CN110333145B - 微型试样高温胀形测试装置及测试方法 - Google Patents

微型试样高温胀形测试装置及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微型试样高温胀形测试装置即测试方法，其中测试装置包括加热机构、用于测量的测距仪以及设置在所述加热机构内的相互配合的上夹具和下夹具，所述上夹具与下夹具之间形成用于容纳所述微型试样的空间，所述上夹具上开设有沿其长度方向贯穿的测试孔，所述下夹具上开设有沿其长度方向贯穿的增压孔，所述测试孔与增压孔的轴心线重合，所述增压孔与增压机构连接。本发明的微型试样高温胀形测试装置，使得整个测量能够在加热条件下进行，其测试环境温度可达700℃，能够有效表征核电厂、火电厂和石油化工等在役高温部件的高温拉伸、蠕变、疲劳及断裂韧性等力学性能；装置结构简单、操作方便，测试方法简单稳定，结果准确。

Description

微型试样高温胀形测试装置及测试方法
技术领域
本发明属于微型试样测试技术领域，具体涉及微型试样高温胀形测试装置及测试方法，适用于核电厂、火电厂和石油化工等在役设备部件的服役性能测试。
背景技术
核电厂、火电厂和石油化工等设备部件，在长期服役、尤其是高温服役环境下会产生不同程度的损伤，而要评价设备安全性和剩余寿命，则必须获取其力学性能。如果采用常规力学性能试样，所需材料体积过大、对设备损伤较大，不适用于在役设备。同时，传统无损检测技术仅能探测缺陷、剩余厚度以及金相组织等，同样无法获得在役设备材料力学性能。
因此，上世纪八十年代，诞生了小冲杆试验技术，其所需的材料较少，试样体积仅为常规试样的1/1000。可在不影响重要设备继续使用的前提下，对设备进行微损取样测试，以获得在役设备的材料力学性能，用于安全评估、寿命预测等。但是，小冲杆试验方法在使用过程中发现诸多问题，如材料、边界、几何等多种非线性因素，导致小冲杆测试方法试验结果解算影响因素众多，测试所得数据稳定性较差。
2016年6月22日，中国发明专利CN201610284659.3公开了一种微型试样及一种液压鼓胀试验方法，该专利采用高压油取代冲杆，无需与试样直接接触，且液压鼓胀试验为固支圆平板受均布外压，力学模型清晰，数据解算结果稳定性较高。但是其不能开展高温环境测试，无法获得材料高温力学性能，而核电厂、火电厂和石油化工等在役设备部件存在大量的高温服役环境、可达300-700℃，因此其适用性较低。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种能够在加热条件下对微型试样进行胀形测试的微型试样高温胀形测试装置。
为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：
一种微型试样高温胀形测试装置，包括加热机构、用于测量的测距仪以及设置在所述加热机构内的相互配合的上夹具和下夹具，所述上夹具与下夹具之间形成用于容纳所述微型试样的空间，所述上夹具上开设有沿其长度方向贯穿的测试孔，所述下夹具上开设有沿其长度方向贯穿的增压孔，所述测试孔与增压孔的轴心线重合，所述增压孔与增压机构连接。测距仪采用红外测距仪，加热机构包括电阻炉。通过将夹具设置在加热机构内，在测量前对夹具和夹具中的微型试样进行加热，使得整个测量能够在加热条件下进行。
微型试样试验方法是指从设备上取下不足以对设备构成损伤的较小试样，如厚度0.5mm，直径10mm以下的圆片。
优选地，所述下夹具包括下部的底座以及上部的用于容纳所述上夹具下部的容纳部，所述上夹具包括上部的锥形部以及下部的与所述容纳部相配合的螺纹部，所述容纳部上开设有与所述螺纹部相配合的容纳槽。即容纳部的内径与螺纹部的外径相配合。螺纹部具有外螺纹，容纳槽内具有与该外螺纹相匹配的内螺纹。下夹具位于下方，微型试样位于下夹具的容纳槽内，将上夹具的螺纹部旋入下夹具的容纳槽内对微型试样进行固定。
更加优选地，所述螺纹部的直径大于所述增压孔的直径，所述锥形部底端的直径大于所述容纳槽的直径，所述锥形部底端的直径小于等于所述容纳部的直径。通过设置锥形部底端的直径大于容纳槽的直径使得锥形部底端外围形成位于容纳部上方的上挡部，上挡部用于对螺纹部的旋入深度进行限位，防止旋入过剩以对夹具造成损害。通过设置螺纹部的直径大于增压孔的直径，使得位于容纳槽下方的容纳部相对于增压孔形成下挡部，下挡部用于支撑微型试样，下挡部与上夹具的螺纹部的下端配合对微型试样进行固定。微型试样的尺寸与容纳槽的尺寸相匹配。
优选地，所述加热机构上对应所述测试孔的上方设置有观察窗，所述测距仪设置在所述观察窗的上方。测距仪为红外测距仪，设置观察窗的主要目的是为了供红外测距仪进行检测，使得红外测距仪能够实时测量微型试样中心区域变形高度，也可以供人员实时查看微型试样的状况。
优选地，所述增压机构上安装有泄压机构。增压机构内具有用于在测量时需要对微型试样进行加压的增压介质，可以选用高温导热油或气体，这些增压介质在加热机构进行加热的时候会膨胀，会对微型试样产生压力，所以泄压机构的作用在于在测量正式开始前的加热，通过泄压机构保证增压机构和增压孔内的压力，控制加热过程中微型试样中心区域不受压。
优选地，所述上夹具和下夹具之间螺纹连接；所述上夹具和下夹具的螺纹之间设置有密封胶。上夹具和下夹具之间通过容纳部和螺纹部进行螺纹连接，且螺纹之间设置有高温密封胶，防止测试时增压介质的泄漏。
优选地，所述上夹具和下夹具上安装有测温装置。通过设置测温装置，能够监控上夹具和下夹具的温度，保证试验在设定的温度下进行。在一些实施例中，测温装置包括热电偶，且分别对应底座、容纳部以及锥形部设置有三处，以分别监控下夹具、微型试样以及上夹具的温度，达到精确控温的目的。通过设置三段式控温，可以使得温度梯度低于±3℃。
优选地，所述测试装置在测试时，所述加热机构内充入有保护气体，以防止微型试样表面高温氧化，保护气体为氮气或惰性气体如氦气、氩气等。
优选地，所述上夹具与下夹具同轴设置；所述测试孔与增压孔直径相同，即测试孔和增压孔能够形成一个完全上下贯穿的通道，微型试样设置在测试孔与增压孔的连接处。
本发明还提供了一种根据上述的微型试样高温胀形测试装置的测试方法，包括以下步骤：
（a）将微型试样放入下夹具的容纳槽中，将上夹具的螺纹部旋入下夹具的容纳部内，固定微型试样；
（b）采用增压机构将增压介质充入下夹具的增压孔中，并开启电阻炉，开始加热；
（c）通过泄压机构控制加热过程中微型试样不受压；
（d）当上夹具、下夹具和微型试样加热至设定温度，并保温至少30min，采用增压机构对微型试样进行加压胀形直至破裂，通过测距仪和增压机构获得高温胀形过程中位移-载荷曲线；
（e）取出微型试样，测量胀形破裂尺寸数据，并结合位移-载荷曲线，得到材料的高温力学性能数据如高温拉伸、蠕变、疲劳以及断裂韧性等。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：本发明的微型试样高温胀形测试装置，结构设计合理，通过将夹具设置在加热机构内，在测量前对夹具和夹具中的微型试样进行加热，使得整个测量能够在设定的温度条件下进行，其测试环境温度可达700℃，能够有效表征核电厂、火电厂和石油化工等在役高温部件的高温拉伸、蠕变、疲劳及断裂韧性等力学性能；装置结构简单、操作方便，测试方法简单稳定，结果准确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明优选实施例中微型试样高温胀形测试装置的示意图；
其中：测距仪-1，观察窗-2，上夹具-3，锥形部-31，螺纹部-32，测试孔-33，上挡部-34，微型试样-4，测温装置-5，下夹具-6，底座-61，容纳部-62，增压孔-63，下挡部-64，加热机构-7，增压机构-8，泄压机构-9。
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的技术方案，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。
实施例 一种微型试样4高温胀形测试装置
参照附图1，本实施例的一种微型试样4高温胀形测试装置，包括加热机构7、用于测量的测距仪1以及设置在加热机构7内的相互配合的上夹具3和下夹具6，上夹具3与下夹具6之间形成用于容纳微型试样4的空间，上夹具3上开设有沿其长度方向贯穿的测试孔33，下夹具6上开设有沿其长度方向贯穿的增压孔63，测试孔33与增压孔63的轴心线重合，增压孔63与增压机构8连接。本实施例中，上夹具3与下夹具6同轴设置，且测试孔33与增压孔63直径相同，即测试孔33和增压孔63能够形成一个完全上下贯穿的通道，微型试样4设置在测试孔33与增压孔63的连接处。测距仪1采用红外测距仪1，加热机构7包括电阻炉，夹具设置在电阻炉内。采用红外测距仪1通过电阻炉顶部的高温观察窗2直接测量微型试样胀形过程中变形高度，保证了测试数据的真实准确和较高的稳定性。
下夹具6包括下部的底座61以及上部的用于容纳上夹具3下部的容纳部62，上夹具3包括上部的锥形部31以及下部的与容纳部62相配合的螺纹部32，容纳部62上开设有与螺纹部32相配合的容纳槽，容纳部62的内径与螺纹部32的外径相配合。螺纹部32具有外螺纹，容纳槽内具有与该外螺纹相匹配的内螺纹，上夹具3和下夹具6之间通过容纳部62和螺纹部32进行螺纹连接；上夹具3和下夹具6的螺纹之间设置有密封胶，防止测试时增压介质的泄漏。下夹具6位于下方，微型试样4位于下夹具6的容纳槽内，将上夹具3的螺纹部32旋入下夹具6的容纳槽内对微型试样4进行固定。
如图1中所示，螺纹部32的直径大于增压孔63的直径，锥形部31底端的直径大于容纳槽的直径，锥形部31底端的直径小于等于容纳部62的直径。通过设置锥形部31底端的直径大于容纳槽的直径使得锥形部31底端外围形成位于容纳部62上方的上挡部34，上挡部34用于对螺纹部32的旋入深度进行限位，防止旋入过剩以对夹具造成损害。通过设置螺纹部32的直径大于增压孔63的直径，使得位于容纳槽下方的容纳部62相对于增压孔63形成下挡部64，下挡部64用于支撑微型试样4，下挡部64与上夹具3的螺纹部32的下端配合对微型试样4进行固定。微型试样4的尺寸与容纳槽的尺寸相匹配。
本实施例中的加热机构7上对应测试孔33的上方设置有观察窗2，测距仪1设置在观察窗2的上方。测距仪1为红外测距仪1，设置观察窗2的主要目的是为了供红外测距仪1进行检测，使得红外测距仪1能够实时测量微型试样4中心区域变形高度，也可以供人员实时查看微型试样4的状况。
本实施例中在增压机构8上还安装有泄压机构9如泄压阀等。增压机构8内具有用于在测量时需要对微型试样4进行加压的增压介质，可以选用高温导热油或气体，这些增压介质在加热机构7进行加热的时候会膨胀，会对微型试样4产生压力，所以泄压机构9的作用在于在测量正式开始前的加热，通过泄压机构9保证增压机构8和增压孔63内的压力，控制加热过程中微型试样4中心区域不受压。
上夹具3和下夹具6上安装有测温装置5。通过设置测温装置5，能够监控上夹具3和下夹具6的温度，保证试验在设定的温度下进行。在本实施例中，测温装置5包括热电偶，且分别对应底座61、容纳部62以及锥形部31设置有三处，以分别监控下夹具6、微型试样4以及上夹具3的温度，达到精确控温的目的。通过设置三段式控温，可以使得温度梯度低于±3℃。
为了防止微型试样4表面高温氧化，加热机构7内还充入有保护气体，保护气体为氮气或惰性气体如氦气、氩气等。
本实施例的微型试样4高温胀形测试装置，结构设计合理，通过将夹具设置在加热机构7内，在测量前对夹具和夹具中的微型试样4进行加热，使得整个测量能够在加热条件下进行，其测试环境温度可达700℃，能够有效表征核电厂、火电厂和石油化工等在役高温部件的高温拉伸、蠕变、疲劳及断裂韧性等力学性能；装置结构简单、操作方便。
实施例2 微型试样4高温胀形的测试方法
本实施例提供了一种根据实施例1中所述的微型试样4高温胀形测试装置的测试方法，包括以下步骤：
（a）将微型试样4放入下夹具6的容纳槽中，将上夹具3的螺纹部32旋入下夹具6的容纳部62内，固定微型试样4。微型试样4的尺寸与容纳槽的尺寸相匹配。
（b）采用增压机构8将增压介质充入下夹具6的增压孔63中，并开启电阻炉，开始加热。增压介质为高温导热油或气体。
为了防止微型试样4表面高温氧化，加热机构7内还充入有保护气体，保护气体为氮气或惰性气体如氦气、氩气等。
（c）通过泄压机构9控制加热过程中微型试样4不受压。
增压介质在加热机构7进行加热的时候会膨胀，会对微型试样4产生压力，所以泄压机构9的作用在于在测量正式开始前的加热，通过泄压机构9保证增压机构8和增压孔63内的压力，控制加热过程中微型试样4中心区域不受压。
（d）当上夹具3、下夹具6和微型试样4加热至设定温度，并保温至少30min，采用增压机构8对微型试样4进行加压胀形直至破裂，通过测距仪1和增压机构8获得高温胀形过程中位移-载荷曲线。
在上夹具3和下夹具6上点焊三处热电偶，分别对应底座61、容纳部62以及锥形部31，分别监控下夹具6、微型试样4以及上夹具3的温度，以便采用三段式控温，使得温度梯度低于±3℃。
采用红外测距仪1通过电阻炉顶部的高温观察窗2直接测量微型试样胀形过程中变形高度，保证了测试数据的真实准确和较高的稳定性。
（e）取出微型试样4，测量胀形破裂尺寸数据，并结合位移-载荷曲线，得到材料的高温力学性能数据如高温拉伸、蠕变、疲劳以及断裂韧性等。
本实施例的测试方法简单稳定、直接测量获取载荷-位移曲线，其数据分散度较低、拟合误差小于10%。
实施例3和实施例4为在实施例1和2的基础上进行具体说明。
实施例3 微型试样高温胀形的测试方法
第一步，切取核电厂主管道材料微型试样4，装入下夹具6，并通过上夹具3与下夹具6螺纹连接和高温密封胶密封，以固定微型试样4。
第二步，在上夹具3和下夹具6侧部点焊三处热电偶5，以采用三段式控温。
第三步，下夹具6连接增压机构8后装入电阻炉中，升温至350℃后保温30min以上，升温和保温时通过泄压阀保证微型试样4不受压。
第四步，通过增压机构8中高温导热油在微型试样4上施加150MPa、应力比0.1的循环载荷直至破裂，通过红外测距仪1测量微型试样4的变形高度，并记录循环周次。
第五步，取出破裂微型试样4，对比宏观疲劳试验、研究微型试样疲劳失效机理，结合微型试样胀形数据，关联获取主管道材料高温疲劳性能。
实施例4
第一步，切取火电厂联箱材料微型试样4，装入下夹具6，并通过上夹具3与下夹具6螺纹连接、高温密封胶密封，以固定微型试样4。
第二步，在上夹具3和下夹具6侧部点焊三处热电偶5，以采用三段式控温。
第三步，下夹具6连接增压机构8后装入电阻炉，在电阻炉中充入氮气或氩气等保护气体，升温至650℃后保温30min以上，升温和保温时通过泄压阀保证微型试样4不受压。
第四步，通过增压机构8中气体在微型试样4上施加压力直至破裂，通过红外测距仪1和增压机构8获得高温胀形过程中位移-载荷曲线。
第五步，取出破裂微型试样4，测量胀形破裂尺寸数据，并结合位移-载荷曲线，关联获取火电厂联箱材料高温拉伸性能，含屈服强度、抗拉强度及延伸率等。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种微型试样高温胀形测试装置，其特征在于：包括加热机构、用于测量的测距仪以及设置在所述加热机构内的相互配合的上夹具和下夹具，所述上夹具与下夹具之间形成用于容纳微型试样的空间，所述上夹具上开设有沿其长度方向贯穿的测试孔，所述下夹具上开设有沿其长度方向贯穿的增压孔，所述测试孔与增压孔的轴心线重合，所述增压孔与增压机构连接；
所述增压机构上安装有泄压机构；
所述上夹具和下夹具之间螺纹连接；所述上夹具和下夹具的螺纹之间设置有密封胶。
2.根据权利要求1所述的一种微型试样高温胀形测试装置，其特征在于：所述下夹具包括下部的底座以及上部的用于容纳所述上夹具下部的容纳部，所述上夹具包括上部的锥形部以及下部的与所述容纳部相配合的螺纹部，所述容纳部上开设有与所述螺纹部相配合的容纳槽。
3.根据权利要求2所述的一种微型试样高温胀形测试装置，其特征在于：所述螺纹部的直径大于所述增压孔的直径，所述锥形部底端的直径大于所述容纳槽的直径。
4.根据权利要求1所述的一种微型试样高温胀形测试装置，其特征在于：所述加热机构上对应所述测试孔的上方设置有观察窗，所述测距仪设置在所述观察窗的上方。
5.根据权利要求1所述的一种微型试样高温胀形测试装置，其特征在于：所述上夹具和下夹具上安装有测温装置。
6.根据权利要求1所述的一种微型试样高温胀形测试装置，其特征在于：所述测试装置在测试时，所述加热机构内充入有保护气体。
7.根据权利要求1所述的一种微型试样高温胀形测试装置，其特征在于：所述上夹具与下夹具同轴设置；所述测试孔与增压孔直径相同。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种微型试样高温胀形测试装置的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
（a）将微型试样放入下夹具的容纳槽中，将上夹具的螺纹部旋入下夹具的容纳部内，固定微型试样；
（b）采用增压机构将增压介质充入下夹具的增压孔中，并开启电阻炉，开始加热；
（c）通过泄压机构控制加热过程中微型试样不受压；
（d）当上夹具、下夹具和微型试样加热至设定温度后，采用增压机构对微型试样进行加压胀形直至微型试样破裂，通过测距仪和增压机构获得高温胀形过程中的位移-载荷曲线。
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