CN104931336A - 一种测试金属材料在低应力下的蠕变试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试金属材料在低应力下的蠕变实验装置。传统的单轴蠕变试验装置，由于应变分辨率低，并不能满足金属材料在低应力下蠕变测试需求，本蠕变新型试验装置基于纯扭转变形原理，把待测样品加工成螺旋状试样，外加一定的温度和微小载荷，用非接触式光测***测量试样螺距随时间增加的伸长量，进而研究金属材料在低应力下的蠕变性能。试验装置包括：主机架、非接触式光测***、试样夹具、开窗式高温炉、螺旋试样、固定架组件、计算机和连接线几个部分。本试验装置所测的低应力蠕变数据，可为核电、火电厂管道的安全性评价及寿命预测提供参考。

Description

一种测试金属材料在低应力下的蠕变试验装置

技术领域：

本发明涉及金属材料低应力下的蠕变试验装置，尤其是针对耐热钢在高温低应力下的蠕变评测装置。

背景技术：

火电、核电厂高温部的服役寿命，要求在20年以上，形变量不超过1％，因此其所用耐热材料的蠕变率将低于10^-10/s，即发生低应力下的蠕变。传统的蠕变试验方法，均是采用单轴拉伸试验，并采用传感器进行伸长量的测量，由于这种实验方法基于拉伸变形，它测量的形变率较低，一般在10^-6～10^-5/s之间，并不能满足对于低应力下蠕变的更高精度的测试要求，如图9所示。

发明内容：

本发明的目的是解决现有单轴蠕变试验方法不能满足对于低应力下蠕变的更高精度测试的问题，提供一种测试金属材料在低应力下的蠕变试验装置。

本发明是在天津市先进机电***设计与智能控制重点实验室(Tianjin key Laboratoryof the Design and Intelligent Control of the Advanced Mechatronical System)的指导下完成的。

本发明提供的测试金属材料在低应力下的蠕变试验装置，包括：主机架、非接触式光测***、试样夹具、开窗式高温炉、螺旋试样、固定架组件、计算机和连接线；其中，所述的主机架采用双立柱门式框架结构，所述的开窗式高温炉通过侧面的安装支架固定安装在主机架的一侧立柱上，螺旋试样安装在试样夹具上，试样夹具安装在主机架的上横梁的中心位置，且保证螺旋试样放置于开窗式高温炉内部的中心位置；非接触式光测***包括接收器、发射器、显示器和连接线，发射器和接收器分别安装在固定架组件上，固定架组件固定在主机架的立柱上，摇臂固定在主机的立柱上，并保证非接触式光测***的发射器和接收器分别安装在开窗式高温炉的相对一侧，同时保证非接触式光测***的发射器中的LED辐射光能够穿过螺旋试样到达接收器中；用连接线将非接触式光测***与计算机连接起来，对螺旋试样施加微载，用计算机记录实验过程。

所述的主机架上横梁的中心位置开有螺纹连接孔，用来安装试样夹具。

所述的非接触式光测***的发射器能够发射高亮度的绿色LED辐射光，辐射光照射到试样上，然后试样的影像和数据就会显示在接收器上，通过连接线最终将试样的图像反映在计算机上。

所述的固定架组件由摇臂和十字移动固定架两个部分构成，摇臂的外形像一支弯成90度的手臂，包括一长一短，分别安装在主机架的立柱的同一位置，较长摇臂的短边和较短摇臂的长边一样长，这样设计的目的可以保证非接触式光测***的发射器和接收器处于同一截面内，较长摇臂的长边要大于开窗式高温炉的宽度，保证非接触式光测***的接收器和发射器安装在开窗式高温炉的两侧，同时在摇臂的外端，设有燕尾型导滑槽，导滑槽内分别放置高度不同的垫块，用垫块来消除由安装摇臂产生的高度差；十字移动固定架由两个在水平面上垂直角度安放的移动架组成，这样能够在观测窗所在直线的前后方向移动非接触式光测***的发射器和接收器，使非接触式光测***远离开窗式高温炉，以免非接触光测***被灼伤；同时能够在垂直于观测窗所在的直线的左右方向移动非接触式光测***的发射器和接收器，使非接触式光测***的发射端和移动端处于同一条直线上，并保持最好的视角。

所述的开窗式高温炉是在现有的三段式加热炉的基础上，在高温炉的前后两端对称设置两个矩形观察窗，以便观测到实验过程中螺旋试样的受力状态，同时为了保证开窗式高温炉的保温性能，采用双层石英玻璃，石英玻璃的***使用高温合金金属材料包裹，留出观测的矩形窗为长10cm，宽3.5cm。

所述的试样夹具的截面为圆形，采用高温合金材料，试样夹具分为固定式和承接式两种，固定式试样夹具主要分为拉伸和压缩两种，拉伸夹具在末端有圆柱形凹槽；而压缩夹具在末端有圆柱形凸起。承接部分的夹具，外径相同，在上下两端有内螺纹或外螺纹，目的在于能够将试样悬挂于开窗式高温炉的中央，使其受热均匀。

本发明的优点和有益效果：

传统的单轴蠕变试验装置，由于应变分辨率低，并不能满足金属材料在低应力下蠕变测试需求，本发明装置基于纯扭转变形原理，把待测样品加工成螺旋状试样，外加一定的温度和微小载荷，用非接触式光测***测量试样螺距随时间增加的伸长量，进而研究金属材料在低应力下的蠕变性能。本试验装置所测的低应力蠕变数据，可为核电、火电厂管道的安全性评价及寿命预测提供参考。

附图说明：

图1是整体装置结构示意简图。图中1是主机架，2是非接触式光测***，3是十字移动固定架，4是连接线，5是计算机，6是试样夹具，7是开窗式高温炉，8是螺旋试样，9是摇臂。

图2是十字移动固定架示意图，十字移动固定架水平放置，通过垫块，安置在摇臂的燕尾型导滑槽中。

图3是长摇臂示意图，摇臂由构件1和构件2构成，构件1和构件2围成的圆的直径与主机架的立柱直径相同，通过螺栓和螺母固定在主机架的立柱上。

图4是短摇臂的示意图。

图5是开窗式高温炉的示意图，其中侧向支架与主试平面成45°夹角。

图6是图5的左视图。

图7是拉伸式试样夹具。

图8是压缩式试样夹具。

图9是低应力下，基于单轴拉伸蠕变和基于纯扭转多轴螺旋弹簧蠕变曲线模式图。单轴蠕变应变率低，而螺旋试样具有极高的应变分辨率。

图10是截面为矩形的螺旋蠕变试样。

图11是P91在650℃时，压力分别为17MPa、30MPa、40MPa时，所对应的蠕变曲线。

具体实施方式：

实施例：

如图1所示测试金属材料在低应力下的蠕变试验装置，该装置主要包括：主机架1、非接触式光测***2、试样夹具6、开窗式高温炉7、螺旋试样8、固定架组件、计算机5和连接线4等；其中，所述的主机架采用双立柱门式框架结构，所述的开窗式高温炉通过侧面的安装支架固定安装在主机架的一侧立柱上，螺旋试样安装在试样夹具上，试样夹具安装在主机架的上横梁的中心位置，且保证螺旋试样放置于开窗式高温炉内部的中心位置；非接触式光测***包括接收器、发射器、显示器和连接线，发射器和接收器分别安装在固定架组件上，固定架组件固定在主机架的立柱上，摇臂固定在主机的立柱上，并保证非接触式光测***的发射器和接收器分别安装在开窗式高温炉的相对一侧，同时保证非接触式光测***的发射器中的LED辐射光能够穿过螺旋试样到达接收器中；用连接线将非接触式光测***与计算机连接起来，对螺旋试样施加微载，用计算机记录实验过程。

所述的主机架上横梁的中心位置开有螺纹连接孔，用来安装试样夹具。

所述的非接触式光测***的发射器能够发射高亮度的绿色LED辐射光，辐射光照射到试样上，然后试样的影像和数据就会显示在接收器上，通过连接线最终将试样的图像反映在计算机上。

所述的固定架组件由摇臂9和十字移动固定架3两个部分构成，摇臂的外形像一支弯成90度的手臂，包括一长一短(参见图3和图4)，分别安装在主机架的机臂即立柱的同一位置，较长摇臂的短边和较短摇臂的长边一样长，这样设计的目的可以保证非接触式光测***的发射器和接收器处于同一截面内，较长摇臂的长边要大于开窗式高温炉的宽度，保证非接触式光测***的接收器和发射器安装在开窗式高温炉的两侧，同时在摇臂的外端，设有燕尾型导滑槽，导滑槽内分别放置高度不同的垫块，用垫块来消除由安装摇臂产生的高度差；十字移动固定架(参见图2)由两个在水平面上垂直角度安放的移动架组成，这样能够在观测窗所在直线的前后方向移动非接触式光测***的发射器和接收器，使非接触式光测***远离开窗式高温炉，以免非接触光测***被灼伤；同时能够在垂直于观测窗所在的直线距离上左右方向移动非接触式光测***的发射器和接收器，使非接触式光测***的发射端和移动端处于同一条直线上，并保持最好的视角。

所述的开窗式高温炉是在现有的三段式加热炉的基础上，在高温炉的前后两端对称设置两个矩形观察窗(参见图5和图6)，以便随时观测到实验过程中螺旋试样的受力状态，同时为了保证开窗式高温炉的保温性能，采用双层石英玻璃，石英玻璃的***使用高温合金金属材料包裹，留出观测的矩形窗为长10cm，宽3.5cm。

所述的试样夹具的截面为圆形，采用高温合金材料，试样夹具分为固定式和承接式两种类型，固定式试样夹具主要分为拉伸和压缩两种，拉伸夹具(参见图7)在末端有圆柱形凹槽，侧壁开有通孔，用于固定螺旋式样；而压缩夹具(参见图8)在末端有圆柱形凸起，螺旋式样套装在该凸起上。承接式的夹具，外径相同，在上下两端有内螺纹或外螺纹，有不同长度的夹具，目的在于能够将试样悬挂于开窗式高温炉的中央，使其受热均匀。

如图11所示的P91在650℃时分别在17MPa、30MPa、40MPa的应力下得到的蠕变曲线，该蠕变曲线在形状上与传统意义上测得的蠕变曲线是相似的，可以得出的结论是，本套蠕变实验装置是可以采用，本试验装置所测的低应力蠕变数据，可为核电、火电厂管道的安全性评价及寿命预测提供参考。

如图9所示的基于单轴拉伸蠕变和基于纯扭转单轴螺旋弹簧蠕变曲线模式图。可以看出单轴蠕变应变率低，而螺旋试样具有极高的应变分辨率；同时，单轴拉伸蠕变得到的是直线，是间断的，而基于纯扭转单轴螺旋弹簧蠕变曲线得到的应变率是连续的。

本发明的工作原理：

本发明采用基于纯扭转变性原理的“螺旋弹簧蠕变实验法”。

“螺旋弹簧蠕变实验法”是指把待测样品加工成螺旋弹簧试样(如图10所示)，在外加一定温度和微小载荷下测定试样螺距随时间的伸长量，进而研究材料低应力(极低应变速率)蠕变的方法。

在现有的基础上，我们对试验方法进行了改进；首先，我们使用螺旋试样代替了传统意义上的单轴蠕变，这样做的目的：对于棒料和矩形截面试样的拉伸来说，是基于拉伸变形的原理；采用螺旋试样拉伸，是基于纯扭转的原理。另外，采用了非接触式光测***代替传统的传感器，它可以清楚的记录整个过程中试样的变化，这样我们可以直观的看到实验过程中试样的变化程度，更加清晰的记录蠕变值。

附：

(1)拉伸变形的计算公式：   F---力

                                      S---面积

(2)扭转变形的计算公式(以矩形为例)：

最大剪切应力τ和最大剪切应变γ

$\mathrm{\τ}=\frac{\mathrm{PD}}{{2k}_1{a}^{2}b}---\left(1\right)$

$\mathrm{\γ}=\frac{{2k}_{2}a}{\mathrm{\π}{D}^2}\mathrm{\δ}---\left(2\right)$

式中：P是平均载荷，D是螺旋试样大径，a是断面短边长，b是断面长边长，δ是标准螺距，k_1、k₂是与螺旋试样截面形状相关的常数。从公式(2)可知螺旋试样蠕变可大幅度提高应变率，如取a＝3mm，D＝16mm，可得应变速率大约放大1000倍。为了便于和单轴拉伸相比较，借助von Mises关系式把τ和γ转化成等效应力和等效应变把σ_eq和ε_eq看成是应力σ和应变ε,可以绘制螺旋试样蠕变曲线；如图8所示。

综上所述，采用我们的试验方法，不仅能够得到连续压力时所对应的蠕变量和蠕变曲线，更能清楚的记录各个阶段的蠕变值，因此，我们的试验是有一定的使用价值的，对于核电、火电厂管道的安全性评价及寿命预测是有意义的。

Claims (7)

1.测试金属材料在低应力下的蠕变试验装置，其特征在于该装置主要包括：主机架、非接触式光测***、试样夹具、开窗式高温炉、螺旋试样、固定架组件、计算机和连接线；其中，所述的主机架采用双立柱门式框架结构，所述的开窗式高温炉通过侧面的安装支架固定安装在主机架的一侧立柱上，螺旋试样安装在试样夹具上，试样夹具安装在主机架的上横梁的中心位置，且保证螺旋试样放置于开窗式高温炉内部的中心位置；非接触式光测***包括接收器、发射器、显示器和连接线，发射器和接收器分别安装在固定架组件上，固定架组件固定在主机架的立柱上，摇臂固定在主机的立柱上，并保证非接触式光测***的发射器和接收器分别安装在开窗式高温炉的相对一侧，同时保证非接触式光测***的发射器中的LED辐射光能够穿过螺旋试样到达接收器中；用连接线将非接触式光测***与计算机连接起来，对螺旋试样施加微载，用计算机记录实验过程。

2.根据权利要求1所述的测试金属材料在低应力下的蠕变试验装置，其特征在于所述的主机架上横梁的中心位置开有螺纹连接孔，用来安装试样夹具。

3.根据权利要求1所述的测试金属材料在低应力下的蠕变试验装置，其特征在于所述的非接触式光测***的发射器能够发射高亮度的绿色LED辐射光，辐射光照射到试样上，然后试样的影像和数据就会显示在接收器上，通过连接线最终将试样的图像反映在计算机上。

4.根据权利要求1所述的测试金属材料在低应力下的蠕变试验装置，其特征在于所述的固定架组件由摇臂和十字移动固定架两个部分构成，摇臂的外形像一支弯成90度的手臂，包括一长一短，分别安装在主机架的立柱的同一位置，较长摇臂的短边和较短摇臂的长边一样长，这样设计的目的可以保证非接触式光测***的发射器和接收器处于同一截面内，较长摇臂的长边要大于开窗式高温炉的宽度，保证非接触式光测***的接收器和发射器安装在开窗式高温炉的两侧，同时在摇臂的外端，设有燕尾型导滑槽，导滑槽内分别放置高度不同的垫块，用垫块来消除由安装摇臂产生的高度差；十字移动固定架由两个在水平面上垂直角度安放的移动架组成，这样能够在观测窗所在直线的前后方向移动非接触式光测***的发射器和接收器，使非接触式光测***远离开窗式高温炉，以免非接触光测***被灼伤；同时能够在垂直于观测窗所在的直线的左右方向移动非接触式光测***的发射器和接收器，使非接触式光测***的发射端和移动端处于同一条直线上，并保持最好的视角。

5.根据权利要求1所述的测试金属材料在低应力下的蠕变试验装置，其特征在于所述的开窗式高温炉是在现有的三段式加热炉的基础上，在高温炉的前后两端对称设置两个矩形观察窗，以便观测到实验过程中螺旋试样的受力状态，同时为了保证开窗式高温炉的保温性能，采用双层石英玻璃，石英玻璃的***使用高温合金金属材料包裹，留出观测的矩形窗为长10cm，宽3.5cm。

6.根据权利要求1所述的测试金属材料在低应力下的蠕变试验装置，其特征在于所述的试样夹具的截面为圆形，采用高温合金材料，试样夹具分为固定式和承接式两种，固定式试样夹具主要分为拉伸和压缩两种，拉伸夹具在末端有圆柱形凹槽；而压缩夹具在末端有圆柱形凸起。承接部分的夹具，外径相同，在上下两端有内螺纹或外螺纹，目的在于能够将试样悬挂于开窗式高温炉的中央，使其受热均匀。

7.根据权利要求1所述的测试金属材料在低应力下的蠕变试验装置，其特征在于所采用的实验方法是采用“螺旋弹簧蠕变实验法”，“螺旋弹簧蠕变实验法”是指把待测样品加工成螺旋弹簧试样，在外加一定温度和微小载荷下测定试样螺距随时间的伸长量，进而研究材料低应力(极低应变速率)蠕变的方法。