一种金属薄壁管材试样高温高压水轴向拉压疲劳试验夹具的制作方法
【专利摘要】本发明涉及疲劳试验领域，具体是一种金属薄壁管材试样高温高压水轴向拉压疲劳试验夹具。该夹具的半圆凹面圆弧型夹块、半圆凸面圆弧型夹块配套后为带台阶的圆柱，通过所述圆柱一端的台阶与带台阶圆形通孔的底座配合连接；半圆凹面圆弧型夹块为带有半圆凹面的圆弧型夹块，半圆凸面圆弧型夹块为带有半圆凸面的圆弧型夹块，半圆凹面圆弧型夹块、半圆凸面圆弧型夹块通过半圆凹面、半圆凸面相对设置，管材试样设置于半圆凹面与半圆凸面之间形成的半管状缝隙中，使半圆凹面与半圆凸面与管材试样紧密接触，形成夹具。本发明设计巧妙，操作简单方便，可在现有高温高压水腐蚀疲劳装置上实现金属薄壁管材试样的高温高压水轴向拉压低周疲劳试验。
【专利说明】一种金属薄壁管材试样高温高压水轴向拉压疲劳试验夹具
【技术领域】
[0001] 本发明涉及疲劳试验领域，具体是一种金属薄壁管材试样高温高压水轴向拉压疲 劳试验夹具，用于金属薄壁管材试样在高温高压水中的低周拉压疲劳试验(在薄壁管材试 样容易失稳条件下进行拉拉低周疲劳)。
【背景技术】
[0002] 结构材料在高温高压水溶液环境下的腐蚀疲劳失效是许多工业领域面临的重要 问题，典型的如化工工业中的反应容器、核电站的压力边界等。通常评价材料在高温高压 水中的腐蚀疲劳行为是采用标准疲劳试样(如圆形横截面试样、矩形横截面试样等）开展实 验，需要耗费较多的材料，且无法反映金属薄壁管材的形状、尺寸因素对其腐蚀疲劳性能的 影响，国内外尚无金属薄壁管材在高温高压水中疲劳性能数据的报道，而金属薄壁管材已 广泛应用于核电站的关键设备如压水堆核电站的蒸汽发生器。因此，研究金属薄壁管材在 高温高压水中的腐蚀疲劳行为与机理，积累其腐蚀疲劳强度数据，对核电站的安全设计、运 行和管理，具有重要意义。现有管状样品常温空气中疲劳试验是通过液压夹头夹持一对分 别具有凹凸面楔形夹块而实现，然而液压夹头无法在高温高压水中使用，且在高温高压水 中保证试样与拉伸轴良好的对中性难度很大。因此，研制出可靠的适用于高温高压水环境 中金属薄壁管材试样轴向拉压疲劳试验夹具是进行上述研究首要条件。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种金属薄壁管材试样高温高压水轴向拉压疲劳试验夹 具，解决现有疲劳试验的液压夹头无法在高温高压水中使用，且在高温高压水中难以保证 试样与拉伸轴对中等问题。
[0004] 本发明的技术方案是：
[0005] -种金属薄壁管材试样高温高压水轴向拉压疲劳试验夹具，该夹具包括：底座、半 圆凹面圆弧型夹块、半圆凸面圆弧型夹块，半圆凹面圆弧型夹块、半圆凸面圆弧型夹块配套 后为带台阶的圆柱，通过所述圆柱一端的台阶与带台阶圆形通孔的底座配合连接；半圆凹 面圆弧型夹块为带有半圆凹面的圆弧型夹块，半圆凸面圆弧型夹块为带有半圆凸面的圆弧 型夹块，半圆凹面圆弧型夹块、半圆凸面圆弧型夹块通过半圆凹面、半圆凸面相对设置，金 属薄壁管材试样设置于半圆凹面与半圆凸面之间形成的半管状缝隙中，使半圆凹面与半圆 凸面与金属薄壁管材试样紧密接触，形成夹具。
[0006] 所述的金属薄壁管材试样高温高压水轴向拉压疲劳试验夹具，半圆凹面圆弧型夹 块、半圆凸面圆弧型夹块形成的圆柱外侧设置欧姆夹，欧姆夹通过配套的夹紧螺杆、夹紧螺 帽夹紧。
[0007] 所述的金属薄壁管材试样高温高压水轴向拉压疲劳试验夹具，半圆凹面圆弧型夹 块、半圆凸面圆弧型夹块通过夹紧螺杆、夹紧螺帽压紧欧姆夹，半圆凹面圆弧型夹块、半圆 凸面圆弧型夹块夹紧金属薄壁管材试样。
[0008] 所述的金属薄壁管材试样高温高压水轴向拉压疲劳试验夹具，夹紧后金属薄壁管 材试样弧面的中心正好位于半圆凹面圆弧型夹块、半圆凸面圆弧型夹块整体的圆心处。
[0009] 所述的金属薄壁管材试样高温高压水轴向拉压疲劳试验夹具，底座通过配套的固 定螺杆、垫圈与其上高温高压水轴向拉压疲劳试验装置的高压釜内样品台及拉伸轴连接。 [0010] 所述的金属薄壁管材试样高温高压水轴向拉压疲劳试验夹具，半圆凹面圆弧型夹 块、半圆凸面圆弧型夹块配套后圆柱的台阶与带台阶圆形通孔的底座之间，具有自由度，通 过调节半圆凹面圆弧型夹块、半圆凸面圆弧型夹块与拉伸轴的同轴度。
[0011] 所述的金属薄壁管材试样高温高压水轴向拉压疲劳试验夹具，半圆凹面圆弧型夹 块、半圆凸面圆弧型夹块与薄壁管材试样的接触面为凹凸面，带有半圆凸面的圆弧型夹块 厚度大于带有半圆凹面的圆弧型夹块厚度。
[0012] 所述的金属薄壁管材试样高温高压水轴向拉压疲劳试验夹具的安装使用方法，具 体步骤如下：
[0013] (1)将半圆凹面圆弧型夹块、半圆凸面圆弧型夹块配套后，穿过底座通孔，使半圆 凹面圆弧型夹块、半圆凸面圆弧型夹块台阶与底座通孔处台阶接触；
[0014] (2)将金属薄壁管材试样夹持段插入半圆凹面圆弧型夹块、半圆凸面圆弧型夹块 之间的缝隙中；
[0015] (3)将装配好的夹具与金属薄壁管材试样装入高压釜中，调节好样品台与拉伸轴 之间的距离，利用固定螺杆、垫圈连接上底座与样品台及下底座与拉伸轴，在拧紧固定螺杆 过程中，调整半圆凹面圆弧型夹块、半圆凸面圆弧型夹块的位置，使金属薄壁管材试样与拉 伸轴具有良好的对中性；
[0016] ( 4 )利用欧姆夹套住半圆凹面圆弧型夹块、半圆凸面圆弧型夹块形成的圆柱，通过 夹紧螺杆、夹紧螺帽夹持半圆凹面圆弧型夹块、半圆凸面圆弧型夹块，继而夹持金属薄壁管 材试样。
[0017] 本发明的有益效果是：
[0018] 1、本发明提供一种金属薄壁管材试样高温高压水轴向拉压疲劳试验夹具，该夹具 可以在低频疲劳试验机上开展带有一定曲面薄壁管材试样的低周疲劳试验。
[0019] 2、本发明夹具通过底座与高压釜内样品台、拉伸轴连接，能使试样被夹紧后不发 生滑动、不发生变形；通过夹紧螺杆、夹紧螺帽压紧欧姆夹来夹紧半圆凹凸面圆弧型夹块， 夹紧后其弧面的中心正好位于两圆弧型夹块整体的圆心处；从而，通过调节半圆凹凸面圆 弧型夹块的位置，能确保薄壁管材疲劳试样与拉伸轴保持良好的同轴度。
[0020] 3、本发明夹具设计巧妙，操作简单方便，可在现有高温高压水腐蚀疲劳装置上实 现金属薄壁管材试样的高温高压水轴向拉压低周疲劳试验(在薄壁管材试样容易失稳条件 下进行拉拉低周疲劳)。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1-图2为本发明的装置结构图。其中，图1为主视图；图2为图1中的A-A剖 视图。
[0022] 图中：1底座；2固定螺杆；3垫圈；4半圆凹面圆弧型夹块；5半圆凸面圆弧型夹 块；6欧姆夹；7夹紧螺杆；8夹紧螺帽；9半圆凹面；10半圆凸面。
[0023] 图3为本发明镍基合金薄壁管材试样疲劳试验的峰值应力-循环周次曲线。
[0024] 图4为本发明实验前和实验后的薄壁管材试样形貌。
【具体实施方式】
[0025] 如图1-图2所示，本发明金属薄壁管材试样高温高压水轴向拉压疲劳试验夹具， 主要包括：底座1、固定螺杆2、垫圈3、半圆凹面圆弧型夹块4、半圆凸面圆弧型夹块5、欧姆 夹6、夹紧螺杆7、夹紧螺帽8等，具体结构如下：
[0026] 底座1通过配套的固定螺杆2、垫圈3与其上高温高压水轴向拉压疲劳试验装置的 高压釜内样品台及拉伸轴连接，半圆凹面圆弧型夹块4、半圆凸面圆弧型夹块5配套后为带 台阶的圆柱，通过所述圆柱一端的台阶与带台阶圆形通孔的底座1配合连接，且具有一定 的自由度，可调节半圆凹面圆弧型夹块4、半圆凸面圆弧型夹块5与拉伸轴的同轴度；
[0027] 其中，半圆凹面圆弧型夹块4为带有半圆凹面9的圆弧型夹块，半圆凸面圆弧型夹 块5为带有半圆凸面10的圆弧型夹块，半圆凹面圆弧型夹块4、半圆凸面圆弧型夹块5通过 半圆凹面9、半圆凸面10相对设置，金属薄壁管材试样设置于半圆凹面9与半圆凸面10之 间形成的半管状缝隙中，使半圆凹面9与半圆凸面10与金属薄壁管材试样紧密接触，用于 夹持金属薄壁管材试样。
[0028] 本发明中，半圆凹面圆弧型夹块4、半圆凸面圆弧型夹块5与金属薄壁管材试样的 接触面（即凹凸面)，依据金属薄壁管材试样的具体弧度分别设计一个半圆凹面9和一个半 圆凸面10,带有半圆凸面的圆弧型夹块厚度大于带有半圆凹面的圆弧型夹块厚度。半圆凹 面圆弧型夹块4、半圆凸面圆弧型夹块5形成的圆柱外侧设置欧姆夹6,欧姆夹6通过配套 的夹紧螺杆7、夹紧螺帽8夹紧，通过夹紧螺杆7、夹紧螺帽8压紧欧姆夹6来夹紧半圆凹面 圆弧型夹块4、半圆凸面圆弧型夹块5,半圆凹面圆弧型夹块4、半圆凸面圆弧型夹块5夹紧 金属薄壁管材试样，夹紧后金属薄壁管材试样弧面的中心正好位于半圆凹面圆弧型夹块4、 半圆凸面圆弧型夹块5整体的圆心处。
[0029] 本发明中，半圆凹面9、半圆凸面10的半径大小可根据金属薄壁管材试样半径以 及壁厚确定，半圆凹面9的半径约等于金属薄壁管材试样的半径，半圆凹面9、半圆凸面10 之间的缝隙稍小于金属薄壁管材试样壁厚。例如，在实施例中，管材试样半径8. 7mm，壁厚 1. 01mm，则半圆凹面9半径设计为8. 7_，半圆凸面10的半径设计为7. 8_。
[0030] 本发明的高温高压水轴向拉压疲劳试验夹具，适用于金属薄壁管材试样壁厚范围 为 0· 1-5mm〇
[0031] 本发明的安装步骤如下：
[0032] 1、将半圆凹面圆弧型夹块4、半圆凸面圆弧型夹块5配套后，穿过底座1通孔，使半 圆凹面圆弧型夹块4、半圆凸面圆弧型夹块5台阶与底座通孔处台阶接触；
[0033] 2、将金属薄壁管材试样夹持段插入半圆凹面圆弧型夹块4、半圆凸面圆弧型夹块 5之间的缝隙中；
[0034] 3、将装配好的夹具与金属薄壁管材试样装入高压釜中，调节好样品台与拉伸轴之 间的距离，利用固定螺杆2、垫圈3连接上底座与样品台及下底座与拉伸轴，在拧紧固定螺 杆2过程中，调整半圆凹面圆弧型夹块4、半圆凸面圆弧型夹块5的位置，使金属薄壁管材试 样与拉伸轴具有良好的对中性；
[0035] 4、利用欧姆夹6套住半圆凹面圆弧型夹块4、半圆凸面圆弧型夹块5形成的圆柱， 通过夹紧螺杆7、夹紧螺帽8夹持半圆凹面圆弧型夹块4、半圆凸面圆弧型夹块5,继而夹持 金属薄壁管材试样。
[0036] 本发明中，高温高压水轴向拉压疲劳试验用的装置可以采用现有高温高压水腐蚀 疲劳装置，如：中国发明专利申请，申请号：201010240899. 6,发明名称：一种带高温高压循 环水的腐蚀疲劳试验装置。
[0037] 实施例
[0038] 在实施例中，将夹具夹持某镍基合金薄壁（1.01mm)管状试样装入高压釜样品台 上，高温高压循环水实验温度300°C、压力9MPa，试样在300°C水中保温4小时，确保温度稳 定后开始疲劳实验。岛津疲劳机为位移控制，位移幅度为〇_〇. 24mm，经引伸计标定，试样应 变幅度约为〇. 1%-〇. 5%，应变速率为0. 08?^1 (对应加载频率为0. 1Hz)，疲劳失效判定条件 设为峰值应力下降至最大峰值应力的75%。经测试，在上述实验条件下，该镍基合金薄壁管 材试样疲劳寿命为5056周，峰值应力-循环周次曲线见图3。实验前后薄壁管材试样形貌 见图4,试验后检查该薄壁管材试样，发现疲劳裂纹萌生于试样标距段，且试样无弯曲变形。 上述实施例证明该夹具的夹持方式可靠，满足高温高压水环境下薄壁管状试样的低周疲劳 测试要求。
【权利要求】
1. 一种金属薄壁管材试样高温高压水轴向拉压疲劳试验夹具，其特征在于，该夹具包 括：底座、半圆凹面圆弧型夹块、半圆凸面圆弧型夹块，半圆凹面圆弧型夹块、半圆凸面圆弧 型夹块配套后为带台阶的圆柱，通过所述圆柱一端的台阶与带台阶圆形通孔的底座配合连 接；半圆凹面圆弧型夹块为带有半圆凹面的圆弧型夹块，半圆凸面圆弧型夹块为带有半圆 凸面的圆弧型夹块，半圆凹面圆弧型夹块、半圆凸面圆弧型夹块通过半圆凹面、半圆凸面相 对设置，金属薄壁管材试样设置于半圆凹面与半圆凸面之间形成的半管状缝隙中，使半圆 凹面与半圆凸面与金属薄壁管材试样紧密接触，形成夹具。
2. 按照权利要求1所述的金属薄壁管材试样高温高压水轴向拉压疲劳试验夹具，其特 征在于，半圆凹面圆弧型夹块、半圆凸面圆弧型夹块形成的圆柱外侧设置欧姆夹，欧姆夹通 过配套的夹紧螺杆、夹紧螺帽夹紧。
3. 按照权利要求2所述的金属薄壁管材试样高温高压水轴向拉压疲劳试验夹具，其特 征在于，半圆凹面圆弧型夹块、半圆凸面圆弧型夹块通过夹紧螺杆、夹紧螺帽压紧欧姆夹， 半圆凹面圆弧型夹块、半圆凸面圆弧型夹块夹紧金属薄壁管材试样。
4. 按照权利要求1或3所述的金属薄壁管材试样高温高压水轴向拉压疲劳试验夹具， 其特征在于，夹紧后金属薄壁管材试样弧面的中心正好位于半圆凹面圆弧型夹块、半圆凸 面圆弧型夹块整体的圆心处。
5. 按照权利要求1所述的金属薄壁管材试样高温高压水轴向拉压疲劳试验夹具，其特 征在于，底座通过配套的固定螺杆、垫圈与其上高温高压水轴向拉压疲劳试验装置的高压 荃内样品台及拉伸轴连接。
6. 按照权利要求1所述的金属薄壁管材试样高温高压水轴向拉压疲劳试验夹具，其特 征在于，半圆凹面圆弧型夹块、半圆凸面圆弧型夹块配套后圆柱的台阶与带台阶圆形通孔 的底座之间，具有自由度，通过调节半圆凹面圆弧型夹块、半圆凸面圆弧型夹块与拉伸轴的 同轴度。
7. 按照权利要求1所述的金属薄壁管材试样高温高压水轴向拉压疲劳试验夹具，其特 征在于，半圆凹面圆弧型夹块、半圆凸面圆弧型夹块与薄壁管材试样的接触面为凹凸面，带 有半圆凸面的圆弧型夹块厚度大于带有半圆凹面的圆弧型夹块厚度。
8. 按照权利要求1所述的金属薄壁管材试样高温高压水轴向拉压疲劳试验夹具，其特 征在于，该夹具的安装使用方法，具体步骤如下： (1) 将半圆凹面圆弧型夹块、半圆凸面圆弧型夹块配套后，穿过底座通孔，使半圆凹面 圆弧型夹块、半圆凸面圆弧型夹块台阶与底座通孔处台阶接触； (2) 将金属薄壁管材试样夹持段插入半圆凹面圆弧型夹块、半圆凸面圆弧型夹块之间 的缝隙中； (3) 将装配好的夹具与金属薄壁管材试样装入高压釜中，调节好样品台与拉伸轴之间 的距离，利用固定螺杆、垫圈连接上底座与样品台及下底座与拉伸轴，在拧紧固定螺杆过程 中，调整半圆凹面圆弧型夹块、半圆凸面圆弧型夹块的位置，使金属薄壁管材试样与拉伸轴 具有良好的对中性； (4) 利用欧姆夹套住半圆凹面圆弧型夹块、半圆凸面圆弧型夹块形成的圆柱，通过夹紧 螺杆、夹紧螺帽夹持半圆凹面圆弧型夹块、半圆凸面圆弧型夹块，继而夹持金属薄壁管材试 样。
【文档编号】G01N3/04GK104101532SQ201310121259
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2013年4月9日 优先权日:2013年4月9日
【发明者】谭季波, 吴欣强, 韩恩厚, 刘晓强, 徐雪莲, 孟凡江 申请人:中国科学院金属研究所, 上海核工程研究设计院