CN110411848A - 用于中子衍射的高温原位加载应力测量装置 - Google Patents

用于中子衍射的高温原位加载应力测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于中子衍射的高温原位加载应力测量装置，包括：支撑架；左侧加载轴，左侧加载轴穿设于支撑架的左侧上；右侧加载轴，右侧加载轴穿设于支撑架的右侧上，左侧加载轴与右侧加载轴之间形成有样品安装座；加热组件，加热组件包括感应线圈，感应线圈由若干螺旋状线圈组成，绕设在样品的外侧并预留有中子散射空间，感应线圈通电后能对样品进行加热；连接棒，连接棒的一端与支撑架可拆卸连接，连接棒的另一端与左侧加载轴的一端可拆卸连接；当右侧加载轴的一端受到外力时，样品被拉伸。本发明装置的体积较小、结构较为简单，且能便于观测实验过程中样品的情况，还能优化样品高温加载下的蠕变实验测量，使应力应变测量结果更加准确。

Description

用于中子衍射的高温原位加载应力测量装置
技术领域
本发明涉及中子衍射应用中的样品环境原位加载技术，尤其涉及用于中子衍射的高温原位加载应力测量装置。
背景技术
中子衍射技术常用于研究材料内部微观结构如残余应力、相变、微观力学等，涉及的行业包括航空航天、轨道交通、核能开发等，为了更准确地研究其材料性能，高温原位加载样品环境受到越来越多的关注，该样品环境通常由高温炉和力学拉伸仪构成。名称为《一种用于中子衍射的原位温度加载装置》的发明专利(专利号：201510872056.0)公开了一种用于中子衍射的原位温度加载装置，该装置的加热方式采用炉体腔电阻丝加热，体积较大、结构较为复杂且不便于动态观察样品加热状况；此外，该装置并未考虑长时间高温加载下样品自身的蠕变效应，会造成应力应变测量结果的不准确。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供用于中子衍射的高温原位加载应力测量装置，装置的体积较小、结构较为简单，且能够便于观测实验过程中样品的情况，另外，还能够优化样品高温加载下的蠕变实验测量，使得应力应变测量结果更加准确。
本发明的目的采用如下技术方案实现：
用于中子衍射的高温原位加载应力测量装置，包括：
支撑架；
左侧加载轴，所述左侧加载轴穿设于支撑架的左侧上；
右侧加载轴，所述右侧加载轴穿设于支撑架的右侧上，所述左侧加载轴与右侧加载轴之间形成有样品安装座，所述样品安装座用于固定样品；
加热组件，所述加热组件包括感应线圈，所述感应线圈由若干螺旋状线圈组成，绕设在样品的外侧并预留有中子散射空间，所述感应线圈通电后能够对样品进行加热；
连接棒，所述连接棒的一端与支撑架可拆卸连接，所述连接棒的另一端与左侧加载轴的一端可拆卸连接；
当所述右侧加载轴的一端受到外力时，样品被拉伸。
进一步地，所述用于中子衍射的高温原位加载应力测量装置还包括固定组件，所述固定组件包括基座、紧固螺母和连接柱，所述基座设于支撑架的一侧，所述连接柱的一端与基座固接，所述支撑架上开设有凹槽，所述连接柱的另一端与凹槽卡接，所述连接棒的两端均设有螺纹结构，所述左侧加载轴上设有螺纹孔，所述连接棒一端的螺纹结构穿过螺纹孔并与螺纹孔螺纹连接，所述基座上设有中孔，所述连接棒另一端的螺纹结构穿过中孔，所述紧固螺母设于基座的一侧，所述连接棒另一端的螺纹结构穿设所述紧固螺母，通过所述紧固螺母将连接棒锁定于基座上。
进一步地，所述加热组件还包括吊环，所述感应线圈通过吊环与支撑架连接。
进一步地，所述加热组件还包括温度热电偶，所述温度热电偶缠绕在样品上，所述温度热电偶对样品温度进行监控。
进一步地，所述加热组件还包括冷却装置，所述冷却装置包括左侧冷却水套和右侧冷却水套，所述左侧冷却水套设于左侧加载轴上，所述右侧冷却水套设于右侧加载轴上，所述左侧冷却水套、右侧冷却水套分别用于对左侧加载轴、右侧加载轴进行冷却降温。
进一步地，所述右侧加载轴的一端连接有力学加载系统，所述力学加载系统用于对右侧加载轴施加外力，使样品被拉伸。
进一步地，所述支撑架包括底座、左侧立柱、右侧立柱和连接轴，所述左侧立柱、右侧立柱分别固定于底座的两侧，所述左侧立柱、右侧立柱之间通过连接轴连接，所述左侧加载轴穿设于左侧立柱上，所述右侧加载轴穿设于右侧立柱上，所述吊环通过卡箍结构与连接轴固定连接。
进一步地，所述连接棒的材质与样品的材质相匹配，当连接棒刚性远大于样品刚性时，实验为高温恒应变拉伸；当连接棒刚性远小于样品刚性时，实验为高温恒应力拉伸；当介于上述两种情况之间时，实验为高温弹性随动拉伸。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明公开的用于中子衍射的高温原位加载应力测量装置，相比传统的炉体腔电阻丝加热方式，本发明采用线圈感应加热方式，入射中子和衍射中子可直接从感应线圈空隙处穿过样品，无需在炉体腔上设置中子入射、出射窗口，显著改善了中子衍射探测角度范围，获取更多的样品中子衍射信息，同时降低了中子入射、出射路径上产生的散射本底，显著提高中子衍射信号的信噪比；采用线圈感应加热方式，与力学拉伸仪装配时大大减小了占用空间，较好地简化了样品环境设备的整体尺寸和重量，方便实验人员进行操作；采用线圈感应加热方式可以非常直观地观测实验过程中样品情况，帮助实验人员更好地控制实验进度和处理突发情况；设置了可拆卸的连接棒，通过改变连接棒的材质，匹配样品性能，可以优化样品高温加载下的蠕变实验测量，使得应力应变测量结果更加准确。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中样品连接棒组件的结构示意图。
图中：1、底座；2、左侧立柱；3、右侧立柱；4、下连接轴；5、上连接轴；6、左侧加载轴；7、右侧加载轴；8、力学加载系统；9、棒状样品；10、感应线圈；11、吊环；12、温度热电偶；13、左侧冷却水套；14、右侧冷却水套；15、样品连接棒组件；16、圆盘基座；17、上连接柱；18、下连接柱；19、连接棒；20、紧固螺母。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“水平”、“竖直”、“顶”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，或是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施方式：
如图1及图2所示，本实施例公开了用于中子衍射的高温原位加载应力测量装置。
该装置主要由以下四部分构成，支撑架、力学拉伸组件、加热组件和样品连接棒组件15。
支撑架包括底座1、左侧立柱2、右侧立柱3和连接轴，其中，本实施例中的连接轴包括上连接轴5和下连接轴4，所有部件均优选为高强度合金材质并通过焊接固定连接，以确保装置的整体稳定性。
力学拉伸组件包括样品夹具和力学加载系统8，其中，样品夹具包括左侧加载轴6和右侧加载轴7，左侧加载轴6和右侧加载轴7之间形成有样品安装座，样品安装座用于固定样品，样品为棒状样品9，左侧加载轴6与左侧立柱2上的孔过渡配合以防止加载过程发生晃动，左侧加载轴6两端均预留螺纹孔；右侧加载轴7与右侧立柱3上的孔过渡配合并连接力学加载系统8，右侧加载轴7左端预留螺纹孔；棒状样品9两端为螺纹结构，分别与左侧加载轴6和右侧加载轴7预留的螺纹孔螺纹连接，在连接处设有隔热片(图中略)以防止高温实验下棒状样品9温度的降低，再通过力学加载系统8施加拉伸力实现样品的单轴拉伸实验。
加热组件包括感应线圈10、吊环11、温度热电偶12和冷却装置，其中，冷却装置包括左侧冷却水套13和右侧冷却水套14(冷却水套进出水管在图中省略)，感应线圈10由若干螺旋状线圈组成绕设在样品的外侧，且样品中心处留有一定宽度的线圈空隙，空隙为预留的中子散射空间，线圈内径约为加载轴外径的2～3倍，以方便样品的安装调试；感应线圈10通过吊环11的卡箍结构与上连接轴5固定连接；温度热电偶12一端缠绕在样品上，另一端从间隙处引出与控制系统连接(不限于设置一个温度热电偶12)；样品夹具两侧设有冷却装置，分别为左侧冷却水套13和右侧冷却水套14，防止加热过程中夹具超温。
样品连接棒组件15为可更换组件，包括圆盘基座16、两连接柱、连接棒19和紧固螺母20，两连接柱可分为上连接柱17和下连接柱18，上连接柱17、下连接柱18左端分别与圆盘基座16焊接固定，上下连接柱右端形成凸台结构分别与左侧立柱2对应位置的凹槽对接固定；连接棒19两端均为螺纹结构，右端螺纹与左侧加载轴6预留的螺纹孔螺纹连接，左端螺纹则穿过圆盘基座16的中孔，用紧固螺母20对其进行固定。
实验时，感应线圈10接通交流电源后对棒状样品9进行加热，样品中心处的线圈空隙可供衍射中子束通过，温度热电偶12对样品温度进行监控并通过控制系统反馈给加热组件进行调节；通过力学加载系统8和右侧加载轴7对棒状样品9施加单轴拉伸。在高温和拉伸力的作用下，棒状样品9会发生蠕变现象，会对中子衍射测量应力应变造成一定误差，为了消除上述影响，本发明设有可更换的样品连接棒组件15，针对不同样品材质，连接棒19的材质也可做相应改变。具体地，当连接棒19刚性远大于棒状样品9刚性时，实验为高温恒应变拉伸；当连接棒19刚性远小于棒状样品9刚性时，实验为高温恒应力拉伸；当介于上述两者之间时，实验为高温弹性随动拉伸，比如两者刚性比为10；实验时，应根据样品具体材质以及实验目的来择优选择连接棒19的材质。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
(1)采用线圈感应加热方式，入射中子和衍射中子可直接从感应线圈10空隙处穿过样品，无需在炉体腔上设置中子入射、出射窗口，显著改善了中子衍射探测角度范围，获取更多的样品中子衍射信息；
(2)采用线圈感应加热方式，入射中子和衍射中子可直接从感应线圈10空隙处穿过样品，无需在炉体腔上设置中子入射、出射窗口，降低了中子入射、出射路径上产生的散射本底，显著提高中子衍射信号的信噪比；
(3)采用线圈感应加热方式，与力学拉伸组件装配时大大减小了占用空间，较好地简化了样品环境设备整体尺寸和重量，方便实验人员进行操作；
(4)采用线圈感应加热方式可以非常直观地观测实验过程中样品情况，帮助实验人员更好地控制实验进度和处理突发情况；
(5)设置了可更换的样品连接棒组件15，通过改变连接棒19的材质，匹配样品性能，可以优化样品高温加载下的蠕变实验测量，使得应力应变测量结果更加准确。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (8)

1.用于中子衍射的高温原位加载应力测量装置，其特征在于，包括：
支撑架；
左侧加载轴，所述左侧加载轴穿设于支撑架的左侧上；
右侧加载轴，所述右侧加载轴穿设于支撑架的右侧上，所述左侧加载轴与右侧加载轴之间形成有样品安装座，所述样品安装座用于固定样品；
加热组件，所述加热组件包括感应线圈，所述感应线圈由若干螺旋状线圈组成，绕设在样品的外侧并预留有中子散射空间，所述感应线圈通电后能够对样品进行加热；
连接棒，所述连接棒的一端与支撑架可拆卸连接，所述连接棒的另一端与左侧加载轴的一端可拆卸连接；
当所述右侧加载轴的一端受到外力时，样品被拉伸。
2.如权利要求1所述的用于中子衍射的高温原位加载应力测量装置，其特征在于：所述用于中子衍射的高温原位加载应力测量装置还包括固定组件，所述固定组件包括基座、紧固螺母和连接柱，所述基座设于支撑架的一侧，所述连接柱的一端与基座固接，所述支撑架上开设有凹槽，所述连接柱的另一端与凹槽卡接，所述连接棒的两端均设有螺纹结构，所述左侧加载轴上设有螺纹孔，所述连接棒一端的螺纹结构穿过螺纹孔并与螺纹孔螺纹连接，所述基座上设有中孔，所述连接棒另一端的螺纹结构穿过中孔，所述紧固螺母设于基座的一侧，所述连接棒另一端的螺纹结构穿设所述紧固螺母，通过所述紧固螺母将连接棒锁定于基座上。
3.如权利要求1所述的用于中子衍射的高温原位加载应力测量装置，其特征在于：所述加热组件还包括吊环，所述感应线圈通过吊环与支撑架连接。
4.如权利要求3所述的用于中子衍射的高温原位加载应力测量装置，其特征在于：所述加热组件还包括温度热电偶，所述温度热电偶缠绕在样品上，所述温度热电偶对样品温度进行监控。
5.如权利要求4所述的用于中子衍射的高温原位加载应力测量装置，其特征在于：所述加热组件还包括冷却装置，所述冷却装置包括左侧冷却水套和右侧冷却水套，所述左侧冷却水套设于左侧加载轴上，所述右侧冷却水套设于右侧加载轴上，所述左侧冷却水套、右侧冷却水套分别用于对左侧加载轴、右侧加载轴进行冷却降温。
6.如权利要求1所述的用于中子衍射的高温原位加载应力测量装置，其特征在于：所述右侧加载轴的一端连接有力学加载系统，所述力学加载系统用于对右侧加载轴施加外力，使样品被拉伸。
7.如权利要求3所述的用于中子衍射的高温原位加载应力测量装置，其特征在于：所述支撑架包括底座、左侧立柱、右侧立柱和连接轴，所述左侧立柱、右侧立柱分别固定于底座的两侧，所述左侧立柱、右侧立柱之间通过连接轴连接，所述左侧加载轴穿设于左侧立柱上，所述右侧加载轴穿设于右侧立柱上，所述吊环通过卡箍结构与连接轴固定连接。
8.如权利要求1所述的用于中子衍射的高温原位加载应力测量装置，其特征在于：所述连接棒的材质与样品的材质相匹配，当连接棒刚性远大于样品刚性时，实验为高温恒应变拉伸；当连接棒刚性远小于样品刚性时，实验为高温恒应力拉伸；当介于上述两种情况之间时，实验为高温弹性随动拉伸。
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