CN111504800A - 一种多功能微试样测试系统、方法、石油化工及核电设备 - Google Patents

一种多功能微试样测试系统、方法、石油化工及核电设备 Download PDF

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Abstract

本发明属于微试样测试技术领域，公开了一种多功能微试样测试系统、方法、石油化工与核电设备，主机框架，用于支撑固定底座、两根圆柱形立柱、中横梁和上横梁；加载系统，用于实现载荷加载；冷却系统，用于实现传动轴冷却；加热炉，用于实现高温测试的加热，以及常温测试时，形成特殊气体的环境保护氛围；高温气体保护系统，用于实现惰性气体的保护；制冷系统，用于实现保温，保证低温测试时的温度；夹装机构，用于实现不同种材料试样的夹装和固定；测量控制系统，用于实现温度、位移和载荷的测量与控制。本发明在低温、常温和高温下对微试样进行多种力学性能的测试，保证测试时加载及环境变量的稳定，测试结果准确。

Description

一种多功能微试样测试系统、方法、石油化工及核电设备
技术领域
本发明属于微试样测试技术领域，尤其涉及一种多功能微试样测试系统、方法、石油化工及核电设备。
背景技术
目前，石油化工、核电、航空航天、燃料电池等领域所使用的诸多设备或机械部件，长期服役在高温高压等极端条件或循环载荷下，如设备启停、温度和压力波动、振动等工况，长期服役后材料的力学性能会发生劣化。另外，随着国内外相关工业越来越多的设备已达到设计的使用寿命但设备仍然完好，各国工业面临着设备完整性研究与延寿评估等严峻问题。因此，如何使用一种无损或者近乎无损的方法得到服役材料的多种综合力学性能，即：一方面不对设备产生致命破坏性，另一方面对服役设备进行准确评估，保证其在延寿期限内安全运行成为工业上一个亟待解决的问题。而要对设备进行精确评估，必须对材料的力学性能，尤其是弹塑性、蠕变、疲劳等性能进行精确测试。常规材料测试如拉伸、蠕变、疲劳测试使用的试样尺寸较大，取样具有破坏性、测试成本高且无法对有限体积的材料进行多种力学性能测试。微试样测试技术是一种使用微试样进行材料测试的微损测试技术，现已广泛用于测试材料的弹塑性性能、断裂韧性、韧脆转变温度及高温蠕变性能。
目前，国内外学者开始使用多种微试样测试技术获取材料力学性能，例如小冲杆技术测量材料的蠕变及疲劳性能，并已经证实使用小冲杆技术测试材料的蠕变及疲劳性能具有可行性。然而，由于微试样测试所需试样非常微小，施加的载荷较小，传统试验机的控制与测量系统，由于装配及设计精度所限，得到的测试结果不够准确，并且传统的材料力学性能测试系统通常无法实现多种力学性能的测量。目前为止，仍没有一种能够对微试样进行综合测试的系统或装置，因此提出一种多功能微试样测试系统与方法具有重要意义。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：目前使用传统材料测试技术进行弹塑性、疲劳、蠕变等力学性能测试时，由于微试样所需载荷较小，传统试验机的控制系统所得到的测试结果不准确，并且，传统测试装置及现有的微试验测试装置无法对微试样进行恶劣环境，例如高、低温及多种气氛环境下的综合测试。
解决以上问题及缺陷的难度为：
(1)如何精确控制微试样测量时所处环境的变量。
(2)如何通过结构设计、优化与传感器布置，消除温度与载荷对测试系统的影响，从而精确测量测试时载荷与位移变化。
(3)如何实现与服役相同的高温、低温与不同气氛的测试环境。
(4)如何实现能够对不同种类的试样，例如金属材料和非金属材料微试样的合理夹持。
解决以上问题及缺陷的意义为：
(1)由于材料力学性能受温度、环境、拘束度等因素共同作用，精确控制微试样测量时所处环境的变量，保证微试验测试环境变量稳定并且合理夹持试样，能够得到精确的材料力学性能。
(2)通过结构设计、优化与传感器布置，消除温度与载荷对测试系统的影响，消除装置由于加工和装配带来的精度误差，从而精确测量测试时载荷与位移变化。
(3)通过设计的相应装置与结构，使得微试样测试环境与工作环境一致，保证得到服役设备材料力学性能准确性。
(4)在核电、石油化工及燃料电池工业，存在众多材料的构件，包括金属材料、非金属材料及由金属和非金属组成的复合材料，合理夹持不同种类材料的微试样能够为获取它们的力学性能作保障。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种多功能微试样测试系统、方法、石油化工及核电设备。
本发明是这样实现的，一种多功能微试样测试系统，所述多功能微试样测试系统包括：
主机框架，用于支撑固定底座、两根圆柱形立柱、中横梁和上横梁；
加载系统，用于实现载荷加载；
冷却系统，用于实现传动轴冷却；
加热炉，用于实现高温试验的加热；以及常温测试时，形成特殊气体的环境保护氛围；
高温气体保护系统，用于实现惰性气体的保护；
制冷系统，用于实现保温，保证低温试验时的试验温度；
夹装机构，用于实现试样的夹装和固定；
测量控制系统，用于实现温度、位移和载荷的测量与控制。
进一步，所述主机框架包括底座、两根圆柱形立柱、中横梁、上横梁；
底座用于放置减速器、交流伺服电机以及闲置时的低温箱，中横梁上设有凸台，凸台设有内螺纹用于安装支承件，在低温试验时凸台上部用于放置低温箱，立柱用于支撑整个框架和连接、固定加热炉；
所述加载系统包括交流伺服电机、减速器、传动机构；
交流伺服电机通过带传动带动减速器，减速器带动丝杠将旋转运动转化为直线运动，通过传动机构和连杆传至下冲头；
所述冷却系统包括冷却水箱、泵、第一截止阀、第二截止阀、冷却水通道；
冷却水通道将冷却系统的各个部件连接在一起。冷却水箱与第一截止阀相连，然后与泵连接，泵与第二截止阀相连接，随后连接至冷却水通道，最终再连回冷却水箱实现回路循环；
进一步，所述加热炉为电阻式加热炉，通过曲轴连接在立柱上；
所述高温气体保护系统包括保护气瓶、第四截止阀、流量计、石英管、上密封套、下密封套；
保护气瓶中装有惰性气体，气体通过下密封套上的进气口进入石英管1内，石英管置于加热炉内，上密封套、下密封套固定在石英管两端，流量计用于调节惰性气体的流量；
所述制冷系统包括液氮罐、第三截止阀、流量计、低温箱；制冷时，低温箱放置在凸台上，低温箱的门向下，依靠其重力压紧在凸台上，液氮罐中的液氮通过管路和低温箱上的液氮入口进入低温箱，通过低温箱上的液氮出口流出，通过流量计控制流量来控制低温箱中的温度低温箱内设有保温层。
进一步，所述夹装机构包括下夹具、连接框架、下夹块、上夹块、上夹具、上冲头、试样、下冲头、夹紧螺母；
下夹具通过螺栓连接固定在支承件上，下夹具下部开槽用于连接框架的运动及装卸，上部有槽及沉孔用于放置下夹块、试样和上夹块，试样夹在两个夹块中间，下夹具与上夹具旋紧时沉孔防止上夹块旋转带动试样旋转；上夹具、下夹具通过螺纹连接；连接框架用于上冲头、下冲头的连接，其上下两个横梁均设有螺纹孔；上冲头、下冲头为阶梯状，与连接框架连接时均通过夹紧螺母加紧，下冲头下部与传动机构的连杆连接；
所述测量控制系统包括热电偶、温度控制器、位移控制器、载荷传感器、载荷控制器，用于温度、位移和载荷的测量与控制；
支承件，下部通过螺纹与凸台连接，上部用于夹装机构的固定。
本发明的另一目的在于提供一种所述多功能微试样测试系统的多功能微试样测试方法，所述多功能小冲杆监测方法的疲劳试验包括：
步骤一：将下冲头通过螺纹连接传动系统的连杆上，并将支承件通过螺纹连接在凸台上；
步骤二：通过夹紧螺母将连接框架与下冲头连接在一起；
步骤三：将下夹具通过螺栓与支承件连接，此时连接框架正好在下夹具下面的槽中，在下夹具上依次放入下压块、试样和上压块，上压块放置在下夹具上方的沉孔内，调整下冲头的位置使其刚好与试样接触，然后将上夹具与下夹具旋紧；
步骤四：将上冲头通过连接框架放入上夹具的孔中，使其下端刚好与试样接触，然后用夹紧螺母将其固定在连接框架上；
步骤五：将测力装置及测距装置调零；
步骤六：在计算机上设置试验加载条件，并对试样加载；
步骤七：测量控制系统获得试验数据，并显示、记录在计算机上。
进一步，所述多功能小冲杆监测方法的蠕变试验包括：
步骤一：将下冲头通过螺纹连接传动系统的连杆上，并将支承件通过螺纹连接在凸台上；
步骤二：将下夹具通过螺栓与支承件连接，在下夹具上依次放入下压块、试样和上压块，上压块放置在下夹具上方的沉孔内，调整下冲头的位置使其刚好与试样接触，然后将上夹具与下夹具旋紧；如果要进行蠕变-疲劳试验，应将连接框架和上冲头装上；
步骤三：将石英管套在夹装机构外，通过密封套将石英管密封，并石英管下部插入进气管及热电偶；打开保护气瓶及第四截止阀，使石英管中充满保护气体，然后整个石英管放置在加热炉中，并在石英管露出部分设保温层；
步骤四：计算机设定加热炉的加热温度，加热炉升温，直至稳定在设定温度后，保温，并通过温度测量系统对温度进行监控及控制；
步骤五：将测力装置及测距装置调零；
步骤六：在计算机上设置试验加载条件，对试样进行加载；
步骤七：测量控制系统获得试验数据，并显示、记录在计算机上。
步骤八：实验结束后，关闭加热炉，待石英管冷却后，将石英管取下，拧开上夹具，即可取出试样，进行下一组实验；石英管冷却方式有两种，一种为空冷，另一种为向石英管中以一定的流量通入液氮，实现快速冷却。
进一步，所述多功能小冲杆监测方法的低温试验包括：
步骤一：将下冲头通过螺纹连接传动系统的连杆上，并将支承件通过螺纹连接在凸台上；
步骤二：将下夹具通过螺栓与支承件连接，在下夹具上依次放入下压块、试样和上压块，上压块要放置在下夹具上方的沉孔内，调整下冲头的位置使其刚好与试样接触，然后将上夹具与下夹具旋紧；
步骤三：低温环境箱门朝下将整个夹装机构包住，并放置在凸台上，利用重力将低温箱的门关上并压紧。并将热电偶和液氮管通过低温箱上的预留孔插入；
步骤四：计算机设定低温的温度，以一定的流量通液氮，直至温度达到设定温度，反馈调节流量，稳定在设定温度；
步骤五：将测力装置及测距装置调零；
步骤六：在计算机上设置试验加载条件，对试样进行加载；
步骤七：测量控制系统获得试验数据，并显示、记录在计算机上；
步骤八：实验结束后，关闭第三截止阀，将环境箱取下，拧开上夹具，即可取出试样，进行下一组实验。
本发明的另一目的在于提供一种搭载所述多功能微试样测试系统的石油化工设备。
本发明的另一目的在于提供一种搭载所述多功能微试样测试系统的核电设备。
本发明的另一目的在于提供一种搭载所述多功能微试样测试系统的航空航天设备。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明的交流伺服电机加载可以保证加载载荷的精度，并实现循环载荷的加载；冷却水通道置于凸台上，通过循环水进行冷却，防止试验温度通过传动轴向下传递，影响传感器的精度；热电偶、载荷传感器、位移传感器均具有较高的精度，保证结果的准确性；在进行高温试验时，试验结束后，为方便石英管的快速冷却，可以打开液氮罐的阀门向石英管中输送液氮，快速降温；石英管伸出加热炉的部分仍包有保温层，防止石英管内不同部位出现较大温差，影响试验结果；在进行疲劳试验时，上冲头和下冲头同步运动，以实现对试样的往复加载；在进行非疲劳试验时，可将连接框架及上冲头取下，只保留下冲头，并可以更换上下夹块，以满足不同试验对上、下夹块孔径、倒角等的要求。
本发明可以在低温、常温和高温下力学性能对微试样进行多种力学性能的测试，包括韧脆转变温度、弹塑性性能、疲劳性能、蠕变性能、蠕变-疲劳性能。采用高精度的热电偶、位移传感器及载荷传感器，保证试验时加载及试验环境变量的稳定，试验结果更加准确。
附图说明
图1是本发明实施例提供的多功能微试样测试系统的结构示意图；
图中：(a)主机框架33；(b)加载系统34；(c)冷却系统35；(d)加热炉11；(e)高温气体保护系统36；(f)制冷系统37；(g)夹装机构18；(h)测量控制系统38。
图2是本发明实施例提供的多功能微试样监测的装置的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的低温环境箱的示意图；
图4是本发明实施例提供的夹装机构的示意图；
图5是本发明实施例提供的下夹具、上夹具的示意图；
图中：(a)下夹具；(b)上夹具。
图6是本发明实施例提供的上压块、下压块的示意图；
图中：(a)上压块；(b)下压块。
图7是本发明实施例提供的上冲头、下冲头的示意图；
图中：(a)上冲头；(b)下冲头。
图8是本发明实施例提供的连接框架的示意图；
图9是本发明实施例提供的支承件的示意图；
图10是本发明进行非金属材料常温性能的试验曲线；
图11是本发明进行金属材料常温疲劳性能测试的仿真云图；
图中：(a)加载；(b)卸载。
图12是本发明进行金属材料高温蠕变性能的试验曲线；
图中：1、底座；2、立柱；3、冷却水箱；4、第一截止阀；5、泵；6、第二截止阀；7、中横梁；8、保护气瓶；9、液氮罐；10、进气口；11、加热炉；12、第三截止阀；13、第四截止阀；14、流量计；15、上横梁；16、上密封套；17、石英管；18、夹装机构；18-1、下夹具；18-2、连接框架；18-3、下夹块；18-4、上夹块；18-5、上夹具；18-6、上冲头；18-7、试样；18-8、下冲头；18-9、夹紧螺母；19、热电偶；20、温度控制器；21、下密封套；22、支承件；23、凸台；24、冷却水通道；25、位移传感器；26、载荷传感器；27、载荷控制器；28、传动机构；29、计算机；30、低温箱；31、减速器；32、交流伺服电机；33、主机框架；34、加载系统；35、冷却系统；36、高温气体保护系统；37、制冷系统；38、测量控制系统；39、液氮入口；40、热电偶孔；41、液氮出口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，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。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种多功能微试样测试系统、方法、石油化工设备，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明提供的多功能微试样测试系统包括：主机框架33、加载系统34、冷却系统35、加热炉11、高温气体保护系统36、制冷系统37、夹装机构18、测量控制系统38。
主机框架33，用于支撑固定底座、两根圆柱形立柱、中横梁和上横梁。
加载系统34，用于实现载荷加载。
冷却系统35，用于实现传动轴冷却。
加热炉11，用于实现高温试验的加热；以及常温测试时，形成特殊气体的环境保护氛围。
高温气体保护系统36，用于实现惰性气体的保护。
制冷系统37，用于实现保温，保证低温试验时的试验温度。
夹装机构18，用于实现试样的夹装和固定。
测量控制系统38，用于实现温度、位移和载荷的测量与控制。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
如图2所示，本发明提供的多功能小冲杆监测系统包括主机框架33、加载系统34、冷却系统35、加热炉11、高温气体保护系统36、制冷系统37、夹装机构38、测量控制系统39；其中：
主机框架33包括底座1、两根圆柱形立柱2、中横梁7和上横梁15。底座1用于放置减速器31、交流伺服电机32以及闲置时的低温箱30，中横梁7上设有凸台23，凸台23设有内螺纹用于安装支承件22，在低温试验时凸台23上部用于放置低温箱30，立柱2用于支撑整个框架和连接、固定加热炉11。
加载系统34包括交流伺服电机32、减速器31、传动机构28组成，为试验提供动力。交流伺服电机32通过带传动带动减速器31，减速器31带动丝杠将旋转运动转化为直线运动，然后通过传动机构28和连杆传至下冲头。交流伺服电机32加载可以保证加载载荷的精度，并实现循环载荷的加载。
冷却系统35包括冷却水箱3、泵5、第一截止阀4、第二截止阀6和冷却水通道24，冷却水流过置于凸台23上的冷却水通道24对传动轴进行冷却，防止试验产生的温度传递至传感器附近，影响传感器的精度。
加热炉11为电阻式加热炉，通过曲轴连接在立柱2上，可以在立柱2上旋转，便于高温试验的加热。
高温气体保护系统36包括保护气瓶8、第四截止阀13、流量计14、石英管17、上密封套16和下密封套21。保护气瓶8中装有惰性气体，气体通过下密封套21上的进气口10进入石英管17内，石英管17置于加热炉11内，上密封套16、下密封套21固定在石英管17两端，流量计14用于调节惰性气体的流量。
制冷系统37包括液氮罐9、第三截止阀12、流量计14和低温箱30。低温箱30，如图3所示。制冷时，低温箱30放置在凸台23上，低温箱30的门向下，依靠其重力压紧在凸台23上，液氮罐9中的液氮通过管路和低温箱30上的液氮入口39进入低温箱30，液氮入口39一侧设置有热电偶孔40，通过低温箱30上的液氮出口41流出，通过流量计14控制流量来控制低温箱30中的温度，低温箱30内设有保温层用于保温，保证低温试验时的试验温度。
图4～图8为夹装机构18及各部件的示意图，夹装机构18主要包括下夹具18-1、连接框架18-2、下夹块18-3、上夹块18-4、上夹具18-5、上冲头18-6、试样18-7、下冲头18-8、夹紧螺母18-9。下夹具18-1通过螺栓连接固定在支承件22上，下夹具18-1下部开槽用于连接框架18-2的运动及装卸，上部有槽及沉孔用于放置下夹块18-3、试样18-7和上夹块18-4，试样18-7夹在两个夹块中间，下夹具18-1与上夹具18-5旋紧时沉孔可防止上夹块18-4旋转带动试样18-7旋转。上夹具18-1、下夹具18-5通过螺纹连接。连接框架18-2用于上冲头18-6、下冲头18-8的连接，其上下两个横梁均设有螺纹孔。上冲头18-6、下冲头18-8为阶梯状，与连接框架18-2连接时均通过夹紧螺母18-9加紧，下冲头18-8下部与传动机构28的连杆连接。
测量控制系统38包括热电偶19、温度控制器20、位移传感器20、位移控制器25、载荷传感器26和载荷控制器27，用于温度、位移和载荷的测量与控制。热电偶19、载荷传感器26、位移传感器20均具有较高的精度，保证结果的准确性。
如图9所示，支承件22，下部通过螺纹与凸台23连接，上部用于夹装机构18的固定。
本发明提供的多功能小冲杆监测系统的疲劳试验具体步骤如下：
步骤一：将下冲头18-8通过螺纹连接传动系统28的连杆上，并将支承件22通过螺纹连接在凸台23上。
步骤二：通过夹紧螺母18-9将连接框架18-2与下冲头18-8连接在一起。
步骤三：将下夹具18-1通过螺栓与支承件22连接，此时连接框架18-2正好在下夹具18-1下面的槽中，在下夹具18-1上依次放入下压块18-3、试样18-7和上压块18-4，上压块18-4要放置在下夹具18-1上方的沉孔内，调整下冲头18-8的位置使其刚好与试样18-7接触，然后将上夹具18-5与下夹具18-1旋紧。
步骤四：将上冲头18-8通过连接框架18-2放入上夹具18-5的孔中，使其下端刚好与试样18-7接触，然后用夹紧螺母18-9将其固定在连接框架18-2上。
步骤五：将测力装置及测距装置调零。
步骤六：在计算机29上设置试验加载条件，如位移载荷、力载荷以及载荷的波形，如三角形、正弦形等。
步骤七：测量控制系统获得试验数据，并显示、记录在计算机29上。
本发明可以获得载荷控制、位移控制下的不同加载比、不同波形的疲劳试验结果。
本发明提供的本发明提供的多功能小冲杆监测系统的蠕变试验具体步骤如下：
步骤一：将下冲头18-8通过螺纹连接传动系统28的连杆上，并将支承件22通过螺纹连接在凸台23上。
步骤二：将下夹具18-1通过螺栓与支承件22连接，在下夹具18-1上依次放入下压块18-3、试样18-7和上压块18-4，上压块18-4要放置在下夹具18-1上方的沉孔内，调整下冲头18-8的位置使其刚好与试样18-7接触，然后将上夹具18-5与下夹具18-1旋紧。如果要进行蠕变-疲劳试验，应将连接框架18-2和上冲头18-6装上。
步骤三：将石英管17套在夹装机构18外，通过密封套将石英管17密封，并石英管17下部插入进气管及热电偶19。打开保护气瓶8及第四截止阀13，使石英管17中充满保护气体，然后整个石英管17放置在加热炉11中，并在石英管17露出部分设保温层。
步骤四：计算机29设定加热炉11的加热温度，加热炉11升温，直至稳定在设定温度后，保温，并通过温度测量系统对温度进行监控及控制。
步骤五：将测力装置及测距装置调零。
步骤六：在计算机29上设置试验加载条件，对试样18-7进行加载。
步骤七：测量控制系统获得试验数据，并显示、记录在计算机29上。
步骤八：实验结束后，关闭加热炉11。待石英管17冷却后，将石英管17取下，拧开上夹具18-5，即可取出试样18-7，进行下一组实验。石英管17冷却方式有两种，一种为空冷，另一种为向石英管17中以一定的流量通入液氮，可以实现快速冷却。
本发明可以获得微试样在加载条件下的高温蠕变性能及蠕变-疲劳性能。
本发明提供的多功能小冲杆监测系统的低温试验具体步骤如下：
步骤一：将下冲头18通过螺纹连接传动系统28的连杆上，并将支承件22通过螺纹连接在凸台23上。
步骤二：将下夹具18-1通过螺栓与支承件22连接，在下夹具18-1上依次放入下压块18-3、试样18-7和上压块18-4，上压块18-4要放置在下夹具18-1上方的沉孔内，调整下冲头18-8的位置使其刚好与试样18-7接触，然后将上夹具18-5与下夹具18-1旋紧。
步骤三：低温环境箱30门朝下将整个夹装机构18包住，并放置在凸台23上，利用重力将低温箱30的门关上并压紧。并将热电偶19和液氮管通过低温箱30上的预留孔插入。
步骤四：计算机29设定低温的温度，以一定的流量通液氮，直至温度达到设定温度，反馈调节流量，使其稳定在设定温度。
步骤五：将测力装置及测距装置调零。
步骤六：在计算机29上设置试验加载条件，对试样18-7进行加载。
步骤七：测量控制系统获得试验数据，并显示、记录在计算机29上。
步骤八：实验结束后，关闭第三截止阀12。将环境箱30取下，拧开上夹具18-5，即可取出试样18-7，进行下一组实验。
本发明可以获得微试样的韧脆转变温度。
从以上可以看出，本发明可以较准确且方便地测量微试样在低温、常温和高温下的力学性能。
使用本发明对非金属材料进行了常温力学性能测试。所采用的试验装置参数：下夹块直径为4.0mm，内孔倒角为0.2mm×45°；冲头直径为2.5mm。所使用材料为陶瓷，其试样直径为10mm，厚度为0.5mm。试验冲击速度分别为2mm/s，3mm/s和5mm/s。图10为在不同加载速度下测试获得的载荷-位移曲线。
使用本发明对金属材料进行了常温疲劳性能测试仿真。所采用的试验装置参数：下夹块直径为4.0mm，内孔倒角为0.25mm×45°；冲头直径为2.45mm。所使用材料为SM490A，其试样直径为9.5mm，厚度为0.5mm。试验采用V形波形加载，加载频率为1Hz，加载比为0.1，最大加载载荷为600N，最小加载载荷为60N。图11(a)为仿真过程中同一次加载到600N的截面应力分布云图，(b)为随后卸载至60N时的截面应力分布云图。
使用本发明对金属材料进行了高温蠕变性能测试。所采用的试验装置参数：下夹块直径为4.0mm，内孔倒角为0.2mm×45°；冲头直径为2.5mm。所使用材料为SS304，其试样直径为10mm，厚度为0.48mm。试验的加载载荷分别为350N、400N、450N、500N和550N，试验温度为650℃。图12为试验获得的试样中心位移随时间变化的曲线。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多功能微试样测试系统，其特征在于，所述多功能微试样测试系统包括：
主机框架，用于支撑固定底座、两根圆柱形立柱、中横梁和上横梁；
加载系统，用于实现载荷加载；
冷却系统，用于实现传动轴冷却；
加热炉，用于实现高温测试的加热；以及常温测试时，形成特殊气体的环境保护氛围；
高温气体保护系统，用于实现惰性气体的保护；
制冷系统，用于实现保温，保证低温测试时的测试温度；
夹装机构，用于实现不同种类试样的夹装和固定；
测量控制系统，用于实现温度、位移和载荷的测量与控制。
2.如权利要求1所述的多功能微试样测试系统，其特征在于，所述主机框架包括底座、两根圆柱形立柱、中横梁、上横梁；
底座用于放置减速器、交流伺服电机以及闲置时的低温箱，中横梁上设有凸台，凸台设有内螺纹用于安装支承件，在低温测试时凸台上部用于放置低温箱，立柱用于支撑整个框架和连接、固定加热炉；
所述加载系统包括交流伺服电机、减速器、传动机构；
交流伺服电机通过带传动带动减速器，减速器带动丝杠将旋转运动转化为直线运动，通过传动机构和连杆传至下冲头；
所述冷却系统包括冷却水箱、泵、第一截止阀、第二截止阀、冷却水通道；冷却水通道将冷却系统的各个部件连接在一起；冷却水箱与第一截止阀相连，然后与泵连接，泵与第二截止阀相连接，随后连接至冷却水通道，再连回冷却水箱实现回路循环；
冷却水流过置于凸台上的冷却水通道对传动轴进行冷却。
3.如权利要求1所述的多功能微试样测试系统，其特征在于，所述加热炉为电阻式加热炉，通过曲轴连接在立柱上；
所述高温气体保护系统包括保护气瓶、第四截止阀、流量计、石英管、上密封套、下密封套；
保护气瓶中装有惰性气体，气体通过下密封套上的进气口进入石英管1内，石英管置于加热炉内，上密封套、下密封套固定在石英管两端，流量计用于调节惰性气体的流量；
所述制冷系统包括液氮罐、第三截止阀、流量计、低温箱；制冷时，低温箱放置在凸台上，低温箱的门向下，依靠其重力压紧在凸台上，液氮罐中的液氮通过管路和低温箱上的液氮入口进入低温箱，通过低温箱上的液氮出口流出，通过流量计控制流量控制低温箱中的温度低温箱内设有保温层；
所述夹装机构包括下夹具、连接框架、下夹块、上夹块、上夹具、上冲头、试样、下冲头、夹紧螺母；
下夹具通过螺栓连接固定在支承件上，下夹具下部开槽用于连接框架的运动及装卸，上部有槽及沉孔用于放置下夹块、试样和上夹块，试样夹在两个夹块中间，下夹具与上夹具旋紧时沉孔防止上夹块旋转带动试样旋转；上夹具、下夹具通过螺纹连接；连接框架用于上冲头、下冲头的连接，其上下两个横梁均设有螺纹孔；上冲头、下冲头为阶梯状，与连接框架连接时均通过夹紧螺母加紧，下冲头下部与传动机构的连杆连接；
所述测量控制系统包括热电偶、温度控制器、位移传感器、位移控制器、载荷传感器、载荷控制器，用于温度、位移和载荷的测量与控制；
支承件，下部通过螺纹与凸台连接，上部用于夹装机构的固定。
4.一种如权利要求1～3任意一项所述多功能微试样测试系统的多功能微试样测试方法，其特征在于，所述多功能小冲杆监测方法的疲劳试验包括：
步骤一：将下冲头通过螺纹连接传动系统的连杆上，并将支承件通过螺纹连接在凸台上；
步骤二：通过夹紧螺母将连接框架与下冲头连接在一起；
步骤三：将下夹具通过螺栓与支承件连接，此时连接框架正好在下夹具下面的槽中，在下夹具上依次放入下压块、试样和上压块，上压块放置在下夹具上方的沉孔内，调整下冲头的位置使其刚好与试样接触，然后将上夹具与下夹具旋紧；
步骤四：将上冲头通过连接框架放入上夹具的孔中，使其下端刚好与试样接触，然后用夹紧螺母将其固定在连接框架上；
步骤五：将测力装置及测距装置调零；
步骤六：在计算机上设置测试加载条件，对试样进行加载；
步骤七：测量控制系统获得测试数据，并显示、记录在计算机上。
5.如权利要求4所述的多功能微试样测试方法，其特征在于，所述多功能小冲杆监测方法的蠕变试验包括：
步骤一：将下冲头通过螺纹连接传动系统的连杆上，并将支承件通过螺纹连接在凸台上；
步骤二：将下夹具通过螺栓与支承件连接，在下夹具上依次放入下压块、试样和上压块，上压块放置在下夹具上方的沉孔内，调整下冲头的位置使其刚好与试样接触，然后将上夹具与下夹具旋紧；如果要进行蠕变-疲劳试验，应将连接框架和上冲头装上；
步骤三：将石英管套在夹装机构外，通过密封套将石英管密封，并在石英管下部插入进气管及热电偶；打开保护气瓶及第四截止阀，使石英管中充满保护气体，然后整个石英管放置在加热炉中，并在石英管露出部分设保温层；
步骤四：计算机设定加热炉的加热温度，加热炉升温，直至稳定在设定温度后，保温，并通过温度测量系统对温度进行监控及控制；
步骤五：将测力装置及测距装置调零；
步骤六：在计算机上设置试验加载条件，对试样进行加载；
步骤七：测量控制系统获得试验数据，并显示、记录在计算机上；
步骤八：实验结束后，关闭加热炉，待石英管冷却后，将石英管取下，拧开上夹具，即可取出试样，进行下一组实验；石英管冷却方式有两种，一种为空冷，另一种为向石英管中以一定的流量通入液氮，实现快速冷却。
6.如权利要求4所述的多功能微试样测试方法，其特征在于，所述多功能小冲杆监测方法的低温试验包括：
步骤一：将下冲头通过螺纹连接传动系统的连杆上，并将支承件通过螺纹连接在凸台上；
步骤二：将下夹具通过螺栓与支承件连接，在下夹具上依次放入下压块、试样和上压块，上压块要放置在下夹具上方的沉孔内，调整下冲头的位置使其刚好与试样接触，然后将上夹具与下夹具旋紧；
步骤三：低温环境箱门朝下将整个夹装机构包住，并放置在凸台上，利用重力将低温箱的门关上并压紧，并将热电偶和液氮管通过低温箱上的预留孔插入；
步骤四：计算机设定低温的温度，以一定的流量通液氮，直至温度达到设定温度，反馈调节流量，稳定在设定温度；
步骤五：将测力装置及测距装置调零；
步骤六：在计算机上设置试验加载条件，对试样进行加载；
步骤七：测量控制系统获得试验数据，并显示、记录在计算机上；
步骤八：实验结束后，关闭第三截止阀，将环境箱取下，拧开上夹具，即可取出试样，进行下一组实验。
7.一种搭载权利要求1～3任意一项所述多功能微试样测试系统的石油化工设备。
8.一种搭载权利要求1～3任意一项所述多功能微试样测试系统的核电设备。
9.一种搭载权利要求1～3任意一项所述多功能微试样测试系统的航空航天设备。
10.一种搭载权利要求1～3任意一项所述多功能微试样测试系统的燃料电池设备。
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