專利名稱：一種多頭微型試樣蠕變試驗裝置及測試方法
技術領域：
本發明涉及一種新型測試材料高溫蠕變性能的裝置，尤其是一種多頭微型試樣蠕變試驗裝置及測試方法。
背景技術：
石油、化工、航空航天和核電等行業中有許多金屬結構長期在高溫環境下工作，蠕變是這些高溫結構破壞的主要形式，應用高溫結構完整性理論，準確評價在役高溫構件的剩余壽命，對于保證高溫承載構件的安全服役具有重要的意義。預測這類結構的安全性和剩余壽命的基本前提是獲得這些在役構件的高溫性能參數。常用方法是通過標準試樣單軸蠕變試驗獲取這些參數，但標準試樣尺寸較大，往往需要較多材料，大量取材會對原設備帶來破壞，影響設備的正常運行；對于管狀構件(換熱管、爐管)或某些微小裝置，可取試樣體積太小，無法滿足傳統試驗對試樣尺寸的要求，從而導致試驗無法進行。而非標準的微型試樣應力狀態復雜，更能反映構件的真實受力情況， 因此采用微型試樣進行試驗是較為理想的方法。小沖桿蠕變試驗方法是目前研究較多的微試樣蠕變試驗方法，取材少，兼具無損 (或半無損)和取樣方便的雙重優勢，是一種既經濟又有效的安全檢測手段。但是，小沖孔蠕變試驗的試驗結果受夾具、沖頭尺寸等外部因素的影響較大，使得小沖孔蠕變試驗的數據匱乏，尤其是缺乏長時蠕變試驗數據；另外，各國研究者在所用試樣、加載方式上存在差異，使得試驗數據無法進行比較。這些對于研究小沖桿蠕變試驗同傳統單軸蠕變試驗的關聯方面非常不利。三點彎曲和四點彎曲試驗，試樣簡單、操作方便，通過彎曲蠕變試驗的數據，可轉換得到等效的單軸拉伸試驗的應力和應變、評估材料的蠕變活化能Q、研究彎曲試樣的顯微結構并分析材料蠕變力學性能，但通過微試樣的彎曲蠕變試驗獲取的材料高溫性能數據卻較少。目前微試樣蠕變試驗大多是在傳統單軸蠕變試驗機上，通過改進或設計專用夾具來實現蠕變試驗。對于微試樣蠕變試驗，所需試驗載荷較小，處于傳統蠕變試驗機的載荷控制下限，原有的載荷控制誤差對微試樣的影響將大于對傳統大尺寸試樣的影響；同時，目前微試樣蠕變試驗裝置一次只能進行一個試樣的蠕變試驗，所需試驗時間較長、試驗成本高， 且不能保證每次試驗時試樣所處環境一致，增加了系統誤差的變量個數，降低了試驗數據的可比性。
發明內容
本發明的目的旨在克服上述存在的問題，提供一種測試材料蠕變性能的多頭微試樣蠕變試驗裝置及測試方法。本發明是通過以下技術方案實現的一種多頭微型試樣蠕變試驗裝置，其特征在于，所述的裝置包括外部支架、加載系統、測量系統、裝夾系統和加熱及溫控系統；所述的外部支架包括一個底座23，連接在底座 23上的四根支柱3，上蓋板5由四根支柱3支撐；所述的加熱及溫控系統包括一帶有溫控儀 1的高溫爐4，通過爐架22固定在外部支架的底座23上，熱電偶2固定在所測試的微試樣 30上；所述的加載系統包括，安裝于外部支架的上蓋板5上的導向套12，由導向套鎖緊螺母 13緊定，至少兩根壓桿14，壓桿14穿過導向套12與砝碼托盤螺紋連接，砝碼托盤與導向套配合，砝碼托盤11與導向套12配合，壓桿14的下端伸入高溫爐4內與壓頭15接觸；所述的測量系統包括固定在上蓋板5上的兩根支撐桿6，由傳感器卡板7將位移傳感器8裝夾在測量支撐桿6上，測量板10安裝在砝碼托盤11上并隨砝碼托盤11上下移動，位移傳感器 8的探頭垂直接觸于砝碼托盤11上的測量板10上，位移傳感器8通過電纜與工控機38的數據采集卡連接；所述裝夾系統包括一個下端固定在底座23上的支柱21，支柱21的上端伸入加熱爐4內通過螺紋及平鍵20與組合夾具沈連接，所述的組合夾具沈包括一個底盤 17，至少一對夾具以圓心為對稱點沿圓周均勻分布設置在底盤17上，所述的夾具包括以下三種結構第一夾具33a包括一個導向上模25由鎖緊螺釘M固定在底盤17上，底盤17上開有底盤凹槽35，還包括一個壓緊上模16與底盤17螺紋連接，微試樣30的一端由壓緊螺釘27緊固在底盤凹槽35的槽壁上，微試樣30的另一端懸空放置于底盤凹槽35內由一只下端穿過導向上模25的壓頭15頂緊，壓頭15的上端頂緊壓桿14，壓頭15的下端為半圓柱面。第二夾具3 包括一個導向上模25由鎖緊螺釘M固定在底盤17上，底盤17上開有底盤凹槽35，導向上模25與底盤凹槽35相對應的底面部分，開有一個和底盤凹槽35 相應的上凹槽36，微試樣30由兩根支撐輥子31支撐置于底盤凹槽35內，設置一只或兩只壓頭15，其下端穿過導向上模25頂緊微試樣30，壓頭15上端頂緊壓桿14，壓頭15的下端為半圓柱面；第三夾具33c包括一個導向上模25由鎖緊螺釘M固定在底盤17上，底盤17上開有底盤凹槽35，導向上模25與底盤凹槽35相對應的底面部分，帶有一個和底盤凹槽35 相配合的凸臺37，微試樣30放置于底盤凹槽35內，陶瓷小球39置于微試樣30上，設置一只壓頭15，其下端穿過凸臺37中間頂緊陶瓷小球39，壓頭15上端頂緊壓桿14，壓頭15為一中空管，管的內徑不大于陶瓷小球39的直徑。所述的第三夾具33c的底盤凹槽35貫通底盤17，在底盤17的底部貫通處設有一堵頭41與底盤17螺紋連接。所述的第一夾具33a、第二夾具33b、第三夾具33c可以分別或組合成對安裝在底盤17上。本發明還提供一種采用多頭微型試樣蠕變試驗裝置的測試方法，一種采用多頭微型試樣蠕變試驗裝置的測試方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟(1)將微試樣分別裝入第一夾具33a、第二夾具33b、第三夾具33c的底盤凹槽35 內，利用第一夾具33a測試懸臂微型試樣、第二夾具3 測試三點彎和四點彎微型試樣、第三夾具33c測試小沖桿微型試樣，將第一夾具33a內的微試樣用壓緊上模16壓緊，安裝導向上模25，將第二夾具33b、第三夾具33c的導向上模25安裝好；
(2)安裝組合夾具沈將所述的第一夾具33a、第二夾具33b、第三夾具33c分別或組合地成對安裝在底盤17上；(3)將組合夾具沈與立柱21連接，安裝熱電偶2 ；(4)安裝壓頭15、壓桿14和砝碼托盤11，調整立柱21的相對位置，使壓桿14、壓頭15接觸；(5)安裝位移傳感器8，使位移傳感器8的探頭壓緊在砝碼托盤11的測量板10上， 并將位移傳感器8置零；(6)開啟高溫爐4，升溫、加熱至試驗溫度300 1000°C，并保溫1 2小時；(7)溫度穩定后，逐級、平穩地施加砝碼9，待載荷施加完畢后，再次將位移傳感器
置零；(8)開啟工控機數據采集軟件，實時記錄位移數據；(9)導出后臺記錄數據，繪制位移-時間曲線d_t曲線，求取載荷P所對應的穩態蠕變位移速率j，并將穩態蠕變位移速率J與載荷P繪于雙對數坐標系，擬合得到 = ΝΡ" 關系式中N和η值；分別通過針對三點彎微試樣、四點彎微試樣、懸臂梁微試樣測試的平面假設、梁模型，以及針對小沖桿微試樣測試的薄膜伸張模型，推出N = Bf (η)，其中B為蠕變系數，η為蠕變應力指數，η的值取j = 關系式中η值，由此獲得描述材料蠕變的Norton 方程 = Βσ"。本發明的有益效果1、本發明可以同時進行多個微試樣的蠕變試驗，可以保證同一批試樣處于相同的環境下工作，減小蠕變試驗數據的分散性、相對縮短蠕變試驗時間。2、本發明采用微型試樣進行蠕變試驗，取材少、試樣結構簡單，對在役設備取樣造成的損傷小。3、本發明的組合夾具與立柱采用螺紋連接，只需更換組合夾具的類型，便可進行懸臂試樣、三點彎試樣、四點彎試樣、小沖桿試樣等不同類型的蠕變試驗。4、本發明采用砝碼加載，避免了試驗過程中的載荷波動，同時簡化了蠕變試驗中的斷電處理過程。5、本發明直接測量試樣加載點處的位移，降低了測量難度，提高了測量精度。6、本發明采用位移傳感器連續、自動記錄試樣的變形數據，提高了試驗數據精度、減小了人工記錄工作量。
圖1是多頭微型試樣蠕變試驗裝置正面示意圖。其中，1 溫控儀，2 熱電偶，3 支柱，4 高溫爐，5 上蓋板，6 測量支撐桿，7 傳感器卡板，8 ；位移傳感器，9 砝碼，10 測量板，11 砝碼托盤，12 導向套，13 導向套鎖緊螺母，14 壓桿，15 壓頭，16 壓緊上模，17 底盤，18 立柱鎖緊螺母，19 套筒，20 平鍵，21 立柱，22 爐架，23 底座，38 工控機。圖2是多頭微型試樣蠕變試驗裝置側面示意圖。其中，3 支柱，4 高溫爐，5 上蓋板，6 測量支撐桿，7 傳感器卡板，8 位移傳感器，9 砝碼，10 測量板，11 砝碼托盤，12 導向套，13 導向套鎖緊螺母，14 壓桿，21 立柱，22 爐架，23 底座。圖3是六頭微型試樣蠕變試驗裝置組合夾具示意圖，該夾具可一次完成6個微試樣的蠕變試驗。其中，15 壓頭，16 壓緊上模，17 底盤，18 立柱鎖緊螺母，21 立柱，24 鎖緊螺釘，25 導向上模，26 組合夾具，27 壓緊螺釘，30 微試樣。圖4是四頭微型試樣蠕變試驗裝置組合夾具示意圖。該夾具可一次完成4個微試樣的蠕變試驗。其中，15 壓頭，16 壓緊上模，17 底盤，18 立柱鎖緊螺母，21 立柱，24 鎖緊螺釘，25 導向上模，26 組合夾具，27 壓緊螺釘，30 微試樣。 圖5是二頭微型試樣蠕變試驗裝置組合夾具示意圖。該夾具可一次完成2個微試樣的蠕變試驗。其中，15 壓頭，16 壓緊上模，17 底盤，18 立柱鎖緊螺母，21 立柱，24 鎖緊螺釘，25 導向上模，26 組合夾具，27 壓緊螺釘，30 微試樣。圖6是測試懸臂微型試樣的第一夾具33a的結構示意圖。其中，14 壓桿，15 壓頭，16 壓緊上模，17 底盤，24 鎖緊螺釘，25 導向上模， 27 壓緊螺釘，30 微試樣，35 底盤凹槽。圖7是測試三點彎微型試樣的第二夾具3 結構示意圖。其中，14 壓桿，15 壓頭，17 底盤，24 鎖緊螺釘，25 導向上模，30 微試樣，31 支撐輥子，36:上凹槽。圖8是測試四點彎微型試樣的第二夾具3 結構示意圖。其中，14 壓桿，15 壓頭，17 底盤，24 鎖緊螺釘，25 導向上模，30 微試樣，31 支撐輥子，36:上凹槽。圖9是測試小沖桿微型試樣的第三夾具33c結構示意圖。其中，14 壓桿，15 壓頭，17 底盤，24 鎖緊螺釘，25 導向上模，30 微試樣，35 底盤凹槽，37 凸臺，39 陶瓷小球，41 堵頭。圖10為同時測試懸臂微型試樣、三點彎微型試樣、小沖桿微型試樣的組合夾具結構示意圖。其中，15 壓頭，16 壓緊上模，17 底盤，18 立柱鎖緊螺母，21 ；立柱，24 ；鎖緊螺釘，25 導向上模，26 ；組合夾具，27 壓緊螺釘，30 微試樣，33a 第一夾具，3 第二夾具， 33c 第三夾具。圖11三點彎微試樣蠕變位移曲線。圖12三點彎微試樣載荷線位移最小蠕變位移速率與載荷的關系圖。圖13三點彎、小沖桿微試樣蠕變位移曲線。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明做進一步闡述外部支架包括支柱3、上蓋板5和底座23。上蓋板5由安裝在底座23上的四根支柱3撐起。上蓋板5上安裝有位移測量系統和加載系統的一部分，其中加載系統中的導向套12固定在上蓋板5上。
加載系統包括壓頭15、壓桿14、導向套12、導向套鎖緊螺母13、砝碼托盤11和砝碼9，加載方式采用頂部垂直加載，導向套12安裝于外部支架上蓋板5上，由導向套鎖緊螺母13緊定，砝碼托盤11與導向套12形成動連接，由導向套12保證頂部載荷垂直加載，砝碼托盤11與壓桿14螺紋連接，壓桿14和壓頭15接觸但不連接，以避免同軸度誤差引起的加載偏差。加熱及溫控系統包括熱電偶2、高溫爐4、爐架22和溫控儀1。熱電偶2用于高溫爐4的溫度控制和微試樣30的溫度測量，連接到工控機上顯示、記錄溫度值。爐架22 — 端螺紋連接在高溫爐4上，另一端放置在底座23上，高溫爐4的上下位置可調。高溫爐4 為單門開啟式的矩形爐，安裝試樣方便。加熱系統位于整個裝置的中部。測量系統包括測量支撐桿6、傳感器卡板7、測量板10、位移傳感器8、數據采集卡、 工控機38和數據采集軟件。上蓋板5上安裝測量支撐桿6，測量支撐桿6上安裝傳感器卡板7，裝夾位移傳感器8，測量板10安裝在砝碼托盤11上，隨砝碼托盤上下移動，位移傳感器8的探頭垂直接觸于測量板10上，位移傳感器還通過電纜線連接到工控機的數據采集卡上，工控機的數據采集軟件界面可顯示位移隨時間的變化曲線、并記錄位移值，進而對數據進行處理、分析。位移傳感器8選用線性差動位移傳感器、數據采集卡型號為PCI-9221，數據采集軟件選用LabView 2009，編譯數據采集程序，實現位移數據的自動記錄，并可根據試驗過程的要求，設置采樣頻率。裝夾系統包括立柱21、平鍵20、套筒19、鎖緊螺母18和組合夾具26。組合夾具沈與立柱21通過兩個鎖緊螺母18連接，微試樣30置于組合夾具沈內，組合夾具沈的底盤 17與立柱21之間設置了平鍵20，只需轉動立柱21便可調整底盤17的相對位置。本發明的裝夾系統可設置成六頭、四頭和兩頭的(即組合夾具的底盤上可分別安裝六對、四對和兩對夾具)，可以同時安裝六個、四個和兩個試樣。參照附圖1、2，多頭微試樣蠕變試驗裝置主要由加載系統、裝夾系統、加熱及溫控系統、測量系統和外部支架構成。參照附圖3、6，以懸臂試樣組合夾具為例，組合夾具沈的夾具33a包括底盤17、壓緊上模16、鎖緊螺釘24、導向上模25和壓緊螺釘27組成，壓緊上模16、導向上模25同底盤 17通過鎖緊螺釘M連接。如圖6所示，底盤17的底盤凹槽35用以安放懸臂微試樣30，旋入壓緊上模16中的壓緊螺釘27壓緊微試樣固定端，壓桿14通過壓頭15將載荷傳遞到懸臂微試樣30上。參照附圖4，四頭微型試樣蠕變試驗裝置的不同之處在于將組合夾具更換為四頭。 將組合夾具設置為四頭，是考慮到施加載荷后，各個試樣的受力應盡量對稱，避免夾具受不平衡力造成傾覆。以懸臂試樣為例，組合夾具26包括底盤17、壓緊上模16、鎖緊螺釘對、導向上模25和壓緊螺釘27組成，壓緊上模16、導向上模25同底盤17通過鎖緊螺釘M連接。但是，圓盤夾具上面開四個底盤凹槽35，裝置一次進行4個懸臂試樣的蠕變試驗。參照附圖5，二頭微型試樣蠕變試驗裝置的不同之處在于將組合夾具更換為二頭。 將組合夾具設置為二頭，是考慮到施加載荷后，各個試樣的受力應盡量對稱，避免夾具受不平衡力造成傾覆。以懸臂試樣為例，組合夾具26包括底盤17、壓緊上模16、鎖緊螺釘M、 導向上模25和壓緊螺釘27組成，壓緊上模16、導向上模25同底盤17通過鎖緊螺釘M連接。但是，圓盤夾具上面開2個底盤凹槽35，裝置一次最多只能進行2個懸臂試樣的蠕變試驗。參照附圖7，多頭微型試樣蠕變試驗裝置的組合夾具為三點彎微型試樣組合夾具。 三點彎微試樣組合夾具包括底盤17、鎖緊螺釘對、導向上模25和圓柱支撐輥子31組成，導向上模25同底盤17通過鎖緊螺釘M連接。其中，圓柱支撐輥子31位于底盤17上的底盤凹槽35內，微試樣放置于支撐輥子31上，高出圓盤夾具28的上表面0. 5mm,壓頭15穿過導向上模25中的孔，將載荷作用到三點彎微試樣30上。參照附圖8，多頭微型試樣蠕變試驗裝置的組合夾具為四點彎微試樣組合夾具。四點彎微試樣組合夾具同三點彎的基本一致，包括底盤17、導向上模25、鎖緊螺釘M和圓柱支撐輥子31組成，導向上模25同底盤17通過鎖緊螺釘M連接。其中，圓柱支撐輥子31 位于底盤17上的底盤凹槽35內，微試樣30放置于支撐輥子31上，高出底盤17的上表面 0. 5mm。與三點彎情形不同，四點彎組合夾具的壓頭15具有兩個加載點，壓頭15穿過導向上模25中的孔，將載荷作用到四點彎微試樣30上。參照附圖9，多頭微型試樣蠕變試驗裝置的組合夾具為小沖孔微試樣組合夾具。小沖孔微試樣蠕變試驗裝置包括底盤17、導向上模25、鎖緊螺釘對、陶瓷小球39和堵頭41組成。導向上模25同底盤17通過鎖緊螺釘M連接。其中，底盤17上開有底盤凹槽35，導向上模25底部為凸臺，與底盤凹槽35配合，將微試樣30放入底盤17中的槽內，鎖緊導向上模25后，上模底面與微試樣上表面應保持0. Imm的間隙，使微試樣處于應力自由狀態。導向上模25的中部開有圓形通孔，壓頭15沖壓陶瓷小球39，將載荷作用到小沖孔微試樣30 上。底盤17的底盤凹槽35內開有圓形通孔，底部裝有螺紋堵頭41，用于微試樣斷裂后收集陶瓷小球39。參照附圖10，多頭微型試樣蠕變試驗裝置的組合夾具為三種不同類型試樣夾具的組合形式。三種不同類型試樣夾具的組合形式包括第一夾具33a、第二夾具33b、第三夾具33c，三組夾具成對安裝，在底盤17上對稱分布，在同一底盤上便可進行懸臂微試樣、三 (四)點彎微試樣、小沖孔微試樣三種類型的蠕變試驗。多頭微型試樣蠕變試驗方法以三點彎試樣為例，將微試樣30裝入底盤17的底盤凹槽35內，用鎖緊螺釘對將導向上模25固定在底盤17上。待試樣裝入組合夾具后，用兩個螺母18將其連接到立柱21上，然后將熱電偶2安裝在微試樣30上。由于本裝置采用砝碼頂端垂直加載，試樣上部加載系統所包含的部件均應作為試樣的載荷，因此在安裝加載系統前，應稱量壓頭15、壓桿14和砝碼托盤11的重量，將此重量作為蠕變試驗的預載荷。安裝壓頭15，將壓桿14旋入砝碼托盤11底部，從上往下穿過導向套12。微試樣的壓桿14和壓頭15均安裝完畢后，轉動立柱21，使各個微試樣的壓桿14和壓頭15盡量位于同一軸線上，但此時不施加砝碼載荷。將位移傳感器8安裝在傳感器卡板7上，調整傳感器卡板7在測量支撐桿6上的位置，使其壓緊在測量板10上。待所有微試樣安裝好后，關閉高溫爐4，升溫、加熱至規定溫度，保溫一段時間待溫度穩定后，逐級、平穩地施加砝碼載荷9， 注意試樣的載荷為壓頭15、壓桿14、砝碼托盤11的重量和砝碼載荷9之和。載荷施加完畢后，在工控機的位移采集界面上將傳感器8調零，并開始記錄每個試樣的位移值、顯示位移曲線。導出后臺記錄數據，繪制位移-時間曲線d-t曲線，求取載荷P所對應的穩態蠕變位移速率j,并將穩態蠕變位移速率j與載荷P繪于雙對數坐標系，擬合得到“ NPn關系式中N和η值。分別通過平面假設、梁模型(三點彎、四點彎、懸臂梁試驗)和薄膜伸張模型(小沖桿試驗)推出N = Bf (η)，其中B為蠕變系數，η為蠕變應力指數，由此獲得描述材料蠕變的Norton方程< =Βσ"。實施例1 相同溫度、不同載荷下的三點彎微試樣蠕變試驗將三點彎微試樣30 (尺寸為20X5X1. 5mm)裝入底盤17的底盤凹槽35內，，安裝導向上模25，待六個微試樣全部裝入組合夾具沈后，用兩個立柱鎖緊螺母18將其連接到立柱21上，安裝熱電偶2。稱量壓頭15、壓桿14和砝碼托盤11的重量，將此重量作為蠕變試驗的預載荷。安裝壓頭15，將壓桿14旋入砝碼托盤11底部，從上往下穿過導向套12。 安裝完畢后，輕微轉動立柱，使各個微試樣的壓頭和壓桿接觸、并調整至同一軸線方向上， 但此時不施加砝碼載荷。將位移傳感器8安裝在傳感器卡板7上，調整傳感器卡板7在測量支撐桿6的位置，使其壓緊在測量板10上。關閉電加熱爐4，升溫、保溫一段時間待溫度穩定后，逐級、平穩地施加砝碼載荷9，注意試樣的載荷為壓頭15、壓桿14、砝碼托盤11的重量和砝碼載荷9之和。載荷施加完畢后，在工控機的位移采集界面上將傳感器8調零，并開始記錄每個試樣的位移值、顯示位移曲線。在六頭三點彎組合夾具沈上同時進行了三組(共6個試樣，其中每兩個試樣的載荷相同)試驗，所獲得的不同載荷、同一溫度(600°C)下P91材料的三組平均蠕變位移曲線如圖11所示。從該圖可以看出，微試樣的蠕變過程分為明顯的兩個階段，蠕變速率逐漸減小的第一階段和蠕變速率恒定的第二階段，符合材料的蠕變變形規律。對于三點彎微試樣蠕變試驗數據的處理，基于平面假設和梁模型(1)彎曲變形前原為平面的桿的橫截面變形后仍保持為平面，且仍然垂直于變形后的桿軸線；(2)各縱向纖維之間并無相互作用的正應力。同時假定材料的蠕變變形規律服從Norton定律之=Βσ"，其中B、η為材料常數，■^為穩態蠕變應變速率，σ為單軸應力。推導得出三點彎微試樣30的同傳統單軸蠕變試驗的關系式d = (-^7)"
2n (n + 2)h Ibh2其中P為作用到微試樣上的載荷，1為試樣有效計算跨距，h為試樣厚度的一半，b 為試樣寬度，j為載荷線位移穩態位移速率。上式可簡化為d = NPn
ο ■ ιjn+2ι= =若是懸臂梁試樣，同樣基于平面假設和梁模型，推導可得
ι 9M + 1 1"+2N = Bm = B{jfn+X^―。
η 2bn n + 2通過微試樣的蠕變試驗獲取位移d_t曲線后，求取載荷P所對應的穩態蠕變位移速率^，并將穩態蠕變位移速率j與載荷P繪于雙對數坐標系中，見圖11，兩者具有很好的線性關系，符合j = 規律。在雙對數坐標系下，擬合曲線得到N= 7.243X10_7，n = 0. 785，進一步計算得 B = N/f (η) = 4. 709X 10_7。由此得到該三點彎微試樣30材料的蠕變應力指數為η = 0. 785，蠕變系數為B =4. 709 X ΙΟ—7，描述蠕變的 Norton 方程為之=4.709χ 10"σ°785。本試驗同時進行6個試樣的蠕變試驗，可以保證同一批試樣處于相同的環境下工作，減小蠕變試驗數據的分散性、相對縮短蠕變試驗時間；采用砝碼加載，避免了試驗過程中的載荷波動，同時簡化了蠕變試驗中的斷電處理過程；采用位移傳感器連續、自動記錄試樣的變形數據，提供了試驗數據精度、減小了工作量。實施例2 相同溫度、不同載荷下的小沖桿、三點彎微試樣蠕變試驗將微試樣30 (小沖桿微試樣尺寸為Φ 10X0. 5mm,三點彎微試樣尺寸為 20X5X1. 5mm)裝入底盤17內，安裝導向上模25，并用鎖緊螺釘M固定，待2個微試樣全部裝入組合夾具26后，用兩個立柱鎖緊螺母18將組合夾具沈連接到立柱21上，然后安裝熱電偶2。稱量壓頭15、壓桿14和砝碼托盤11的重量，將此重量作為蠕變試驗的預載荷。 安裝壓頭15，將壓桿14旋入砝碼托盤11底部，從上往下穿過導向套12。待2個試樣的壓桿和壓頭均安裝完畢后，輕微轉動立柱21，使2個試樣的壓頭和壓桿接觸、并調整至位于同一軸線方向上，但此時不施加砝碼載荷。將位移傳感器8安裝在傳感器卡板7上，調整傳感器卡板7在測量支撐桿6上的位置，使其壓緊在測量板10上。關閉電加熱爐4，升溫、保溫一段時間待溫度穩定后，逐級、平穩地施加砝碼載荷9，注意試樣的載荷為壓頭15、壓桿14、 砝碼托盤11的重量和砝碼載荷9之和。載荷施加完畢后，在工控機的位移采集界面上將傳感器8調零，并開始記錄每個試樣的位移值、顯示位移曲線。在同一爐內同時進行了三點彎和小沖桿微試樣蠕變試驗，試驗結果如圖13所示。 小沖桿微試樣的蠕變試驗曲線具有明顯的三階段，減速蠕變、穩態蠕變、加速蠕變；三點彎微試樣蠕變位移曲線具有明顯的兩階段，減速蠕變、穩態蠕變。可一次實現兩種不同類型試樣同一溫度、不同載荷的蠕變試驗，且試驗曲線符合材料的蠕變變形規律。采用該裝置，可縮短蠕變試驗試驗，并可保證不同微試樣方法所獲取的蠕變數據的可比性。
權利要求
1.一種多頭微型試樣蠕變試驗裝置，其特征在于，所述的裝置包括外部支架、加載系統、測量系統、裝夾系統和加熱及溫控系統；所述的外部支架包括一個底座(23)，連接在底座上的四根支柱(3)，上蓋板(5)由四根支柱C3)支撐；所述的加熱及溫控系統包括一臺帶有溫控儀(1)的加熱爐G)，通過爐架02)固定在外部支架的底座03)上，熱電偶 (2)固定在所測試的微式樣(30)上；所述的加載系統包括，安裝于外部支架的上蓋板(5) 上的導向套(12)，由導向套鎖緊螺母(13)緊定，至少兩根壓桿(14)，壓桿(14)的上端穿過導向套(12)與砝碼托盤(11)螺紋連接，導向套(12)與砝碼托盤(11)配合，壓桿(14)的下端伸入高溫爐內與壓頭(1 接觸；所述的測量系統包括固定在上蓋板( 上的兩根支撐桿(6)，由傳感器卡板(7)將位移傳感器(8)裝夾在測量支撐桿(6)上，測量板(10) 安裝在砝碼托盤(11)上并隨砝碼托盤(11)上下移動，位移傳感器(8)的探頭垂直接觸于砝碼托盤(11)上的測量板(10)上，位移傳感器(8)通過電纜與工控機(38)的數據采集卡上；所述裝夾系統包括一個下端固定在底座上的支柱(21)，支柱的上端伸入加熱爐內通過螺紋及平鍵OO)與組合夾具06)連接，所述的組合夾具06)包括一個底盤(17)，至少一對夾具以圓心為對稱點沿圓周均勻分布設置在底盤(17)上，所述的夾具包括以下三種結構第一夾具(33a)包括一個導向上模(2 由鎖緊螺釘04)固定在底盤(17)上，底盤 (17)上開有底盤凹槽(35)，還包括一個壓緊上模(16)與底盤(17)螺紋連接，微試樣(30) 的一端由壓緊螺釘(XT)緊固在底盤凹槽(3 的槽壁上，微試樣(30)的另一端懸空放置于底盤凹槽(35)內由一只下端穿過導向上模05)的壓頭(15)頂緊，壓頭(15)的上端頂緊壓桿(14)，壓頭(1 的下端為半圓柱面。第二夾具(33b)包括一個導向上模0 由鎖緊螺釘04)固定在底盤(17)上，底盤 (17)上開有底盤凹槽(35)，導向上模0 與底盤凹槽(3 相對應的底面部分，開有一個和底盤凹槽(3 相應的上凹槽(36)，微試樣(30)由兩根支撐輥子(31)支撐置于底盤凹槽 (35)內，設置一只或兩只壓頭(15)，其下端穿過導向上模0 頂緊微試樣(30)，壓頭(15) 上端頂緊壓桿(14)，壓頭(1 的下端為半圓柱面；第三夾具(33c)包括一個導向上模0 由鎖緊螺釘04)固定在底盤(17)上，底盤 (17)上開有底盤凹槽(35)，導向上模0 與底盤凹槽(3 相對應的底面部分，帶有一個和底盤凹槽(35)相配合的凸臺(37)，微試樣(30)放置于底盤凹槽(35)內，陶瓷小球(39) 置于微試樣(30)上，設置一只壓頭(15)，其下端穿過凸臺(37)中間頂緊陶瓷小球(39)，壓頭(15)上端頂緊壓桿(14)，壓頭(15)為一中空管，管的內徑不大于陶瓷小球(39)的直徑。
2.如權利要求1所述的多頭微型試樣蠕變試驗裝置，其特征在于，所述的第三夾具 (33c)的底盤凹槽(3 貫通底盤(17)，在底盤(17)的底部貫通處設有一堵頭Gl)與底盤 (17)螺紋連接。
3.如權利要求1所述的多頭微型試樣蠕變試驗裝置，其特征在于，所述的第一夾具 (33a)、第二夾具(3 )、第三夾具(33c)可以分別或組合成對安裝在底盤(17)上。
4.一種采用如權利要求1所述的多頭微型試樣蠕變試驗裝置的測試方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟(1)將微試樣分別裝入第一夾具(33a)、第二夾具(3 )、第三夾具(33c)的底盤凹槽 (35)內，利用第一夾具(33a)測試懸臂微型試樣、第二夾具(33b)測試三點彎和四點彎微型試樣、第三夾具(33c)測試小沖桿微型試樣，將第一夾具(33a)內的微試樣用壓緊上模(16) 壓緊，安裝導向上模(25)，將第二夾具(3 )、第三夾具(33c)的導向上模0 安裝好；(2)安裝組合夾具06)將所述的第一夾具(33a)、第二夾具(3 )、第三夾具(33c)分別或組合地成對安裝在底盤(17)上；(3)將組合夾具06)與立柱連接，安裝熱電偶(2)；(4)安裝壓頭(15)、壓桿(14)和砝碼托盤(11)，調整立柱的相對位置，使壓桿 (14)、壓頭(15)接觸；(5)安裝位移傳感器(8)，使位移傳感器(8)的探頭壓緊在砝碼托盤(11)的測量板 (10)上，并將位移傳感器⑶置零；(6)開啟高溫爐，升溫、加熱至試驗溫度300 1000°C，并保溫1 2小時；(7)溫度穩定后，逐級、平穩地施加砝碼(9)，待載荷施加完畢后，再次將位移傳感器置零；(8)開啟工控機數據采集軟件，實時記錄位移數據；(9)導出后臺記錄數據，繪制位移-時間曲線d-t曲線，求取載荷P所對應的穩態蠕變位移速率^，并將穩態蠕變位移速率j與載荷P繪于雙對數坐標系，擬合得到j = NP"關系式中N和η值；分別通過針對三點彎微試樣、四點彎微試樣、懸臂梁微試樣測試的平面假設、 梁模型，以及針對小沖桿微試樣測試的薄膜伸張模型，推出N = Bf (η)，其中B為蠕變系數， η為蠕變應力指數，η的值取j = iVP"關系式中η值，由此獲得描述材料蠕變的Norton方程 ,=Βσ\
全文摘要
本發明提供一種多頭微型試樣蠕變試驗裝置及測試方法，該裝置包括加載系統、裝夾系統、加熱及溫控系統、測量系統和外部支架。加載系統為砝碼頂端垂直加載，位于外部支架上部；裝夾系統固定在外部支架上位于加載系統下部，置于加熱系統內部；加熱系統與外部支架底部相連外接溫控系統；測量系統與加載系統、外部支架相連，置于支架上部；外部支架將各獨立部分連接成一個多頭蠕變裝置系統。本發明解決了現有的蠕變試驗裝置無法進行低載荷下的多頭微試樣蠕變試驗的問題，提供了一種可同時對某一工況下多個相同或不同尺寸微型試樣進行蠕變試驗的裝置及測試方法，還可通過更換夾具實現包括懸臂試樣、三點彎、四點彎和小沖桿等不同類型的蠕變試驗。
文檔編號G01N3/18GK102519803SQ20111045935
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月30日 優先權日2011年12月30日
發明者周幗彥, 莊法坤, 涂善東, 王瓊琦, 軒福貞 申請人:華東理工大學