CN114323991B - 一种高温铅铋环境蠕变疲劳试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高温铅铋环境蠕变疲劳试验装置，包括蠕变疲劳装置、供气装置、数据分析装置和控制装置，蠕变疲劳装置为待测试样提供高温铅铋环境，并对待测试样进行蠕变疲劳试验；供气装置与疲劳装置连通，并向高温铅铋环境中通入氧气、氢气和水蒸气的混合气体；数据分析装置分别与所述疲劳蠕变装置和供气装置电连接；控制装置分别与所述疲劳蠕变装置、供气装置和数据分析装置电连接。本发明的高温铅铋环境蠕变疲劳试验装置，通过环境箱内的加热装置直接对铅铋进行加热，得到高温铅铋环境，通过作动器和左右夹具对待测试样施加拉压的疲劳载荷，从而完成高温铅铋环境的蠕变疲劳试验。
Description
技术领域
本发明涉及蠕变疲劳试验领域，更具体地涉及一种高温铅铋环境蠕变疲劳试验装置。
背景技术
由于铅铋合金的熔点低，沸点高，导热性能较好，是作为核反应堆冷却剂的首选材料。但铅铋合金对核反应堆的结构材料具有一定腐蚀性，将影响结构材料的力学性能，为了保证核反应堆的安全性，需要在铅铋环境中对结构材料的力学性能进行测试，以确认其满足强度要求。
如图1所示，公布号为CN113203633A的专利申请公开了一种高温液态铅铋环境中的慢拉伸及蠕变试验装置及使用方法，包括慢拉伸试验机1’、拉伸釜体2’、储存釜3’、加热器4’、立柱5’、液压升降缸6’、托盘7’、导通管8’、拉伸轴9’、第一支撑板10’、第二支撑板11’、底部钢板12’、控制柜13’、试样架14’、夹块15’、拉伸釜盖16’和液压泵17’等，在拉伸釜、储存釜和导通管的温度大于250℃时，通过往储存进气口通高纯氩气或高纯氮气，使储存釜中液态铅铋合金流入拉伸釜中，通过往拉伸釜进气口通高纯氩气或高纯氮气，使拉伸釜中液态铅铋合金流入储存釜中，其能够精确控制液态铅铋合金的温度、拉伸速率、恒载荷、恒应变等试验参数，评价金属材料在高温液态铅铋环境中的慢拉伸和蠕变行为。
但是，现有试验装置只能实现慢拉伸和蠕变行为，无法对试样施加拉压载荷，因而无法完成蠕变疲劳试验；且现有的试验装置在储存釜外设置加热器，加热时需先将储存釜加热后再对铅铋合金加热，由于储存釜具有一定的热容，因此加热时容易过冲，造成试样热过载，使试验误差很大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温铅铋环境蠕变疲劳试验装置，以精确地实现高温铅铋环境蠕变疲劳力学性能试验。
本发明提供一种高温铅铋环境蠕变疲劳试验装置，包括蠕变疲劳装置、供气装置、数据分析装置及控制装置，所述蠕变疲劳装置包括固定台，所述固定台上设置有沿水平方向延伸的作动器和与所述作动器相垂直而彼此相互平行的固定支架和滑动支架，所述滑动支架与所述固定台滑动连接；所述作动器具有作动轴，所述作动轴的自由端沿水平方向可伸缩地穿过固定支架且与一左夹具相连，所述滑动支架与所述固定台滑动连接，且自滑动支架水平延伸一与左夹具相对置的右夹具，两夹具相向延伸入位于两者之间的环境箱内，并在所述环境箱内分别与待测试样的两端连接，所述环境箱内还设有加热装置和铅铋，一引伸计由固定台支撑而沿竖直方向延伸入所述环境箱内部并顶紧待测试样。
进一步地，所述左夹具和右夹具对称设置，所述左夹具包括左夹头、左套筒、左顶杆和左顶块，所述左夹头左端与所述作动轴相连，右端与所述左顶杆和左套筒相连，所述左套筒套设在所述左顶杆外侧，并与所述左顶杆滑动配合，所述左套筒右端伸入所述环境箱内部并与所述环境箱紧配合，所述左顶块固定于所述左套筒右端，所述待测试样与所述左顶块固定连接且所述待测试样的左端穿过所述左顶块后被所述左顶杆顶紧。
进一步地，所述左套筒外侧套设有左波纹管，所述左波纹管两端分别与所述左夹头和所述环境箱密封相连。
进一步地，所述滑动支架底部设置有滑轮，所述固定台上设置有滑轨，所述滑轮滑入所述滑轨中。
进一步地，所述固定支架上设置有两沿水平方向延伸的导向轴，所述导向轴一端穿过所述滑动支架，并与所述滑动支架滑动配合。
进一步地，所述滑动支架上设置有力传感器，所述力传感器与所右夹具相连。
进一步地，所述环境箱具有箱盖，所述箱盖与所述环境箱密封相连。
进一步地，所述箱盖上设置有热电偶、液位计和氧传感器。
进一步地，所述供气装置包括第一储存器、第二储存器和水蒸气发生器，分别通过管路与一缓冲罐和气泵依次相连，所述气泵通过管路与所述环境箱内部连通，所述第一储存器中储存有氧气，所述第二储存器中储存有氢气，所述缓冲罐上设置有压力控制仪表。
进一步地，所述第一储存器、第二储存器和水蒸气发生器的出口处均设置有电磁阀和流量计。
本发明的高温铅铋环境蠕变疲劳试验装置，通过环境箱内的加热装置直接对铅铋进行加热，得到高温铅铋环境，通过作动器和左右夹具对待测试样施加拉压的疲劳载荷，从而完成高温铅铋环境的蠕变疲劳试验。
附图说明
图1为现有技术的装置示意图；
图2为根据本发明实施例的高温铅铋环境蠕变疲劳试验装置的结构示意图；
图3为根据本发明实施例的夹具和环境箱的结构示意图；
图4为图3的纵剖视图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
如图2所示，本发明提供一种高温铅铋环境蠕变疲劳试验装置，包括蠕变疲劳装置1、供气装置2、数据分析装置3和控制装置4，蠕变疲劳装置1为待测试样提供高温铅铋环境，并对待测试样进行蠕变疲劳试验；供气装置2与蠕变疲劳装置1连通，并向高温铅铋环境中通入氧气、氢气和水蒸气的混合气体，以控制高温铅铋环境中的氧含量，测定铅铋环境中氧含量对待测试样蠕变疲劳的影响；数据分析装置3分别与蠕变疲劳装置1和供气装置2相连，用于接收蠕变疲劳数据和氧气、氢气、水蒸气的含量，并对其进行分析；控制装置4则分别与蠕变疲劳装置1、供气装置2和数据分析装置3电连接，以控制它们的运作。
供气装置2包括第一储存器21、第二储存器22和水蒸气发生器23，其分别通过管路与一缓冲罐24和气泵25依次连接，气泵25则通过管路与蠕变疲劳装置1的高温铅铋环境连通，第一储存器21中储存有氧气，第二储存器22中储存有氢气，气泵25将第一储存器21中的氧气、第二储存器22中的氢气和水蒸气发生器23产生的水蒸气抽入蠕变疲劳装置1中，第一储存器21、第二储存器22和水蒸气发生器23的出口处均设置有电磁阀26和流量计(图中未示出)，电磁阀26用于控制管路的开闭，并精确控制三种气体的流量，流量计则用于记录氧气、氢气和水蒸气的通入量；缓冲罐24上设置有压力控制仪表27，防止气流过大过冲。
数据分析装置3可以为计算机，其上安装有数据分析软件，以对接收到的各种数据(包括蠕变疲劳数据和氧气、氢气、水蒸气的含量等)进行分析。
蠕变疲劳装置1包括具有四条框边的固定台11，固定台11上横跨两条纵长的框边设有相互平行的固定支架12和滑动支架13，其中固定支架12通过紧固件固定在固定台11上，而滑动支架13则可沿固定台11的两条纵长框边滑动从而与其滑动连接；固定台11上固定有水平设置的作动器14，其包括作动轴141，该作动轴141自固定台11的端部边框出发可沿水平方向伸缩穿过固定支架12，并与一左夹具15的一端固定连接；滑动支架13则与固定支架相对沿水平方向支撑一右夹具17，所述左夹具15和右夹具17相互对中且两夹具之间连接有环境箱16。如图3和4所示，环境箱16为上端具有开口的中空腔体，其内设置有加热装置18和铅铋介质，通过加热装置18将铅铋介质熔化形成高温铅铋环境。待测试样5位于该高温铅铋环境内，其两端分别与左夹具15和右夹具17固定连接。在作动器14的作用下，作动轴141伸出或缩回，从而对待测试样5施加拉伸或压缩载荷，即疲劳载荷，从而实现加载，在加载时，滑动支架13可沿固定台11纵向滑动，以适应待测试样5的变形。
参见图2，气泵25与环境箱16内部连通，以将氢气、氧气和水蒸气通入高温铅铋环境，用于调控铅铋熔液中氧的含量。
由滑动支架13所支撑的右夹具17上还设置有力传感器131，用于监测右夹具17受到的载荷大小，即待测试样5受到的载荷大小。
控制装置4分别与作动器14和力传感器131电连接，用于接收力传感器131传输的载荷大小并据此控制作动器14动作，以对待测试样5施加精确载荷。
滑动支架13底部设置有滑轮131，固定台11上设置有滑轨111，滑轮131滑入滑轨111中，从而使滑动支架13与固定台11实现滑动连接。
固定支架12上还固定有与左、右夹具相平行而沿水平方向延伸穿过滑动支架13的两导向轴121，所述导向轴121与滑动支架13滑动配合，从而使滑动支架沿导向轴121滑动，起到导向的作用。
左夹具15包括左夹头151、左套筒152、左顶杆153和左顶块154，左夹头151左端与作动轴141相连，右端与左顶杆153螺接，左套筒152套设在左顶杆153外侧，并与左顶杆153滑动配合，左套筒152左端与左夹头151固定连接，右端则伸入环境箱16内部并与环境箱16紧配合，左套筒152外侧套设有左波纹管155，左波纹管155两端分别与左夹头151和环境箱16相连，且连接处设置有密封圈，从而形成一密闭的铅铋环境，左顶块154螺纹连接于左套筒152右端，其内开有通孔，待测试样5的左端穿过该通孔并被左顶杆153顶紧，待测试样5同时与左顶块154固定连接；右夹具17与左夹具15为对称结构，包括右夹头171、右套筒172、右顶杆173和右顶块174，右夹头171与滑动支架13固定连接，右套筒172外侧套设有右波纹管175，具体结构与左夹具15相同，此处不再赘述。当作动轴141伸出时，左顶杆153和右顶杆173分别顶住待测试样5的两端，从而施加压缩载荷，为了保证压缩载荷的顺利施加，左顶杆153和左顶块154以及右顶杆173和右顶块174之间必须存在间隙，避免压缩载荷施加在左顶块154和右顶块174上；当作动轴141缩回时，左夹头151、左套筒152和左顶块154以及右夹头171、右套筒172和右顶块174均受到拉伸载荷，从而使待测试样5也被拉伸，完成拉伸载荷的施加。
通过作动轴141的伸缩，带动左顶杆153和左顶块154同步运动，从而对待测试样5施加拉压的疲劳载荷。
环境箱16具有箱盖161，用于遮盖其上端开口。固定台11上固定有引伸支架191，引伸支架191上固定有沿竖直方向延伸的引伸计192，引伸计192的穿过箱盖161底端顶紧待测试样5，保证引伸计能够随待测试样5联动，从而将待测试样5的伸长或压缩量即时准确地通过引伸计192反应出来，用于实现应变控制试验，引伸计192的使用原理为本领域公知，此处不再赘述；引伸计192和箱盖161上均设置有密封结构，以使两者间密封，从而实现变形的精准测量。
加热装置18包括两电加热管，用于加热铅铋并保证其处于高温液态；电加热管一端伸出箱盖161，另一端则伸入铅铋熔液中，电加热管外壁设置耐腐蚀材料，防止被腐蚀。
箱盖161上还设置有热电偶162、液位计163和氧传感器164，热电偶162用于监测铅铋熔液的温度，液位计163则用于监测铅铋熔液是否将待测试样5完全浸没，氧传感器164用于监测高温铅铋熔液中的氧含量。
控制装置4分别与加热装置18、热电偶162和液位计163相连，以控制铅铋熔液的液位和温度。控制装置4还与电磁阀26、气泵25和氧传感器164相连，通过控制气泵25和电磁阀26的工作而控制通入环境箱16内铅铋熔液的氢气、氧气和水蒸气的含量，从而控制铅铋熔液的氧含量。
环境箱16外壁内设置有保温层162，用于保持环境箱16内部的温度。
数据分析装置3分别与力传感器131、引伸计192、电热偶162和氧传感器164相连，以接收它们的数据，分析高温、氧含量对蠕变疲劳的影响。
本发明的高温铅铋环境蠕变疲劳试验装置的工作流程如下：
先将铅铋固体块放置在环境箱16内，然后将箱盖161与环境箱16固定，通过作动器16对待测试样5施加稳定力，并保持此力，然后通过加热装置18将铅铋固体加热为铅铋熔液，温度可控制在300-500℃，从而形成高温铅铋环境，然后通过作动器16对待测试样5施加预设的疲劳载荷，得到待测试样5的应力应变等数据，完成一次试验，然后可改变含量重新进行上述试验，从而验证不同氧含量对金属材料力学特性的影响，数据分析装置接收试验过程中的温度、氧含量及应力应变数据，并对其进行分析，得到高温铅铋环境中待测试样5的力学性能。
本发明实施例的高温铅铋环境蠕变疲劳试验装置，通过环境箱16内的加热装置18直接对铅铋进行加热，得到高温铅铋环境，通过作动器15和左右夹具对待测试样5施加拉压的疲劳载荷，从而完成高温铅铋环境的蠕变疲劳试验。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (9)
1.一种高温铅铋环境蠕变疲劳试验装置，包括蠕变疲劳装置、供气装置、数据分析装置及控制装置，其特征在于，所述蠕变疲劳装置包括固定台，所述固定台上设置有沿水平方向延伸的作动器和与所述作动器相垂直而彼此相互平行的固定支架和滑动支架，所述滑动支架与所述固定台滑动连接；所述作动器具有作动轴，所述作动轴的自由端沿水平方向可伸缩地穿过固定支架且与一左夹具相连，所述滑动支架与所述固定台滑动连接，且自滑动支架水平延伸一与左夹具相对置的右夹具，两夹具相向延伸入位于两者之间的环境箱内，并在所述环境箱内分别与待测试样的两端连接，所述环境箱内还设有加热装置和铅铋，一引伸计由固定台支撑而沿竖直方向延伸入所述环境箱内部并顶紧待测试样；
所述左夹具和右夹具对称设置，所述左夹具包括左夹头、左套筒、左顶杆和左顶块，所述左夹头左端与所述作动轴相连，右端与所述左顶杆和左套筒相连，所述左套筒套设在所述左顶杆外侧，并与所述左顶杆滑动配合，所述左套筒右端伸入所述环境箱内部并与所述环境箱紧配合，所述左顶块固定于所述左套筒右端，所述待测试样与所述左顶块固定连接且所述待测试样的左端穿过所述左顶块后被所述左顶杆顶紧；所述右夹具包括右夹头、右套筒、右顶杆和右顶块，所述右夹头与所述滑动支架固定连接，所述右套筒外侧套设有右波纹管；所述左顶杆和所述左顶块之间以及所述右顶杆和所述右顶块之间均存在间隙；当所述作动轴伸出时，所述左顶杆和所述右顶杆分别顶住所述待测试样的两端，以对所述待测试样施加压缩载荷；当所述作动轴缩回时，所述左夹头、所述左顶块、所述右夹头和所述右顶块均被拉伸，以对所述待测试样施加拉伸载荷。
2.根据权利要求1所述的高温铅铋环境蠕变疲劳试验装置，其特征在于，所述左套筒外侧套设有左波纹管，所述左波纹管两端分别与所述左夹头和所述环境箱密封相连。
3.根据权利要求1所述的高温铅铋环境蠕变疲劳试验装置，其特征在于，所述滑动支架底部设置有滑轮，所述固定台上设置有滑轨，所述滑轮滑入所述滑轨中。
4.根据权利要求1所述的高温铅铋环境蠕变疲劳试验装置，其特征在于，所述固定支架上设置有两沿水平方向延伸的导向轴，所述导向轴一端穿过所述滑动支架，并与所述滑动支架滑动配合。
5.根据权利要求1所述的高温铅铋环境蠕变疲劳试验装置，其特征在于，所述滑动支架上设置有力传感器，所述力传感器与所右夹具相连。
6.根据权利要求1所述的高温铅铋环境蠕变疲劳试验装置，其特征在于，所述环境箱具有箱盖，所述箱盖与所述环境箱密封相连。
7.根据权利要求6所述的高温铅铋环境蠕变疲劳试验装置，其特征在于，所述箱盖上设置有热电偶、液位计和氧传感器。
8.根据权利要求1所述的高温铅铋环境蠕变疲劳试验装置，其特征在于，所述供气装置包括第一储存器、第二储存器和水蒸气发生器，分别通过管路与一缓冲罐和气泵依次相连，所述气泵通过管路与所述环境箱内部连通，所述第一储存器中储存有氧气，所述第二储存器中储存有氢气，所述缓冲罐上设置有压力控制仪表。
9.根据权利要求8所述的高温铅铋环境蠕变疲劳试验装置，其特征在于，所述第一储存器、第二储存器和水蒸气发生器的出口处均设置有电磁阀和流量计。
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2021
- 2021-11-23 CN CN202111390351.4A patent/CN114323991B/zh active Active
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|---|---|---|---|---|
| CN113029751A (zh) * | 2021-03-11 | 2021-06-25 | 天津大学 | 一种用于铅铋环境下的原位力学试验装置 |
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| CN114323991A (zh) | 2022-04-12 |
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