CN1837797A - 小冲孔蠕变试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型的测试材料高温力学性能试验装置，更具体地说涉及一种小冲孔蠕变试验系统。解决了现有技术中试验装置的试验温度不均匀和试验精度不高的问题，提供了一种操作简便，试验温度均匀，试验精度高，成本低的小冲孔蠕变试验系统，该系统包括加载部分、加热及温控部分、高温气体保护部分、测量部分和支撑台架；加载部分包括下模、上模、冲杆、压头、支撑杆和砝码托盘；加热及温控部分包括电加热炉、热电偶、温度控制仪；高温气体保护部分包括石英管、上定位套、下定位套、下支撑板、“O”形密封圈、气瓶；测量部分包括位移传感器、数显仪、数据采集卡。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型的测试材料高温力学性能试验装置，更具体地说涉及一种小冲孔蠕变试验系统。
背景技术
石油、化工等行业中存在大量高温环境下工作的金属构件，获取在役构件材料的高温力学性能，准确评价在役高温构件剩余寿命，对于保证高温承载构件安全服役具有重要的意义。取样寿命评价技术准确可靠，但具有破坏性，且有时无法取样。为减少取样损伤，要求试样体积尽可能小。小冲孔蠕变试验法正是适应这种要求发展起来的一种利用微型试样获取在役构件高温性能的新方法。
目前国外用于小冲孔蠕变试验的装置因实验室而异，在所用试样、加载方式上都不统一，日本的驹崎慎一(Komazai)等人在美国材料试验学会2000出版的试验与评价学报(ASTM Joumal oftesting and evaluation)第28卷第4期发表的文章《9Cr铁素体钨合金钢的小冲孔蠕变性能研究》(Development of small punch test for creep property measurement oftungsten-alloyed 9％Cr Ferritic steels)中阐述所用装置中试样采用的是10×10×0.5mm的方形试样，加载方式采用顶部杠杆加载；贝克(Baek)在2001召开的断裂与强度的亚太平洋会议及先进技术在实验力学中的运用的国际会议中(Proceedings of APCFS & ATEM)上发表一篇文章《小冲孔蠕变试验在测试高温蠕变性能中的新运用》(New technique development ofhigh temperature creep evaluation by small punch-creep test)中所用装置采用的是底部加载方式，但国外试验装置的造价一般都比较高。同时在影响小冲孔试样高温蠕变性能实验装置试验数据精确性的几个因素中，温度的影响又是最大的，现有技术中小冲孔试样高温蠕变性能实验装置的加热及温控部分的电加热炉都是采用整体管式炉子，实验操作很不方便，若电加热炉采用一般的加热方式，试验的温度均匀性不易保证，这样试验精度也就很难保证。
发明内容
本发明的目的旨在克服上述存在的问题，提供一种小冲孔蠕变试验系统，该系统操作简便，试验温度均匀，试验精度高，成本低。
本发明的技术方案如下：
一种小冲孔蠕变试验系统，其特征在于该系统包括加载部分、加热及温控部分、高温气体保护部分、测量部分和支撑台架，所述的加载部分包括下模、上模、冲杆、压头、支撑杆和砝码托盘，加载方式采用顶部垂直加载，下模和上模通过螺栓连接，试样放置于下模和上模之间，下模与支撑杆通过螺纹连接，支撑杆又通过螺纹连接在支撑杆座上，支撑杆座通过螺栓固定在下支撑板上，加载时砝码放置于砝码托盘之上，砝码盘下部安装有冲杆，砝码盘作用于冲杆上端，使冲杆下端挤压压头，进而冲压试样。加载部分置于电加热炉内。加热及温控部分包括电加热炉、热电偶、温度控制仪，电加热炉通过横梁与立柱悬臂连接，横梁由一个圆环套筒和一块方形连接板焊接而成，圆环套筒套在一侧立柱上与立柱转动连接，方形连接板固定在电加热炉上；圆环套筒下方立柱上装有止滑圆环套筒，电加热炉可绕立柱转动，方便试验操作。电加热炉采用立式、对开式管式炉，同时采用三区独立加热方式保证电加热炉的均温性，四个热电偶三个分别置于电加热炉的上中下三个部位，用于电炉三区测温，一个热电偶置于石英管内试样处，测量石英管内试样处的实际温度，四个热电偶均与温控仪相联接，四个热电偶均为铂铑10-铂热电偶，温控仪采用WT-400B型温度程序控制仪。高温气体保护部分包括石英管、上定位套、下定位套、下支撑板、“O”形密封圈、气瓶，石英管上端安装在上定位套内，不采用密封，夹具上下模和试样置于石英管内，石英管外部套装电加热炉，石英管下端安装在下支撑板上，用下定位套固定，与下支撑板配合处采用“O”形密封圈密封，石英管通过支撑杆座上的进气孔与保护气瓶相连通，保护气瓶出口处装有流量表，控制气体流量，保护气瓶中的保护气体采用氩气或者氮气。测量部分包括位移传感器、数显仪、数据采集卡，位移传感器夹装在置于上支撑板的磁性表座上，位移传感器的测头垂直接触固定于冲杆上的测量片，同时位移传感器通过导线与数显仪连接，测量数据可在位移数显仪的数显窗直接显示，数显仪又与计算机中的数据采集卡相连。位移传感器为线性差动位移传感器(LVDT)、数显仪采用SP-2B位移数显仪、数据采集卡型号为PCI-6036E，数据采集软件选用LabVIEW Express 7.0。
所述的小冲孔蠕变试验系统，其特征在于所述的加载部分中试样的夹具分为上模和下模，由四个锁紧螺栓联接，上模底部有一圆台与下模沉孔相配，上模底面与试样上表面有0.1mm的间隙，使试样处于应力自由状态。电加热炉至少设有三个独立的加热区，每个加热区装有独立的电阻丝。至少装有四个热电偶，其中至少一个安装在石英管内试样处，其余平均分布安装在电加热炉内壁上。电加热炉的两个对开半圆筒形炉体分别通过一个横梁与一侧立柱悬臂连接。横梁的圆环套筒由两个半圆环组成，两个半圆环由斜销钉联接，圆环套筒套在一侧立柱上与立柱转动连接，横梁的方形连接板固定在电加热炉上。横梁圆环套筒下方立柱上装有止滑圆环套筒。止滑圆环套筒是由两个半圆环组成，两个半圆环由斜销钉联接，并由一正销钉固定于立柱上。高温气体保护部分采用石英管做主要密封元件，上端安装在上定位套内，不采取密封，下端安装在试样装置台架上，与下支撑板配合处采用“O”型密封圈密封。
本发明的有益效果是：
本发明的小冲孔蠕变试验系统的夹具设计合理，能保证加载精度。电加热炉为对开管式炉，炉内装置及试样安装非常方便，对开后可清楚地看到电加热炉内的装置结构，同时电加热炉采用悬臂式安装，通过两横梁与试验装置一侧立柱转动连接，试验操作也非常方便，本发明试验装置试验规范，试验温度均匀，试验精度高，位移测量精度可达0.25μm，同时本发明的试验装置成本低，价格远低于国外同类装置。
附图说明
图1是小冲孔蠕变试验系统示意图。
图2是电加热炉与立柱连接示意图。
图3是小冲孔试样蠕变试验示意图。
图1、图2和图3中的零件标号：(1)下支撑板，(2)下定位套，(3)支撑杆，(4)流量表，(5)热电偶，(6)热电偶，(7)磁性表座，(8)传感器，(9)测量片，(10)砝码托盘，(11)上定位套，(12)上支撑板，(13)石英管，(14)电加热炉，(15)横梁，(16)支撑杆座，(17)立柱，(18)立柱，(19)底座，(20)试样，(21)螺栓，(22)压头，(23)冲杆，(24)上模，(25)下模，(26)止滑圆环套筒
具体实施方式
实施例
如图1、图2和图3所示，本发明的小冲孔蠕变试验系统，包括加载部分、加热及温控部分、高温气体保护部分、测量部分和支撑台架，加载部分包括下模25、上模24、冲杆23、压头22、支撑杆3和砝码托盘10，加载方式采用顶部垂直加载，下模25和上模24通过螺栓连接，下模25和上模24的材料选用GH37，试样放置于下模25和上模24之间，在上模24的底面与试样上表面之间有一个很小的孔隙，以保证应力自由状态，下模25与支撑杆3通过螺纹连接，支撑杆3又通过螺纹连接在支撑杆座16上，支撑杆座16通过4个螺栓固定在下支撑板1上，加载时砝码放置于砝码托盘10之上，并作用于直径为Φ2.4mm冲杆23上端，使冲杆23下端挤压压头22，进而冲压试样，压头22为直径Φ2.4mm的惰性瓷球，冲杆材料选用GH49，试验时试样取圆形薄片，直径为Φ10mm，厚度0.3～0.5mm。加载部分位于电加热炉14内，电加热炉14通过横梁15与立柱18悬臂连接，横梁15由一个圆环套筒和一块方形连接板焊接而成，圆环套筒套在一侧立柱上与立柱转动连接，方形连接板固定在电加热炉14上；圆环套筒下方立柱上装有止滑圆环套筒，电加热炉14可绕立柱18转动，方便试验操作，电加热炉14采用立式、对开式管式炉，外形尺寸φ350mm×500mm；同时采用三区独立加热方式保证电加热炉的均温性，炉丝采用铁铬铝(OCr21A16NbO)电阻丝，横梁15材料选用45钢；热电偶5为三个热电偶，分别置于电加热炉14的上中下三个部位，用于电炉三区测温，热电偶6置于石英管内试样处，测量石英管内试样处的实际温度，四个热电偶均与温控仪相联接，四个热电偶均为铂铑10-铂热电偶，温控仪采用WT-400B型温度程序控制仪。石英管13上端安装在上定位套11内，不采用密封，石英管13内径为Φ60mm、壁厚为10mm，上模24、下模25和试样20置于石英管13内，电加热炉14在石英管13外加热，石英管9下端安装在下支撑板1上，与下支撑板1配合处采用“O”形密封圈密封，石英管1 3通过支撑杆座16上的进气孔与保护气瓶相连通，保护气瓶出口处装有流量表4，控制气体流量。测量部分包括位移传感器8、数显仪、数据采集卡、数据采集软件，位移传感器8夹装在置于上支撑板12的磁性表座7上，位移传感器8的测头垂直接触固定于冲杆26上的测量片9，同时位移传感器8通过导线与数显仪连接，测量数据可在位移数显仪的数显窗直接显示，数显仪又与计算机中的数据采集卡相连，可在计算机界面显示采集的数据及其变化曲线，进而进行数据的分析、处理；测量精度可达0.25μm。传感器8为线性差动位移传感器(LVDT)、数显仪采用SP-2B位移数显仪、数据采集卡型号为PCI-6036E，数据采集软件选用LabVIEW Express 7.0，编译数据采集程序，实现微型试样高温蠕变性能试样的自动数据采集。在采集过程中还可以根据试验过程中不同的采集要求，适时调整采集频率，以期获得有效的试验数据。
本发明试验装置的安装：按顺序组装底座19，立柱17、18，上支撑板12、下支撑板1，上定位套11、下定位套2，再将电加热炉14通过横梁1 5安装在立柱18上，将石英管13安装在上、下定位套之间。试样装入上模24、下模25之间，通过四个锁紧螺栓21连接，由下支撑板1底部装入石英管内。加载时砝码放置于砝码盘10，作用于冲杆23，挤压压头22，通过压头施加力于试样20。下模25通过螺纹与支撑杆3连接，支撑杆3又通过螺纹连接在支撑杆座16上，支撑杆座16通过4个螺栓固定在下支撑板1上。三个热电偶5分别至于电加热炉上中下三个部位，测量电加热炉的温度，热电偶6置于石英管内试样处，测量石英管内试样处的实际温度，热电偶5处的温度通过温控仪控制。
本发明试验装置的试验操作：试验开始时，装入试样，先打开气体瓶通入气体，调节流量表4控制流量，使石英罩内充满气体，然后升温到指定温度加载，由放置于磁性表座7的传感器8通过测量片9测得试样的变形，并将信号传递给数显仪，数显仪与计算机中的数据采集卡相连，通过计算机进行数据的采集、处理。
Claims (5)
1、一种小冲孔蠕变试验系统，其特征在于该系统包括加载部分、加热及温控部分、高温气体保护部分、测量部分和支撑台架；
所述的加载部分包括下模、上模、冲杆、压头、支撑杆和砝码托盘，加载方式采用顶部垂直加载，下模和上模通过螺栓连接，试样放置于下模和上模之间，下模与支撑杆通过螺纹连接，支撑杆又通过螺纹连接在支撑杆座上，支撑杆座通过螺栓固定在下支撑板上，加载时砝码放置于砝码托盘之上，砝码盘下部安装有冲杆，砝码盘作用于冲杆上端，使冲杆下端挤压压头，进而冲压试样，加载部分置于电加热炉内；
加热及温控部分包括电加热炉、热电偶、温度控制仪，电加热炉通过连接元件与立柱悬臂连接，连接元件由一个圆环套筒和一块方形连接板焊接而成，圆环套筒套在一侧立柱上与立柱转动连接，方形连接板固定在电加热炉上，圆环套筒下方立柱上装有止滑圆环套筒，电加热炉可绕立柱转动，电加热炉采用立式、对开式管式炉，同时采用三区独立加热方式保证电加热炉的均温性，四个热电偶三个分别置于电加热炉的上中下三个部位，用于电炉三区测温，一个热电偶置于石英管内试样处，测量石英管内试样处的实际温度，四个热电偶均与温控仪相联接；
高温气体保护部分包括石英管、上定位套、下定位套、下支撑板、“O”形密封圈、气瓶，石英管上端安装在上定位套内，夹具上下模和试样置于石英管内，石英管外部套装电加热炉，石英管下端安装在下支撑板上，用下定位套固定，与下支撑板配合处采用“O”形密封圈密封，石英管通过支撑杆座上的进气孔与保护气瓶相连通，保护气瓶出口处装有流量表，控制气体流量；
测量部分包括位移传感器、数显仪、数据采集卡，位移传感器夹装在置于上支撑板的磁性表座上，位移传感器的测头垂直接触固定于冲杆上的测量片，同时位移传感器通过导线与数显仪连接，测量数据在位移数显仪的数显窗直接显示，数显仪又与计算机中的数据采集卡相连。
2、根据权利要求1所述的小冲孔蠕变试验系统，其特征在于所述的加载系统中试样的夹具分为上模和下模，由四个锁紧螺栓联接，上模底部有一圆台与下模沉孔相配，上模底面与试样上表面有0.1mm的间隙，使试样处于应力自由状态。
3、根据权利要求1所述的小冲孔蠕变试验系统，其特征在于所述的电加热炉至少设有三个独立的加热区，四个热电偶，每个加热区及石英管内试样均处装有独立的电阻丝。
4、根据权利要求1所述的小冲孔蠕变试验系统，其特征在于所述的四个热电偶均为铂铑10-铂热电偶。
5、根据权利要求1所述的小冲孔蠕变试验系统，其特征在于所述的保护气瓶中的气体采用氩气或者氮气。
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