CN110726617B - 梯度材料高通量压痕蠕变测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种梯度材料高通量压痕蠕变测试装置，包括用于对梯度试样加热的加热装置、用于向梯度试样加载压力的压力加载装置、用于与梯度试样表面接触并将压力加载装置的压力载荷施加给梯度试样的多个压头和用于感应各活塞杆轴向位移变化的感应器，压力加载装置包括多个平行并间隔设置的缸筒、顶端滑动插装于各缸筒中的活塞杆和推动各活塞杆竖直向下移动的恒压施加装置，多个压头分别设置于各活塞杆的底端。本发明提供的梯度材料高通量压痕蠕变测试装置在蠕变测试试验过程中，只需通过感应器感应并记录各活塞杆下降的位移，利用时间和位移的记录即可对比分析梯度试样各个位置的蠕变性能，可准确、高效地对梯度材料进行蠕变测试试验。
Description
技术领域
本发明属于材料测试设备技术领域，更具体地说，是涉及一种梯度材料高通量压痕蠕变测试装置。
背景技术
梯度材料整体为功能相应于组成和结构的变化而渐变的非均质材料，其具有良好的耐热应力强度和机械强度，逐渐在航空航天领域中得到应用。当前，在新型耐高温抗蠕变合金材料的研发过程中，常常引入材料基因工程高通量思想，以制备出耐高温抗蠕变性能良好的梯度材料。由于梯度材料通常包含了元素成分梯度、含量梯度或者组织梯度，使梯度材料在某个或者某些方向上呈现组织或者成分的梯度分布，甚至呈现各向异性的非均质特性。因此，在对梯度材料进行蠕变性能测试试验时，通常无法制备出大尺寸、成分组织分布均匀的均质蠕变试样，这就使得传统的单轴拉伸蠕变测试装置无法准确、高效地对梯度材料进行蠕变测试试验，导致梯度材料的蠕变试验结果准确度偏低，测试效率较低，无法满足新型耐高温抗蠕变梯度材料高通量、快速试验、快速筛选的急迫需求，从而制约了梯度材料在航空航天领域中的广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种梯度材料高通量压痕蠕变测试装置，旨在解决现有技术中存在的无法准确、高效地对梯度材料进行高通量蠕变测试试验的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种梯度材料高通量压痕蠕变测试装置，包括用于对梯度试样加热的加热装置、用于向所述梯度试样加载压力的压力加载装置以及用于与所述梯度试样表面接触并将所述压力加载装置的压力载荷施加给所述梯度试样的多个压头，所述压力加载装置包括多个平行并间隔设置的缸筒、顶端滑动插装于各所述缸筒中的活塞杆和推动各所述活塞杆直线移动的恒压施加装置，多个所述压头分别设置于各所述活塞杆的底端，所述梯度材料高通量压痕蠕变测试装置还包括用于感应各所述活塞杆轴向位移变化以测试所述梯度试样蠕变变形量的感应器。
进一步地，所述恒压施加装置包括与各所述缸筒相连通的缸体、滑动安装于所述缸体中的托盘以及置于所述托盘上以使所述托盘向下移动压缩所述缸体内空气的加压砝码，各所述缸筒固定于所述缸体的底面上。
进一步地，多个所述缸筒呈矩形阵列排布于所述缸体的底面上。
进一步地，多个所述活塞杆上的测量孔位于同一平面。
进一步地，所述感应器为激光位移传感器，各所述活塞杆上设有供所述激光位移传感器感应的测量孔。
进一步地，各所述活塞杆上分别设有多个所述测量孔。
进一步地，各所述活塞杆上的多个所述测量孔沿该活塞杆的周向等间隔分布。
进一步地，所述加热装置包括用于容置所述梯度试样的温控箱、设置于所述温控箱内的加热元件和用于感测所述梯度试样温度的热电偶。
进一步地，所述温控箱包括箱体和盖设于所述箱体上的盖板，所述盖板上分别对应设有引导各所述活塞杆垂直伸入所述箱体中的导向滑孔。
进一步地，各所述压头上设有用于检测该压头载荷信号的压力传感器。
本发明提供的梯度材料高通量压痕蠕变测试装置的有益效果在于：与现有技术相比，本发明提供的梯度材料高通量压痕蠕变测试装置，通过平行并间隔设置多个缸筒，在多个缸筒中分别滑动插装活塞杆，在各活塞杆的底端设置有压头，并设置有同时推动各活塞杆沿缸筒竖直向下移动的恒压施加装置。则在对梯度试样进行蠕变测试试验时，通过加热装置对梯度试样进行加热，将各活塞杆底端的压头与梯度试样表面接触，通过恒压施加装置同时推动各活塞杆沿缸筒竖直向下移动，使各活塞杆底端的压头同时对梯度试样施加载荷，从而使梯度试样在不同的位置同时发生变形，且在梯度试样的表面产生相应的压痕。在蠕变测试试验过程中，只需通过感应器感应并记录各活塞杆下降的位移，利用时间和位移的记录即可对比分析梯度试样各个位置的蠕变性能。因此，本发明提供的梯度材料高通量压痕蠕变测试装置仅需一次蠕变测试，便可准确、快速、高效地对梯度材料进行高通量蠕变测试试验，满足新型耐高温抗蠕变梯度材料高通量、快速试验、快速筛选的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的梯度材料高通量压痕蠕变测试装置的立体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的梯度材料高通量压痕蠕变测试装置的爆炸结构示意图；
图3为图2中局部放大的结构示意图；
图4为图2中局部放大的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的梯度材料高通量压痕蠕变测试装置的多个压头呈矩形阵列排布的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的梯度材料高通量压痕蠕变测试装置的活塞杆上开设多个测量孔的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的梯度材料高通量压痕蠕变测试装置对梯度试样进行蠕变试验时的结构示意图。
其中，图中各附图主要标记：
1-压力加载装置；11-缸筒；12-活塞杆；121-测量孔；13-恒压施加装置；131-缸体；132-托盘；133-加压砝码；
2-压头；3-激光位移传感器；
4-温控箱；41-箱体；42-盖板；421-导向滑孔；
5-空气；6-梯度试样；7-压痕。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“连接于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，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，可以是固定连接，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；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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。
请一并参阅图1、图2及图7，现对本发明提供的梯度材料高通量压痕蠕变测试装置进行说明。本发明提供的梯度材料高通量压痕蠕变测试装置，包括用于对梯度试样6加热的加热装置、用于向梯度试样6加载压力的压力加载装置1以及用于与梯度试样6表面接触并将压力加载装置1的压力载荷施加给梯度试样6的多个压头2，压力加载装置1包括多个平行并间隔设置的缸筒11、顶端滑动插装于各缸筒11中的活塞杆12和推动各活塞杆12竖直向下移动的恒压施加装置13，多个压头2分别设置于各活塞杆12的底端，梯度材料高通量压痕蠕变测试装置还包括用于感应各活塞杆12轴向位移变化以测试梯度材料蠕变变形量的感应器。
本发明提供的梯度材料高通量压痕蠕变测试装置的基本工作原理：在对梯度试样6进行蠕变测试试验时，利用加热装置对梯度试样6进行加热后，将各活塞杆12底端的压头2与梯度试样6表面接触。通过恒压施加装置13同时推动各活塞杆12沿缸筒11竖直向下移动，以下压各活塞杆12底端的压头2对梯度试样6施加载荷，在蠕变实验进行过程中，由感应器感应并记录活塞杆12的时时位移变化，然后通过时间和位移的记录即可对比分析梯度试样6各个位置的蠕变性能，对试样进行组织和成分筛选。请参阅图7，梯度材料蠕变试验过程中各活塞杆12底端的压头2头向下施加载荷，使梯度试样6发生变形并在梯度试样6的表面产生压痕7，通过感应器感应并记录各活塞杆12下降的位移即可测试材料的蠕变性能，测试完成后梯度试样6表面的压痕如图3及图4所示。
本发明提供的梯度材料高通量压痕蠕变测试装置，与现有技术相比，通过平行并间隔设置多个缸筒11，在多个缸筒11中分别滑动插装活塞杆12，在各活塞杆12的底端设置有压头2，并设置有同时推动各活塞杆12沿缸筒11竖直向下移动的恒压施加装置13。则在对梯度试样6进行蠕变测试试验时，通过加热装置对梯度试样6进行加热，将各活塞杆12底端的压头2与梯度试样6表面接触，通过恒压施加装置13同时推动各活塞杆12沿缸筒11竖直向下移动，使各活塞杆12底端的压头2同时对梯度试样6施加载荷，从而使梯度试样6在不同的位置同时发生变形，且在梯度试样6的表面产生相应的压痕。在蠕变测试试验过程中，只需通过感应器感应并记录各活塞杆12下降的位移，利用时间和位移的记录即可对比分析梯度试样6各个位置的蠕变性能。因此，本发明提供的梯度材料高通量压痕蠕变测试装置仅需一次蠕变测试，便可准确、快速、高效地对梯度材料进行高通量蠕变测试试验，满足新型耐高温抗蠕变梯度材料高通量、快速试验、快速筛选的需求，极大地提高了梯度试样6的测试效率，节约了成本，从而克服传统蠕变测试试验装置无法实现高通量蠕变测试的缺陷，尤其适用梯度试样6的蠕变测试。
进一步地，请一并参阅图1、图2及图7，作为本发明实施例提供的梯度材料高通量压痕蠕变测试装置的一种具体实施方式，恒压施加装置13包括与各缸筒11相连通的缸体131、滑动安装于缸体131中的托盘132以及置于托盘132上以使托盘132向下移动压缩缸体131内空气5的加压砝码133，各缸筒11的顶端固定于缸体131的底面上。
本实施例中，恒压施加装置13包括与各缸筒11相连通的缸体131、滑动安装于缸体131中的托盘132以及置于托盘132上的加压砝码133，采用加压砝码133重力加载以使托盘132向下移动压缩缸体131内空气，将压力载荷通过压缩空气均衡稳定地传递至各缸筒11中，推动各缸筒11中的活塞杆12沿缸筒11竖直向下移动，使各活塞杆12底端的压头2同时对梯度试样6施加载荷，从而使梯度试样6在不同的位置同时发生变形，且在梯度试样6的表面产生相应的压痕。在蠕变测试试验过程中，实现了压力在较长的时间内保持均衡稳定，增强了压力加载的稳定性，也保证了恒压施加装置13同时推动各活塞杆12沿缸筒11竖直向下移动的稳定可靠性，并在一定程度上提高了对梯度材料蠕变性能测试试验的准确可靠性。
当然，恒压施加装置13还可以是包括与各缸筒11相连通的缸体131、滑动安装于缸体131中的托盘132以及配置有压力计的气缸、油缸或者电缸，通过气缸、油缸或者电缸的伸缩杆直接以恒定作用力推顶托盘132，并且通过压力计计量气缸、油缸或者电缸的伸缩杆作用于顶托盘132上的推力，以使托盘132向下移动压缩缸体131内空气5，将压力载荷通过压缩空气均衡稳定地传递至各缸筒11中，推动各缸筒11中的活塞杆12沿缸筒11竖直向下移动，使各活塞杆12底端的压头2同时对梯度试样6施加载荷，从而使梯度试样6在不同的位置同时发生变形，且在梯度试样6的表面产生相应的压痕。
优选地，压头2与活塞杆12可拆卸连接，对于不同载荷下的蠕变试验，仅需要更换不同尺寸的压头2即可，操作方便。具体地，压头2可以通过卡扣结构、螺纹连接结构等连接方式连接于活塞杆12的底端。
进一步地，请一并参阅图5，作为本发明实施例提供的梯度材料高通量压痕蠕变测试装置的一种具体实施方式，多个压头2呈矩形阵列排布，以使各缸筒11中活塞杆12底端的压头2均匀分布于梯度试样6的表面，对梯度试样6各个位置施加均匀载荷，实现对梯度试样6各个位置的蠕变性能进行高通量测试试验，提高蠕变测试的准确性和测试效率。
优选地，请一并参阅图5及图7，作为本发明实施例提供的梯度材料高通量压痕蠕变测试装置的一种具体实施方式，多个压头2位于同一平面，以便于对块状梯度试样6进行蠕变测试试验，提高蠕变测试的准确性。
优选地，作为本发明实施例提供的梯度材料高通量压痕蠕变测试装置的一种具体实施方式，各缸筒11与缸体131一体成型，增强缸筒11连接的稳固性，在蠕变测试试验过程中，实现了压力在较长的时间内保持均衡稳定，增强了压力加载的稳定性，使各缸筒11中的活塞杆12的压力传递更加稳定可靠，并保证各缸筒11中的活塞杆12比较稳定地沿缸筒11竖直向下移动，下压压头2同时对梯度试样6施加载荷，从而使梯度试样6在不同的位置同时发生变形，有利于梯度材料蠕变测试。
进一步地，请一并参阅图1、图6及图7，作为本发明实施例提供的梯度材料高通量压痕蠕变测试装置的一种具体实施方式，所述感应器为激光位移传感器3，各所述活塞杆12上设有供所述激光位移传感器3感应的测量孔121。本实施例中，通过高精度激光位移传感器3对多根活塞杆12上的测量孔121进行感应，以时时记录随时间延长过程中活塞杆12的位移变化，再通过时间和位移的记录即可对比分析梯度试样6各个位置的蠕变性能，对试样进行组织和成分筛选。操作方便，仪器结构简单，极大的提高测试效率高，降低了测试成本，对加快新型高温合金的开发具有重要意义。同时，对于组织成分均匀的试样在不同应力条件下的蠕变测试，只需要更换不同尺寸的压头2即可实现多应力条件下的蠕变测试。通过激光位移传感器3和活塞杆12上的测量孔121记录活塞杆12的时时位移变化，通过时间和位移的记录即可得到材料的蠕变性能。
当然，感应器可以是激光位移传感器3但不局限于激光位移传感器3，感应器还可以是感应测量孔121的光电式位移传感器；各活塞杆12上设磁体，则感应器还可以时霍耳式位移传感器。
进一步地，请一并参阅图3、图5及图7，作为本发明实施例提供的梯度材料高通量压痕蠕变测试装置的一种具体实施方式，多根活塞杆12上的测量孔121位于同一平面，以便于激光位移传感器3对各活塞杆12上的测量孔121的感应和记录，通过时时记录随时间延长过程中活塞杆12的位移变化，再通过时间和位移的记录即可对比分析梯度试样6各个位置的蠕变性能，提高梯度材料蠕变测试试验的准确性。
进一步地，请一并参阅图6，作为本发明实施例提供的梯度材料高通量压痕蠕变测试装置的一种具体实施方式，各活塞杆12上分别设有多个测量孔121，以便于激光位移传感器3对各活塞杆12上的测量孔121的感应和记录，防止测量孔121发生角度偏移或者被遮挡而影响激光位移传感器3对该测量孔121的感应，从而影响时时记录随时间延长过程中活塞杆12的位移变化的准确性，进而影响梯度材料蠕变测试试验的准确性。
进一步地，请一并参阅图6，作为本发明实施例提供的梯度材料高通量压痕蠕变测试装置的一种具体实施方式，各活塞杆12上的多个测量孔121沿该活塞杆12的周向等间隔分布，以便于激光位移传感器3对各活塞杆12上的测量孔121的感应和记录，防止测量孔121发生角度偏移或者被遮挡而影响激光位移传感器3对该测量孔121的感应，使激光位移传感器3从不同的方向均可以感应到测量孔121，从而提高时时记录随时间延长过程中活塞杆12的位移变化的准确性，然后通过时间和位移的记录即可对比分析梯度试样6各个位置的蠕变性能，提高了梯度材料蠕变测试试验的准确性。
进一步地，请一并参阅图1、图2及图7，作为本发明实施例提供的梯度材料高通量压痕蠕变测试装置的一种具体实施方式，加热装置包括用于容置梯度试样6的温控箱4、设置于温控箱4内的加热元件(图中未示出)和用于感测梯度试样6温度的热电偶(图中未示出)。
本实施例中，通过设置温控箱4，将梯度试样6放置于温控箱4中，利用加热元件对温控箱4中的梯度试样6进行加热，利用热电偶对温控箱4中的梯度试样6实时温度进行感测，以在试验过程中，通过温控箱4的温度调节，实现梯度试样6在不同温度下的蠕变试验，使梯度材料高通量压痕蠕变测试装置具有良好的适用性。其中，加热元件为电发热丝，具体为镍铬丝、铁铬铝丝、镍铁丝或者镍铜丝种的任意一种。
进一步地，请一并参阅图1及图2，作为本发明实施例提供的梯度材料高通量压痕蠕变测试装置的一种具体实施方式，温控箱4包括顶端具有开口的箱体41和盖设于箱体41顶端开口上的盖板42，盖板42上分别对应设有引导各活塞杆12垂直伸入箱体41中的导向滑孔421。
本实施例中，各活塞杆12与块状梯度试样6所在的平面垂直，在温控箱4的箱体41的顶端开口上盖设有盖板42，并在盖板42上分别对应设有引导各活塞杆12垂直伸入箱体41中的导向滑孔421，通过各导向滑孔421对相应活塞杆12的引导导向，使各活塞杆12能够保持良好的垂直度伸入箱体41中并垂直下压相应压头2，使各活塞杆12底端的压头2同时稳定高效地将压力载荷同时施加于梯度试样6上，从而有利于梯度试样6在不同的位置同时发生变形，且在梯度试样6的表面产生相应的压痕。并且，在蠕变测试试验过程中，实现了压力在较长的时间内保持高效稳定的传递，增强了压力加载的稳定性，也保证了恒压施加装置13同时推动各活塞杆12沿缸筒11竖直向下移动的稳定可靠性，并提高激光位移传感器3对各活塞杆12位移感测的精确度，从而在一定程度上提高了对梯度材料蠕变性能测试试验的准确可靠性。
优选地，各压头2上设有用于检测该压头2载荷信号的压力传感器，在压头2上设置压力传感器，可精确检测各压头2的实时载荷信号，通过对各压头2的实时载荷信号进行分析，有利于减小蠕变试验的测试误差，提高对梯度材料蠕变性能测试试验的准确可靠性。
当然，本实施例中也可以在压头2上设置监测压头2位移的位移传感器，可精确测量各压头2的位移信息，以通过各压头2的位移信息与激光位移传感器3感测并记录相应活塞杆12的位移量进行对比分析，有利于减小蠕变试验的测试误差，提高对梯度材料蠕变性能测试试验的准确可靠性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种梯度材料高通量压痕蠕变测试装置，其特征在于：包括用于对梯度试样加热的加热装置、用于向所述梯度试样加载压力的压力加载装置以及用于与所述梯度试样表面接触并将所述压力加载装置的压力载荷施加给所述梯度试样的多个压头，所述压力加载装置包括多个平行并间隔设置的缸筒、顶端滑动插装于各所述缸筒中的活塞杆和推动各所述活塞杆直线移动的恒压施加装置，多个所述压头分别设置于各所述活塞杆的底端，所述梯度材料高通量压痕蠕变测试装置还包括用于感应各所述活塞杆轴向位移变化以测试所述梯度试样蠕变变形量的感应器，多个所述压头呈矩形阵列排布；
所述恒压施加装置包括与各所述缸筒相连通的缸体、滑动安装于所述缸体中的托盘以及置于所述托盘上以使所述托盘向下移动压缩所述缸体内空气的加压砝码，各所述缸筒的顶端固定于所述缸体的底面上；
所述感应器为激光位移传感器，各所述活塞杆上设有供所述激光位移传感器感应的测量孔，多根所述活塞杆上的测量孔位于同一平面；
各所述活塞杆上分别设有多个所述测量孔，各所述活塞杆上的多个所述测量孔沿该活塞杆的周向等间隔分布。
2.如权利要求1所述的梯度材料高通量压痕蠕变测试装置，其特征在于：所述加热装置包括用于容置所述梯度试样的温控箱、设置于所述温控箱内的加热元件和用于感测所述梯度试样温度的热电偶。
3.如权利要求2所述的梯度材料高通量压痕蠕变测试装置，其特征在于：所述温控箱包括箱体和盖设于所述箱体上的盖板，所述盖板上分别设有引导各所述活塞杆垂直伸入所述箱体中的导向滑孔。
4.如权利要求1至3任一项所述的梯度材料高通量压痕蠕变测试装置，其特征在于：各所述压头上设有用于检测该压头载荷信号的压力传感器。
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