CN109507037A - 一种可实现精准连续加载的小冲杆蠕变试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可实现精准连续加载的小冲杆蠕变试验装置及方法，包括上夹具、下夹具、夹紧套、定位销、试样、冲头、冲杆、测量杆、载荷传感器、液压千斤顶、线性可变差动变压器、加热炉以及支架；所述测试方法包括安装试样、调试对中、施加温度、施加载荷、采集数据等步骤；本发明采用底端加载方式，通过液压千斤顶代替静载荷，能够连续稳定加载，并提高加载的准确性；通过阶梯形冲杆和测量杆，有效避免杆件可能出现的倾斜或卡死现象；通过螺纹连接代替成组螺栓紧固，极大消除装配应力影响，且通过定位销达到较好的对中性。

Description

一种可实现精准连续加载的小冲杆蠕变试验装置及方法
【技术领域】
本发明涉及小冲杆蠕变测试技术领域，具体为一种可实现精准连续加载的小冲杆蠕变试验装置及方法。
【背景技术】
能源、石化、航空航天等领域中有许多设备在高温条件下工作，这对构件的安全性提出了很高的要求，材料在高温下的破坏是威胁现代高温装置可靠运行的主要因素。长期在高温下运行的设备容易出现材质劣化和失效，其主要失效形式是蠕变。国内外学者在高温构件的材料性能评价方面提出了很多方法，大致可分为非破坏性检测(金属组织测定法、硬度测定法、超声波测定法、数值模拟法等)和破坏性检测(拉伸试验方法、冲击试验方法、材料密度法、高温蠕变试验法等)两类。非破坏性检测无损但只能探测材料的宏观缺陷和剩余壁厚等，不能得到材料的力学性能、断裂性能或蠕变性能，而破坏性取样方法虽成熟、可靠，但所需试样尺寸较大，取样会对设备造成一定的破坏和损伤。
小冲杆测试技术是一种既具有几乎“无损取样”特性、又能提供相对准确材料性能的新型试验方法。在材料蠕变性能分析方面，小冲杆蠕变测试技术能够表征全阶段传统单轴蠕变，并具有评估在役高温设备蠕变性能的潜力，此外，小冲杆蠕变测试技术可以计算直至断裂，给出试样的失效时间，从而预测试样的蠕变寿命，这将为企业和社会带来巨大的经济效益。
经过30多年的发展，小冲杆测试技术已取得了许多重要进展，但仍处于快速发展阶段，试验结果的可操作性、可重复性与高精确性也亟待进一步提高。目前的小冲杆蠕变试验装置和测试方法存在一些需要改进的问题，简述如下：
(1)采用冲杆位于试样上表面、即顶部加载的方式，并在计算时忽略冲杆、冲头的重量，这对于小冲杆蠕变试验施加载荷的精确性产生影响。
(2)采用静载荷加载(如砝码)，受限于砝码规格的局限性，施加载荷不连续，且当采取顶部加载方式时，试验装置通常较高，工作强度大。
(3)冲杆较长，加载中可能会出现倾斜或者卡死的问题，从而影响材料性能的测定精度。
(4)试样的上、下夹具一般通过四个螺钉紧固，各螺钉的拧紧程度不同会诱发装配应力，造成试样受力不均，甚至可能给试验表面施加切向力，损伤试样，影响材料性能的表征。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种同时实现夹持均匀可靠、加载稳定准确的可实现精准连续加载的小冲杆蠕变试验装置及方法
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种可实现精准连续加载的小冲杆蠕变试验装置，包括上下扣合将试样夹紧的上夹具和下夹具；试样放置在开设于下夹具上端面的沉孔中，下夹具固定安装于工作平台上；上夹具的底部设置有与下夹具的沉孔相配合的圆台；上夹具与下夹具在压紧时，圆台底面与试样的上表面留有间隙，使试样处于应力自由状态；
冲杆由下夹具中心通孔的底部伸入，上端的冲头与下夹具沉孔底部开设的锥形孔相接触；冲杆的下端连接液压千斤顶，冲杆与液压千斤顶之间安装有载荷传感器；上夹具开设有用于安放测量杆的通孔，测量杆的上端连接线性可变差动变压器；下夹具的外周设置有用于使试件处于试验温度环境的加热炉。
本发明进一步的改进在于：
上夹具和下夹具通过两个定位销连接；上夹具通过夹紧套将其与下夹具夹紧；夹紧套与下夹具通过内外螺纹连接。
夹紧套带内螺纹的部分为圆柱形，端盖为矩形，以方便扳手施加扭矩。
上夹具和下夹具的中心轴处的通孔均为阶梯通孔；上夹具的阶梯通孔的孔径为d2，下夹具的沉孔的深度为s2，且d2>d1+2t0，s2>s1+t0，其中，d1为下夹具中心小孔径，d2为上夹具中心孔径，s2为下夹具顶部沉孔深度，s1为上夹具底部圆台的厚度，t0为试样原始厚度。
工作平台为支架，支架包括自上而下依次设置的上支板、中支板以及下支板；上支板和中支板通过四根上支杆相连，中支板和下支板通过四根下支杆相连；加热炉安装于四根上支杆上；下夹具放置在中支板上，中支板上开设有螺栓孔，下夹具通过连接螺栓固定安装在中支板上；下支板开设有中心孔，液压千斤顶的下端与下支板的中心孔通过内外螺纹连接固定。
冲杆下端依次通过螺纹连接载荷传感器和液压千斤顶。
上夹具圆台底面与试样上表面之间的间隙为0.10mm。
锥形孔内部为漏斗状的倒锥形，外部为圆柱形；下夹具的中心通孔与锥形孔同轴，锥形孔底端尺寸与冲杆的直径相同。
冲头陶瓷球的直径大于冲杆上端细杆的直径；测量杆上端粗杆中心设有小孔，用于与线性可变差动变压器的测量头匹配连接并对中。
一种可实现精准连续加载的小冲杆蠕变试验方法，包括以下步骤：
步骤1：固定下夹具，将球形冲头装入下夹具的中心锥形孔内，将试样放入下夹具沉孔内，上夹具、下夹具通过两个定位销进行对中，再通过给夹紧套施加扭矩而产生的均匀夹紧力来固定试样；
步骤2：将冲杆放入下夹具中心孔内，使冲杆上端细杆与试样中心沉孔对中，冲杆依次连接载荷传感器和液压千斤顶；
步骤3：安装加热炉，将热电偶插入预留孔中，热电偶接线盒连接温度控制仪；
步骤4：将测量杆放入上夹具中心孔内，测量杆上端连接线性可变差动变压器，线性可变差动变压器连接数据显示采集处理系统；
步骤5：启动温度控制仪，将试验温度迅速升至计划温度，保温，使试验温度稳定；
步骤6：试样处温度稳定在试验温度之后，通过液压千斤顶使施加的载荷增加到试验载荷并保持稳定；
步骤7：启动位移数显仪，打开数据采集软件开始记录试验数据；通过试验数据分析得到材料的蠕变性能。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用的底端加载方式，能够使得试样承受的仅是所需试验载荷，不再包括冲杆、冲头的重量，能得到更加精确的试样变形结果；使用液压千斤顶加载，代替了砝码等静载荷加载方式，操作方便，更能实现高精度、连续、稳定加载；所设计的冲杆、测量杆都为阶梯杆，避免了试验过程中杆件可能出现的倾斜或者卡死现象；通过旋转夹紧套使上夹具下移、压紧试样，在保证试验精度的同时简化了更换试样的过程，并且避免了螺栓连接产生的夹紧力不均匀的问题，由于夹紧套不直接接触试样，拧紧过程中也不会在试样表面产生切向力；采用定位销连接上、下夹具，防止上、下夹具相对转动的同时，也实现了较好的对中性。
【附图说明】
图1为本发明整体结构的等轴侧视图；
图2为本发明整体结构的剖面图；
图3为本发明夹持系统的剖视图；
图4a为本发明加载系统的剖视图；
图4b为本发明加载系统冲头附近的局部放大视图；
图5为本发明变形测量系统的剖视图；
图6为本发明支架的剖视图。
其中，1为定位销；2为试样；3为上夹具；4为下夹具；5为夹紧套；6为冲头；7为冲杆；8为测量杆；9为载荷传感器；10为液压千斤顶；11为线性可变差动变压器；12为加热炉；13为支架；14为螺栓孔；13-1为上支板；13-2为中支板；13-3为下支板；13-4为上支杆；13-5为下支杆。
【具体实施方式】
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1和2，本发明可实现精准连续加载的小冲杆蠕变试验装置，包括支架13，支架13放置在平稳地面上，将下夹具4放置在中支板13-2上，通过在螺栓孔14加入连接螺栓与中支板13-2连接固定；试样2放入下夹具4的沉孔内；上夹具3和下夹具4通过两个定位销1连接；夹紧套5的内螺纹与下夹具4的外螺纹配合，使用扳手施加扭矩旋转夹紧套5，上夹具3向下移动以压紧试样2；将冲头陶瓷球6和冲杆7分别放入下夹具4的中心通孔内，冲杆7下端依次通过螺纹连接载荷传感器9和液压千斤顶10，液压千斤顶10下端与下支板13-3的中心孔通过内外螺纹连接固定；在夹紧套5外侧安装立式开启式管式电阻加热炉12，电阻加热炉12通过其支架与上支杆13-4连接固定，将热电偶插入电阻加热炉12预留孔中，热电偶接线盒连接温度控制仪；将测量杆8放入上夹具3的中心通孔内，测量杆8上端粗杆连接线性可变差动变压器11，线性可变差动变压器11连接数据显示采集处理系统，测量杆8材料为耐高温的刚玉棒；启动温度控制仪，将试验温度迅速升至计划温度，进行一定时间的保温，使试验温度稳定；试样2处温度稳定在试验温度之后，通过液压千斤顶10在短时间内平稳地使施加的载荷增加到试验载荷并保持稳定；启动位移数显仪，打开数据采集软件开始记录试验数据；通过试验数据可以分析得到材料的蠕变性能。
如图3所示，夹持系统中，将加工好的试样2放入下夹具4的沉孔内；安装上夹具3，通过两个定位销1使上夹具3和下夹具4没有相对转动；安装夹紧套5，夹紧套5的内螺纹与下夹具4的外螺纹配合，使用扳手施加扭矩旋转夹紧套5，上夹具3向下移动以压紧试样，上夹具3圆台底面与试样2上表面之间要留有设计尺寸为0.10mm的间隙，以保证试样2处于应力自由状态；上夹具3中心阶梯孔小径的设计依据为d2>d1+2t0，下夹具4中心沉孔深度的设计依据为s2>s1+t0，其中d1为下夹具4中心小孔径，d2为上夹具3中心孔径，s2为下夹具4顶部沉孔深度，s1为上夹具3底部圆台的厚度，t0为试样2原始厚度；夹紧套5带内螺纹的部分为圆柱形，端盖为矩形，以方便扳手施加扭矩。
如图4a所示，加载系统中，将冲头陶瓷球6放入下夹具4上端的锥形孔内，阶梯形冲杆7放入下夹具4中心通孔内，冲杆7上端细杆与试样2中心沉孔对中，冲杆7通过螺纹连接载荷传感器9，载荷传感器9下端连接液压千斤顶10。
如图4b所示，将加载系统的冲头陶瓷球6附近结构进行局部放大，冲头陶瓷球6放置在下夹具4上端的锥形孔内，锥形孔内部为“漏斗状”倒锥形，外部为圆柱形，在安装冲杆7之前，能够保证冲头陶瓷球6不掉落；锥形孔与下夹具4中心通孔同轴；锥形孔底端尺寸与冲杆7直径一致；冲头陶瓷球6的直径略大于冲杆7上端细杆的直径；设计锥形孔尺寸时，需要尽量减少对试样2支承面积的影响。
如图5所示，将阶梯形测量杆8置入上夹具3的中心通孔内，测量杆8上端粗杆中心设有小浅孔，方便与线性可变差动变压器11的测量头匹配连接并对中。
如图6所示，支架13可为各试验系统提供连接支撑、对中微调等功能；上支板13-1主要用于线性可变差动变压器11的固定和保证其与测量杆8的对中；中支板13-2主要用于固定下夹具4并支撑其以上的试验装置；下支板13-3主要用于固定液压千斤顶10；四个上支杆13-4用于固定加热炉12，并通过微调装置进行测量杆8与试样2中心的对中；四个下支杆13-5用于支撑结构并通过微调装置进行冲杆7与试样2中心沉孔的对中。
综上所述，本发明用底端加载方式代替了顶端加载方式，通过液压千斤顶加载并通过载荷传感器进行控制，使试验载荷精确且稳定地施加在试样上；用螺纹连接替代了紧固螺钉连接，通过旋转夹紧套使上夹具下移、压紧试样，在保证试验精度的同时简化了更换试样的过程，并且避免了螺栓连接产生的夹紧力不均匀的问题，且不会在试样表面产生切向力；冲杆、测量杆都设计为阶梯杆，消除了传统装置试验过程中杆件可能出现的倾斜或者卡死的弊端；通过热电偶连接温度控制仪，以控制试样附近温度达到计划温度，并使试验温度保持稳定；使用线性可变差动变压器连续记录试样中心的变形。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可实现精准连续加载的小冲杆蠕变试验装置，其特征在于，包括上下扣合将试样(2)夹紧的上夹具(3)和下夹具(4)；试样(2)放置在开设于下夹具(4)上端面的沉孔中，下夹具(4)固定安装于工作平台上；上夹具(3)的底部设置有与下夹具(4)的沉孔相配合的圆台；上夹具(3)与下夹具(4)在压紧时，圆台底面与试样(2)的上表面留有间隙，使试样(2)处于应力自由状态；
冲杆(7)由下夹具(4)中心通孔的底部伸入，上端的冲头(6)与下夹具(4)沉孔底部开设的锥形孔相接触；冲杆(7)的下端连接液压千斤顶(10)，冲杆(7)与液压千斤顶(10)之间安装有载荷传感器(9)；上夹具(3)开设有用于安放测量杆(8)的通孔，测量杆(8)的上端连接线性可变差动变压器(11)；下夹具(4)的外周设置有用于使试件(2)处于试验温度环境的加热炉(12)。
2.根据权利要求1所述的可实现精准连续加载的小冲杆蠕变试验装置，其特征在于，上夹具(3)和下夹具(4)通过两个定位销(1)连接；上夹具(3)通过夹紧套(5)将其与下夹具(4)夹紧；夹紧套(5)与下夹具(4)通过内外螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的可实现精准连续加载的小冲杆蠕变试验装置，其特征在于，夹紧套(5)带内螺纹的部分为圆柱形，端盖为矩形，以方便扳手施加扭矩。
4.根据权利要求1所述的可实现精准连续加载的小冲杆蠕变试验装置，其特征在于，上夹具(3)和下夹具(4)的中心轴处的通孔均为阶梯通孔；上夹具(3)的阶梯通孔的孔径为d2，下夹具(4)的沉孔的深度为s2，且d2>d1+2t0，s2>s1+t0，其中，d1为下夹具(4)中心小孔径，d2为上夹具(3)中心孔径，s2为下夹具(4)顶部沉孔深度，s1为上夹具(3)底部圆台的厚度，t0为试样(2)原始厚度。
5.根据权利要求1所述的可实现精准连续加载的小冲杆蠕变试验装置，其特征在于，工作平台为支架(13)，支架(13)包括自上而下依次设置的上支板(13-1)、中支板(13-2)以及下支板(13-3)；上支板(13-1)和中支板(13-2)通过四根上支杆(13-4)相连，中支板(13-2)和下支板(13-3)通过四根下支杆(13-5)相连；加热炉(12)安装于四根上支杆(13-4)上；下夹具(4)放置在中支板(13-2)上，中支板(13-2)上开设有螺栓孔(14)，下夹具(4)通过连接螺栓固定安装在中支板(13-2)上；下支板(13-3)开设有中心孔，液压千斤顶(10)的下端与下支板(13-3)的中心孔通过内外螺纹连接固定。
6.根据权利要求1所述的可实现精准连续加载的小冲杆蠕变试验装置，其特征在于，冲杆(7)下端依次通过螺纹连接载荷传感器(9)和液压千斤顶(10)。
7.根据权利要求1所述的可实现精准连续加载的小冲杆蠕变试验装置，其特征在于，上夹具(3)圆台底面与试样(2)上表面之间的间隙为0.10mm。
8.根据权利要求1所述的可实现精准连续加载的小冲杆蠕变试验装置，其特征在于，锥形孔内部为漏斗状的倒锥形，外部为圆柱形；下夹具(4)的中心通孔与锥形孔同轴，锥形孔底端尺寸与冲杆(7)的直径相同。
9.根据权利要求1所述的可实现精准连续加载的小冲杆蠕变试验装置，其特征在于，冲头陶瓷球(6)的直径大于冲杆(7)上端细杆的直径；测量杆(8)上端粗杆中心设有小孔，用于与线性可变差动变压器(11)的测量头匹配连接并对中。
10.一种采用权利要求1-9任一项所述试验装置的可实现精准连续加载的小冲杆蠕变试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：固定下夹具(4)，将球形冲头(6)装入下夹具(4)的中心锥形孔内，将试样(2)放入下夹具(4)沉孔内，上夹具(3)、下夹具(4)通过两个定位销(1)进行对中，再通过给夹紧套(5)施加扭矩而产生的均匀夹紧力来固定试样(2)；
步骤2：将冲杆(7)放入下夹具(4)中心孔内，使冲杆(7)上端细杆与试样(2)中心沉孔对中，冲杆(7)依次连接载荷传感器(9)和液压千斤顶(10)；
步骤3：安装加热炉(12)，将热电偶插入预留孔中，热电偶接线盒连接温度控制仪；
步骤4：将测量杆(8)放入上夹具(3)中心孔内，测量杆(8)上端连接线性可变差动变压器(11)，线性可变差动变压器(11)连接数据显示采集处理系统；
步骤5：启动温度控制仪，将试验温度迅速升至计划温度，保温，使试验温度稳定；
步骤6：试样(2)处温度稳定在试验温度之后，通过液压千斤顶(10)使施加的载荷增加到试验载荷并保持稳定；
步骤7：启动位移数显仪，打开数据采集软件开始记录试验数据；通过试验数据分析得到材料的蠕变性能。
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