CN109520857B - 高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供可防止试样氧化、能够在真空环境下同时完成多种类型小试样的蠕变及蠕变裂纹扩展试验的高通量试验装置以及该试验装置的使用方法。试验装置包括机架、加载单元、真空单元、加热单元、位移测量单元及裂纹长度测量单元；加载单元包括试样加载盘、夹具、试样加载杆、波纹管、砝码加载杆及砝码托盘；真空单元包括真空罩、真空室底座和减压装置；加热单元为加热炉；位移测量单元包括引伸计和托架，用于测量小试样的变形量；裂纹长度测量单元包括直流恒流电源和电压测量装置，用于测量电压并算出蠕变裂纹扩展小试样的裂纹长度。本发明的试验装置及其使用方法在小试样的蠕变及蠕变裂纹扩展试验中是有用的。

Description

高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置及其使用方法

技术领域

本发明属于材料高温力学性能测试领域，涉及一种高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置以及该装置的使用方法。尤其是针对某些取样限制的场合如在役构件、薄壁件、焊缝、使用功能性梯度材料的设备，采用小试样测试技术得到材料的蠕变及蠕变裂纹扩展性能的试验装置及其使用方法。

背景技术

电力、炼化、冶金以及航空等领域的设备呈现出更高温度、更长服役时间的发展趋势，以符合节能降耗、高效环保的原则。工作温度升高和服役寿命的延长，使得设备的蠕变失效与预防控制问题更加凸显。因此，研究高温高压工况下材料的蠕变及裂纹扩展性能变化，对于保证高温设备的安全和稳定运行有着重要意义。

目前对于高温工况下材料的蠕变及裂纹扩展性能研究，传统上主要是使用圆棒或板状的蠕变拉伸、紧凑拉伸、单边缺口等试样进行高温单轴蠕变及裂纹扩展试验，已经形成一套完善的测试设备及标准。但是由于标准中规定的试样体积较大，在某些取样限制的场合如在役构件、薄壁件、焊缝、使用功能性梯度材料的设备，限制了传统单轴蠕变试验的应用。为此，小试样试验技术逐渐发展起来。

高温条件下服役的工程装备比如蒸汽轮机、蒸汽发生器、燃汽轮机、核电厂结构件、火箭引擎和石油化工过程设备等可能产生蠕变损伤，因为典型的工程构件在服役时不可避免的带有小的缺陷或裂纹，这些小裂纹会随着时间的推移逐渐扩大直至设备失效，所以蠕变裂纹扩展(creep crack growth,CCG)的性能测试对于高温条件下服役的材料而言显得尤为重要。

对在服役设备及材料进行剩余寿命评价时，很多情况下，人们只能从服役构件上得到少量用于测试的材料，目前，采用微试样进行蠕变断裂试验的测试技术已成形并获得验证，但是基于小试样的CCG测量技术还未成形。

现有技术中，根据专利文献1(CN101187612A)，关凯书等人的开发出了可完成单个试样测试的小冲杆试验机。专利文献2(CN201464300U)中，华冰等人则开发出了多头的蠕变试验机。专利文献3(CN202533335U)中，涂善东等人设计出多头小试样的蠕变试验装置。另外，根据专利文献4(CN103884603A)，现有的蠕变裂纹扩展试验设备，由于设备框架大、传感器量程大等原因无法完成小试样的蠕变裂纹扩展试验。同时，现有的蠕变裂纹扩展设备仅能完成单个标准试样的测试，用途十分局限。此外，高温下小试样的表面氧化对测试结果影响较大，现有的试验设备均无法有效的实现高温下试样的氧化防护。

根据专利文献3的多头微型试样蠕变试验装置，虽然可以对多个小试样进行蠕变力学性能进行测试，但该装置采用顶部垂直加载方式且砝码加载盘在装置上方，仅能进行小试样的蠕变试验，其试样加载盘和夹具的设计结构不适合于进行蠕变裂纹扩展试验，因此无法完成小试样的蠕变裂纹扩展测试，此外还存在以下问题：采用内部热风循环对流加热，导致内部温度场不稳定，测定结果误差较大；不能抽真空，试样氧化严重，影响试验准确性。

针对现有设备无法实现试样氧化防护，无法实现小试样的蠕变裂纹扩展试验等问题，本领域迫切需要开发出一种能够在真空环境下同时完成多种类型小试样的蠕变及蠕变裂纹扩展试验的装置，实现材料高温力学性能的高通量测试。

现有技术

专利文献1：CN101187612A

专利文献2：CN201464300U

专利文献3：CN202533335U

专利文献4：CN103884603A

发明内容

本发明是为了解决现有技术中存在的问题而完成的，其目的在于提供一种可防止试样氧化、能够在真空环境下同时完成多种类型小试样的蠕变及蠕变裂纹扩展试验的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置以及该试验装置的使用方法。

具体而言，本发明提供以下技术方案。

本发明的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置包括机架、加载单元、真空单元、加热单元、位移测量单元及裂纹长度测量单元，

上述机架包括底座和直立地安装于底座的支承轴；

上述加载单元包括试样加载盘、夹具、试样加载杆、波纹管、砝码加载杆及砝码托盘，其中，上述夹具用于将小试样固定于上述试样加载盘，上述试样加载盘上设置有至少两个夹具，上述试样加载杆、上述波纹管、上述砝码加载杆和上述砝码托盘自上而下同轴连接，并将加载于上述砝码托盘的载荷传递施加于上述小试样；

上述真空单元包括真空罩、真空室底座和减压装置，上述真空室底座固定在上述支承轴上，上述真空罩以能够沿着上述支承轴自由上下移动和固定的方式设置于上述支承轴，上述真空罩和上述真空室底座密闭配合且将上述试样加载盘及上述加热单元收纳在内部腔室中，利用上述减压装置对上述内部腔室进行减压；

上述加热单元为加热炉，以包围上述试样加载盘的方式安装在直立设置于上述真空室底座周缘部的折页轴上，对固定于上述试样加载盘的小试样进行加热；

上述位移测量单元包括引伸计和托架，上述托架设置在位于上述真空室底座下方的上述波纹管上、且随着上述波纹管及上述砝码加载杆的移动而产生位移，利用上述引伸计检测该位移，作为小试样的变形量；

上述裂纹长度测量单元包括直流恒流电源和电压测量装置，利用上述直流恒流电源对蠕变裂纹扩展小试样的两端提供电流，利用上述电压测量装置测定蠕变裂纹扩展小试样裂纹面两端的电压变化，通过裂纹长度与电压关系并根据测得的电压算出蠕变裂纹扩展小试样的裂纹长度。

在上述的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置中，优选上述试样加载盘通过支撑杆固定安装在上述真空室底座的中央部。

在上述的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置中，优选上述真空罩、上述真空室底座和上述支撑杆分别具有中空结构以形成冷却夹层，通过使冷却介质在上述冷却夹层中循环流通对试验装置进行冷却。

在上述的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置中，优选上述加热炉为对开式加热炉，左右两半加热炉能够以上述折页轴为轴朝左右两侧转动。

在上述的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置中，优选上述加热炉为马弗炉，加热温度范围为300～1200℃。

在上述的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置中，优选上述试样加载盘上设置有四个或六个夹具。

在上述的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置中，优选上述引伸计通过支架固定在上述真空室底座的下表面，上述托架设置在上述波纹管下部法兰上。

在上述的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置中，优选上述小试样为圆形紧凑拉伸试样、小型紧凑拉伸试样、小冲杆试样、固支直杆试样、悬臂梁试样及三点弯试样中的任一种或两种以上的组合。

本发明的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置的使用方法包括小试样蠕变测试方法和小试样蠕变裂纹扩展测试方法，以下详细说明该使用方法的技术方案。

小试样蠕变测试方法为使用本发明的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置对小试样进行蠕变测试的方法，包括以下步骤：

1)准备选自小冲杆试样、固支直杆试样、悬臂梁试样及三点弯试样的任一种小试样或两种以上的组合；

2)选择用于小试样蠕变测试的试样加载杆，使上述试样加载杆从安装于试样加载盘上的夹具中升起，用夹具将小试样固定在上述试样加载盘上，以使上述试样加载杆能够对小试样施加载荷；

3)关闭加热炉，降下真空罩并将其密闭紧固在真空室底座上，利用减压装置将真空罩的内部抽真空，然后开始加热，加热至目标温度后保温两小时，在砝码托盘上加载砝码并降下砝码托盘，开始对小试样进行加载，利用引伸计检测位移，将其结果作为小试样的蠕变变形量。

小试样蠕变裂纹扩展测试方法为使用本发明的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置对小试样进行蠕变裂纹扩展测试的方法，包括以下步骤：

1)准备选自圆形紧凑拉伸试样及小型紧凑拉伸试样的任一种小试样或其组合，并且在小试样的两端焊接高温导线，并套上绝缘层，上述高温导线的另一端与直流恒流电源和电压测量装置连接；

2)选择用于小试样蠕变裂纹扩展测试的试样加载杆，将小试样的一端固定于上述试样加载杆，将其另一端通过夹具固定在试样加载盘上；

3)关闭加热炉，降下真空罩并将其密闭紧固在真空室底座上，利用减压装置将真空罩的内部抽真空，然后开始加热，打开上述直流恒流电源，开始向小试样提供电流，同时利用上述电压测量装置检测小试样两端的电压化，加热至规定温度后保温两小时，在砝码托盘上加载砝码并降下砝码托盘，开始对小试样进行加载，通过裂纹长度与电压关系并根据测得的电压算出蠕变裂纹扩展小试样的裂纹长度，同时通过引伸计检测小试样的载荷线位移。

发明效果

根据本发明的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置，能够在真空环境下对小试样进行蠕变及蠕变裂纹扩展试验，防止其氧化，提高测试结果的稳定性及准确性，通过具备多个夹具能够同时进行多个小试样的蠕变及蠕变裂纹扩展试验，可实现材料高温力学性能的高通量测试。

根据本发明的小试样蠕变测试方法，通过使用本发明的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置，能够在真空环境下进行小试样的蠕变试验，防止小试样氧化，测试结果的稳定性及准确性高，且能够同时对多种类型的小试样进行蠕变试验，可实现材料高温力学性能的高通量测试。

根据本发明的小试样蠕变裂纹扩展测试方法，通过使用本发明的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置，能够在真空环境下进行小试样的蠕变裂纹扩展试验，防止小试样氧化，测试结果的稳定性及准确性高，且能够同时对多种类型的小试样进行蠕变裂纹扩展试验，可实现材料高温力学性能的高通量测试。

本发明的其他有益效果在以下的进一步公开中进行说明。

附图说明

图1是本发明的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置的结构示意图。

图2是本发明的一实施方式的试验装置中的试样加载盘的示意图。

图3是本发明的一实施方式的试验装置中的真空单元的示意图。

图4是本发明的一实施方式的试验装置中的加热单元的示意图。

图5是本发明的一实施方式的试验装置中的位移测量单元的示意图。

图6是本发明的试验装置中安装蠕变小试样的示意图。

图7是使用本发明的试验装置进行蠕变试验的小试样的一例的示意图。

图8是本发明的试验装置中安装蠕变裂纹扩展小试样的示意图。

图9是使用本发明的试验装置进行蠕变裂纹扩展试验的小试样的一例的示意图。

图10是固支直杆小试样测试获得的稳态蠕变速率与标准紧凑拉伸试样测试结果的比较图。

图11是本发明试验例2中的圆形紧凑拉伸小试样的示意图。

图12是圆形紧凑拉伸小试样测试获得的裂纹扩展速率与标准紧凑拉伸试样测试结果的比较。

符号说明

1 底座

2 支承轴

3 试样加载盘

4 夹具

5、5’ 试样加载杆

6 砝码加载杆

7 砝码托盘

8 真空罩

9 真空室底座

10 折页轴

11 支撑杆

12、121、122 加热炉

13 引伸计

14 托架

15 支架

16 波纹管

17 波纹管下部法兰

18 螺栓

19、19’ 销钉

91、92 通孔

100 高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置

123 电极

124 隔热屏

125 保温砖

126 多晶纤维隔热筒

127 陶瓷端座

128 马弗管

S1 蠕变小试样

S2 蠕变裂纹小试样

具体实施方式

以下结合优选的实施方式及附图说明本发明的技术特征，这旨在说明本发明而不是限制本发明。附图被大大简化以用于进行说明，但不一定按比例绘制。

应当了解，附图中所示的仅仅是本发明的较佳实施例，其并不构成对本发明的范围的限制。本领域的技术人员可以在附图所示的实施例的基础上对本发明进行各种显而易见的修改、变型、等效替换，并且在不相矛盾的前提下，在以下所描述的不同实施方式中的技术特征可以任意组合，而这些都落在本发明的保护范围之内。

〔高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置〕

结合图1～5对本发明的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置的结构及特征进行说明。

图1是本发明的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置的结构示意图，图2是本发明的一实施方式的试验装置中的试样加载盘的示意图，图3是本发明的一实施方式的试验装置中的真空单元的示意图，图4是本发明的一实施方式的试验装置中的加热单元的示意图，图5是本发明的一实施方式的试验装置中的位移测量单元的示意图。

如图1所示，本发明的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置100包括机架、加载单元、真空单元、加热单元、位移测量单元及裂纹长度测量单元。

机架包括底座1和直立地安装于底座的支承轴2。如后所述，机架用于安装真空罩和真空室底座。

加载单元包括试样加载盘3、夹具4、试样加载杆5、波纹管(未图示)、砝码加载杆3及砝码托盘7。上述夹具4用于将小试样固定于上述试样加载盘3，该试样加载盘3上设置有至少两个夹具4，优选设置有4个或6个夹具。在一个优选的实施方式中，如图2所示，在试样加载盘上设置有6个夹具，各个夹具在试样加载盘上等间隔设置，在试样加载盘3上设有多个通孔41，根据需要，通过用螺栓42等拧入该孔中，将小试样固定在夹具中，并可以通过增加垫片来调节试样的位置。

作为夹具4，可以根据所测试的小试样类型及测试项目进行选择，例如可以根据小试样蠕变或蠕变裂纹扩展试验中所使用的圆形紧凑拉伸试样、小型紧凑拉伸试样、小冲杆试样、固支直杆试样、悬臂梁试样及三点弯试样的试样类型进行选择。对于不同类型的小试样，所采用的夹具和固定方法有所不同，例如小冲杆试样采用上下模夹紧固定，固支直杆小试样需要两端固定，悬臂梁小试样单侧固定，三点弯小试样则不需要固定，蠕变裂纹扩展小试样采用销子固定。

结合图1和图5所示，试样加载杆5、波纹管16、砝码加载杆6和砝码托盘7自上而下同轴连接，并将加载于砝码托盘7的载荷传递施加于小试样。

用于蠕变试验的试样加载杆采用与压头一体化的设计，试样加载杆穿过试样加载盘，在小试样上部施加载荷，试样加载杆下端通过销钉、波纹管与砝码加载杆连接。通过调整砝码托盘上砝码的重量以实现对试样加载。

在一个优选的实施方式中，砝码加载杆下端为砝码托盘，砝码托盘安装在螺纹杆上，手轮和砝码托盘之间为蜗轮蜗杆连接，通过旋转手轮可以调节砝码托盘的高度，进而实现载荷施加。

真空单元包括真空罩8、真空室底座9和减压装置(未图示)。真空室底座9固定在上述支承轴2上，真空罩8以能够沿着支承轴2自由上下移动和固定的方式设置于支承轴2。真空罩8和真空室底座9密闭配合且将试样加载盘3及加热单元收纳在内部腔室中，利用减压装置对该内部腔室进行减压。

优选地，真空罩8的外壳通过螺栓固定在托环上，托环套在支承轴2上，可沿竖直方向自由移动，真空罩上装有滚轮，可用来辅助固定；试样加载盘3通过支撑杆11固定安装在真空室底座9的中央部。

在一个优选的实施方式中，真空罩8、真空室底座9和支撑杆11分别具有中空结构以形成冷却夹层，通过使冷却介质在冷却夹层中循环流通对试验装置进行冷却。如图3所示，真空罩8的壳体分为外壳与内壳，外壳安装有水咀接头，壳体内部为中空的，可从水咀接头通入水等的冷却介质对外壳进行冷却。真空罩8和真空室底座9共同构成一个封闭的内腔，连接处设有密封槽和密封环，在压力作用下可保证密封性。在真空室底座9上设有多个通孔91、92，分别通过法兰与波纹管或真空泵(即减压装置)连接。此外，真空室底座9还具有供冷却水等冷却介质通入和排出的水咀接头，支撑杆11与真空室底座9通过螺纹连接，且内部的冷却夹层相互连通。

为了使真空罩内部达到更低的真空度，实现更好的防氧化效果，优选采用两级抽真空装置，低真空采用直联式机械泵，高真空采用扩散泵，机械泵与真空室通过波纹管软连接，利用数显式真空计测量真空室内的真空度。

通过波纹管的轴向伸缩可以保证在内部密封的情况下，实现大行程的动密封，保证的试验装置的稳定性。

结合图1和图4对本发明的试验装置中的加热单元进行说明。

加热单元由加热炉12构成，以包围试样加载盘3的方式安装在直立设置于真空室底座9周缘部的折页轴10上，对固定于试样加载盘3的小试样进行加热。

在一个优选的实施方式中，加热炉12为对开式加热炉，由左右两半加热炉121、122构成，左右两半加热炉121、122能够以折页轴10为轴朝左右两侧转动。作为加热炉12，可以使用马弗炉，加热温度范围为300～1200℃，通过辐射加热的方式对小试样进行加热。

图4所示的加热炉内装有多层隔热屏124，均由螺栓固定；隔热屏124上下部装有保温砖125防止热量散失，加热炉内壁为多晶纤维隔热筒126，其上环绕有马弗管128用于加热小试样。隔热屏124上下部则由陶瓷端座127固定。加热炉内壁装有热电偶用于测量试验温度。试验时左右两半加热炉121、122闭合，将试样加载盘3及小试样包围在内部。

结合图1和图5对本发明的试验装置中的位移测量单元进行说明。

位移测量单元包括引伸计13和托架14。托架14设置在位于真空室底座3下方的波纹管上、且随着所述波纹管及砝码加载杆13的移动而产生位移，利用引伸计13检测该位移，作为小试样的变形量。

引伸计13可以通过支架15安装固定在真空室底座3的下表面，但并不限定于此，引伸计也可以根据需要固定在另外设置的支架上。托架14设置在波纹管下部法兰17上，可随着砝码加载杆13的移动而移动。此外，在托架14上设置有螺钉，通过调节该螺钉的位置可对位移测量单元进行调零。

本发明的试验装置中的裂纹长度测量单元包括直流恒流电源和电压测量装置，利用上述直流恒流电源对蠕变裂纹扩展小试样的两端提供电流，利用上述电压测量装置测定蠕变裂纹扩展小试样裂纹面两端的电压变化，通过裂纹长度与电压关系并根据测得的电压算出蠕变裂纹扩展小试样的裂纹长度。

在采用直流电压法进行蠕变裂纹长度测量时，裂纹长度与电压存在确定的函数关系。测试时采用高精度直流恒流电源给试样供电，采用高精度电压表采集试样上的电压，通过下述的电压-裂纹长度函数(1)计算得到裂纹长度。

式中，a为裂纹长度，W为试样宽度，Y₀为输出电压引线之间的半距离(单位mm)，a₀为初始裂纹长度，V为对应于裂纹长度a的输出电压(单位mV)，V₀为对应于初始裂纹长度的初始电压(单位mV)。

有时上述的电压-裂纹长度函数(1)不适用，可以通过多组中断裂纹扩展试验拟合得到下述的电压-裂纹长度函数(2)中的参数，进而测试时采用电压-裂纹长度函数(2)计算得到裂纹长度。

其中，a、W、V₀和V的定义与上述相同。

本发明的试样装置可根据需要安装不同的夹具，进行小试样蠕变试验和小试样蠕变裂纹扩展试验，具体而言，可以对小冲杆试样、固支直杆试样、悬臂梁试样及三点弯试样进行小试样蠕变试验，对圆形紧凑拉伸试样、小型紧凑拉伸试样进行蠕变裂纹扩展试验。在进行试验时，可以仅对一种类型的小试样进行试验，也可对不同类型的多个小试样的组合同时进行试验。

本发明的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置通过具有真空单元，能够在真空环境下对小试样进行蠕变及蠕变裂纹扩展试验，防止其氧化，提高测试结果的稳定性及准确性，通过具备多个夹具以及位移测量单元和裂纹长度测量单元，能够同时进行多个小试样的蠕变及蠕变裂纹扩展试验，极大提高了测试效率，节省了测试空间，实现材料高温力学性能的高通量测试。

通过使用本发明的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置能够对小试样进行蠕变测试和蠕变裂纹扩展测试。以下详细说明使用该试验装置的试验方法。

〔小试样蠕变测试方法〕

参照图6，对使用本发明的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置对小试样进行蠕变测试的方法的优选实施方式进行说明。

在正式试验前，进行温度校准试验。温度校准试验升温过程中巡检表监测试样均热带温度，温控表参照巡检表测得的温度，确定控制表的目标温度以保证试样的环境温度为预期温度。

真空单元采用两级抽真空装置，低真空采用直联式机械泵，高真空采用扩散泵，机械泵与真空环境箱通过波纹管软连接，应用数显式真空计测量真空炉内真空度。

准备用于蠕变测试的小试样，该小试样可以是选自小冲杆试样、固支直杆试样、悬臂梁试样及三点弯试样的任一种小试样或两种以上的组合。

试验时，将真空罩提起，然后打开对开加热炉，将左右两半加热炉沿折页轴旋转打开。

根据所要测试的小试样的类型，选择用于小试样蠕变测试的试样加载杆，使该试样加载杆从安装于试样加载盘上的夹具中升起，以使所述试样加载杆能够对小试样施加载荷，用夹具将小试样固定在所述试样加载盘上。此外，根据小试样的类型，可以采用不同的固定方式用螺栓固定小试样。例如，在固支直杆试样(见图7)的情况下，如图6所示，使试样加载杆5从夹具4中升起后，将小试样S1从试样加载杆5的间隙中穿过，利用螺栓18将小试样的两端固定在试样加载盘3上。

关闭加热炉，降下真空罩并将其通过螺栓密闭紧固在真空室底座上，利用机械泵将真空罩的内部抽真空，通入冷却水隔离试验装置内外环境。然后开始加热，加热至目标温度后保温两小时，在砝码托盘上加载一定重量的砝码并降下砝码托盘，开始对小试样进行加载，利用引伸计检测位移，将其结果作为小试样的蠕变变形量。在试样周边可以设置热电偶以测定温度数据。

根据本发明的小试样蠕变测试方法，通过使用本发明的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置，能够在真空环境下进行小试样的蠕变试验，防止小试样氧化，测试结果的稳定性及准确性高，且能够同时对多种类型的小试样进行蠕变试验，可实现材料高温力学性能的高通量测试。

此外，根据本发明的上述小试样蠕变测试方法，可记录试验过程中载荷线位移随时间变化的曲线，进而研究小试样的蠕变行为，达到预测试样寿命的目的。

〔小试样蠕变裂纹扩展测试方法〕

参照图8～9，对使用本发明的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置对小试样进行蠕变裂纹扩展测试的方法的优选实施方式进行说明。

在正式试验前，进行温度校准试验。温度校准试验升温过程中巡检表监测试样均热带温度，温控表参照巡检表测得的温度，确定控制表的目标温度以保证试样的环境温度为预期温度。

真空单元采用两级抽真空装置，低真空采用直联式机械泵，高真空采用扩散泵，机械泵与真空环境箱通过波纹管软连接，应用数显式真空计测量真空炉内真空度。

准备用于蠕变裂纹扩展试验的小试样，该小试样可以是选自圆形紧凑拉伸试样及小型紧凑拉伸试样的任一种小试样或其组合。在小试样的两端焊接高温导线，并套上绝缘层，使上述高温导线的另一端分别与直流恒流电源和电压测量装置连接。

试验时，将真空罩提起，然后打开对开加热炉，将左右两半加热炉沿折页轴旋转打开。

根据所要测试的小试样的类型，选择用于小试样蠕变裂纹扩展测试的试样加载杆，将小试样的一端固定于所述试样加载杆，将其另一端通过夹具固定在试样加载盘上。具体而言，如图8所示，小试样为圆形紧凑拉伸试样S2的情况下，利用销钉19穿过小试样的一个销孔，通过与夹具4配合将小试样固定，并且如图9所示，利用销钉19’穿过试样加载杆5’和小试样S2另一端的销孔，从而将小试样S2与试样加载杆5’连接。

接着，关闭加热炉，降下真空罩并将其密闭紧固在真空室底座上，利用减压装置将真空罩的内部抽真空，然后开始加热，打开直流恒流电源，开始向小试样提供电流，同时利用电压测量装置检测小试样两端的电压变化，加热至规定温度后保温两小时，在砝码托盘上加载一定重量的砝码然后降下砝码托盘，开始对小试样进行加载，通过裂纹长度与电压关系并根据测得的电压算出蠕变裂纹扩展小试样的裂纹长度，同时通过引伸计检测小试样的载荷线位移。

根据本发明的小试样蠕变裂纹扩展测试方法，通过使用本发明的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置，能够在真空环境下进行小试样的蠕变裂纹扩展试验，防止小试样氧化，测试结果的稳定性及准确性高，且能够同时对多种类型的小试样进行蠕变裂纹扩展试验，可实现材料高温力学性能的高通量测试。

此外，根据本发明的上述小试样蠕变裂纹扩展测试方法，可记录试验过程中载荷线位移随时间变化的曲线，进而研究小试样蠕变裂纹扩展的行为，达到预测试样寿命的目的。

〔试验例〕

以下通过试验例进一步说明本发明的试验装置及使用本发明的试验装置的特征和效果。

在试验例中，本发明的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置主要采用以下技术指标。

1)最大试验力：500N；

2)加载方式：机械式砝码加载，砝码最小分级1.0N；

3)加热炉：对开式马弗炉；

4)加热温度范围：300～1200℃；

5)加热炉两段控制；

6)温控器等级：0.1级；

7)纵向均热带长度：30mm，纵向梯度2℃，温度波动度：±2℃；

9)热电偶类型：S型；

10)高温条件下真空度：不大于10^-3Pa；

11)位移量程：5mm；

12)位移测量精度：±0.5％FS；

13)位移最小分辨力：0.1μm；

试验例1：固支直杆试样的蠕变试验

准备尺寸(L*b*h)为20mm×2mm×1mm的小型固支直杆试样，材料为A7N01铝合金，进行380℃下的蠕变试验。。

将真空罩提升，打开对开式马弗炉。使用固支直杆试样蠕变测试用的试样加载杆，使试样加载杆从安装于试样加载盘上的夹具中升起，将小试样穿过试样加载杆，用螺栓将其两端固定，在砝码托盘上加载砝码至目标载荷。

关闭对开式马弗炉，降下真空罩并将其用螺栓紧固在真空室底座上，利用减压装置将真空罩的内部抽真空(机械泵：北京北仪优成真空技术有限公司，型号TRP-12，极限压力0.4Pa；扩散泵：北京北仪创新真空技术有限责任公司，型号JK-100，极限压力1.0E-4)，当真空度达到1E-3Pa并保持稳定后通冷却水并开始加热，加热至380℃后保温两小时，降下砝码托盘，通过试样加载杆顶部的压头开始对小试样进行加载，利用引伸计检测位移，将其结果作为小试样的蠕变变形量。对固支直杆小试样的测试结果参考文献[庄法坤.基于梁弯曲理论的小试样蠕变试验方法研究.博士论文.上海:华东理工大学.2014.]的方法进行数据处理，得到稳态时的蠕变速率与应力的关系曲线，见图10。

由图10可知，固支直杆小试样测试获得的稳态蠕变速率与标准紧凑拉伸试样测试结果基本重合，表明使用本发明的试验装置可以得到较佳的蠕变测试效果。

试验例2：圆形紧凑拉伸试样的蠕变裂纹扩展试验

准备如图11所示的圆形紧凑拉伸试样(直径

厚度B＝1mm，a₀/W＝0.5，Inconel 625合金)，进行650℃下的蠕变裂纹扩展测试。在小试样的两端焊接高温导线，并套上绝缘层，使高温导线的另一端与直流恒流电源(德科技E3633A电源)和电压测量装置(德科技34972A数据采集仪)连接。

升起真空罩，打开对开式马弗炉。使用用于圆形紧凑拉伸试样的蠕变裂纹扩展试验的试样加载杆，将小试样的一端通过销钉固定于试样加载杆，将其另一端通过夹具固定在试样加载盘上。在砝码托盘上加载砝码。

关闭对开式马弗炉，降下真空罩并将其通过螺栓紧固在真空室底座上，利用减压装置将真空罩的内部抽真空(机械泵：北京北仪优成真空技术有限公司，型号TRP-12，极限压力0.4Pa；扩散泵：北京北仪创新真空技术有限责任公司，型号JK-100，极限压力1.0E-4)，当真空度达到1E-3Pa并保持稳定后通冷却水并开始加热，打开上述直流恒流电源，开始向小试样提供电流，同时利用上述电压测量装置检测小试样两端的电压变化，加热至650℃后保温两小时，降下砝码托盘，开始对小试样进行加载，通过裂纹长度与电压关系并根据测得的电压算出蠕变裂纹扩展小试样的裂纹长度，同时通过引伸计检测小试样的裂纹载荷线。

根据图12所示的由圆形紧凑拉伸小试样测试获得的裂纹扩展速率与标准紧凑拉伸试样的测试结果比较可以看到，两者的蠕变裂纹扩展速率几乎处于同一分散带内，表明通过小试样测试获得的蠕变裂纹扩展速率数据与标准试样相近。即、使用本发明的试验装置可以得到较佳的蠕变裂纹扩展测试效果。

最后，应当理解，上述实施方式及试验例的说明在所有方面均为例示，不构成限制，在不背离本发明的精神的范围内可进行各种改进。本发明的范围是由权利要求书来表示的，而不是由上述实施方式或试验例来表示的。此外本发明的范围包括与权利要求书等同的意思和范围内的所有变更。

工业上的可利用性

本发明的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置能够防止小试样在加热过程中被氧化，能同时对圆形紧凑拉伸试样、小型紧凑拉伸试样、小冲杆试样、固支直杆试样、悬臂梁试样及三点弯试样等的小试样进行蠕变试验或蠕变裂纹扩展试验，测试结果稳定、准确，且测试效率高。因此本发明的试验装置及其使用方法在小试样的蠕变及蠕变裂纹扩展试验中是有用的。

Claims (8)

1.一种高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置，包括机架、加载单元、真空单元、加热单元、位移测量单元及裂纹长度测量单元，

所述机架包括底座和直立地安装于底座的支承轴；

所述加载单元包括试样加载盘、夹具、试样加载杆、波纹管、砝码加载杆及砝码托盘，其中，所述夹具用于将小试样固定于所述试样加载盘，所述试样加载盘上设置有至少两个夹具，所述试样加载杆、所述波纹管、所述砝码加载杆和所述砝码托盘自上而下同轴连接，并将加载于所述砝码托盘的载荷传递施加于所述小试样；

所述真空单元包括真空罩、真空室底座和减压装置，所述真空室底座固定在所述支承轴上，所述真空罩以能够沿着所述支承轴自由上下移动和固定的方式设置于所述支承轴，所述真空罩和所述真空室底座密闭配合且将所述试样加载盘及所述加热单元收纳在内部腔室中，利用所述减压装置对所述内部腔室进行减压；

所述加热单元为加热炉，以包围所述试样加载盘的方式安装在直立设置于所述真空室底座周缘部的折页轴上，对固定于所述试样加载盘的小试样进行加热，所述加热炉为对开式加热炉，左右两半加热炉能够以所述折页轴为轴朝左右两侧转动，所述加热炉内装有多层隔热屏，所述隔热屏的上下部装有保温砖以防止热量散失，所述加热炉的内壁为多晶纤维隔热筒，其上环绕有马弗管用于加热小试样；

所述位移测量单元包括引伸计和托架，所述引伸计通过支架固定在所述真空室底座的下表面，所述托架设置在位于所述真空室底座下方的所述波纹管的下部法兰上、且随着所述波纹管及所述砝码加载杆的移动而产生位移，利用所述引伸计检测该位移，作为小试样的变形量；

所述裂纹长度测量单元包括直流恒流电源和电压测量装置，利用所述直流恒流电源对蠕变裂纹扩展小试样的两端提供电流，利用所述电压测量装置测定蠕变裂纹扩展小试样裂纹面两端的电压变化，通过裂纹长度与电压关系并根据测得的电压算出蠕变裂纹扩展小试样的裂纹长度。

2.如权利要求1所述的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置，其特征在于，所述试样加载盘通过支撑杆固定安装在所述真空室底座的中央部。

3.如权利要求2所述的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置，其特征在于，所述真空罩、所述真空室底座和所述支撑杆分别具有中空结构以形成冷却夹层，通过使冷却介质在所述冷却夹层中循环流通对试验装置进行冷却。

4.如权利要求1所述的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置，其特征在于，所述加热炉为马弗炉，加热温度范围为300～1200℃。

5.如权利要求1所述的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置，其特征在于，所述试样加载盘上设置有四个或六个夹具。

6.如权利要求1所述的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置，其特征在于，所述小试样为圆形紧凑拉伸试样、小型紧凑拉伸试样、小冲杆试样、固支直杆试样、悬臂梁试样及三点弯试样中的任一种或两种以上的组合。

7.一种小试样蠕变测试方法，其为使用权利要求1～6中任一项所述的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置对小试样进行蠕变测试的方法，包括以下步骤：

1)准备选自小冲杆试样、固支直杆试样、悬臂梁试样及三点弯试样的任一种小试样或两种以上的组合；

2)选择用于小试样蠕变测试的试样加载杆，使所述试样加载杆从安装于试样加载盘上的夹具中升起，用夹具将小试样固定在所述试样加载盘上，以使所述试样加载杆能够对小试样施加载荷；

3)关闭加热炉，降下真空罩并将其密闭紧固在真空室底座上，利用减压装置将真空罩的内部抽真空，然后开始加热，加热至目标温度后保温两小时，在砝码托盘上加载砝码并降下砝码托盘，开始对小试样进行加载，利用引伸计检测位移，将其结果作为小试样的蠕变变形量。

8.一种小试样蠕变裂纹扩展测试方法，其为使用权利要求1～6中任一项所述的高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置对小试样进行蠕变裂纹扩展测试的方法，包括以下步骤：

1)准备选自圆形紧凑拉伸试样及小型紧凑拉伸试样的任一种小试样或其组合，并且在小试样的两端焊接高温导线，并套上绝缘层，所述高温导线的另一端与直流恒流电源和电压测量装置连接；

2)选择用于小试样蠕变裂纹扩展测试的试样加载杆，将小试样的一端固定于所述试样加载杆，将其另一端通过夹具固定在试样加载盘上；

3)关闭加热炉，降下真空罩并将其密闭紧固在真空室底座上，利用减压装置将真空罩的内部抽真空，然后开始加热，打开所述直流恒流电源，开始向小试样提供电流，同时利用所述电压测量装置检测小试样两端的电压变化，加热至规定温度后保温两小时，在砝码托盘上加载砝码并降下砝码托盘，开始对小试样进行加载，通过裂纹长度与电压关系并根据测得的电压算出蠕变裂纹扩展小试样的裂纹长度，同时通过引伸计检测小试样的载荷线位移。

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