CN107505213A - 一种新型小冲杆试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型小冲杆试验装置及其试验方法，所述装置包括试样支撑台、夹盘、设有实心管的上U型架、设有空心管的下U型架、设有半球形冲头的冲杆、水平夹块、载荷传感器以及悬臂梁；所述方法包括将试样薄片置于试样支撑台的样品座中，通过两个销将夹盘与试样支撑台相连接等步骤；本发明大幅缩短冲杆长度，且利用衬套可以防止出现倾斜而导致其中心与试样中心没有对齐的情况，提高试验数据的精准性。

Description

一种新型小冲杆试验装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及评定材料随温度变化的力学性能的小试样测试技术领域，具体为一种新型小冲杆试验装置及其试验方法。

背景技术

目前，在石油化工、核工业等行业中,大量的在役设备长期在高温或辐照等条件下运行，会受到不同程度的损伤和性能退化，从而无法确定在役结构能否延寿安全运行。传统的常规试验方法只能有损地割取试样，然后进行材料各种性能的测试评定，这种做法对原设备结构有明显的损伤与破坏，既不经济，也限制了在役设备的评定。相比于小冲杆试验法，其他无损检测只能探测材料缺陷和设备剩余壁厚，并不能真正了解与评价在役承压结构的材料力学性能、断裂性能或蠕变性能等状况。

小冲杆试验法属于新型微试样技术，它的出现使无损地对在役设备进行取样测试和安全评估成为可能。此方法已经可以用来测定材料的弹性模量、屈服强度、塑性性能、抗拉强度、韧脆转变温度、蠕变性能和粘塑性性能等各种力学性能。由于所用的试样很小，对结构几乎不造成损伤，可以广泛地应用于各个领域材料力学性能的测定，因此这种测量技术有很好的工程应用前景。

目前国内外的小冲杆试验装置可根据试验类型的不同主要分为两种：

(1)蠕变试验装置：利用冲杆在载荷恒定不变的高温环境下冲压试样薄片，并记录试样薄片从变形到断裂整个过程中的位移-时间数据，并以此分析得出材料各种蠕变性能参数。该试验与传统的蠕变试验相似，最终试样都将完全断裂。

(2)拉伸试验装置：控制冲杆的位移率位移随时间的变化恒定不变，利用冲杆以恒定速度冲压试样薄片，并记录试样薄片从变形到断裂整个过程中的载荷-位移数据，并以此分析得出材料各种力学性能参数。

虽然小冲杆试验技术经过二十多年的发展已获得了多项突破性成就，但传统的装置仍存在着一些明显的缺点，简述如下：

(1)冲杆过长，无法保证其垂直不倾斜，从而影响材料性能参数的测定。

(2)传统的试样夹具可能会给试样薄片表面施加剪切力，从而使薄片表面受到损害，影响材料性能的表征。

(3)接收孔过长，容易导致断裂的试样薄片卡在装置中，不易从装置中移除。

(4)传统的装置采用静载荷，很难控制通过冲杆传递的力的大小。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述不足提供一种新型小冲杆试验装置及其试验方法。

一种新型小冲杆试验装置，包括试样支撑台4、夹盘2、设有实心管的上U型架10、设有空心管的下U型架11、设有半球形冲头的冲杆7、水平夹块12、载荷传感器6以及悬臂梁15、所述夹盘2与试样支撑台4相连接，所述夹盘2上方设有上螺母1，所述夹盘2中设有热电偶14，所述下U型架11与试样支撑台4相连，所述下U型架11底部设有两个线性可变差动变压器13，所述上U型架10与冲杆7相连，所述上U型架10的实心管插入下U型架11的空心管内，所述下U型架11的空心管下半部分开设有槽孔，所述水平夹块12的一端位于下U型架11的槽孔外侧且与上U型架10的实心管相连，所述水平夹块12另的一端位于线性可变差动变压器13上方，所述冲杆7的半球形冲头位于夹盘2上方，所述试样支撑台4的底部设有底座5，所述载荷传感器6通过圆柱杆9安装在冲杆7上，所述载荷传感器6的外侧安装在悬臂梁15上。

进一步，所述试样支撑台4上设有用于放置试样薄片17的样品座18。

进一步，所述上螺母1的中心与试样薄片17中心对齐，所述上螺母1内螺纹与试样支撑台4的外螺纹相吻合。

进一步，所述夹盘2通过两个销3试样支撑台4的上方与上螺母1之间。

进一步，所述冲杆7的半球形冲头中心与试样薄片17的中心之间设有衬套8。

进一步，所述上螺母1的中心与试样薄片17的中心对齐。

进一步，所述夹盘2上设有两个与销3配合的销孔、一个与热电偶14配合的热电偶孔以及一个与半球形冲头配合的冲头孔。

进一步，所述圆柱杆9上下两端都有外螺纹。

一种根据所述的新型小冲杆试验装置的试验方法，包括以下步骤：

将试样薄片17置于试样支撑台4的样品座18中，通过两个销3将夹盘2与试样支撑台4相连接；

将上螺母1中心与试样薄片中心17对齐，将热电偶14置于夹盘2中，尽可能的靠近试样薄片17表面，用来监测试验过程中试样表面的温度变化；

在试验过程中上U型架10移动，水平夹块12与线性可变差动变压器13的探头相接触，测量冲杆位移；

利用衬套8使冲头中心与试样中心对齐，对齐后将衬套8从装置中移除；

利用熔炉16将小冲杆装置和试样薄片加热到一定温度，模拟实际工况；

试验过程中，载荷通过载荷传感器6施加并通过半球形冲头7传递给试样薄片17；

若进行蠕变试验，控制载荷大小不变，利用线性可变差动变压器13来测量冲杆的位移数据；

若进行拉伸试验，通过悬臂梁15控制冲杆的位移率恒定不变，利用载荷传感器6来测量载荷的大小；

最后根据这些数据分析得出材料各种性能参数。

本发明的优点是：

1.大幅缩短冲杆长度，且利用衬套可以防止出现倾斜而导致其中心与试样中心没有对齐的情况，提高试验数据的精准性。

2.利用上螺母、夹盘和销固定试样薄片，避免出现夹盘在试样薄片表面相对滑动的情况，使材料性能的测定更加准确。

3.接收孔长度合适，在试验结束后易将断裂的试样薄片从装置中移除。

4.整套装置结构紧凑，占地面积小，生产工艺简单，标准生产化程度高、安装拆卸简单灵活。

5.装置所用材料有较高的抗拉强度和抗蠕变性能、良好的抗氧化性和耐腐蚀性能，设备的使用寿命长，运行和维护成本低。

6.传统装置的试验温度较低，而该装置可以在高温下≤1000摄氏度测试材料随温度变化的力学性能。

附图说明

图1为小冲杆试验装置原理图

图2a为夹持装置组件组装示意图

图2b为夹持装置三维剖视图

图3a为上螺母示意图

图3b为夹盘示意图

图3c为销示意图

图3d为试样支撑台示意图

图4a为载荷传感器示意图

图4b为半球形冲杆示意图

图4c为衬套示意图

图4d为圆柱杆示意图

图4e为加载系统组件组装示意图

图5a为U型架组装示意图

图5b为上U型架示意图

图5c为下U型架示意图

图6为位移测量系统结构示意图

图7为热电偶结构示意图

图8为悬臂梁示意图

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步说明本发明。

实施例：在图1中，夹持装置1-5及加载系统6-9、U型架10-11、水平夹块12、线性可变差动变压器13、热电偶14、悬臂梁15、熔炉16分别连接运行。实际运行时，将试样薄片17置于试样支撑台4的样品座18中，通过两个销3将夹盘2与试样支撑台4相连接。上螺母1位于夹盘2上方，其中心与试样薄片中心对齐，其内螺纹和试样支撑台4的外螺纹相吻合。热电偶14置于夹盘2的中，尽可能的靠近试样薄片表面，用来监测试验过程中试样表面的温度变化。下U型架11与试样支撑台4相连，上U型架10与冲杆7相连。将上U型架10的实心管插入下U型架11的空心管中，并将空心管下半部分开槽，从而使水平夹块12和实心管相连，在试验过程中与U型架一起移动。水平夹块12与线性可变差动变压器13的探头相接触，达到测量冲杆位移的目的。试验开始前，利用衬套8使冲头中心与试样中心对齐，对齐后将衬套8从装置中移除。利用熔炉16将小冲杆装置和试样薄片加热到一定温度，模拟实际工况。试验过程中，载荷通过载荷传感器6施加并通过半球形冲头传递给试样薄片17。若进行蠕变试验，控制载荷大小不变，利用线性可变差动变压器13来测量冲杆的位移数据。若进行拉伸试验，通过悬臂梁15控制冲杆的位移率恒定不变，利用载荷传感器6来测量载荷的大小。最后根据这些数据分析得出材料各种性能参数。

图2a-b对夹持装置的构成以及组装方式进行了详细描述。夹持装置由上螺母1、夹盘2、销3、试样支撑台4和底座5组成。两个销3将夹盘2紧密固定在试样支撑台4的上方与上螺母1之间。而试样薄片则紧紧卡在夹盘2与试样支撑台4的样品座之间。试样支撑台4的上半部分和上螺母1的内部均含有螺纹以便紧密连接。底座5用于支撑整套小冲杆试验装置。

图3a-d显示了夹持装置的各个部分的结构。上螺母1的中心与试样薄片中心对齐。夹盘中分别留有两个销3、一个热电偶14和一个半球形冲头7的位置。销3的作用是防止夹盘2旋转，避免夹盘2在上螺母1装配的过程中造成夹盘与试样薄片表面的相对滑动。试样支撑台4的样品座18用于支撑试样薄片17。

图4a-e详细阐述了加载系统的各组成部分结构，它包括载荷传感器6、半球形冲杆7、衬套8、圆柱杆9。载荷传感器6位于半球形冲杆7上方，连接电子设备记录载荷数据。衬套8在试验开始前位于夹盘2中央，其作用是使半球形冲杆7的中心与试样薄片中心对齐。圆柱杆9上下两端都有外螺纹，上端与载荷传感器6相连接，下端与冲杆7相连接。

图5a-c详细阐述了U型架的连接方式和组成部分，它包括上U型架10和下U型架11。与冲杆相连的上U型架10用实心管，与试样支撑台相连的下U型架11用空心管。将实心管插入空心管中，并将空心管下半部分开槽，从而使水平夹块12和实心管相连，达到水平夹块12测量冲杆位移的目的。

图6显示了线性可变差动变压器13的位移测量系统。本装置中左右各有一个线性可变差动变压器13。在试验开始前，水平夹块12的一端与U型架11相连，另一端与线性可变差动变压器8的探头相接触。水平夹块12的水平方向有一个螺纹孔，通过拧紧螺栓来夹紧U型架10的实心管，从而达到U型架10的位移带动水平夹块12的位移的目的。试验开始后，U型架10和水平夹块12随着冲杆7的移动而移动，从而测量出冲杆7位移数据。

图7显示了热电偶14的结构，它由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成。热电偶14的热电极尽可能的靠近试样薄片表面，用来监测试验过程中试样表面的温度变化。

图8显示了悬臂梁15的结构，它与载荷传感器6相连接，用于控制冲杆速度。

本发明提供一种大幅缩短冲杆长度且利用螺母和夹盘来固定圆片试样的小冲杆试验装置。该装置具有结构简单、紧凑、高精准性、安装拆卸灵活、高承压性能、使用寿命长以及低成本等特点。相比于传统装置，该装置能消除冲杆过长导致其倾斜的弊端，采用载荷传感器使载荷数据更精确，且固定试样薄片的方式更简单有效。该技术大幅拓宽了测试材料实际力学性能指标的有效途径，不仅准确度高，而且无需对被取样设备进行取后修补。

本发明将试样薄片放置在试样支撑台的样品座中，利用螺母和夹盘固定它的位置。测试前利用衬套使冲头中心与试样中心对齐。载荷传感器与冲杆相连，载荷通过冲杆对试样进行加载，试样的弯曲变形随时间逐步加大，直至试样断裂。通过控制载荷传感器，以恒定载荷进行蠕变试验，通过悬臂梁以恒定冲压速率进行拉伸试验，利用线性可变差动变压器来记录冲杆的位移数据以表证试样的变形，通过热电偶来监测试验环境温度。

本发明夹持装置是用于固定试样薄片的装置，主要包括上螺母、夹盘、销和试样支撑台，均由高温合金比如镍铬合金制成，有较高的抗拉强度和抗蠕变性能以及良好的抗氧化和耐腐蚀性能。上螺母位于夹盘上方，其中心与试样薄片中心对齐，通过两个销与夹盘相连接。螺母内表面应光滑整洁，无氧化层堆积，腐蚀物等污垢，应能与夹盘平整接触并能使试样表面夹紧力均匀。夹盘位于上螺母和试样薄片之间，通过两个销与试样支撑台相连接，起到固定试样薄片的作用。销的作用是防止上螺母夹紧试样薄片时夹盘旋转，避免夹盘在试样薄片表面相对滑动，从而避免在试样薄片表面产生剪切力。试样支撑台的样品座用于支撑试样薄片，接收孔用于接收断裂的试样薄片。底座用于支撑整套小冲杆试验装置。加载系统主要包括载荷传感器、半球形冲杆、衬套、线性可变差动变压器、圆柱杆。该装置采用5KN的载荷传感器，精度高，安装方便。它是用来将重量信号或压力信号转换成电压信号的转换装置。载荷传感器与悬臂梁相连，载荷传感器控制载荷大小，悬臂梁控制冲压速度。半球形冲杆的冲头半径为1mm,冲头中心应与试样中心相对齐。载荷通过冲头在试样表面进行加载，试样的弯曲变形随时间逐步加大，直至试样断裂。冲杆与U型架相连，冲杆的位移带动U型架的位移，通过测量U型架的位移来记录试样的变形。衬套位于上螺母正中心，它的作用是使冲头中心与试样中心对齐，对齐后衬套将从装置中移除。通过水平夹块与U型架相连，水平夹块垂直方向的位移代表冲杆的位移和试样的变形。将线性可变差变压器的探头与水平夹块相连，在该装置中可以用来测定位移数据。通过换算，将输出的电压转换成位移数据。圆柱杆上下两端都有外螺纹，上端与载荷传感器相连接，下端与冲杆相连接。热电偶是通过上螺母和夹盘的小孔来测量试样薄片的温度。这种通孔的设计可以尽可能的检测试样的表面温度。本装置中含有两个U型架，一个与冲杆相连接，一个与试样支撑台相连接，连接的位置均在刀口处。水平夹块垂直方向有孔，下U型架的空心管从中穿过。水平方向含有一个螺纹孔和一个螺栓，拧紧螺栓夹住上U型架的实心杆，从而达到U型架的运动带动水平夹块的目的，便于线性可变差动变压器的测量。悬臂梁用于控制冲杆速度和连接载荷传感器。熔炉的作用是将试样薄片加热到一定温度，模拟实际工况。

Claims (9)

1.一种新型小冲杆试验装置，包括试样支撑台(4)、夹盘(2)、设有实心管的上U型架(10)、设有空心管的下U型架(11)、设有半球形冲头的冲杆(7)、水平夹块(12)、载荷传感器(6)以及悬臂梁(15)、其特征在于：所述夹盘(2)与试样支撑台(4)相连接，所述夹盘(2)上方设有上螺母(1)，所述夹盘(2)中设有热电偶(14)，所述下U型架(11)与试样支撑台(4)相连，所述下U型架(11)底部设有两个线性可变差动变压器(13)，所述上U型架(10)与冲杆(7)相连，所述上U型架(10)的实心管插入下U型架(11)的空心管内，所述下U型架(11)的空心管下半部分开设有槽孔，所述水平夹块(12)的一端位于下U型架(11)的槽孔外侧且与上U型架(10)的实心管相连，所述水平夹块(12)另的一端位于线性可变差动变压器(13)上方，所述冲杆(7)的半球形冲头位于夹盘(2)上方，所述试样支撑台(4)的底部设有底座(5)，所述载荷传感器(6)通过圆柱杆(9)安装在冲杆(7)上，所述载荷传感器(6)的外侧安装在悬臂梁(15)上。

2.根据权利要求1所述的新型小冲杆试验装置，其特征在于：所述试样支撑台(4)上设有用于放置试样薄片(17)的样品座(18)。

3.根据权利要求2所述的新型小冲杆试验装置，其特征在于：所述上螺母(1)的中心与试样薄片(17)中心对齐，所述上螺母(1)内螺纹与试样支撑台(4)的外螺纹相吻合。

4.根据权利要求3所述的新型小冲杆试验装置，其特征在于：所述夹盘(2)通过两个销(3)安装在试样支撑台(4)的上方与上螺母(1)之间。

5.根据权利要求4所述的新型小冲杆试验装置，其特征在于：所述所述冲杆(7)的半球形冲头中心与试样薄片(17)的中心之间设有衬套(8)。

6.根据权利要求5所述的新型小冲杆试验装置，其特征在于：所述上螺母(1)的中心与试样薄片(17)的中心对齐。

7.根据权利要求6所述的新型小冲杆试验装置，其特征在于：所述夹盘(2)上设有两个与销(3)配合的销孔、一个与热电偶(14)配合的热电偶孔以及一个与半球形冲头配合的冲头孔。

8.根据权利要求6所述的新型小冲杆试验装置，其特征在于：所述圆柱杆(9)上下两端都有外螺纹。

9.一种根据权利要求1-8中任意一项所述的新型小冲杆试验装置的试验方法，其特征在于包括以下步骤：

将试样薄片(17)置于试样支撑台(4)的样品座(18)中，通过两个销(3)将夹盘(2)与试样支撑台(4)相连接；

将上螺母(1)中心与试样薄片中心(17)对齐，将热电偶(14)置于夹盘(2)中，尽可能的靠近试样薄片(17)表面，用来监测试验过程中试样表面的温度变化；

在试验过程中上U型架(10)移动，水平夹块(12)与线性可变差动变压器(13)的探头相接触，测量冲杆位移；

利用衬套(8)使冲头中心与试样中心对齐，对齐后将衬套(8)从装置中移除；

利用熔炉(16)将小冲杆装置和试样薄片加热到一定温度，模拟实际工况；

试验过程中，载荷通过载荷传感器(6)施加并通过半球形冲头(7)传递给试样薄片(17)；

若进行蠕变试验，控制载荷大小不变，利用线性可变差动变压器(13)来测量冲杆的位移数据；

若进行拉伸试验，通过悬臂梁(15)控制冲杆的位移率恒定不变，利用载荷传感器(6)来测量载荷的大小；

最后根据这些数据分析得出材料各种性能参数。