薄壁管弧形试样高温高压水慢拉伸试验夹具及使用方法与流程

本发明涉及金属及其合金的应力腐蚀试验领域，具体是一种薄壁管弧形试样在高温高压水环境下的慢拉伸试验夹具及使用方法，适用于薄壁管材在高温高压水中的应力腐蚀开裂敏感性研究。

背景技术：

薄壁管构件(如：蒸汽发生器传热管)在高温高压水环境(一次侧温度约326℃，压力约15.8MPa；二次侧温度约285℃，压力约6.8MPa)中的应力腐蚀开裂是目前核电工业面临的重要问题。在研究材料的应力腐蚀开裂敏感性时，慢拉伸是常用试验方法之一，它通过缓慢的应变速率(10^-4～10^-7s^-1)来施加应力，直至试样发生断裂。慢拉伸试验的这一特点要求夹具需对试样准确定位、完全固定，避免拉伸过程中因试样松动导致载荷(或应力)产生巨大波动。目前，薄壁管弧形试样多采用两端压平的方法进行夹持，但压平后将导致管材性能发生变化，而采用直接夹持方式虽能更准确地反映出薄壁管材的真实性能，但试样夹持难度较大。在现有薄壁管弧形试样高温拉伸试验夹具中，部分采用了直接夹持方式，但仍存在一些问题，如：试样定位不准确、夹持不紧固，夹具结构复杂，且多适用于夹持端圆弧对应圆心角较小的试样，而当夹持半圆形夹持端的试样时将导致夹具体积过大等。因此，针对上述问题设计出合理可靠的薄壁管弧形试样慢拉伸试验夹具，是开展薄壁管材在高温高压水环境下应力腐蚀开裂敏感性研究的前提。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种薄壁管弧形试样高温高压水慢拉伸试验夹具及使用方法，可以解决现有夹具对薄壁管弧形试样定位不准确、夹持不紧固、结构复杂、尺寸大且不适合半圆形夹持端的试样等问题。

本发明的技术方案如下：

一种薄壁管弧形试样高温高压水慢拉伸试验夹具，该夹具设有试样夹持部分和夹具转接部分，其中试样夹持部分包括凹模、凸模、定位销轴和紧固螺栓，每一凹模与凸模上下设置，并通过定位销轴和紧固螺栓连接固定，形成一组夹持单元，试样夹持部分包含两组对称设置的夹持单元；夹具转接部分包括外螺纹转接件、内螺纹转接件和连接销轴，外螺纹转接件与试样夹持部分的一组夹持单元、内螺纹转接件与试样夹持部分的另一组夹持单元均通过连接销轴实现连接。

所述夹具中的凹模和凸模的一端均为延伸端，其上设有销孔，凹模和凸模配合使用时两延伸端之间留有缝隙；凹模的另一端设有弧形凹面、通孔和销孔，凸模的另一端设有弧形凸面、通孔和销孔；所用薄壁管弧形试样两侧为夹持端，中间为标距段，二者通过圆弧过渡，且两夹持端均设有直径与标距段宽度相等的承力孔。

所述夹具中的凹模的弧形凹面半径和凸模的弧形凸面半径均取决于试样尺寸，凹模和凸模配合使用时凹面和凸面之间形成圆弧形空隙，在放置试样后，凹、凸面分别与试样夹持端外、内壁紧密贴合。

所述试验夹具中的凹模和凸模的销孔与试样承力孔尺寸相等，通过插入与之配合的销轴，实现试样的准确定位，并将试样标距段露于夹具外侧；凹模和凸模的通孔通过插入螺栓进行紧固连接，使试样自由度为零，实现试样的完全固定。

所述试验夹具中的凸模的弧形凸面下方留有平台，该平台为夹持端因加工误差导致的多余部分留出空间。

所述试验夹具中的内螺纹转接件、外螺纹转接件的一端均设有凹形槽，凹形槽侧壁上设有销孔，内螺纹转接件的另一端设有内螺纹，外螺纹转接件的另一端设有外螺纹。

所述试验夹具中的内螺纹转接件、外螺纹转接件一端的凹形槽放置凹模和凸模的延伸端，侧壁销孔则与凹模和凸模的延伸端销孔圆心重合，通过销轴配合连接。

所述试验夹具中的外螺纹转接件通过端部外螺纹固定于支架底座上，内螺纹转接件通过端部内螺纹与拉伸轴进行螺纹连接。

所述试验夹具的具体安装、使用方法，具体步骤如下：

(1)将薄壁管弧形试样夹持端置于凹模和凸模配合形成的圆弧形空隙中，并使试样夹持端承力孔与凹模的弧形凹面和凸模的弧形凸面上的销孔圆心重合，然后插入销轴定位试样；

(2)在凹模和凸模两侧的通孔内插入螺栓并拧紧螺母，将试样完全固定住；

(3)将凹模和凸模的延伸端放入内螺纹转接件、外螺纹转接件的凹形槽内，并使凹模和凸模延伸端和转接件的销孔圆心重合，然后插入销轴，连接凹模和凸模与转接件；

(4)将固定有试样的夹具整体放入支架内，先完成内螺纹转接件与拉伸轴的连接，然后安装支架底座，完成外螺纹转接件与支架的固定。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明所提供的夹具中凹凸模通过配合使用定位销轴和紧固螺栓，将试样准确定位、完全紧固，避免慢拉伸过程中试样打滑。

2、本发明所提供的夹具中凹凸模分别加工有弧形凹凸曲面，能与弧形试样夹持端的内外壁紧密贴合，适用于具有圆弧形夹持端的薄壁管试样。

3、本发明所提供的夹具能使拉伸轴与试样具有较高的同轴度，防止试样承受附加弯矩作用。

4、本发明所提供的夹具结构简单，组装与拆卸方便，可实现精确定位并完全固定试样，能开展薄壁管弧形试样在高温高压水环境下的慢拉伸试验，研究薄壁管材的应力腐蚀开裂敏感性。

附图说明

图1是本发明的装配示意图。

图2是本发明的分解结构示意图。

图3是本发明中配合使用的凹凸模平面图。

图4是本发明实施例中慢拉伸试验的应力(stress)—应变(strain)曲线。

图5是本发明实施例中薄壁管弧形试样试验前后的形貌。其中，图(a)为试验前形貌，图(b)为试验后形貌。

图中：1-外螺纹转接件；2-凸模；3-凹模；4-薄壁管弧形试样；5-内螺纹转接件；6-连接销轴；7-定位销轴；8-紧固螺栓；9-外螺纹转接件凹形槽；10-凸模延伸端；11-连接销轴螺母；12-紧固螺栓螺母；13-定位销轴螺母；14-内螺纹转接件凹形槽；15-凹模延伸端；16-试样圆弧形夹持端；17-承力孔；18-凸模平台；19-圆弧形空隙。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细的说明。应当理解，此处所描述的实施例仅用作解释本发明，并非限定本发明的应用。

如图1-图3所示，本发明薄壁管弧形试样高温高压水慢拉伸试验夹具，主要由试样夹持部分和夹具转接部分组成。其中，试样夹持部分包括凸模2、凹模3、定位销轴7和紧固螺栓8，每一凹模3与凸模2上下设置，并通过定位销轴7和紧固螺栓8连接固定，形成一组夹持单元，试样夹持部分包含两组对称设置的夹持单元，可准确定位并完全固定薄壁管弧形试样4；夹具转接部分包括外螺纹转接件1、内螺纹转接件5以及连接销轴6，外螺纹转接件1与试样夹持部分的一组夹持单元、内螺纹转接件5与试样夹持部分的另一组夹持单元均通过连接销轴6实现连接，可固定于现有支架并连接拉伸轴。

如图3所示，凸模2、凹模3分别加工有相对应的弧形凸面、弧形凹面，其弧形凸面半径、弧形凹面半径分别与薄壁管弧形试样4的内壁、外壁半径一致，凸模2和凹模3二者配合使用时，弧形凸面和弧形凹面之间形成圆弧形空隙19，用于定位、固定薄壁管弧形试样4。凸模2的弧形凸面下方留有凸模平台18，该凸模平台可为夹持端因加工误差导致的多余部分留出空间，避免妨碍夹持试样。

如图1-图2所示，所用薄壁管弧形试样4两侧为夹持端，中间为标距段，二者通过圆弧过渡，且两夹持端均加工有直径与标距段宽度相等的承力孔17。将薄壁管弧形试样4的两端(试样圆弧形夹持端16)分别置于凸模2与凹模3形成的夹持单元之间，先插入定位销轴7，通过定位销轴7将凹模3、试样圆弧形夹持端16和凸模2依次连接，并旋紧与定位销轴7配套的定位销轴螺母13。再在凸模2和凹模3两侧插入紧固螺栓8，并旋紧与紧固螺栓8配套的紧固螺栓螺母12、与定位销轴7配套的定位销轴螺母13，使试样圆弧形夹持端16的内壁、外壁分别与凸模2的弧形凸面、凹模3的弧形凹面紧密贴合，实现薄壁管弧形试样4的准确定位和紧固夹持。

如图1-图2所示，凹模3和凸模2的一端均为延伸端，其上加工有销孔，凹模3的另一端加工有弧形凹面、通孔和销孔，凸模2的另一端则加工有弧形凸面、通孔和销孔。内螺纹转接件5、外螺纹转接件1的一端均加工有凹形槽，凹形槽侧壁上加工有销孔，内螺纹转接件5的另一端加工有内螺纹，外螺纹转接件1的另一端加工有外螺纹。内螺纹转接件5、外螺纹转接件1一端的凹形槽用于放置凹模3和凸模2的延伸端，侧壁销孔则与凹模3和凸模2的延伸端销孔圆心重合，通过销轴配合连接，可避免连接处的松动。外螺纹转接件1的一端加工有外螺纹转接件凹形槽9，内螺纹转接件5的一端加工有内螺纹转接件凹形槽14。外螺纹转接件凹形槽9用于放置一组夹持单元中凸模2的凸模延伸端10和凹模3的凹模延伸端15，内螺纹转接件凹形槽14用于放置另一组夹持单元中凸模2的凸模延伸端10和凹模3的凹模延伸端15。外螺纹转接件1的外螺纹转接件凹形槽9与一组夹持单元中凸模2的凸模延伸端10和凹模3的凹模延伸端15之间，内螺纹转接件5的内螺纹转接件凹形槽14与另一组夹持单元中凸模2的凸模延伸端10和凹模3的凹模延伸端15之间，均采用配套的连接销轴6和相应的连接销轴螺母11连接，避免了连接处的松动。外螺纹转接件1的另一端加工有外螺纹，外螺纹转接件1通过外螺纹与现有支架连接固定；内螺纹转接件5的另一端加工有内螺纹，内螺纹转接件5通过内螺纹与拉伸轴进行螺纹连接。

本发明中，凸模延伸端10、凹模延伸端15的厚度分别与外螺纹转接件凹形槽9和内螺纹转接件凹形槽14的上侧面、下侧面壁厚相等或近似相等，使连接销轴6受力更加均匀，从而延长销轴使用寿命。如图1-图2所示，装配后凸模延伸端10和凹模延伸端15之间还留有一定厚度的缝隙，避免阻碍紧固螺栓8的紧固作用。凸模2和凹模3的弧形曲面(弧形凸面、弧形凹面)上的销孔与试样承力孔17尺寸相等，通过插入与之配合的定位销轴7，实现试样4的准确定位，并将试样标距段露于夹具外侧；凸模2和凹模3的通孔通过插入紧固螺栓8进行紧固连接，使试样4自由度为零，实现试样4的完全固定。

本发明中，通过合理设计凸模2、凹模3的高度尺寸及外螺纹转接件1外螺纹和内螺纹转接件5内螺纹的位置，薄壁管弧形试样4的标距段横截面中心位于拉伸轴轴线上，从而仅受轴向拉伸力，而不受附加弯矩的作用。本发明薄壁管弧形试样高温高压水慢拉伸试验夹具，可以安装于现有高温高压水慢拉伸试验机上，进行应力腐蚀开裂敏感性研究。

实施例

如图1-图3所示，本实施例中薄壁管弧形试样高温高压水慢拉伸试验包括以下内容：

(1)本实施例中的试样和夹具

试验材料为Inconel 690合金传热管，外径Φ19.05mm，壁厚1.09mm，试样夹持端为半圆形，标距段宽度与试样圆弧形夹持端16上的承力孔17直径一致，为5.5mm，标距段长度20mm，标距段与试样圆弧形夹持端16采用半径为10mm的圆弧过渡。试样采用线切割加工，加工过程中尽量避免试样表面被划伤。夹具材质为625镍基合金，在高温碱性溶液中具有较强的腐蚀抗力，根据试样外径和壁厚，凸模的凸面半径设计为8.44mm，凹模的凹面半径设计为9.53mm，凹凸模配合使用时形成厚度为1.09mm的圆弧形空隙19为半圆形空隙。

(2)本实施例中的试验条件

慢拉伸应变速率10^-6s^-1，试验温度320℃，压力约11MPa，试验溶液为质量分数10％的NaOH溶液。

经测试，Inconel 690合金在上述试验条件下的应力(stress)—应变(strain)曲线如图4所示，延伸率为47.5％。试验前后试样的形貌如图5所示，可以看出，断口位于标距段内，且试样标距段无弯曲变形、夹持端承力孔附近无褶皱现象。该实施例表明，本发明夹具对薄壁管弧形试样的定位及夹持方式满足高温高压水慢拉伸试验的要求。