CN116296864A - 一种用于金属材料高温蠕变量的测量装置及测量方法 - Google Patents

一种用于金属材料高温蠕变量的测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及材料蠕变试验技术领域，具体的涉及一种用于金属材料高温蠕变量的测量装置及测量方法，包括试验机台，试样夹具，用于检测金属试样蠕变量的检测装置，检测装置包括与金属试验试样连接的导出杆，用于安装导出杆的固定器，用于限制固定器移动位置的平衡装置，固定器包括与导出杆连接的固定部，以及用于测量导出杆移动位置的测量部，平衡装置包括与金属试验试样蠕变量方向平行设置的导轨，在导轨上滑动的滑块，用于限定滑块位置的平衡器，固定部安装在滑块上，通过使用导出杆直接与试样挤压接触，使用陶瓷结构的导出杆，利用陶瓷具有更高的耐热性，以及在长时间高温环境下陶瓷不易发生形变的性质，减少了在高温环境下测量蠕变伸长量的误差。

Description

一种用于金属材料高温蠕变量的测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及材料蠕变试验技术领域，具体的涉及一种用于金属材料高温蠕变量的测量装置及测量方法。
背景技术
蠕变试验是一种材料机械性能试验，用于测定在长时间的恒温和恒应力作用下，试样发生缓慢的塑性变形现象。温度越高或应力越大，蠕变现象越显著。蠕变可在单一应力(拉力、压力或扭力)，也可在复合应力下发生。通常的蠕变试验是在单向拉伸条件下进行的。
在进行蠕变试验时，需要对试样的蠕变伸长量进行测验，现有的蠕变试验伸长量检测装置，一般是由安装在样品凸肋的蠕变变形引导装置和组装在其上的两个位移传感器组成。如图1所示，测量蠕变伸长量的试验装置是引导式测量，引出杆通过卡箍安装在试样凸肋上，在试样相对侧安装2个光栅尺以指示应变。试样装夹完成后，加载及保载时试样产生轴向变形，连接在试样凸肋的卡环相应发生位移变化引起上下引出杆的相对位移，引出杆的位移通过滑轮在连接杆上转动将试样的变形传递给光栅尺上顶块，实现试样变形量的采集，在使用现有的测量装置及测量方法对蠕变试验的试样进行测量时，试样同轴度与装配不良常常导致蠕变变形量采集不准，为了防止这一问题的发生，提高测量准去率，试验要求在试样双侧(间隔180°)采集伸长量且要求双侧伸长量的差值在10％以内，所以装夹引出杆时，需要进行双侧同轴度调整以满足要求。
蠕变试验属于长时高温试验，在试验中引出杆长时间处于高温炉内，长时间的高温环境会导致引出杆变形，而引出杆微小的变形就对测量装置的同轴度产生很大的影响，导致蠕变试验变形量采集产生较大误差，无法保证试验结果的准确性。同时，通过卡箍的方式连接应变采集装置，对试样的凸肋的加工精度以及与卡箍的装配要求特别高，这就导致了在试验装配环节容易出现反复调节，工作效率极低。
因此，针对现有技术中在使用金属引出杆引导式测量方法时，存在的引出杆长时间在高温状态下易发生形变，导致蠕变试验测量不准确，且试样安装时对试样加工要求高，需要反复调整，安装难度大的问题，本领域技术人员亟需一种试样加工安装方便，提高蠕变试验准确率的蠕变试验用变形量测量装置。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于：提供一种改变原有引导式测量方法，降低试样加工难度，便于试样安装，在长时间高温条件下提高蠕变试验变形量测量精度的测量装置及测量方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种用于金属材料高温蠕变量的测量装置，包括试验机台，用于将高温蠕变的金属试验试样与试验机台连接的试样夹具，用于检测金属试样蠕变量的检测装置，所述检测装置包括与金属试验试样连接的导出杆，用于安装导出杆的固定器，用于限制固定器移动位置的平衡装置，所述固定器包括与导出杆连接的固定部，以及用于测量导出杆移动位置的测量部，所述平衡装置包括与金属试验试样蠕变量方向平行设置的导轨，在导轨上滑动的滑块，用于限定滑块位置的平衡器，所述固定部安装在滑块上。
上述的用于金属材料高温蠕变量的测量装置，所述导出杆为圆柱形陶瓷材料，所述导出杆的前端设置有试样连接的导出安装体，所述导出杆的后端安装在固定部上，所述导出杆包括上导出杆和下导出杆。
上述的用于金属材料高温蠕变量的测量装置，所述固定部包括安装在滑块上的固定体，所述固定体两侧设置有耳板，所述耳板上设置有通孔，所述耳板侧面设置有固定凸起，所述固定体上设置有用于放置导出杆的V型槽，所述V型槽上方设置有压板，所述固定部包括与上导出杆连接的上固定部，与下导出杆连接的下固定部。
上述的用于金属材料高温蠕变量的测量装置，所述测量部包括光栅尺，与上固定体的耳板通孔连接的外固定杆，与下固定体的耳板通孔连接的内固定杆，所述外固定杆的底端连接有上固定板，所述内固定杆的底端连接有下固定板，所述上固定板上设置有用于内固定杆穿过的内杆孔，所述光栅尺的一端固定连接在下固定板的中心点上，所述上固定板的中心点处设置有用于光栅尺穿过上固定板的尺孔，所述尺孔处设置有指针，所述光栅尺滑动套接在尺孔内。
上述的用于金属材料高温蠕变量的测量装置，所述平衡器包括设置在导轨顶部的滑轮舱，设置在滑轮舱外侧的第一配重块和第二配重块，用于连接第一配重块与上固定部的第一牵引线，连接第二配重块与下固定部的第二牵引线，所述滑轮舱内设置有第一滑轮组和第二滑轮组，第一牵引线的一端固定在上固定部的固定凸起处，另一端绕过第一滑轮组连接在第一配重块上，第二牵引线的一端固定在下固定部的固定凸起处，另一端绕过第二滑轮组连接在第二配重块上。
上述的用于金属材料高温蠕变量的测量装置，所述滑块包括用于安装上固定部的上滑块，用于安装下固定部的下滑块，所述第一配重块的重量等于上滑块、上固定部与上导出杆的重量之和，所述第二配重块的重量等于下滑块、下固定部与下导出杆的重量之和。
上述的用于金属材料高温蠕变量的测量装置，所述检测装置还包括用于连接试验机台的连接器，所述连接器包括与试验机台固定连接的支柱，用于安装导轨的固定架，用于连接支柱与固定架的支撑臂，所述支撑臂与固定架固定连接，所述支撑臂与支柱转动连接，所述支撑臂与支柱之间设置有用于限定支撑臂位置的锁紧器，所述检测装置对称设置有金属试样两侧。
上述的用于金属材料高温蠕变量的测量装置，所述导出安装体包括设置在固定杆上下两侧的楔形面，以及在固定杆前端设置的接触面。
一种如上述任一项所述的用于金属材料高温蠕变量的测量装置的测量方法，包括以下步骤：
步骤一：将金属试样连接到试验夹具上，施加预载力以消除装配间隙并使试样固定；
步骤二：转动连接器，调整滑块使高温蠕变量的测量装置的导出杆距离至规定的标距，并使导出杆顶紧试样，锁紧固定连接器
步骤三：根据预估试样的变形量，调整光栅尺探头伸出高度至合适的量程测量范围；
步骤四：将另一侧高温蠕变量的测量装置按照上述步骤二、三进行安装调整。
步骤五：将试验机的高温炉滑下使试样位于炉体中心，开启试样加热至规定的温度；
步骤六：控制温度，对试样施加规定的试验载荷力，通过光栅尺读取金属材料的蠕变量变化数据，出具规定时间时的蠕变伸长率。
上述的用于金属材料高温蠕变量的测量装置，在步骤五中，所述高温炉的侧壁上设置有导出槽，所述高温炉下降时，所述导出杆从导出槽中伸出高温炉。
本发明一种用于金属材料高温蠕变量的测量装置的有益效果是：通过使用导出杆直接与试样挤压接触，使用陶瓷结构的导出杆，利用陶瓷具有更高的耐热性，以及在长时间高温环境下陶瓷不易发生形变的性质，减少了在高温环境下测量蠕变伸长量的误差；通过使用陶瓷导出杆直接接触试样的安装方式，降低了对试样的加工难度，省略试样加工时的凸肋结构，直接使用平滑结构的试样，降低试样加工技术要求和安装难度，转配过程更加方便快捷，减轻的工作量，提高试样安装效率；通过使用上导出杆和下导出杆，以及安装两个导出杆的固定器，并使固定器在于试样平行设置的导轨上滑动，确保导出杆的位移与试样的变形量相同，通过使用V型槽和压板结构，便于导出杆与固定器安装连接，通过使用内外固定杆和上下固定板组成测量部的主体结构，以及设置在固定上的耳板通孔，便于测量部与固定部结合成为一个整体，将光栅尺固定安装在下固定板上，在上固定板上设置有光栅尺穿过的尺孔以及指针，将上下导出杆之间的距离变化转化为上下固定器之间的距离变化，再转化为上下固定板之间的距离变化，从而简化形变量读取方式；通过使用平衡器，能够协助固定器以及滑块克服自身重力带来的影响，确保固定器随试样的形变而发生移动；通过设置连接器，在调整好试样后，便于将检测装置迅速调整到试样需要测量的位置，并进行固定。
本发明一种用于金属材料高温蠕变量的测量装置的测量方法的有益效果是：通过使用陶瓷导出杆将试样的形变量有传统的高温炉内读取方式转变为高温炉外读取的方式，减少测量装置在高温炉内发生高温形变对测量结果产生的影响，同时在高温炉的侧壁上设置导出槽，便于导出杆的安装。
附图说明
图1为现有技术引出式测量蠕变试样及检测装置；
图2为本发明测量蠕变试样及测量装置；
图3为本发明整体结构示意图；
图4为本发明测量装置结构示意图；
图5为本发明平衡装置安装位置示意图；
图6为本发明测量装置爆炸结构示意图；
图7为本发明平衡器结构示意图；
图8为本发明高温炉侧视结构示意图。
附图标记说明：试验机台10，试样夹具11，检测装置20，导出杆21，楔形面211，接触面212，上导出杆213，下导出杆214，固定器30，固定部31，固定体310，耳板311，通孔312，固定凸起313，V型槽314，压板315，上固定部301，下固定部302，测量部32，光栅尺321，外固定杆322，内固定杆323，上固定板324，下固定板325，内杆孔326，尺孔327，平衡装置40，导轨41，滑块42，上滑块421，下滑块422，平衡器43，滑轮舱431，第一配重块432，第二配重块433，第一牵引线434，第二牵引线435，第一滑轮组436，第二滑轮组437，连接器50，支柱51，固定架52，支撑臂53，固定臂531，调整臂532，高温炉60，导出槽61，卡箍70，试样凸肋71。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式及附图对本发明的技术方案进行说明。
如图1所示，在现有技术中，测量蠕变伸长量的试验装置是引导式测量，引出杆通过卡箍70安装在试样凸肋71上，在试样相对侧安装2个引伸计相对侧以指示应变。试样装夹完成后，加载及保载时试样产生轴向变形，连接在试样凸肋的卡环相应发生位移变化引起上下引出杆的相对位移，引出杆的位移通过滑轮在连接杆上转动将试样的变形传递给光栅尺上顶块，实现试样变形量的采集。
如图2-8所示，一种用于金属材料高温蠕变量的测量装置，包括试验机台10，用于将高温蠕变的金属试验试样与试验机台连接的试样夹具11，用于检测金属试样蠕变量的检测装置20，试验机台和试样夹具与现有的用于高温蠕变试验用的试验机台和试样夹具相同，本申请主要针对用于测量蠕变试验中试样变形量的检测装置进行改进。
检测装置包括与金属试验试样连接的导出杆21，用于安装导出杆的固定器30，用于限制固定器移动位置的平衡装置40，导出杆为圆柱形陶瓷材料，导出杆的前端设置有试样连接的导出安装体，导出安装体包括设置在固定杆上下两侧的楔形面211，以及在固定杆前端设置的接触面212，接触面直接挤压在试样表面，增大试样与导出杆支架的摩擦力，防止滑脱，楔形面用于降低导出杆的截面面积，提高导出杆与试样连接的精确度，导出杆在试样的上下两侧分为上导出杆213和下导出杆214。
固定器包括与导出杆连接的固定部31，以及用于测量导出杆移动位置的测量部32，导出杆的后端安装在固定部上。
平衡装置包括与金属试验试样蠕变量方向平行设置的导轨41，在导轨上滑动的滑块42，用于限定滑块位置的平衡器43，固定部安装在滑块上。
固定部包括安装在滑块上的固定体310，固定体两侧设置有耳板311，耳板上设置有通孔312，耳板侧面设置有固定凸起313，固定体上设置有用于放置导出杆的V型槽314，V型槽上方设置有压板315，固定部包括与上导出杆连接的上固定部301，与下导出杆连接的下固定部302，导出杆安装在V型槽中，使用压板压住，并使用螺栓结构将压板固定在V型槽的槽口处。
滑块包括用于安装上固定部的上滑块421，用于安装下固定部的下滑块422。
测量部包括用于测量形变量大小的光栅尺321，与上固定体的耳板通孔连接的外固定杆322，与下固定体的耳板通孔连接的内固定杆323，内外固定杆各设置有两根，内外固定杆与导轨平行，外固定杆的底端连接有上固定板324，内固定杆的底端连接有下固定板325，上下固定板平行设置，上固定板上设置有用于内固定杆穿过的内杆孔326，内固定杆的一端固定安装在下固定体的耳板通孔上，另一端穿过内杆孔后固定安装在下固定板上，内固定杆与上固定板滑动套接，外固定杆的一端固定连接在上固定体的耳板通孔上，另一端定连接在上固定板上。
上固定板的中心点处设置有用于光栅尺穿过上固定板的尺孔327，光栅尺的一端固定连接在下固定板的中心点上，另一端滑动套接在尺孔内，延伸至上固定板的上方，在尺孔处设置有用于读取光栅尺读数的指针，光栅尺与上下固定板均垂直。
平衡器包括设置在导轨顶部的滑轮舱431，设置在滑轮舱外侧的第一配重块432和第二配重块433，用于连接第一配重块与上固定部的第一牵引线434，连接第二配重块与下固定部的第二牵引线435，滑轮舱内设置有第一滑轮组436和第二滑轮组437，第一牵引线的一端固定在上固定部的固定凸起处，另一端绕过第一滑轮组连接在第一配重块上，第二牵引线的一端固定在下固定部的固定凸起处，另一端绕过第二滑轮组连接在第二配重块上。
第一配重块的重量等于上滑块、上固定部与上导出杆的重量之和，第二配重块的重量等于下滑块、下固定部与下导出杆的重量之和。
第一滑轮组包括左右两个滑轮，左侧滑轮确保第一牵引线与固定部在同一垂直线上，右侧滑轮确保第一牵引线与第一配重块在同一直线上，通过左右两个滑轮的组合，确保上滑块在导轨上只受垂直方向上的力，减少外力的影响；同理，第二滑轮组与第一滑轮组设置相同个，第二滑轮组通过左右两个滑轮，确保下滑块同样在导轨上只受垂直方向上的力，减少外力的影响。
进一步，检测装置还包括用于连接试验机台的连接器50，连接器包括与试验机台固定连接的支柱51，用于安装导轨的固定架52，用于连接支柱与固定架的支撑臂53，支撑臂与固定架固定连接，支撑臂与支柱转动连接，可以使用轴承连接的方式，支撑臂与支柱之间设置有用于限定支撑臂位置的锁紧器，锁紧器用于锁止转动连接的转动位置，检测装置对称设置有金属试样两侧。
进一步，为了提高检测装置的灵活性，支撑臂包括与一端支柱连接的固定臂531，以及一端与固定架连接的调整臂532，固定臂的另一端设置有安装槽，安装槽上设置有安装通孔，调整臂的另一端设置有调整通孔，调整通孔一端插接在安装槽中，安装通孔与调整通孔内设置有用于锁紧固定臂与调整臂的紧固螺栓。
进一步，为了便于在进行高温蠕变试验时，从高温炉60中引出导出杆，在高温炉的侧壁上设置有导出槽61，高温炉下降时，导出杆从导出槽中伸出高温炉。
在使用本申请中的检测装置对金属材料高温蠕变量进行测量时，方法步骤包括：
步骤一：将金属试样连接到试验夹具上，施加预载力以消除装配间隙并使试样固定；
步骤二：转动连接器，调整滑块使高温蠕变量的检测装置的导出杆距离至规定的标距，并使导出杆顶紧试样，锁紧固定连接器
步骤三：根据预估试样的变形量，调整光栅尺探头伸出高度至合适的量程测量范围；
步骤四：将另一侧高温蠕变量的测量装置按照上述步骤二、三进行安装调整。
步骤五：将试验机的高温炉滑下使试样位于炉体中心，开启试样加热至规定的温度；
步骤六：保持温度，对试样施加规定的试验载荷力，通过光栅尺读取金属材料的蠕变量变化数据，出具规定时间时的蠕变伸长率。
在试验开始前，需要根据试样选择合适的导出杆，防止因导出杆大小长短与试样不匹配，造成连接不紧密。
在试验过程中，陶瓷杆一端深入高温炉内，顶在试样上，另一端通过导出槽伸出，将高温炉降至试样处于炉体高度中心位置，安装保温片，确保高温炉内温度的均匀性，开启高温炉中的加热系统进行加热，加热到额定温度后，保温时间在1-2小时，然后，通过试验机台施加并保持规定的拉力。在进行蠕变试验时，试样在拉力下产生形变，在高温炉外，上下两根陶瓷杆及连接在陶瓷杆的固定板会随着试样的变形距离发生变化，连接在固定板上的光栅尺会检测试样产生的形变，从而准确测量出高温蠕变试验时试样的形变量。
上述实施例只是为了说明本发明的结构构思和特点，其目的在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限定本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效变化或修饰，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于金属材料高温蠕变量的测量装置，包括试验机台，用于将高温蠕变的金属试验试样与试验机台连接的试样夹具，用于检测金属试样蠕变量的检测装置，其特征在于：所述检测装置包括与金属试验试样连接的导出杆，用于安装导出杆的固定器，用于限制固定器移动位置的平衡装置，所述固定器包括与导出杆连接的固定部，以及用于测量导出杆移动位置的测量部，所述平衡装置包括与金属试验试样蠕变量方向平行设置的导轨，在导轨上滑动的滑块，用于限定滑块位置的平衡器，所述固定部安装在滑块上。
2.根据权利要求1所述的用于金属材料高温蠕变量的测量装置，其特征是：所述导出杆为圆柱形陶瓷材料，所述导出杆的前端设置有试样连接的导出安装体，所述导出杆的后端安装在固定部上，所述导出杆包括上导出杆和下导出杆。
3.根据权利要求2所述的用于金属材料高温蠕变量的测量装置，其特征是：所述固定部包括安装在滑块上的固定体，所述固定体两侧设置有耳板，所述耳板上设置有通孔，所述耳板侧面设置有固定凸起，所述固定体上设置有用于放置导出杆的V型槽，所述V型槽上方设置有压板，所述固定部包括与上导出杆连接的上固定部，与下导出杆连接的下固定部。
4.根据权利要求3所述的用于金属材料高温蠕变量的测量装置，其特征是：所述测量部包括光栅尺，与上固定体的耳板通孔连接的外固定杆，与下固定体的耳板通孔连接的内固定杆，所述外固定杆的底端连接有上固定板，所述内固定杆的底端连接有下固定板，所述上固定板上设置有用于内固定杆穿过的内杆孔，所述光栅尺的一端固定连接在下固定板的中心点上，所述上固定板的中心点处设置有用于光栅尺穿过上固定板的尺孔，所述尺孔处设置有指针，所述光栅尺滑动套接在尺孔内。
5.根据权利要求4所述的用于金属材料高温蠕变量的测量装置，其特征是：所述平衡器包括设置在导轨顶部的滑轮舱，设置在滑轮舱外侧的第一配重块和第二配重块，用于连接第一配重块与上固定部的第一牵引线，连接第二配重块与下固定部的第二牵引线，所述滑轮舱内设置有第一滑轮组和第二滑轮组，第一牵引线的一端固定在上固定部的固定凸起处，另一端绕过第一滑轮组连接在第一配重块上，第二牵引线的一端固定在下固定部的固定凸起处，另一端绕过第二滑轮组连接在第二配重块上。
6.根据权利要求5所述的用于金属材料高温蠕变量的测量装置，其特征是：所述滑块包括用于安装上固定部的上滑块，用于安装下固定部的下滑块，所述第一配重块的重量等于上滑块、上固定部与上导出杆的重量之和，所述第二配重块的重量等于下滑块、下固定部与下导出杆的重量之和。
7.根据权利要求6所述的用于金属材料高温蠕变量的测量装置，其特征是：所述检测装置还包括用于连接试验机台的连接器，所述连接器包括与试验机台固定连接的支柱，用于安装导轨的固定架，用于连接支柱与固定架的支撑臂，所述支撑臂与固定架固定连接，所述支撑臂与支柱转动连接，所述支撑臂与支柱之间设置有用于限定支撑臂位置的锁紧器，所述检测装置对称设置有金属试样两侧。
8.根据权利要求2所述的用于金属材料高温蠕变量的测量装置，其特征是：所述导出安装体包括设置在固定杆上下两侧的楔形面，以及在固定杆前端设置的接触面。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的用于金属材料高温蠕变量的测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将金属试样连接到试验夹具上，施加预载力以消除装配间隙并使试样固定；
步骤二：转动连接器，调整滑块使高温蠕变量的测量装置的导出杆距离至规定的标距，并使导出杆顶紧试样，锁紧固定连接器
步骤三：根据预估试样的变形量，调整光栅尺探头伸出高度至合适的量程测量范围；
步骤四：将另一侧高温蠕变量的测量装置按照上述步骤二、三进行安装调整。
步骤五：将试验机的高温炉滑下使试样位于炉体中心，开启试样加热至规定的温度；
步骤六：控制温度，对试样施加规定的试验载荷力，通过光栅尺读取金属材料的蠕变量变化数据，出具规定时间时的蠕变伸长率。
10.根据权利要求9所述的用于金属材料高温蠕变量的测量装置，其特征是：在步骤五中，所述高温炉的侧壁上设置有导出槽，所述高温炉下降时，所述导出杆从导出槽中伸出高温炉。
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