一种固支直杆小试样蠕变试验方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种新型的测试材料高温蠕变性能的试验方法及装置，所述的试验装置包括加热模块、加载模块、装夹模块、位移测量模块和外部支架；所述试验方法包括设计制造固支直杆小试样、进行同一温度不同载荷下材料的多组蠕变试验、建立稳态蠕变速率曲线、获取Kachanov‐Rabotnov蠕变损伤本构方程、采用有限元进行参数优化。本发明解决了现有小试样技术中数据解析困难、试验影响因素多的问题，提供了一种操作简便、试验精度高、成本低的小试样蠕变试验方法，可为新材料开发、服役构件的高温完整性评定以及辐照后材料的性能评定提供基础数据。
【专利说明】一种固支直杆小试样蠕变试验方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种固支直杆小试样蠕变试验方法，具体涉及一种采用固支直杆小试样来测试材料蠕变性能的试验方法。同时也涉及一种进行固支直杆小试样蠕变试验的装置。
【背景技术】
[0002]随着火电、核电和石化等高能耗产业的快速扩张，为提高设备及系统的能效，生产、制备、储存等过程工艺机械设备正向着高温、高压等高参数方向发展。因此，对于长时间服役于高温、高压环境的机械设备，其结构完整性具有极其重要的作用。
[0003]目前预测在役高温设备安全性和剩余寿命的常用方法主要是采用大尺寸标准试样进行传统蠕变试验。然而，对在役设备进行剩余寿命预测时，若所取材料体积太大，往往对设备造成较大损伤，尤其对于微小型设备，由于本身体积太小无法提供足够材料进行试验。基于上述考虑，小试样蠕变实验技术得以迅速发展。目前常用的小试样蠕变试验技术，主要分为两大类:一是将标准蠕变试样按比例缩小；二是新型试样，即小冲杆和压痕蠕变试验方法等。对于第一类试样，其加工过程需用电子束焊接技术将试验材料同夹持端焊接，制造过程复杂、成本高，试验过程中变形测量困难。对于小冲杆蠕变试验技术，在高温结构和材料的剩余寿命预测中应用较多，虽然目前欧洲已公布小冲杆蠕变试验方法的指导规程《CEN CWA156272006Part A:A Code of Practice for Small Punch Creep Testing》，但并非强制性标准，国内尚无小冲杆蠕变试验技术的标准，由于小冲杆试样在蠕变试验过程中变形复杂、非线性因素较多，造成试验数据解析困难、同传统单轴试验的关联多为经验、半经验和数值拟合公式，因此限制了该方法的推广应用。压痕蠕变试验是一种局部试验方法，同传统试验方法存在解析关联式，可获得材料蠕变变形数据，但由于压痕深度较小，为提高变形测量精度，试验时要求压头材料的强度要远高于测试材料，限制了该方法在高强度材料蠕变性能测试中的应用；同时，由于压痕蠕变试验方法仅能获取材料蠕变变形数据，无法进行剩余寿命预测。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种新型测试材料蠕变性能的试验方法和装置。能够实现小试样方法同传统试验方法的解析关联，从而精准获得所需材料的蠕变变形及蠕变断裂数据等，实现蠕变剩余寿命的预测。
[0005]一种固支直杆小试样蠕变试验方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤:
[0006]I)、设计制造固支直杆小试样:所述的直杆小试样为具有矩形横截面的试样1，试样长度2L+1为19.8mm，宽度b=l.9mm，厚度2h= (0.8?l)mm，其中，L为夹具上模3所固定的试样两端的长度，每端长度皆为3.9mm,跨距I为12mm ；
[0007]2)基于Kachanov-Rabotnov损伤本构方程，构建固支直杆小试样稳态螺变位移速率与蠕变断裂时间模型如下:
【权利要求】
1.一种固支直杆小试样蠕变试验方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: 1)、设计制造固支直杆小试样:所述的直杆小试样为具有矩形横截面的试样(1)，试样长度2L+1为19.8mm，宽度b=l.9mm，厚度2h= (0.8~l)mm，其中，L为夹具上模(3)所固定的试样两端的长度，每端长度皆为3.9mm，跨距I为12mm ; 2)、基于Kachanov-Rabotnov损伤本构方程，构建固支直杆小试样稳态螺变位移速率与蠕变断裂时间模型如下:
2.如权利要求1所述的试验方法，其特征在于，所述方法步骤I)的试样制造过程为，首先采用线切割将试验材料加工成20mmX2mmX 1.1mm的直杆，然后用粒度1000目的金相砂纸将试样打磨至所述尺寸的试样1，最后再用粒度为2000目的金相砂纸对试样表面进行研磨，消除肉眼可见划痕。
3.如权利要求1所述的试验方法，其特征在于，所述方法步骤3)中所述的固支直杆小试样蠕变试验的步骤如下: a)将试样I放入夹具下模10内，安装夹具上模3，拧入紧固螺栓22，将试样压紧，然后将压头2装入夹具上模3内，压头2靠自身重力同试样I的上表面接触，压头2下端压紧直杆小试样I的中间区域；试样安装完毕后，将整个夹具装入高温炉13内，整个夹具依靠下模10的螺纹同顶杆14连接； b)开启伺服电机16，调整顶杆14的位置，直至压头2同压杆12距离I~2_为止(此时压头2和压杆12不接触)，调整完毕后关闭高温炉13 ； c)将位移传感器6装于支架7上，调整位移传感器6的位置，使其与测量板8接触，并将位移值清零； d)将力传感器15清零，在工控机4中设定试验载荷P、试验时间t和试验温度T，启动试验； e)试验过程中，试样的变形数据通过位移传感器6采集到工控机4中进行记录、存储，直至试样I断裂、试验结束。
4.如权利要求1所述的试验方法，其特征在于，所述的固支直杆小试样蠕变试验中，进行至少4组蠕变试验以获取材料的蠕变变形参数B和n，进行至少5组蠕变试验以获取材料的蠕变损伤参数A、V、Φ。
5.一种用于固支直杆小试样蠕变试验的实验装置，其特征在于，所述的试验装置包含:加热模块、加载模块、装夹模块、位移测量模块和外部支架；所述的加热模块，包括一台带有温控仪9的高温炉13，通过炉架18固定在外部支架的支柱5上，热电偶19固定在夹具下模10上，温控仪9通过电缆线同工控机4连接；所述加载模块包括，安装于外部支架上的压杆12，试验过程中同压头2接触，压头2为半圆柱状，压头半径R=Imm,顶杆14同安装于底座17的伺服电机16相连,力传感器15位于顶杆14和伺服电机16之间,伺服电机16和力传感器15通过电缆线同工控机4连接；所述装夹模块包括，同顶杆14螺纹连接的夹具下模.10，夹具上模3同夹具下模10由紧固螺栓22连接；所述测量模块，包括安装于支架7上的位移传感器6，位移传感器6同测量板8垂直接触，测量板8固定在顶杆14上，随顶杆14上下移动，位移传感器6通过电缆线与工控机4相连；所述的外部支架，包括固定在底座17上的支柱5，支柱5穿过中间横梁20，用螺母11同顶端横梁21连接。
【文档编号】G01N3/28GK103487336SQ201310472800
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年10月11日 优先权日:2013年10月11日
【发明者】庄法坤, 涂善东, 周帼彦, 王琼琦, 轩福贞, 周元凯, 谈建平, 张苏周 申请人:华东理工大学