CN113514342A - 一种高温液态金属环境下金属材料的蠕变-疲劳测试装置 - Google Patents

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戴耀南
***
夏家乐
丁珮珊
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Abstract

本发明公开了一种高温液态金属环境下金属材料的蠕变‑疲劳测试装置，包括液态金属实验釜，其内设有标准蠕变试样，标准蠕变试样的上肩部和下肩部分别设有上盖板和底板，上盖板和底板之间设有波纹管，三者共同围成一封闭腔室；腔室连接有第一导管和第二导管，第一导管设有堵头；上盖板和底板之间还设有防漏板；上盖板设有超出防漏板一定距离的台阶，台阶连接有高温引伸计，高温引伸计伸出实验釜并连接有光栅传感器；标准蠕变试样上下两端分别设有上夹具和下夹具，下夹具与一底座相连。本发明的装置不但能进行高温液态金属环境下金属材料的蠕变、蠕变‑疲劳的应力‑应变曲线以及寿命测量，而且结构简单，安装方便，安全可靠，操作方便，价格便宜。

Description

一种高温液态金属环境下金属材料的蠕变-疲劳测试装置
技术领域
本发明属于材料性能测试技术领域，具体涉及一种高温液态金属环境下金属材料的蠕变-疲劳测试装置。
背景技术
高温液态金属环境下金属材料的蠕变及蠕变-疲劳测试装置十分重要，可用于高温液态金属环境下金属材料的极端力学性能测试，如典型高温液钠环境下316LN、316H、铁素体不锈钢等金属材料的蠕变-疲劳测试、高温液态铅铋环境下316型、304型和P91等铁素体不锈钢的蠕变-疲劳测试、熔盐环境下金属材料的高温环境力学性能测试等。
目前，市场上存在的高温液态金属环境下的力学性能测试装置主要分为两类，一类是较为经典的结构，即采用金属波纹管将整个高温测试***封装起来，其内部可提供标准蠕变或蠕变-疲劳试样的真空和高温液态金属环境，另一类是较为简易的结构，即将标准蠕变或蠕变-疲劳试样置于含有高温液态金属的杯状结构中。前一种结构复杂，价格昂贵，后一种结构简单，但危险性较大，存在泄漏的风险。同时，上述两种测试装置都可用于测量高温液态金属环境下的蠕变和蠕变-疲劳寿命，但难以测量高温液态金属环境下金属材料的蠕变及蠕变-疲劳的应力-应变曲线。此外，用于测量标准试样蠕变特性的透镜和光学微位移传感器一般仅适用于惰性气体或真空环境中。
因此需要设计一种适用于高温液态金属环境下金属材料的蠕变-疲劳测试的装置与方法，在开展高温液态金属环境下金属材料的蠕变、蠕变-疲劳的应力-应变曲线以及寿命测量的同时，需解决实验装置结构复杂，安全问题严重等问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种高温液态金属环境下金属材料的蠕变-疲劳测试装置，该装置不但能进行高温液态金属环境下金属材料的蠕变、蠕变-疲劳的应力-应变曲线以及寿命测量，而且结构简单，安装方便，安全可靠，操作方便，价格便宜。
本发明提供的技术方案如下：
一种高温液态金属环境下金属材料的蠕变-疲劳测试装置，包括：液态金属实验釜，液态金属实验釜内设有标准蠕变试样，标准蠕变试样的上肩部设有上盖板，标准蠕变试样的下肩部设有底板，上盖板和底板之间设有波纹管，上盖板、底板和波纹管共同围成一封闭腔室；腔室连接有用于加装金属材料的第一导管和用于输入惰性保护气体的第二导管，第一导管设有用于防止空气进入腔室的堵头；
上盖板和底板之间还设有用于防止液态金属泄露的防漏板，防漏板位于波纹管的外侧；上盖板设有超出防漏板一定距离的台阶，台阶连接有高温引伸计，高温引伸计伸出液态金属实验釜并连接有光栅传感器；
标准蠕变试样上下两端分别设有上夹具和下夹具，下夹具与一底座相连。
优选地，该装置还包括电液伺服压力供给***，电液伺服压力供给***连接有两根螺纹柱，两根螺纹柱上方设有升降台，电液伺服压力供给***可带动螺纹柱旋转，进而使升降台上升或下降，升降台连接有力传感器，力传感器与上夹具相连，便于测量标准蠕变试样所承载的拉力或压力。
优选地，电液伺服压力供给***连接有加载控制***。
优选地，该装置还包括温控***，温控***连接有热电偶和加热机构，热电偶设置在波纹管外侧，加热机构设置在液态金属实验釜***。
优选地，该装置还包括用于检测液态金属氧含量的氧含量监测仪器。
优选地，该装置还包括冷却导管，冷却导管设置在液态金属实验釜的***。
优选地，下夹具设有横杆，横杆上设有用于供光栅传感器上下滑动的导轨。
优选地，第二导管连接有装有惰性保护气体的供给瓶。
优选地，供给瓶为氩气瓶。
优选地，第二导管还连接有缓冲罐。
本发明的有益效果为：本发明的高温液态金属环境下金属材料的蠕变-疲劳测试装置，不但能进行高温液态金属环境下金属材料的蠕变、蠕变-疲劳的应力-应变曲线以及寿命测量，而且结构简单，安装方便，安全可靠，操作方便，价格便宜；标准试样的上盖板边缘所留出的台阶用于安装高温位移引伸计，便于测量标准蠕变试样因形变而所产生的位移；同时，台阶也便于防漏板的安装，既保证了装置在高温高压下实验的安全性，规避了液态金属泄漏的风险，也解决了传统结构所存在的结构复杂，难以加装等问题。
附图说明
图1为本发明实施例的高温液态金属环境下金属材料的蠕变-疲劳测试装置示意图。
图2为本发明实施例的液态金属实验釜示意图。
图中：1-液态金属实验釜，2-第一导管，3-第二导管，4-温控***，5-热电偶，6-波纹管，7-防漏板，8-标准蠕变试样，9-固定件，10-氩气瓶，11-力传感器，12-电液伺服压力供给***，13-上夹具，14-下夹具，15-高温位移引伸计，16-光栅传感器，17-导轨，18-冷却导管，19-缓冲罐，20-上盖板，21-底板，22-螺纹柱，23-加载控制***，24-固定杆，25-升降台，26-底座。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的说明：
本发明实施例的高温液态金属环境下金属材料的蠕变-疲劳测试装置，如图1和图2所示，包括：液态金属实验釜1，液态金属实验釜1内设有标准蠕变试样8，标准蠕变试样8的上肩部设有上盖板20，标准蠕变试样的下肩部设有底板21，上盖板20和底板21之间设有薄壁波纹管6，上盖板20、底板21和波纹管6共同围成一封闭腔室；腔室连接有用于加装金属材料的第一导管2和用于输入惰性保护气体的第二导管3，第一导管2设有用于防止空气进入腔室的堵头，堵头可为较为稳固的螺栓堵头，用以在装入金属材料后堵住第一导管2，防止空气进入。本发明的实验釜可采用全焊接密封，内部采用保温材料。
上盖板20和底板21之间还设有用于防止液态金属泄露的防漏板7，防漏板7位于波纹管6的外侧，以免波纹管6破裂后，高温金属液体溢出，对装置产生损伤；上盖板20设有超出防漏板7一定距离的台阶，台阶连接有高温引伸计15，高温引伸计15伸出液态金属实验釜1并连接有光栅传感器16。
标准蠕变试样8上下两端分别设有上夹具13和下夹具14，下夹具14与一底座26相连，用于固定标准蠕变试样8。
优选地，该装置还包括电液伺服压力供给***12，电液伺服压力供给***12连接有两根螺纹柱22，两根螺纹柱22上方设有升降台25，升降台25连接有用于测量标准蠕变试样8所受的加载力的力传感器11，力传感器11与上夹具13相连，便于测量标准蠕变试样所承载的拉力或压力。电液伺服压力供给***12连接有用于控制载荷(力或位移)波形的加载控制***23。加载控制***23启动电液伺服压力供给***12后，电液伺服压力供给***12带动螺纹柱22旋转，从而使升降台25上升或下降，在上升时对标准蠕变试样8施加拉力，在下降时对标准蠕变试样8施加压力。升降台25中部为空，上夹具13与一个上连杆连接，上连杆穿过升降台中部与力传感器11连接，力传感器11通过固定件9固定在升降台上。
优选地，该装置还包括温控***4，温控***4连接有热电偶5和加热机构，热电偶5设置在波纹管6外侧，加热机构设置在液态金属实验釜1***。
优选地，该装置还包括用于检测液态金属氧含量的氧含量监测仪器。氧含量监测仪器可从第二导管中伸入到腔室中。
优选地，该装置还包括冷却导管18，冷却导管18设置在液态金属实验釜1的***。
优选地，下夹具14设有横杆，横杆上设有用于供光栅传感器16上下滑动的导轨17。进一步地，底板21也设有超出防漏板7一定距离的台阶，台阶连接有固定杆24，固定杆24与横杆连接，用于进一步固定标准蠕变试样。
优选地，第二导管3连接有装有惰性保护气体的供给瓶。供给瓶为氩气瓶10。第二导管还连接有缓冲罐19。
本发明还提供一种用于高温液态金属环境下金属材料的蠕变-疲劳测试方法，包括以下步骤：
(1)实验前，为了加速表面金属的湿润状态，严格控制液态金属浴中的含氧量是至关重要，故先从第一导管放入金属钠颗粒与高纯锆箔，高纯锆箔用于消除钠浴中的残余溶解氧，再通过定量添加高纯氧化金属物来调节液态金属中的含氧量。再打开气阀，从第二导管通过金属软管将惰性保护气体导入实验釜中，当惰性气体充满实验釜后，将实验釜中残余空气完全排出时关闭第一导管的气阀。继续充入惰性保护气体可达到控制气压的效果。
(2)实验时，对腔室进行加热，使腐蚀实验介质融化，加热至实验设定温度，开展腐蚀实验。利用温控***控制加热机构对实验釜进行加热，通过热电偶掌握实验釜内部的温度变化；力传感器在实验过程中随时测量标准蠕变试样所加载的拉力或压力等参数；高温位移引伸计，光栅传感器和导轨用于测量标准蠕变试样所产生的位移；加载控制***用于控制电液伺服压力供给***提供载荷，以解决高温液态金属环境下金属材料的蠕变、蠕变-疲劳的应力-应变曲线以及寿命的测量问题。
(3)实验后，可直接读取金属钠溶液氧含量，螺栓应力和应变等数据。同时可直接将热电偶，标准蠕变试样和力传感器直接取出进行清理，以便后续的实验工作。
综上所述，本发明的这种设计能利用惰性气体，对高温且腐蚀性较强的液态金属介质进行密封动态实验，既解决了结构复杂，价格昂贵的难题，又有效规避了液态金属泄漏的风险。因此，本装置在测量高温液态金属环境下金属材料的蠕变、蠕变-疲劳、应力-应变曲线以及寿命等应用方面具有结构简单，安装方便，安全可靠，操作方便，价格便宜等优点。
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高温液态金属环境下金属材料的蠕变-疲劳测试装置，其特征在于，包括：液态金属实验釜，液态金属实验釜内设有标准蠕变试样，标准蠕变试样的上肩部设有上盖板，标准蠕变试样的下肩部设有底板，上盖板和底板之间设有波纹管，上盖板、底板和波纹管共同围成一封闭腔室；腔室连接有用于加装金属材料的第一导管和用于输入惰性保护气体的第二导管，第一导管设有用于防止空气进入腔室的堵头；
上盖板和底板之间还设有用于防止液态金属泄露的防漏板，防漏板位于波纹管的外侧；上盖板设有超出防漏板一定距离的台阶，台阶连接有高温引伸计，高温引伸计伸出液态金属实验釜并连接有光栅传感器；
标准蠕变试样上下两端分别设有上夹具和下夹具，下夹具与一底座相连。
2.根据权利要求1所述的高温液态金属环境下金属材料的蠕变-疲劳测试装置，其特征在于，该装置还包括电液伺服压力供给***，电液伺服压力供给***连接有两根螺纹柱，两根螺纹柱上方设有升降台，电液伺服压力供给***可带动螺纹柱旋转，进而使升降台上升或下降，升降台连接有与上夹具相连的力传感器，用于测量标准蠕变试样所承载的拉力或压力。
3.根据权利要求2所述的高温液态金属环境下金属材料的蠕变-疲劳测试装置，其特征在于，电液伺服压力供给***连接有加载控制***。
4.根据权利要求1所述的高温液态金属环境下金属材料的蠕变-疲劳测试装置，其特征在于，该装置还包括温控***，温控***连接有热电偶和加热机构，热电偶设置在波纹管外侧，加热机构设置在液态金属实验釜***。
5.根据权利要求1所述的高温液态金属环境下金属材料的蠕变-疲劳测试装置，其特征在于，该装置还包括用于检测液态金属氧含量的氧含量监测仪器。
6.根据权利要求1所述的高温液态金属环境下金属材料的蠕变-疲劳测试装置，其特征在于，该装置还包括冷却导管，冷却导管设置在液态金属实验釜的***。
7.根据权利要求1所述的高温液态金属环境下金属材料的蠕变-疲劳测试装置，其特征在于，下夹具设有横杆，横杆上设有用于供光栅传感器上下滑动的导轨。
8.根据权利要求1所述的高温液态金属环境下金属材料的蠕变-疲劳测试装置，其特征在于，第二导管连接有装有惰性保护气体的供给瓶。
9.根据权利要求8所述的高温液态金属环境下金属材料的蠕变-疲劳测试装置，其特征在于，供给瓶为氩气瓶。
10.根据权利要求8所述的高温液态金属环境下金属材料的蠕变-疲劳测试装置，其特征在于，第二导管还连接有缓冲罐。
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