专利名称：一种多头微型试样蠕变试验装置及测试方法
技术领域：
本发明涉及一种新型测试材料高温蠕变性能的装置，尤其是一种多头微型试样蠕变试验装置及测试方法。
背景技术：
石油、化工、航空航天和核电等行业中有许多金属结构长期在高温环境下工作，蠕变是这些高温结构破坏的主要形式，应用高温结构完整性理论，准确评价在役高温构件的剩余寿命，对于保证高温承载构件的安全服役具有重要的意义。预测这类结构的安全性和剩余寿命的基本前提是获得这些在役构件的高温性能参数。常用方法是通过标准试样单轴蠕变试验获取这些参数，但标准试样尺寸较大，往往需要较多材料，大量取材会对原设备带来破坏，影响设备的正常运行；对于管状构件(换热管、炉管)或某些微小装置，可取试样体积太小，无法满足传统试验对试样尺寸的要求，从而导致试验无法进行。而非标准的微型试样应力状态复杂，更能反映构件的真实受力情况， 因此采用微型试样进行试验是较为理想的方法。小冲杆蠕变试验方法是目前研究较多的微试样蠕变试验方法，取材少，兼具无损 (或半无损)和取样方便的双重优势，是一种既经济又有效的安全检测手段。但是，小冲孔蠕变试验的试验结果受夹具、冲头尺寸等外部因素的影响较大，使得小冲孔蠕变试验的数据匮乏，尤其是缺乏长时蠕变试验数据；另外，各国研究者在所用试样、加载方式上存在差异，使得试验数据无法进行比较。这些对于研究小冲杆蠕变试验同传统单轴蠕变试验的关联方面非常不利。三点弯曲和四点弯曲试验，试样简单、操作方便，通过弯曲蠕变试验的数据，可转换得到等效的单轴拉伸试验的应力和应变、评估材料的蠕变活化能Q、研究弯曲试样的显微结构并分析材料蠕变力学性能，但通过微试样的弯曲蠕变试验获取的材料高温性能数据却较少。目前微试样蠕变试验大多是在传统单轴蠕变试验机上，通过改进或设计专用夹具来实现蠕变试验。对于微试样蠕变试验，所需试验载荷较小，处于传统蠕变试验机的载荷控制下限，原有的载荷控制误差对微试样的影响将大于对传统大尺寸试样的影响；同时，目前微试样蠕变试验装置一次只能进行一个试样的蠕变试验，所需试验时间较长、试验成本高， 且不能保证每次试验时试样所处环境一致，增加了系统误差的变量个数，降低了试验数据的可比性。
发明内容
本发明的目的旨在克服上述存在的问题，提供一种测试材料蠕变性能的多头微试样蠕变试验装置及测试方法。本发明是通过以下技术方案实现的一种多头微型试样蠕变试验装置，其特征在于，所述的装置包括外部支架、加载系统、测量系统、装夹系统和加热及温控系统；所述的外部支架包括一个底座23，连接在底座 23上的四根支柱3，上盖板5由四根支柱3支撑；所述的加热及温控系统包括一带有温控仪 1的高温炉4，通过炉架22固定在外部支架的底座23上，热电偶2固定在所测试的微试样 30上；所述的加载系统包括，安装于外部支架的上盖板5上的导向套12，由导向套锁紧螺母 13紧定，至少两根压杆14，压杆14穿过导向套12与砝码托盘螺纹连接，砝码托盘与导向套配合，砝码托盘11与导向套12配合，压杆14的下端伸入高温炉4内与压头15接触；所述的测量系统包括固定在上盖板5上的两根支撑杆6，由传感器卡板7将位移传感器8装夹在测量支撑杆6上，测量板10安装在砝码托盘11上并随砝码托盘11上下移动，位移传感器 8的探头垂直接触于砝码托盘11上的测量板10上，位移传感器8通过电缆与工控机38的数据采集卡连接；所述装夹系统包括一个下端固定在底座23上的支柱21，支柱21的上端伸入加热炉4内通过螺纹及平键20与组合夹具沈连接，所述的组合夹具沈包括一个底盘 17，至少一对夹具以圆心为对称点沿圆周均勻分布设置在底盘17上，所述的夹具包括以下三种结构第一夹具33a包括一个导向上模25由锁紧螺钉M固定在底盘17上，底盘17上开有底盘凹槽35，还包括一个压紧上模16与底盘17螺纹连接，微试样30的一端由压紧螺钉27紧固在底盘凹槽35的槽壁上，微试样30的另一端悬空放置于底盘凹槽35内由一只下端穿过导向上模25的压头15顶紧，压头15的上端顶紧压杆14，压头15的下端为半圆柱面。第二夹具3 包括一个导向上模25由锁紧螺钉M固定在底盘17上，底盘17上开有底盘凹槽35，导向上模25与底盘凹槽35相对应的底面部分，开有一个和底盘凹槽35 相应的上凹槽36，微试样30由两根支撑辊子31支撑置于底盘凹槽35内，设置一只或两只压头15，其下端穿过导向上模25顶紧微试样30，压头15上端顶紧压杆14，压头15的下端为半圆柱面；第三夹具33c包括一个导向上模25由锁紧螺钉M固定在底盘17上，底盘17上开有底盘凹槽35，导向上模25与底盘凹槽35相对应的底面部分，带有一个和底盘凹槽35 相配合的凸台37，微试样30放置于底盘凹槽35内，陶瓷小球39置于微试样30上，设置一只压头15，其下端穿过凸台37中间顶紧陶瓷小球39，压头15上端顶紧压杆14，压头15为一中空管，管的内径不大于陶瓷小球39的直径。所述的第三夹具33c的底盘凹槽35贯通底盘17，在底盘17的底部贯通处设有一堵头41与底盘17螺纹连接。所述的第一夹具33a、第二夹具33b、第三夹具33c可以分别或组合成对安装在底盘17上。本发明还提供一种采用多头微型试样蠕变试验装置的测试方法，一种采用多头微型试样蠕变试验装置的测试方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤(1)将微试样分别装入第一夹具33a、第二夹具33b、第三夹具33c的底盘凹槽35 内，利用第一夹具33a测试悬臂微型试样、第二夹具3 测试三点弯和四点弯微型试样、第三夹具33c测试小冲杆微型试样，将第一夹具33a内的微试样用压紧上模16压紧，安装导向上模25，将第二夹具33b、第三夹具33c的导向上模25安装好；
(2)安装组合夹具沈将所述的第一夹具33a、第二夹具33b、第三夹具33c分别或组合地成对安装在底盘17上；(3)将组合夹具沈与立柱21连接，安装热电偶2 ；(4)安装压头15、压杆14和砝码托盘11，调整立柱21的相对位置，使压杆14、压头15接触；(5)安装位移传感器8，使位移传感器8的探头压紧在砝码托盘11的测量板10上， 并将位移传感器8置零；(6)开启高温炉4，升温、加热至试验温度300 1000°C，并保温1 2小时；(7)温度稳定后，逐级、平稳地施加砝码9，待载荷施加完毕后，再次将位移传感器
置零；(8)开启工控机数据采集软件，实时记录位移数据；(9)导出后台记录数据，绘制位移-时间曲线d_t曲线，求取载荷P所对应的稳态蠕变位移速率j，并将稳态蠕变位移速率J与载荷P绘于双对数坐标系，拟合得到 = ΝΡ" 关系式中N和η值；分别通过针对三点弯微试样、四点弯微试样、悬臂梁微试样测试的平面假设、梁模型，以及针对小冲杆微试样测试的薄膜伸张模型，推出N = Bf (η)，其中B为蠕变系数，η为蠕变应力指数，η的值取j = 关系式中η值，由此获得描述材料蠕变的Norton 方程 = Βσ"。本发明的有益效果1、本发明可以同时进行多个微试样的蠕变试验，可以保证同一批试样处于相同的环境下工作，减小蠕变试验数据的分散性、相对缩短蠕变试验时间。2、本发明采用微型试样进行蠕变试验，取材少、试样结构简单，对在役设备取样造成的损伤小。3、本发明的组合夹具与立柱采用螺纹连接，只需更换组合夹具的类型，便可进行悬臂试样、三点弯试样、四点弯试样、小冲杆试样等不同类型的蠕变试验。4、本发明采用砝码加载，避免了试验过程中的载荷波动，同时简化了蠕变试验中的断电处理过程。5、本发明直接测量试样加载点处的位移，降低了测量难度，提高了测量精度。6、本发明采用位移传感器连续、自动记录试样的变形数据，提高了试验数据精度、减小了人工记录工作量。
图1是多头微型试样蠕变试验装置正面示意图。其中，1 温控仪，2 热电偶，3 支柱，4 高温炉，5 上盖板，6 测量支撑杆，7 传感器卡板，8 ；位移传感器，9 砝码，10 测量板，11 砝码托盘，12 导向套，13 导向套锁紧螺母，14 压杆，15 压头，16 压紧上模，17 底盘，18 立柱锁紧螺母，19 套筒，20 平键，21 立柱，22 炉架，23 底座，38 工控机。图2是多头微型试样蠕变试验装置侧面示意图。其中，3 支柱，4 高温炉，5 上盖板，6 测量支撑杆，7 传感器卡板，8 位移传感器，9 砝码，10 测量板，11 砝码托盘，12 导向套，13 导向套锁紧螺母，14 压杆，21 立柱，22 炉架，23 底座。图3是六头微型试样蠕变试验装置组合夹具示意图，该夹具可一次完成6个微试样的蠕变试验。其中，15 压头，16 压紧上模，17 底盘，18 立柱锁紧螺母，21 立柱，24 锁紧螺钉，25 导向上模，26 组合夹具，27 压紧螺钉，30 微试样。图4是四头微型试样蠕变试验装置组合夹具示意图。该夹具可一次完成4个微试样的蠕变试验。其中，15 压头，16 压紧上模，17 底盘，18 立柱锁紧螺母，21 立柱，24 锁紧螺钉，25 导向上模，26 组合夹具，27 压紧螺钉，30 微试样。 图5是二头微型试样蠕变试验装置组合夹具示意图。该夹具可一次完成2个微试样的蠕变试验。其中，15 压头，16 压紧上模，17 底盘，18 立柱锁紧螺母，21 立柱，24 锁紧螺钉，25 导向上模，26 组合夹具，27 压紧螺钉，30 微试样。图6是测试悬臂微型试样的第一夹具33a的结构示意图。其中，14 压杆，15 压头，16 压紧上模，17 底盘，24 锁紧螺钉，25 导向上模， 27 压紧螺钉，30 微试样，35 底盘凹槽。图7是测试三点弯微型试样的第二夹具3 结构示意图。其中，14 压杆，15 压头，17 底盘，24 锁紧螺钉，25 导向上模，30 微试样，31 支撑辊子，36:上凹槽。图8是测试四点弯微型试样的第二夹具3 结构示意图。其中，14 压杆，15 压头，17 底盘，24 锁紧螺钉，25 导向上模，30 微试样，31 支撑辊子，36:上凹槽。图9是测试小冲杆微型试样的第三夹具33c结构示意图。其中，14 压杆，15 压头，17 底盘，24 锁紧螺钉，25 导向上模，30 微试样，35 底盘凹槽，37 凸台，39 陶瓷小球，41 堵头。图10为同时测试悬臂微型试样、三点弯微型试样、小冲杆微型试样的组合夹具结构示意图。其中，15 压头，16 压紧上模，17 底盘，18 立柱锁紧螺母，21 ；立柱，24 ；锁紧螺钉，25 导向上模，26 ；组合夹具，27 压紧螺钉，30 微试样，33a 第一夹具，3 第二夹具， 33c 第三夹具。图11三点弯微试样蠕变位移曲线。图12三点弯微试样载荷线位移最小蠕变位移速率与载荷的关系图。图13三点弯、小冲杆微试样蠕变位移曲线。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述外部支架包括支柱3、上盖板5和底座23。上盖板5由安装在底座23上的四根支柱3撑起。上盖板5上安装有位移测量系统和加载系统的一部分，其中加载系统中的导向套12固定在上盖板5上。
加载系统包括压头15、压杆14、导向套12、导向套锁紧螺母13、砝码托盘11和砝码9，加载方式采用顶部垂直加载，导向套12安装于外部支架上盖板5上，由导向套锁紧螺母13紧定，砝码托盘11与导向套12形成动连接，由导向套12保证顶部载荷垂直加载，砝码托盘11与压杆14螺纹连接，压杆14和压头15接触但不连接，以避免同轴度误差引起的加载偏差。加热及温控系统包括热电偶2、高温炉4、炉架22和温控仪1。热电偶2用于高温炉4的温度控制和微试样30的温度测量，连接到工控机上显示、记录温度值。炉架22 — 端螺纹连接在高温炉4上，另一端放置在底座23上，高温炉4的上下位置可调。高温炉4 为单门开启式的矩形炉，安装试样方便。加热系统位于整个装置的中部。测量系统包括测量支撑杆6、传感器卡板7、测量板10、位移传感器8、数据采集卡、 工控机38和数据采集软件。上盖板5上安装测量支撑杆6，测量支撑杆6上安装传感器卡板7，装夹位移传感器8，测量板10安装在砝码托盘11上，随砝码托盘上下移动，位移传感器8的探头垂直接触于测量板10上，位移传感器还通过电缆线连接到工控机的数据采集卡上，工控机的数据采集软件界面可显示位移随时间的变化曲线、并记录位移值，进而对数据进行处理、分析。位移传感器8选用线性差动位移传感器、数据采集卡型号为PCI-9221，数据采集软件选用LabView 2009，编译数据采集程序，实现位移数据的自动记录，并可根据试验过程的要求，设置采样频率。装夹系统包括立柱21、平键20、套筒19、锁紧螺母18和组合夹具26。组合夹具沈与立柱21通过两个锁紧螺母18连接，微试样30置于组合夹具沈内，组合夹具沈的底盘 17与立柱21之间设置了平键20，只需转动立柱21便可调整底盘17的相对位置。本发明的装夹系统可设置成六头、四头和两头的(即组合夹具的底盘上可分别安装六对、四对和两对夹具)，可以同时安装六个、四个和两个试样。参照附图1、2，多头微试样蠕变试验装置主要由加载系统、装夹系统、加热及温控系统、测量系统和外部支架构成。参照附图3、6，以悬臂试样组合夹具为例，组合夹具沈的夹具33a包括底盘17、压紧上模16、锁紧螺钉24、导向上模25和压紧螺钉27组成，压紧上模16、导向上模25同底盘 17通过锁紧螺钉M连接。如图6所示，底盘17的底盘凹槽35用以安放悬臂微试样30，旋入压紧上模16中的压紧螺钉27压紧微试样固定端，压杆14通过压头15将载荷传递到悬臂微试样30上。参照附图4，四头微型试样蠕变试验装置的不同之处在于将组合夹具更换为四头。 将组合夹具设置为四头，是考虑到施加载荷后，各个试样的受力应尽量对称，避免夹具受不平衡力造成倾覆。以悬臂试样为例，组合夹具26包括底盘17、压紧上模16、锁紧螺钉对、导向上模25和压紧螺钉27组成，压紧上模16、导向上模25同底盘17通过锁紧螺钉M连接。但是，圆盘夹具上面开四个底盘凹槽35，装置一次进行4个悬臂试样的蠕变试验。参照附图5，二头微型试样蠕变试验装置的不同之处在于将组合夹具更换为二头。 将组合夹具设置为二头，是考虑到施加载荷后，各个试样的受力应尽量对称，避免夹具受不平衡力造成倾覆。以悬臂试样为例，组合夹具26包括底盘17、压紧上模16、锁紧螺钉M、 导向上模25和压紧螺钉27组成，压紧上模16、导向上模25同底盘17通过锁紧螺钉M连接。但是，圆盘夹具上面开2个底盘凹槽35，装置一次最多只能进行2个悬臂试样的蠕变试验。参照附图7，多头微型试样蠕变试验装置的组合夹具为三点弯微型试样组合夹具。 三点弯微试样组合夹具包括底盘17、锁紧螺钉对、导向上模25和圆柱支撑辊子31组成，导向上模25同底盘17通过锁紧螺钉M连接。其中，圆柱支撑辊子31位于底盘17上的底盘凹槽35内，微试样放置于支撑辊子31上，高出圆盘夹具28的上表面0. 5mm,压头15穿过导向上模25中的孔，将载荷作用到三点弯微试样30上。参照附图8，多头微型试样蠕变试验装置的组合夹具为四点弯微试样组合夹具。四点弯微试样组合夹具同三点弯的基本一致，包括底盘17、导向上模25、锁紧螺钉M和圆柱支撑辊子31组成，导向上模25同底盘17通过锁紧螺钉M连接。其中，圆柱支撑辊子31 位于底盘17上的底盘凹槽35内，微试样30放置于支撑辊子31上，高出底盘17的上表面 0. 5mm。与三点弯情形不同，四点弯组合夹具的压头15具有两个加载点，压头15穿过导向上模25中的孔，将载荷作用到四点弯微试样30上。参照附图9，多头微型试样蠕变试验装置的组合夹具为小冲孔微试样组合夹具。小冲孔微试样蠕变试验装置包括底盘17、导向上模25、锁紧螺钉对、陶瓷小球39和堵头41组成。导向上模25同底盘17通过锁紧螺钉M连接。其中，底盘17上开有底盘凹槽35，导向上模25底部为凸台，与底盘凹槽35配合，将微试样30放入底盘17中的槽内，锁紧导向上模25后，上模底面与微试样上表面应保持0. Imm的间隙，使微试样处于应力自由状态。导向上模25的中部开有圆形通孔，压头15冲压陶瓷小球39，将载荷作用到小冲孔微试样30 上。底盘17的底盘凹槽35内开有圆形通孔，底部装有螺纹堵头41，用于微试样断裂后收集陶瓷小球39。参照附图10，多头微型试样蠕变试验装置的组合夹具为三种不同类型试样夹具的组合形式。三种不同类型试样夹具的组合形式包括第一夹具33a、第二夹具33b、第三夹具33c，三组夹具成对安装，在底盘17上对称分布，在同一底盘上便可进行悬臂微试样、三 (四)点弯微试样、小冲孔微试样三种类型的蠕变试验。多头微型试样蠕变试验方法以三点弯试样为例，将微试样30装入底盘17的底盘凹槽35内，用锁紧螺钉对将导向上模25固定在底盘17上。待试样装入组合夹具后，用两个螺母18将其连接到立柱21上，然后将热电偶2安装在微试样30上。由于本装置采用砝码顶端垂直加载，试样上部加载系统所包含的部件均应作为试样的载荷，因此在安装加载系统前，应称量压头15、压杆14和砝码托盘11的重量，将此重量作为蠕变试验的预载荷。安装压头15，将压杆14旋入砝码托盘11底部，从上往下穿过导向套12。微试样的压杆14和压头15均安装完毕后，转动立柱21，使各个微试样的压杆14和压头15尽量位于同一轴线上，但此时不施加砝码载荷。将位移传感器8安装在传感器卡板7上，调整传感器卡板7在测量支撑杆6上的位置，使其压紧在测量板10上。待所有微试样安装好后，关闭高温炉4，升温、加热至规定温度，保温一段时间待温度稳定后，逐级、平稳地施加砝码载荷9， 注意试样的载荷为压头15、压杆14、砝码托盘11的重量和砝码载荷9之和。载荷施加完毕后，在工控机的位移采集界面上将传感器8调零，并开始记录每个试样的位移值、显示位移曲线。导出后台记录数据，绘制位移-时间曲线d-t曲线，求取载荷P所对应的稳态蠕变位移速率j,并将稳态蠕变位移速率j与载荷P绘于双对数坐标系，拟合得到“ NPn关系式中N和η值。分别通过平面假设、梁模型(三点弯、四点弯、悬臂梁试验)和薄膜伸张模型(小冲杆试验)推出N = Bf (η)，其中B为蠕变系数，η为蠕变应力指数，由此获得描述材料蠕变的Norton方程< =Βσ"。实施例1 相同温度、不同载荷下的三点弯微试样蠕变试验将三点弯微试样30 (尺寸为20X5X1. 5mm)装入底盘17的底盘凹槽35内，，安装导向上模25，待六个微试样全部装入组合夹具沈后，用两个立柱锁紧螺母18将其连接到立柱21上，安装热电偶2。称量压头15、压杆14和砝码托盘11的重量，将此重量作为蠕变试验的预载荷。安装压头15，将压杆14旋入砝码托盘11底部，从上往下穿过导向套12。 安装完毕后，轻微转动立柱，使各个微试样的压头和压杆接触、并调整至同一轴线方向上， 但此时不施加砝码载荷。将位移传感器8安装在传感器卡板7上，调整传感器卡板7在测量支撑杆6的位置，使其压紧在测量板10上。关闭电加热炉4，升温、保温一段时间待温度稳定后，逐级、平稳地施加砝码载荷9，注意试样的载荷为压头15、压杆14、砝码托盘11的重量和砝码载荷9之和。载荷施加完毕后，在工控机的位移采集界面上将传感器8调零，并开始记录每个试样的位移值、显示位移曲线。在六头三点弯组合夹具沈上同时进行了三组(共6个试样，其中每两个试样的载荷相同)试验，所获得的不同载荷、同一温度(600°C)下P91材料的三组平均蠕变位移曲线如图11所示。从该图可以看出，微试样的蠕变过程分为明显的两个阶段，蠕变速率逐渐减小的第一阶段和蠕变速率恒定的第二阶段，符合材料的蠕变变形规律。对于三点弯微试样蠕变试验数据的处理，基于平面假设和梁模型(1)弯曲变形前原为平面的杆的横截面变形后仍保持为平面，且仍然垂直于变形后的杆轴线；(2)各纵向纤维之间并无相互作用的正应力。同时假定材料的蠕变变形规律服从Norton定律之=Βσ"，其中B、η为材料常数，■^为稳态蠕变应变速率，σ为单轴应力。推导得出三点弯微试样30的同传统单轴蠕变试验的关系式d = (-^7)"
2n (n + 2)h Ibh2其中P为作用到微试样上的载荷，1为试样有效计算跨距，h为试样厚度的一半，b 为试样宽度，j为载荷线位移稳态位移速率。上式可简化为d = NPn
ο ■ ιjn+2ι= =若是悬臂梁试样，同样基于平面假设和梁模型，推导可得
ι 9M + 1 1"+2N = Bm = B{jfn+X^―。
η 2bn n + 2通过微试样的蠕变试验获取位移d_t曲线后，求取载荷P所对应的稳态蠕变位移速率^，并将稳态蠕变位移速率j与载荷P绘于双对数坐标系中，见图11，两者具有很好的线性关系，符合j = 规律。在双对数坐标系下，拟合曲线得到N= 7.243X10_7，n = 0. 785，进一步计算得 B = N/f (η) = 4. 709X 10_7。由此得到该三点弯微试样30材料的蠕变应力指数为η = 0. 785，蠕变系数为B =4. 709 X ΙΟ—7，描述蠕变的 Norton 方程为之=4.709χ 10"σ°785。本试验同时进行6个试样的蠕变试验，可以保证同一批试样处于相同的环境下工作，减小蠕变试验数据的分散性、相对缩短蠕变试验时间；采用砝码加载，避免了试验过程中的载荷波动，同时简化了蠕变试验中的断电处理过程；采用位移传感器连续、自动记录试样的变形数据，提供了试验数据精度、减小了工作量。实施例2 相同温度、不同载荷下的小冲杆、三点弯微试样蠕变试验将微试样30 (小冲杆微试样尺寸为Φ 10X0. 5mm,三点弯微试样尺寸为 20X5X1. 5mm)装入底盘17内，安装导向上模25，并用锁紧螺钉M固定，待2个微试样全部装入组合夹具26后，用两个立柱锁紧螺母18将组合夹具沈连接到立柱21上，然后安装热电偶2。称量压头15、压杆14和砝码托盘11的重量，将此重量作为蠕变试验的预载荷。 安装压头15，将压杆14旋入砝码托盘11底部，从上往下穿过导向套12。待2个试样的压杆和压头均安装完毕后，轻微转动立柱21，使2个试样的压头和压杆接触、并调整至位于同一轴线方向上，但此时不施加砝码载荷。将位移传感器8安装在传感器卡板7上，调整传感器卡板7在测量支撑杆6上的位置，使其压紧在测量板10上。关闭电加热炉4，升温、保温一段时间待温度稳定后，逐级、平稳地施加砝码载荷9，注意试样的载荷为压头15、压杆14、 砝码托盘11的重量和砝码载荷9之和。载荷施加完毕后，在工控机的位移采集界面上将传感器8调零，并开始记录每个试样的位移值、显示位移曲线。在同一炉内同时进行了三点弯和小冲杆微试样蠕变试验，试验结果如图13所示。 小冲杆微试样的蠕变试验曲线具有明显的三阶段，减速蠕变、稳态蠕变、加速蠕变；三点弯微试样蠕变位移曲线具有明显的两阶段，减速蠕变、稳态蠕变。可一次实现两种不同类型试样同一温度、不同载荷的蠕变试验，且试验曲线符合材料的蠕变变形规律。采用该装置，可缩短蠕变试验试验，并可保证不同微试样方法所获取的蠕变数据的可比性。
权利要求
1.一种多头微型试样蠕变试验装置，其特征在于，所述的装置包括外部支架、加载系统、测量系统、装夹系统和加热及温控系统；所述的外部支架包括一个底座(23)，连接在底座上的四根支柱(3)，上盖板(5)由四根支柱C3)支撑；所述的加热及温控系统包括一台带有温控仪(1)的加热炉G)，通过炉架02)固定在外部支架的底座03)上，热电偶 (2)固定在所测试的微式样(30)上；所述的加载系统包括，安装于外部支架的上盖板(5) 上的导向套(12)，由导向套锁紧螺母(13)紧定，至少两根压杆(14)，压杆(14)的上端穿过导向套(12)与砝码托盘(11)螺纹连接，导向套(12)与砝码托盘(11)配合，压杆(14)的下端伸入高温炉内与压头(1 接触；所述的测量系统包括固定在上盖板( 上的两根支撑杆(6)，由传感器卡板(7)将位移传感器(8)装夹在测量支撑杆(6)上，测量板(10) 安装在砝码托盘(11)上并随砝码托盘(11)上下移动，位移传感器(8)的探头垂直接触于砝码托盘(11)上的测量板(10)上，位移传感器(8)通过电缆与工控机(38)的数据采集卡上；所述装夹系统包括一个下端固定在底座上的支柱(21)，支柱的上端伸入加热炉内通过螺纹及平键OO)与组合夹具06)连接，所述的组合夹具06)包括一个底盘(17)，至少一对夹具以圆心为对称点沿圆周均勻分布设置在底盘(17)上，所述的夹具包括以下三种结构第一夹具(33a)包括一个导向上模(2 由锁紧螺钉04)固定在底盘(17)上，底盘 (17)上开有底盘凹槽(35)，还包括一个压紧上模(16)与底盘(17)螺纹连接，微试样(30) 的一端由压紧螺钉(XT)紧固在底盘凹槽(3 的槽壁上，微试样(30)的另一端悬空放置于底盘凹槽(35)内由一只下端穿过导向上模05)的压头(15)顶紧，压头(15)的上端顶紧压杆(14)，压头(1 的下端为半圆柱面。第二夹具(33b)包括一个导向上模0 由锁紧螺钉04)固定在底盘(17)上，底盘 (17)上开有底盘凹槽(35)，导向上模0 与底盘凹槽(3 相对应的底面部分，开有一个和底盘凹槽(3 相应的上凹槽(36)，微试样(30)由两根支撑辊子(31)支撑置于底盘凹槽 (35)内，设置一只或两只压头(15)，其下端穿过导向上模0 顶紧微试样(30)，压头(15) 上端顶紧压杆(14)，压头(1 的下端为半圆柱面；第三夹具(33c)包括一个导向上模0 由锁紧螺钉04)固定在底盘(17)上，底盘 (17)上开有底盘凹槽(35)，导向上模0 与底盘凹槽(3 相对应的底面部分，带有一个和底盘凹槽(35)相配合的凸台(37)，微试样(30)放置于底盘凹槽(35)内，陶瓷小球(39) 置于微试样(30)上，设置一只压头(15)，其下端穿过凸台(37)中间顶紧陶瓷小球(39)，压头(15)上端顶紧压杆(14)，压头(15)为一中空管，管的内径不大于陶瓷小球(39)的直径。
2.如权利要求1所述的多头微型试样蠕变试验装置，其特征在于，所述的第三夹具 (33c)的底盘凹槽(3 贯通底盘(17)，在底盘(17)的底部贯通处设有一堵头Gl)与底盘 (17)螺纹连接。
3.如权利要求1所述的多头微型试样蠕变试验装置，其特征在于，所述的第一夹具 (33a)、第二夹具(3 )、第三夹具(33c)可以分别或组合成对安装在底盘(17)上。
4.一种采用如权利要求1所述的多头微型试样蠕变试验装置的测试方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤(1)将微试样分别装入第一夹具(33a)、第二夹具(3 )、第三夹具(33c)的底盘凹槽 (35)内，利用第一夹具(33a)测试悬臂微型试样、第二夹具(33b)测试三点弯和四点弯微型试样、第三夹具(33c)测试小冲杆微型试样，将第一夹具(33a)内的微试样用压紧上模(16) 压紧，安装导向上模(25)，将第二夹具(3 )、第三夹具(33c)的导向上模0 安装好；(2)安装组合夹具06)将所述的第一夹具(33a)、第二夹具(3 )、第三夹具(33c)分别或组合地成对安装在底盘(17)上；(3)将组合夹具06)与立柱连接，安装热电偶(2)；(4)安装压头(15)、压杆(14)和砝码托盘(11)，调整立柱的相对位置，使压杆 (14)、压头(15)接触；(5)安装位移传感器(8)，使位移传感器(8)的探头压紧在砝码托盘(11)的测量板 (10)上，并将位移传感器⑶置零；(6)开启高温炉，升温、加热至试验温度300 1000°C，并保温1 2小时；(7)温度稳定后，逐级、平稳地施加砝码(9)，待载荷施加完毕后，再次将位移传感器置零；(8)开启工控机数据采集软件，实时记录位移数据；(9)导出后台记录数据，绘制位移-时间曲线d-t曲线，求取载荷P所对应的稳态蠕变位移速率^，并将稳态蠕变位移速率j与载荷P绘于双对数坐标系，拟合得到j = NP"关系式中N和η值；分别通过针对三点弯微试样、四点弯微试样、悬臂梁微试样测试的平面假设、 梁模型，以及针对小冲杆微试样测试的薄膜伸张模型，推出N = Bf (η)，其中B为蠕变系数， η为蠕变应力指数，η的值取j = iVP"关系式中η值，由此获得描述材料蠕变的Norton方程 ,=Βσ\
全文摘要
本发明提供一种多头微型试样蠕变试验装置及测试方法，该装置包括加载系统、装夹系统、加热及温控系统、测量系统和外部支架。加载系统为砝码顶端垂直加载，位于外部支架上部；装夹系统固定在外部支架上位于加载系统下部，置于加热系统内部；加热系统与外部支架底部相连外接温控系统；测量系统与加载系统、外部支架相连，置于支架上部；外部支架将各独立部分连接成一个多头蠕变装置系统。本发明解决了现有的蠕变试验装置无法进行低载荷下的多头微试样蠕变试验的问题，提供了一种可同时对某一工况下多个相同或不同尺寸微型试样进行蠕变试验的装置及测试方法，还可通过更换夹具实现包括悬臂试样、三点弯、四点弯和小冲杆等不同类型的蠕变试验。
文档编号G01N3/18GK102519803SQ20111045935
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者周帼彦, 庄法坤, 涂善东, 王琼琦, 轩福贞 申请人:华东理工大学