高温液态钠环境下的金属材料蠕变-疲劳实验方法

高温液态钠环境下的金属材料蠕变
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疲劳实验方法
技术领域
1.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钠环境下的金属材料蠕变
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疲劳实验方法。


背景技术：

2.蠕变，是指金属材料在恒温、恒载荷的长期作用下缓慢的产生塑性变形的现象。由于在高温条件下，蠕变对构件产生的影响十分显著，所以高温液态钠环境下金属材料的蠕变及蠕变
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疲劳实验方法尤为重要。并且，高温液态钠环境下金属材料的蠕变及蠕变
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疲劳实验方法可测得高参数条件下金属材料蠕变和疲劳等参数，进而可根据高参数条件下金属材料蠕变和疲劳等参数外推出低参数条件下的钠腐蚀速率方程，为超长寿期内金属材料的钠腐蚀性能研究奠定实验基础。
3.由于高温液态钠环境下金属材料的蠕变、疲劳和蠕变
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疲劳等实验研究数据非常缺乏，且金属材料的长时高温钠腐蚀效应尚未充分明确，所以当前核电设计规范仍主要采用空气环境中取得的蠕变和蠕变
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疲劳数据。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提供一种高温液态钠环境下的金属材料蠕变
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疲劳实验方法，完成高温液态钠环境下金属材料的蠕变、蠕变
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疲劳的应力
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应变曲线以及寿命测量，并实现蠕变
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疲劳的加速实验，为超长寿期内的金属材料构件的钠腐蚀性能研究奠定实验基础。
5.本发明提供的技术方案如下：
6.一种高温液态钠环境下的金属材料蠕变
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疲劳实验方法，包括以下步骤：
7.s1、高温液态钠环境下的金属材料蠕变
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疲劳实验装置的选取；
8.s2、钠浴中残余溶解氧的消除；
9.s3、液态钠中含氧量的调节；
10.s4、液态金属实验釜内温度的控制；
11.s5、标准蠕变试样载荷的施加；
12.s6、高温液态钠环境下的金属材料蠕变
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疲劳参数的测量，得到高参数条件下金属材料的机械性能。
13.优选地，该方法还包括步骤：s7、低参数慢速钠腐蚀速率方程的反向外推。
14.优选地，该方法还包括步骤：s8、与实际低参数条件下得到的钠腐蚀速率方程进行对比验证。
15.优选地，步骤s2具体包括：
16.s21、将惰性保护气体充入液态金属实验釜以排除其内的空气；
17.s22、将固态钠加入液态金属实验釜中并加热直至其溶解成液体钠；
18.s23、添加高纯锆箔以消除钠浴中的残余溶解氧。
19.优选地，步骤s3具体包括：通过定量添加高纯氧化金属物调节液钠中的含氧量。
20.优选地，步骤s6中测试具体为：对钠腐蚀试样进行拉伸、冲击、蠕变及蠕变
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疲劳机械性能测试。
21.优选地，步骤s6中高参数条件具体为：不同高温t、不同高含氧量co和不同高含碳量cc。
22.优选地，高温液态钠环境下的金属材料蠕变
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疲劳实验装置包括：
23.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；
24.该装置还包括电液伺服压力供给系统，电液伺服压力供给系统连接有两根螺纹柱，两根螺纹柱上方设有升降台，电液伺服压力供给系统可带动螺纹柱旋转，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。
25.该装置还包括温控系统，温控系统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外围。
26.优选地，步骤s4具体包括：
27.s41、热电偶测量液态金属实验釜内的温度；
28.s42、温控系统控制加热机构进而控制液态金属实验釜内的温度。
29.优选地，步骤s5具体包括：电液伺服压力供给系统带动螺纹柱旋转，使升降台上升或下降，进而施加载荷；
30.步骤s6利用高温引伸计和光栅传感器测量标准蠕变试样的形变。
31.本发明的有益效果为：本发明以拉伸、冲击、蠕变及蠕变
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疲劳等金属材料的机械性能出发，根据金属材料的蠕变
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疲劳测试装置，设计高温液钠环境对金属材料蠕变
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疲劳影响的通用实验方法，完成高温液态钠环境下金属材料的蠕变、蠕变
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疲劳的应力
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应变曲线以及寿命测量，并实现蠕变
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疲劳的加速实验，为超长寿期内的金属材料构件的钠腐蚀性能研究奠定实验基础。
32.进一步地，通过测试参数反向外推出低参数慢速钠腐蚀速率方程，并与实际低参数慢速钠腐蚀速率方程进行对比，从而证明本方法的合理性，为钠腐蚀对金属材料的蠕变
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疲劳测试提供新的指导方法；还可通过标定实验进行验证，探究低参数液钠环境下机械性能退化等钠腐蚀效应的宏观特征和演化规律，建立符合退化本质的加速钠腐蚀速率方程。
附图说明
33.图1为本发明实施例的高温液态钠环境下的金属材料蠕变
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疲劳实验方法示意图。
34.图2为本发明实施例的高温液态钠环境下的金属材料蠕变
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疲劳实验方法流程图。
35.图3为本发明实施例的高温液态钠环境下的金属材料蠕变
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疲劳实验装置示意图。
36.图4为本发明实施例的液态金属实验釜示意图。
37.图中：1
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液态金属实验釜，2
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第一导管，3
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第二导管，4
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温控系统，5
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热电偶，6
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波纹管，7
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防漏板，8
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标准蠕变试样，9
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固定件，10
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氩气瓶，11
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力传感器，12
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电液伺服压力供给系统，13
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上夹具，14
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下夹具，15
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高温位移引伸计，16
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光栅传感器，17
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导轨，18
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冷却导管，19
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缓冲罐，20
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上盖板，21
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底板，22
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螺纹柱，23
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加载控制系统，24
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固定杆，25
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升降台，26
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底座。
具体实施方式
38.下面将结合附图对本发明作进一步的说明：
39.本发明涉及一种高温液态钠环境下的金属材料蠕变
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疲劳实验方法，包括金属材料蠕变
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疲劳实验装置的设计和选取、残余溶解氧的消除、液钠中含氧量的控制、高参数条件下金属材料蠕变
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疲劳参数的测量。本发明以拉伸、冲击、蠕变及蠕变
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疲劳等金属材料的机械性能出发，根据金属材料的蠕变
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疲劳测试装置，设计高温液钠环境对金属材料蠕变
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疲劳影响的通用实验方法，得到的高参数条件下金属材料钠腐蚀参数可用于反向外推出低参数条件下金属材料钠腐蚀速率方程，为超长寿期内的金属材料构件的钠腐蚀性能研究奠定实验基础。
40.本发明实施例的高温液态钠环境下的金属材料蠕变
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疲劳实验方法，如图1和图2所示，包括以下步骤：
41.s1、高温液态钠环境下的金属材料蠕变
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疲劳实验装置的设计、选取。
42.本发明实施例的高温液态金属环境下金属材料的蠕变
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疲劳测试装置，如图3和图4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。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。
43.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。利用高温引伸计和光栅传感器测量标准蠕变试样的形变。
44.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。
45.该装置还包括电液伺服压力供给系统12，电液伺服压力供给系统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。电液伺服压力供给系统12连接有用于控制载荷(力或位移)波形的加载控制系统23。加载控制系统23启动电液伺服压力供给系统12后，电液伺服压力供给系统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。
46.该装置还包括温控系统4，温控系统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外围。
47.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。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的外围。
48.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。
49.s2、钠浴中残余溶解氧的消除。具体包括：
50.s21、为了加速表面金属的湿润状态，先将惰性保护气体，如氩气瓶10内的氩气，充入到实验釜以排除其内的空气；
51.s22、将固态钠加入液态金属实验釜中并加热直至其溶解成液体钠；
52.s23、添加高纯锆箔以消除钠浴中的残余溶解氧。
53.s3、液态钠中含氧量的调节。具体通过定量添加高纯氧化金属物调节液钠中的含氧量。
54.s4、液态金属实验釜内温度的控制。具体包括：
55.s41、热电偶测量液态金属实验釜内的温度；
56.s42、温控系统控制加热机构进而控制液态金属实验釜内的温度，使实验釜内温度达到规定实验温度范围。
57.s5、标准蠕变试样载荷的施加。具体包括：电液伺服压力供给系统带动螺纹柱旋转，使升降台上升或下降，进而施加载荷。
58.s6、高温液态钠环境下的金属材料蠕变
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疲劳参数的测量，得到高参数条件下金属材料的机械性能。在不同高温t、高含氧量co和高含碳量cc等高参数条件下，通过设计的金属材料蠕变
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疲劳实验装置，对各参数条件下钠腐蚀试样进行拉伸、冲击、蠕变及蠕变
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疲劳等机械性能测试。高温位移引伸计和光栅传感器用于测量标准试样所产生的位移。力传感器随时测量标准蠕变试样所加载的拉力或压力等参数。
59.s7、低参数慢速钠腐蚀速率方程的反向外推。通过得到的测试参数反向外推出低参数慢速钠腐蚀速率方程，并与实际低参数慢速钠腐蚀速率方程进行对比，从而证明本方法的合理性，为钠腐蚀对金属材料的蠕变
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疲劳测试提供新的指导方法。
60.s8、与实际低参数条件下得到的钠腐蚀速率方程进行对比验证。通过得到的高参数数据外推出低参数慢速钠腐蚀速率方程，并与实际低参数条件下得到的钠腐蚀速率方程进行对比验证，该方法能在较短时间内获得大量的实验数据，并纳入慢速钠腐蚀效应的堆芯构件蠕变
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疲劳寿命预测方法中。
61.本发明还提供一种通过该装置进行高温液态钠环境下金属材料的蠕变
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疲劳的加速实验，包括：
62.1、氧含量及温度的控制
63.在金属材料蠕变
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疲劳实验装置的基础上，设计高温t、高含氧量co和高含碳量cc
等高参数下的钠腐蚀实验。
64.2、实验参数的读取
65.利用金属材料蠕变
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疲劳实验装置的力传感器，控制系统等直接读取金属钠溶液氧含量，螺栓应力和应变等数据。
66.3、加速钠腐蚀速率预测模型的构建
67.在不同高温t、高含氧量co和高含碳量cc等高参数条件下开展金属材料的钠腐蚀加速实验，对各参数条件下钠腐蚀试样进行拉伸、冲击、蠕变及蠕变
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疲劳等机械性能测试，根据力传感器11和加载控制系统23等装置测量的蠕变
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疲劳等参数，从而反向外推出慢速钠腐蚀速率方程，并与由低参数条件得到的钠腐蚀速率方程进行对比。最后通过标定实验进行验证，探究低参数液钠环境下机械性能退化等钠腐蚀效应的宏观特征和演化规律，建立符合退化本质的加速钠腐蚀速率方程。
68.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。