缸筒，1021.支撑环Ⅱ，1022.方形同轴密封组件Ⅱ，1023.八角金属环Ⅱ，1024.石墨盘根环，1025.夹具组件，1026.短直连管接口，1027.长直连管接口，1028.连接板Ⅱ，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Ⅱ，1035.O形密封圈Ⅱ，1036.爆破安全阀组件，11.拉伸加载模块，111.力传感器Ⅱ，112.连接套筒，113.连接体，114.螺母座Ⅱ，115.螺母Ⅱ，116.滚珠丝杠Ⅱ，117. EK固定侧角型支撑单元Ⅱ，118.弹性联轴器Ⅲ，119.直角伺服行星减速器，1110.交流伺服电动机Ⅱ，1111.限位行程开关Ⅱ，1112.SSR直线导轨Ⅱ，1113.外部读数头安装板Ⅱ，1114.外部读数头Ⅱ，1115.增量式直线光栅尺Ⅱ，1116.SSR滑块Ⅱ，1117.电机固定支架Ⅱ，1118.胀紧套，243.导向板，245.上夹具体，247.圆柱销Ⅰ，248.下夹具体，2415.圆柱销Ⅱ，2416.圆柱销Ⅲ，52.超纯水储液罐，54.离子交换器Ⅰ，57.储液罐，59.离子交换器Ⅱ，511.Ph调节器，514.热电耦，522.先导式背压阀，525.低压泵，526.调速阀，527.低压背压阀Ⅰ，528.低压背压阀Ⅱ，529.冷却器Ⅰ，530.低压背压阀Ⅲ，531.冷却器Ⅱ，532.冷却器Ⅲ，533.加热器，534.温度调节器，535.高压泵，537.循环泵。

实施方式

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。

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。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。

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。

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Ⅰ22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。

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Ⅱ 1110、电机固定支架Ⅱ 1117、EK固定侧角型支撑单元Ⅱ 117、滚珠丝杠Ⅱ116、螺母Ⅱ 115、螺母座Ⅱ 114、连接套筒112、胀紧套1118、力传感器Ⅱ 111、限位行程开关Ⅱ 1111、增量式直线光栅尺Ⅱ 1115、外部读数头Ⅱ 1114、SSR滑块Ⅱ 1116和SSR直线导轨Ⅱ 1112组成。所述交流伺服电动机Ⅱ 1110经由直角伺服行星减速器119固连在电机固定支架Ⅱ 1117上。所述滚珠丝杠Ⅱ 116通过弹性联轴器Ⅲ 118与交流伺服电动机Ⅱ 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Ⅱ 116上的螺母Ⅱ 115与螺母座Ⅱ 114相连。所述螺母座Ⅱ 114通过四块SSR滑块Ⅱ1116与两根SSR直线导轨Ⅱ 1112装配在一起，安装在电机固定支架Ⅱ 1117上。所述两个限位行程开关Ⅱ 1111分别固定在SSR直线导轨Ⅱ 1112两端极限位置之内的电机固定支架Ⅱ1117上，避免螺母座Ⅱ 114在加载过程中与电机固定支架Ⅱ 1117发生干涉。所述增量式直线光栅尺Ⅱ 1115连接在螺母座Ⅱ 114上。所述外部读数头Ⅱ 1114固定在外部读数头安装板Ⅱ 1113上，并与电机固定支架Ⅱ 1117共同固定在横梁19上。所述力传感器Ⅱ 111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。

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Ⅰ48、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Ⅰ412、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Ⅰ41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Ⅰ41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。

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Ⅱ 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O形密封圈Ⅱ1035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102一端通过螺纹与拉伸加载模块11的力传感器Ⅱ 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Ⅱ 1021和方形同轴密封组件Ⅱ1022进行密封，利用端部连接的导向组件Ⅱ 1019进行导向并通过O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。镜筒保护套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。

参见图7和图9所示，本发明的夹具组件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，夹具组件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Ⅲ 2416与拉伸轴102下端相连；下夹具体248与连接板Ⅱ1028相连；所述薄板试件1014分别通过圆柱销Ⅰ247和圆柱销Ⅱ2415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。利用该模块可实现对薄板试件1014不同形式的加载。

参见图8所示，本发明的原位观测模块8，包括Z向位移平台组件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82。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。

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环境的温度和压力。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。

为实现反应釜模块10内拉伸轴102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泵525及低压背压阀Ⅰ 527、低压背压阀Ⅱ 528和低压背压阀Ⅲ 530，并配合调速阀526对流经冷却器Ⅱ 531和冷却器Ⅲ 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。

测试过程中，利用机架模块1中位于龙门顶16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。

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 (4)

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（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，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Ⅱ（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；

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Ⅰ（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；

所述的拉伸加载模块（11）是：交流伺服电动机Ⅱ（1110）经由直角伺服行星减速器（119）固连在电机固定支架Ⅱ（1117）上；滚珠丝杠Ⅱ（116）通过弹性联轴器Ⅲ（118）与交流伺服电动机Ⅱ（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Ⅱ（116）上的螺母Ⅱ（115）与螺母座Ⅱ（114）相连；所述螺母座Ⅱ（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Ⅱ（1117）上；两个限位行程开关Ⅱ（1111）分别固定在SSR直线导轨Ⅱ（1112）两端极限位置之内的电机固定支架Ⅱ（1117）上；增量式直线光栅尺Ⅱ（1115）连接在螺母座Ⅱ（114）上；外部读数头Ⅱ（1114）固定在外部读数头安装板Ⅱ（1113）上，并与电机固定支架Ⅱ（1117）共同固定在横梁（19）上；力传感器Ⅱ（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Ⅱ（114）上；

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；所述螺母座Ⅰ（47）通过四块SSR滑块Ⅰ（415）与两根SSR直线导轨Ⅰ（416）相连，连接在电机固定支架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；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；

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（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O形密封圈Ⅱ（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）一端通过螺纹与拉伸加载模块（11）的力传感器Ⅱ（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（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Ⅱ（1021）和方形同轴密封组件Ⅱ（1022）进行密封，利用端部连接的导向组件Ⅱ（1019）进行导向并通过O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；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；镜筒保护套（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。

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Ⅰ（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）。

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：所述的夹具组件（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Ⅲ（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。

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。