CN109030196A - 一种金属材料单轴抗蠕变试验试样、夹具及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属材料力学性能试验技术领域，更具体地说，它涉及一种金属材料单轴抗蠕变试验试样、夹具及方法。其技术方案要点是：包括测试部和与测试部两端一体成型的夹持部，测试部和夹持部连接处环绕有凸台，测试部、夹持部、凸台的中心轴线重合，且横截面的直径依次增大；夹持部上设有与试验夹具螺纹连接的螺纹。夹具固定住夹持部，需要测试试样的抗拉蠕变时，由于螺纹连接固定更好夹持，而且测试过程中也不容易滑动，测试结果更准；需要测试试样的抗压蠕变时，螺纹连接也可以起到很好的固定作用，凸台的卡接，夹持卡接更稳定，凸台还有一定的对心作用，测试结果也更准确；实现了同一台仪器上先后测定抗压蠕变和抗拉蠕变，测试效率高。

Description

一种金属材料单轴抗蠕变试验试样、夹具及方法

技术领域

本发明涉及金属材料力学性能试验技术领域，更具体地说，它涉及一种金属材料单轴抗蠕变试验试样、夹具及方法。

背景技术

抗蠕变是材料在规定的蠕变条件(在一定的温度下及一定的时间内，达到一定的蠕变变形或蠕变速度)下保持不失效的能力，在测量中以失效应力表示。在一定温度下，金属受持续应力的作用而产生缓慢的塑性变形的现象称为金属的蠕变。随着工作温度的提高，材料蠕变现象越来越明显，对材料蠕变强度的要求越来越高。不同的工作温度需选用具有不同蠕变性能的材料，因此准确测定金属抗蠕变能力就成为寻找温金属材料使用价值的重要因素。

抗蠕变分为抗压蠕变与抗拉蠕变，目前对金属材料单轴抗蠕变强度测试的方法中，对抗压蠕变与抗拉蠕变没有形成统一的试验方法。

中国发明专利发明专利CN1258674C公开了镁合金试棒简易拉伸蠕变试验方法，方法是在一个工字形支架上同时同定多个拉伸蠕变试棒进行试验，以弹簧作为加力系统，对各个试棒施以相同的轴向拉力，并加热、保温，获得在规定时间内试棒的最终蠕变伸长量。通过获得大量的试棒最终蠕变伸长量而不是完整的蠕变曲线来定性地判断材料的抗蠕变性能。虽然可以初步获得镁合金的抗拉蠕变性能，但是不够全面，无法测试抗压蠕变和而且准确度和精确度也有待提高。

如图1所示，为市场上常用的抗蠕变拉伸试样，包括测试段02和一体成型于测试段02两端的圆柱形夹持段01，夹持测试的稳固性有待提高。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的一在于提供一种金属材料单轴抗蠕变试验试样，通过改变试样的结构，能够实现在同一台仪器上先后测定抗压蠕变和抗拉蠕变，测试方法简单。

本发明的上述技术目的一是通过以下技术方案得以实现的：一种金属材料单轴抗蠕变试验试样，包括测试部和与测试部两端一体成型的夹持部，测试部和夹持部连接处环绕有凸台，测试部、夹持部、凸台的中心轴线重合，且横截面的直径依次增大；夹持部上设有与试验夹具螺纹连接的螺纹。

通过采用上述技术方案，夹具固定住夹持部，需要测试试样的抗拉蠕变时，由于螺纹连接固定更好夹持，而且测试过程中也不容易滑动，测试结果更准；需要测试试样的抗压蠕变时，螺纹连接也可以起到很好的固定作用，再加上凸台的卡接，夹持卡接更稳定，而且凸台还有一定的对心作用，能够更好的测定，测试结果也更准确；通过螺纹连接、凸台的设置能够实现在同一台仪器上先后测定抗压蠕变和抗拉蠕变，测试方法简单，测试效率高，准确度也比较高。

较佳的，夹持部连接凸台处开设有凹槽，所述凹槽与夹具中的凸环相互卡接。

通过采用上述技术方案，凹槽与夹具中的凸环相互卡接，进一步限位，测试过程中更稳定，测试结果也更精确。

较佳的，测试部的截面直径为4.5-5 mm，凸台的截面直径是测试部截面直径的2-2.5倍。

通过采用上述技术方案，将测试发现，凸台和测试部截面直径的设置及比例，方便卡接和对心，制样也更方便。

本发明的目的二在于提供一种金属材料单轴抗蠕变试验夹具，与试验配合使用，能够实现在同一台仪器上先后测定抗压蠕变和抗拉蠕变，测试方法简单。

一种金属材料单轴抗蠕变试验夹具，包括用于夹持上述方案中所述的金属材料单轴抗蠕变试验试样中夹持部的夹持孔，夹持孔内开设有与夹持部螺纹配合的螺纹，用于插接凸台的插接孔；夹具上还开设有与插接孔同轴心的导正孔用于与试验机安装对心。

通过采用上述技术方案，夹具和试样配套使用，匹配性更高，测试的数据也更加精准。

较佳的，夹具包括与夹持部螺纹连接的中间套件和套设在中间套件外的加固套；所述加固套由对称设置的两部分拼接将中间套件套住，加固套靠近试样中心的端部开口直径大于测试部截面直径且小于凸台的截面直径；加固套外还螺纹连接套设有稳固套；稳固套的最小内径大于凸台的截面直径。

通过采用上述技术方案，加固套的靠近试样中心的端部内表面与凸台抵触，在做抗拉蠕变试验时，对试样有更好的承接作用，夹持更加稳固，试验应力更稳定，测试结果也更加准确，而且增大了接触面积，分散了中间套件螺纹的受力，有利于延长夹具的使用寿命；加固套由两部分拼接而成，更方便试样的夹持，稳固套将加固套两部分固定住，实现抗拉蠕变实验时对试样的夹持。

本发明的目的三在于提供一种金属材料单轴抗蠕变试验方法，先后测定抗压蠕变和抗拉蠕变，测试方法简单，测试效果也更加准确。

一种金属材料单轴抗蠕变试验方法，包括抗压蠕变试验和抗拉蠕变试验；

抗压蠕变包括以下步骤：

S1 将上述方案中所述的金属材料单轴抗蠕变试验试样竖直安装于蠕变持久试验机的上下两个上述方案中所述的金属材料单轴抗蠕变试验夹具间，调整试样使其纵轴线与压板纵轴线重合；

S2 将试样加热至规定的试验温度；

S3 在试样的轴向上施加试验力；

S4当试验力对应的载荷全部施加在试样上时作为蠕变试验开始并记录蠕变变形，进行抗压蠕变试验，并记录数据；

抗拉蠕变的步骤与抗压蠕变的步骤相同，但是试验应力与抗压蠕变试验的试验应力相反；

根据上述蠕变变形数据评估试样的抗蠕变性能。

通过采用上述技术方案，先后测定抗压蠕变和抗拉蠕变，测试方法简单，测试效果也更加准确。

较佳的，根据蠕变变形数据绘制蠕变曲线，在绘制蠕变曲线时，试验开始后前20h，以20min的时间间隔取蠕变数据，20h以后以[60^{(2.73+0.03xn)}]s(其中n=0，1，2，3_…)的时间间隔取蠕变数据，并将时间点修约至0.5h。

通过采用上述技术方案，试验发现，根据上述公式选取点做出的蠕变曲线偏差小，最后得到的结果更准确。

较佳的，S3试验过程中保持载荷恒定，温度波动为-3℃到3℃之间。

通过采用上述技术方案，载荷恒定，温度波动小，测试数据才更加准确。

较佳的，S3前试样在试验力施加前保温1h-24h。

通过采用上述技术方案，便于使试样、夹持装置和引伸计都达到热平衡，测试结果更加准确。

较佳的，S2中在升温过程中施加一定的初载荷来保持试样加载链的同轴。

通过采用上述技术方案，试样加载链的同轴也利于试样的同轴，测试结果更加准确。

较佳的，S2中抗压蠕变试验温度大于或等于100℃；S3中试验压应力小于或等于试样的屈服强度，且压应力大于等于屈服强度的70%。

通过采用上述技术方案，金属材料在高温下使用蠕变现象更明显，一般日常生活中金属材料的使用温度不会超过100度，用比较苛刻的条件测出的数据更能了解金属材料的蠕变性能；日常生活中金属材料承受的压力不会超过金属材料的屈服强度，试验压应力大小设置既不会破坏试样，也可以更好的测试试样的抗蠕变性能。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

其一，夹具固定住夹持部，需要测试试样的抗拉蠕变时，由于螺纹连接固定更好夹持，而且测试过程中也不容易滑动，测试结果更准；需要测试试样的抗压蠕变时，螺纹连接也可以起到很好的固定作用，再加上凸台的卡接，夹持卡接更稳定，而且凸台还有一定的对心作用，能够更好的测定，测试结果也更准确；通过螺纹连接、凸台的设置能够实现在同一台仪器上先后测定抗压蠕变和抗拉蠕变，测试方法简单，测试效率高，准确度也比较高。

其二，夹具和试样配套使用，匹配性更高，测试的数据也更加精准。

其三，先后测定抗压蠕变和抗拉蠕变，测试方法简单，测试效果也更加准确。根据公式选取蠕变曲线的点，更简单、科学，也利于推广。

附图说明

图1为现有技术中试样的整体结构示意图；

图2为本发明中试样的整体结构示意图；

图3为本发明中试样和夹具的配合结构示意图；

图4为本发明中夹具的部分结构示意图；

图5为本发明测试过程中应力变化曲线图；

图6为本发明中高强抗压蠕变合金进行抗压蠕变测试的曲线图；

图7为本发明中Cu进行抗压蠕变测试的曲线图；

图8为应用对比例1的抗拉蠕变测试曲线图。

图中：01、夹持段；02、测试段；

1、夹持部；11、凹槽；2、测试部；21、弧形；3、凸台；4、夹具；41、导正孔；42、夹持孔；43、插接孔；44、凸环；45、加固套；46、端部开口；47、稳固套。

具体实施方式

下面结合附图2-4和实施例，对本发明进行详细描述。

实施例1

一种金属材料单轴抗蠕变试验试样，如图2所示，包括测试部2和与测试部2两端一体成型的夹持部1，测试部2和夹持部1连接处环绕有凸台3，测试部2、夹持部1、凸台3的中心轴线重合，且横截面的直径依次增大；夹持部1上设有与试验夹具4螺纹连接的螺纹；夹持部1连接凸台3处开设有凹槽11，凹槽11与夹具4中的凸环44（参见图3）相互卡接。测试部2的截面直径为4.5-5mm，凸台3的截面直径是测试部2截面直径的2-2.5倍。凹槽11的凹弧半径为0.6-0.7mm，测试部2和凸台3连接处呈弧形21过渡，弧形21的半径为凹槽11的凹弧半径的5-6倍。凹槽11沿试样中轴线方向延伸的距离为1-1.3mm，凸台3沿试样中轴线方向延伸的距离为2-2.5mm。测试部2沿试样中轴线方向延伸的距离为28-30mm。

实施例2

一种金属材料单轴抗蠕变试验夹具4，包括用于夹持实施例1中金属材料单轴抗蠕变试验试样中夹持部1的夹持孔42，夹持孔42内开设有与夹持部1螺纹配合的螺纹，用于插接凸台3的插接孔43；夹持孔42和插接孔43连接处设有卡入凹槽11内的凸环44；夹具4上还开设有与插接孔43同轴心的导正孔41用于与试验机安装对心。

实施例1中的试样和实施例2中的夹具4配合使用，匹配性更高，测试的数据也更加精准。

夹具4固定住夹持部1，需要测试试样的抗拉蠕变时，由于螺纹连接固定更好夹持，而且测试过程中也不容易滑动，测试结果更准；需要测试试样的抗压蠕变时，螺纹连接也可以起到很好的固定作用，再加上凸台3的卡接，夹持卡接更稳定，而且凸台3还有一定的对心作用，能够更好的测定，测试结果也更准确；通过螺纹连接、凸台3的设置能够实现在同一台仪器上先后测定抗压蠕变和抗拉蠕变，测试方法简单，测试效率高，准确度也比较高。

如图3和图4所示，夹具4包括与夹持部1螺纹连接的中间套件44和套设在中间套件44外的加固套45；加固套45由对称设置的两部分拼接将中间套件44套住，加固套45靠近试样中心的端部开口46直径大于测试部2截面直径且小于凸台3的截面直径；加固套45外还螺纹连接套设有稳固套47，稳固套47的最小内径大于凸台3的截面直径。

因此在安装完夹具4后加固套45的靠近试样中心的端部内表面与凸台3抵触，在做抗拉蠕变试验时，对试样有更好的承接作用，夹持更加稳固，试验应力更稳定，测试结果也更加准确，而且增大了接触面积，分散了中间套件螺纹的受力，有利于延长夹具4的使用寿命；加固套45由两部分拼接而成，更方便试样的夹持，稳固套47将加固套45两部分固定住，实现抗拉蠕变实验时对试样的夹持。

实施例3

一种金属材料单轴抗蠕变试验方法，包括抗压蠕变试验和抗拉蠕变试验；

抗压蠕变包括以下步骤：

S1 将实施例1中金属材料单轴抗蠕变试验试样竖直安装于蠕变持久试验机的上下两个实施例2中金属材料单轴抗蠕变试验夹具间，调整试样使其纵轴线与压板纵轴线重合；

S2 将试样加热至规定的试验温度；

S3 在试样的轴向上施加试验力；

S4当试验力对应的载荷全部施加在试样上时作为蠕变试验开始并记录蠕变变形，进行抗压蠕变试验，并记录数据。

抗拉蠕变的步骤与抗压蠕变的步骤相同，但是试验应力与抗压蠕变试验的试验应力相反。根据上述蠕变变形数据绘评估试样的抗蠕变性能。

根据蠕变变形数据绘制蠕变曲线，在绘制蠕变曲线时，试验开始后前20h，以20min的时间间隔取蠕变数据，20h以后以[60^{(2.73+0.03xn)}]s(其中n=0，1，2，3_…)的时间间隔取蠕变数据，并将时间点修约至0.5h。

S3试验过程中保持载荷恒定，温度波动为-3℃到3℃之间，测试条件稳定，测试结果更稳定。

S3前试样在试验力施加前保温1h-24h，便于使试样、夹持装置和引伸计都达到热平衡，测试结果更加准确。

S2中在升温过程中施加一定的初载荷来保持试样加载链的同轴。

S2中抗压蠕变试验温度大于或等于100℃；S3中试验压应力小于或等于试样的屈服强度，且压应力大于等于屈服强度的70%。

具体操作步骤如下

1.试样制备

抗蠕变试样应在具有相同化学成分和状态的产品上取样；抗蠕变试样结构需同时满足抗压蠕变试验及抗拉蠕变试验的需求，根据产品尺寸选择制备试样。试样在加工过程中不应因发热或加工硬化而改变材料的性能。

2.试验设备及仪器

2.1试验机应能提供施加轴向试验力并使试样上产生的弯矩和扭矩最小。试验前应对试验机进行外观检查以确保试验机的加力杆、夹具、万向节和连接装置都处于良好状态。试验机应远离外界的震动和冲击。试验机至少应符合GB/T16825.2-2005中1级试验机的要求。试验力应均匀平稳无震动的施加在试样上。试验力的加载同轴度应不超过10%。

2.2蠕变变形测量仪的分辨力应不大于0.001mm，误差应不大于总蠕变变形的±1.0%。

2.3采用加热装置加热试样至试验规定温度，规定温度和显示温度之间的允许偏差应不大于±3℃，试样长度方向上允许的最大温度偏差为3℃。温度显示装置的分辨力至少应为0.5℃，测温装置的准确度应等于或优于1℃.热点偶在校准周期内的温度漂移不宜超过±1℃.

2.4试验机上、下压板的工作表面应平行，且安装试样区100mm范围内的平行度不低于1:0.0002mm/mm。试验过程中，上、下压板间不应有侧向的相对位移和转动。压板及试样夹具的硬度应不低于55HRC。

3.试验方法

3.1抗压蠕变

3.1.1抗压蠕变试验温度宜选择120℃；试验压应力应不大于试样的屈服强度，压应力宜不小于屈服强度的70%。

3.1.2将试样竖直安装于蠕变持久试验机的上下压板夹具间。试样安装时，调整试样使其纵轴线与压板纵轴线重合。关闭环境箱，将试样加热至规定的试验温度。为使试样、夹持装置和引伸计都达到热平衡，试样应在试验力施加前至少保温1h，但不得超过24h。对于安装引伸计进行试验时，可以在升温过程中施加一定的初载荷（小于试验力的10%）来保持试样加载链的同轴（如在t=0之前）。

3.1.3试验力应以产生最小的弯矩和扭矩的方式在试样的轴向上施加。试验力至少应准确到±1%。试验力的施加过程应无振动并尽可能地快速。当试验力对应的载荷全部施加在试样上时作为蠕变试验开始（t=0）并记录蠕变变形。进行100h的抗压蠕变试验。试验过程中应保持载荷恒定，温度波动应不大于±3℃.

3.2抗拉蠕变

采取与抗压蠕变同样的试验方法，但试验应力与抗压蠕变试验的试验应力相反。

4.数据记录

整个试验过程中应连续记录或记录足够多的蠕变变形数据来绘制“蠕变应变—时间”曲线。在蠕变应变与时间的双对数坐标轴上，采集的数据会接近于一条直线，为使数据采集点沿着拟合线均距分布，在绘制蠕变曲线时，试验开始后前20h，宜以20min的时间间隔取蠕变数据，20h以后宜以[60^{(2.73+0.03xn)}]s(其中n=0，1，2，3…)的时间间隔取蠕变数据，并将时间点修约至0.5h，即为20h、22.5h、25.5h、28.5h、32.5h、36.5h、41.5h、47.0h、53.0h、60.0h、68h、76.5h、86.5h、98h、100h。

5.数据处理

5.1根据所取的原始蠕变数据，计算各时间点试样的蠕变应变，对应时间点绘制“蠕变应变-时间”的蠕变曲线。

5.2出现下列情况之一时，试验结果无效，应重做试样在相同条件下试验；

a)试样未达到试验目的时，发生明显的塑性变形；

b)试样未达到试验目的时，端部局部压坏或拉坏；

c)试验过程中操作不当；

d)试验过程中试验仪器设备发生故障，影响了试验结果。

6.试验报告

试验报告一般包括下列内容：

a)本标准编号；

b)材料和试样标识；

c)试样形状、规格、尺寸；

d)试验条件，包括温度、压应力、拉应力、时间等；

e)试验结果；

f)蠕变曲线。

应用例1

使用实施1的试样、实施例2中的夹具和实施例3的测试步骤测试金属的抗拉蠕变曲线及抗压蠕变曲线，并对多组测试数据取平均值，得到曲线图5。从图5中可以看出，在测试过程中，试验应力几乎没有变化，中间部分的台阶为金属材料由弹性变形转变为塑性变形。

本发明对高强抗压蠕变合金进行了抗压蠕变测试，测试结果如图6所示，测试条件为120℃，试验压力为57.0MPa，从图6中可知，开始给试样添加57.0MPa的压力，高强抗压蠕变合金的瞬间抗压蠕变率为1.1，保持恒温恒载的条件下，高强抗压蠕变合金发生回弹，抗压蠕变量降低到0.7左右，且后面的100h内均保持稳定，说明恒温恒载的条件还是保持的比较好的。

本发明还测试了Cu的抗压蠕变性能，测试结果如图7所示，测试条件为120℃，试验压力为201.8MPa，从图7中可知，开始给试样添加201.8MPa的压力，高强抗压蠕变合金的瞬间抗压蠕变率为1.5，保持恒温恒载的条件下，Cu发生回弹，抗蠕变量下降到1.15，并继续下降到1.05，10h左右，抗压蠕变率又上升到1.3，最后在30h以后趋于平衡，抗压蠕变率保持在1.2左右。

上述测试方式均根据公式20h以后宜以[60^{(2.73+0.03xn)}]s(其中n=0，1，2，3…)的时间间隔取蠕变数据，并将时间点修约至0.5h来取值，得到的曲线吻合性高，数据集中性更好。

通过本发明试样的改进、夹具的创新以及测试方法的精进，得到金属材料的抗压蠕变曲线，填补了这个领域的空白。

应用对比例1

黄硕等人2008年在《航空材料学报》上发表《铝合金蠕变试验及本构模型建立》，测试了145℃，155℃，165℃温度下应力为200MPa-300MPa下20h内材料的蠕变性能，并进行了恒温横载蠕变试验。每个应力水平两个以上试验，取集中性较好的几组数据点拟合出一条曲线，曲线上的点作为这个温度应力下的试验数据点，得到图8。

采用本发明中的试样、夹具和应用对比例1的测试方法测试7B04铝合金，测试结果发现，数据集中性更好，拟合出的曲线与图8的数据吻合性很高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种金属材料单轴抗蠕变试验试样，其特征是，包括测试部(2)和与测试部(2)两端一体成型的夹持部(1)，测试部(2)和夹持部(1)连接处环绕有凸台(3)，测试部(2)、夹持部(1)、凸台(3)的中心轴线重合，且横截面的直径依次增大；夹持部(1)上设有与试验夹具(4)螺纹连接的螺纹。

2.根据权利要求1所述的一种金属材料单轴抗蠕变试验试样，其特征是，测试部(2)的截面直径为4.5-5mm，凸台(3)的截面直径是测试部(2)截面直径的2-2.5倍。

3.一种金属材料单轴抗蠕变试验夹具，其特征是，包括用于夹持权利要求1或2所述的金属材料单轴抗蠕变试验试样中夹持部(1)的夹持孔(42)，夹持孔(42)内开设有与夹持部(1)螺纹配合的螺纹，用于插接凸台(3)的插接孔(43)；夹具(4)上还开设有与插接孔(43)同轴心的导正孔(41)用于与试验机安装对心。

4.根据权利要求3所述的一种金属材料单轴抗蠕变试验试样，其特征是，夹具(4)包括与夹持部(1)螺纹连接的中间套件(44)和套设在中间套件(44)外的加固套(45)；所述加固套(45)由对称设置的两部分拼接将中间套件(44)套住，加固套(45)靠近试样中心的端部开口(46)直径大于测试部(2)截面直径且小于凸台(3)的截面直径；加固套(45)外还螺纹连接套设有稳固套(47)，稳固套(47)的最小内径大于凸台(3)的截面直径。

5.一种金属材料单轴抗蠕变试验方法，其特征是，包括抗压蠕变试验和抗拉蠕变试验；

抗压蠕变包括以下步骤：

S1将权利要求1-3任意一项所述的金属材料单轴抗蠕变试验试样竖直安装于蠕变持久试验机的上下两个权利要求4所述的金属材料单轴抗蠕变试验夹具(4)间，调整试样使其纵轴线与压板纵轴线重合；

S2将试样加热至规定的试验温度；

S3在试样的轴向上施加试验力；

S4当试验力对应的载荷全部施加在试样上时作为蠕变试验开始并记录蠕变变形，进行抗压蠕变试验，并记录数据；

抗拉蠕变的步骤与抗压蠕变的步骤相同，但是试验应力与抗压蠕变试验的试验应力相反；

根据上述蠕变变形数据绘评估试样的抗蠕变性能。

6.根据权利要求5所述的一种金属材料单轴抗蠕变试验方法，其特征是，根据蠕变变形数据绘制蠕变曲线，在绘制蠕变曲线时，试验开始后前20h，以20min的时间间隔取蠕变数据，20h以后以[60^{(2.73+0.03xn)}]s(其中n＝0，1，2，3…)的时间间隔取蠕变数据，并将时间点修约至0.5h。

7.根据权利要求5所述的一种金属材料单轴抗蠕变试验方法，其特征是，S3试验过程中保持载荷恒定，温度波动为-3℃到3℃之间。

8.根据权利要求5所述的一种金属材料单轴抗蠕变试验方法，其特征是，S3前试样在试验力施加前保温1h-24h。

9.根据权利要求5所述的一种金属材料单轴抗蠕变试验方法，其特征是，S2中在升温过程中施加一定的初载荷来保持试样加载链的同轴。

10.根据权利要求5所述的一种金属材料单轴抗蠕变试验方法，其特征是，S2中抗压蠕变试验温度大于或等于100℃；S3中试验压应力小于或等于试样的屈服强度，且压应力大于等于屈服强度的70％。