一种钼及钼合金棒、管材的高温拉伸检测设备及方法与流程

本发明涉及金属材料力学性能检测技术领域，具体涉及一种钼及钼合金棒、管材的高温拉伸检测设备及方法。

背景技术：

目前，国内进行金属管材及棒材的高温拉伸性能测试主要是依据最新执行的国标GB/T228.2‐2015《金属材料拉伸试验第2部分：高温试验方法》，也有些客户依然选择国标GB/T4338‐2006《金属材料高温拉伸试验方法》作为检测依据，这两套标准明确规定了高温拉伸实验工作温度范围为35℃‐1100℃，并规定对外径不大于16mm的管材应切取整管进行试验，外径大于16mm‐30mm的管材，在试验具备的情况下，也应切取整管进行试验，否则可切取10mm的条形试样完成试验。由于钼及钼合金在550℃以上开始和空气中的氧气发生氧化反应，使得该种易氧化金属材料的棒、管材高温拉伸试验无法正常进行，而苏州热工研究院、西北有色金属研究院、长春机械研究院等这些具有CMA金属材料高温拉伸检测资质的单位院所对于钼及钼合金棒、管材拉伸测试的温度控制在500℃以下，严重阻碍了类似钼及钼合金易氧化金属在500℃以上拉伸性能测试。钼及钼合金棒、管材用于核电包壳材料的极限工作温度为1200℃，这就需要在1200℃下完成钼及钼合金棒、管材的拉伸性能测试，超出了国家标准明确规定的温度点。受检测条件限制，目前还未见在1200℃下开展金属材料拉伸性能测试的报道和文献。而对于管材的拉伸，通常采用剖开管来代替整管进行拉伸试验，这就无法正确反应管材在高温复合应力下的实际变化情况，降低了测试结果的可信度，还增加了检测成本和试验周期。在1200℃下开展钼及钼合金棒、管材拉伸试验研究，既能满足了核电行业客户的需求，又能填补了国内金属材料高温拉伸性能测试的空白，对促进核电产业安全发展、推动金属材料高温拉伸性能检测进步意义重大。

技术实现要素：

本发明就是针对上述已有技术存在的不足，提供一种能够在1200℃下对钼及钼合金棒、管材的高温拉伸性能进行检测的设备及方法。

本发明就是通过以下技术方案实现的。

一种钼及钼合金棒、管材的高温拉伸检测设备，所述设备包括万能试验机，设置在万能试验机上、下横梁之间的高温炉，从所述高温炉侧壁伸入炉内的引伸计，与高温炉连接的温度控制器，两个结构相同的上夹具和下夹具，其特征在于，所述设备还包括夹具冷却装置和惰性气氛保护装置；

所述夹具冷却装置包括冷却水箱、两个结构相同的上冷却连接头和下冷却连接头；所述冷却水箱设置在万能试验机的一侧，所述上冷却连接头的一端固定在万能试验机的上横梁上、另一端与上夹具连接，所述下冷却连接头的一端固定在万能试验机的下横梁上，另一端与下夹具连接，所述两夹具的夹持端均伸入高温炉内、并且相对设置，所述冷却水箱与上、下冷却连接头均连接；

所述惰性气氛保护装置设置在万能试验机的另一侧，所述惰性气氛保护装置的出气管伸入高温炉内。

根据上述的设备，其特征在于，所述两冷却连接头均为两端封闭的竖直中空管，所述中空管的一端设有销孔，另一端设有带内螺纹的凹槽，所述中空管的侧壁设有出水口和入水口，所述出水口和入水口位于不同高度，所述出水口与入水口之间的管道形成冷却液的通道，所述中空管的出水口与冷却水箱的进水口通过管道连接，所述中空管的入水口与冷却水箱的出水口通过管道连接。

根据上述的设备，其特征在于，所述惰性气氛保护装置为供氩装置。

根据上述的设备，其特征在于，所述两夹具的夹持端均为圆柱体，所述圆柱体的端部设有带内螺纹的凹槽。

根据上述的设备，其特征在于，所述两夹具的夹持端均为具有圆锥形空腔的腔体，在所述腔体端部开有圆形安装孔，所述圆形安装孔与圆锥形空腔相通，所述圆锥形空腔内设有多个竖直的楔形夹块，所述腔体内壁开有与楔形夹块相配的滑槽，所述楔形夹块位于滑槽内，所述楔形夹块与腔体外壁之间设有丝杆。

根据上述的设备，其特征在于，所述楔形夹块的夹持面为倒齿状结构。

根据上述的设备，其特征在于，所述两夹具的材质均为钼镧合金或钨钼合金。

根据上述的设备，其特征在于，所述高温炉安装在设置在万能试验机一侧的旋转支架上，所述引伸计安装在设置在万能试验机另一侧的滑动支架上。

一种使用上述设备的检测方法，其特征在于，所述方法步骤包括：

(1)将钼及钼合金棒材或管材按GB/T4338‐2006或GB/T228.2‐2015机加工成标准拉伸试样，采用高温颜料在试样表面标记标距并烘干标记，然后将标记好的棒材或管材拉伸试样装入相应的夹具中；

(2)打开高温炉，在拉伸试样的两端和中央分别插入热电偶，然后打开惰性气氛保护装置，启动温度控制器，采用梯度升温方式给高温炉加热，当炉温显示500℃时，打开冷却水箱的供水开关，向上、下冷却连接头中通入冷却液，继续升温，当热电偶的温度均显示1200℃时，保温15min以上，启动万能试验机对试样进行拉伸，当试样出现屈服现象时，引伸计退出炉体，直到拉伸试样断裂，关闭万能试验机；

(3)保存好拉伸测试数据和曲线，关闭温度控制器，待炉内温度降至500℃时，关闭惰性气氛保护装置，待炉温降至室温，关闭冷却水箱的供水开关，取出拉伸试样，采用游标卡尺和千分尺进行测量。

本发明的有益技术效果，本发明提供了一种对钼及钼合金棒、管材的高温拉伸性能进行检测的设备及方法，相对于现有的金属材料高温拉伸检测方法和装置而言，本发明具有以下几大优点：

(1)本发明可以很好的完成钼及钼合金等易氧化金属的棒、管材的高温拉伸测试。传统的金属材料高温拉伸试验是在空气氛围的加热炉腔内完成的，仅针对难氧化金属的棒、管材或易氧化金属氧化温度点之下进行的带温拉伸性能检测，而本发明增加了惰性气氛保护装置，可以有效地阻止易氧化金属高温下的氧化反应，大幅度的提高了易氧化金属的拉伸检测温度区域。

(2)本发明可以在1200℃温度下安全稳定的完成钼及钼合金棒、管材的拉伸性能测试。受高温拉伸装备条件和传统检测观念限制，目前国内已进行的金属棒、管材高温拉伸试验的温度不大于900℃，GB/T4338‐2006或GB/T228.2‐2015上有明确规定的温度点不大于1100℃，而本发明在万能试验机上增加了惰性气氛保护装置、夹具冷却装置和采用耐热合金制备成的专用夹具，克服了钼及钼合金拉伸试样的氧化以及传统夹具高温变形，导致拉伸试验时试样滑落、拉豁等缺陷，突破了传统高温拉伸温度点的局限，满足了核电行业客户对高温拉伸试验的需求，提高了检测数据的可信度，填补了国内金属材料高温拉伸测试领域的空白。

(3)本发明提供的管材专用夹具结构合理，拆卸便捷，可实现对不同管材直径的夹持，避免了在高温拉伸试验过程中试样的滑动和开裂，保证了高温下管材的均匀变形，测试结果准确可靠，和传统切成条形试样相比，缩短了试验周期，减少了检测费用，而且当管材专用夹具多次使用后，楔形夹块的夹持面磨损失效时，只需更换新的楔形夹块即可，通用性强。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为棒材专用夹具的装配示意图。

图3为管材专用夹具的装配示意图。

图4为图3的A‐A向剖面示意图。

图5为一对楔形夹块的剖面示意图。

图6为管材专用夹具的俯视图。

图7为冷却连接头的剖面示意图。

具体实施方式

如图1‐图7所示，一种钼及钼合金棒、管材的高温拉伸检测设备，包括万能试验机1，设置在万能试验机上、下横梁之间的高温炉2，高温炉通过设置在万能试验机一侧的旋转支架3支撑，安装在设置在万能试验机另一侧的滑动支架4上的引伸计5，引伸计的工作端从高温炉侧壁伸入炉内，与高温炉连接有温度控制器6，温度控制器用于控制高温炉的温度，两个结构相同的上夹具7和下夹具8，夹具冷却装置，惰性气氛保护装置9；夹具冷却装置包括冷却水箱10、两个结构相同的上冷却连接头11和下冷却连接头12；冷却水箱也设置在万能试验机的一侧，冷却水箱用于提供冷却液；上冷却连接头的一端固定在万能试验机的上横梁13上、另一端与上夹具7连接，下冷却连接头的一端固定在万能试验机的下横梁14上，另一端与下夹具8连接，两夹具的夹持端均伸入高温炉内、并且相对设置；两冷却连接头均为两端封闭的竖直中空管15，中空管的一端设有销孔16，用于通过销钉固定在万能试验机的横梁上，另一端设有带内螺纹的凹槽17，用于与夹具连接，中空管的侧壁设有出水口18和入水口19，出水口和入水口位于不同高度，出水口与入水口之间的管道形成冷却液的通道20，中空管的出水口与冷却水箱的进水口通过管道连接，中空管的入水口与冷却水箱的出水口通过管道连接；冷却连接头材质选用不锈钢。冷却水箱的冷却液由冷却连接头的入水口进入，通过冷却液通道从出水口流出，将高温试验中夹具传导出来的热量及时带走，减小了夹具的体积，保护了万能试验机横梁装配区域的受热变形，提高了实验的安全性。夹具、拉伸试样和连接管的中轴线位于同一条轴线上，避免拉伸过程中产生弯曲应力，影响测试数据不准确，导致实验失败。

惰性气氛保护装置也设置在万能试验机的另一侧，惰性气氛保护装置的出气管21伸入高温炉内；惰性气氛保护装置的出气管分为两部分，一部分为进入高温炉内的耐高温金属管，另一部分为位于炉外的普通惰性气体流通管，以保证炉内惰性气氛的正常供给，惰性气氛保护装置用于提供惰性气氛，惰性气氛保护装置优选为供氩装置。

棒材专用夹具包括结构相同的上夹具和下夹具，两夹具配合使用，两夹具的夹持端均为圆柱体22，圆柱体的端部设有带内螺纹的凹槽23。

管材专用夹具包括结构相同的上夹具和下夹具，两夹具配合使用，两夹具的夹持端均为具有圆锥形空腔24的腔体25，在腔体端部开有圆形安装孔，圆形安装孔与圆锥形空腔相通，圆锥形空腔内设有多个竖直放置的楔形夹块26，楔形夹块可以通过腔体侧壁开具的矩形孔27塞入腔体中，腔体内壁开有与楔形夹块相配的滑槽，楔形夹块位于滑槽内，楔形夹块与腔体外壁之间设有丝杆28。腔体外壁设有螺栓孔，丝杆的一端穿过螺栓孔，通过丝杆与螺栓孔的进给作用，使得丝杆下端和楔形夹块的上表面预紧加力，迫使楔形夹块沿滑槽下移，从而提高楔形夹块的夹持面与管材试样拉伸表面的正压力和夹紧力，实现管材试样的锁紧。在楔形夹块的外表面刻有标尺线，通过标尺线来衡量夹具夹持试样力度的大小，避免因夹持力多大或过小，过大使试样端面破裂，试验过程中拉豁管材，过小夹持力不够，拉伸过程中管材从夹具中脱落，导致测试失败。优选楔形夹块为三个，对应的丝杆为三根，楔形夹块的夹持面30为倒齿状结构，减小了楔形夹块与试样表面的接触面积，提高了夹持的正压力，解决了夹具夹紧力不足的问题。

两夹具的均材质为耐高温材质，优选钼镧合金或钨钼合金，使得在1200℃下夹具本身具有一定的硬性和抗拉强度，提高夹具的使用寿命。

一种使用上述设备的检测方法，步骤包括：

(1)将钼及钼合金棒材或管材按GB/T4338‐2006或GB/T228.2‐2015机加工成标准拉伸试样，采用高温颜料在试样表面标记标距并烘干标记，然后将标记好的棒材或管材拉伸试样装入相应的夹具中；其中，当对棒材试样进行检测时，采用上述的棒材专用夹具；当对管材试样进行检测时，采用上述的管材专用夹具，并在管材的两端均插入塞杆29，塞杆和管材试样间隙配合，大小为1‐5丝，高温颜料为石墨乳，夹具的夹持端涂覆有高温润滑剂，如二硫化钼乳或石墨乳，便于后续的拆卸和再次装配；

(2)打开高温炉，在拉伸试样的两端和中央分别插入热电偶，用来测试拉伸试样的各部位的温度，然后打开惰性气氛保护装置，使氩气吹扫干净炉内空气，并使炉内保持微正压，启动温度控制器，采用梯度升温方式给高温炉加热，当炉温显示500℃时，打开冷却水箱的供水开关，向上、下冷却连接头中通入冷却液，继续升温，当热电偶的温度均显示1200℃时，保温15min以上，启动万能试验机对试样进行拉伸，当试样出现屈服现象时，引伸计退出炉体，直到拉伸试样断裂，关闭万能试验机；拉伸试样屈服前万能试验机横梁的移动速率为2mm/min～4mm/min，屈服后移动速率为6mm/min～9mm/min；

(3)保存好拉伸测试数据和曲线，关闭温度控制器，高温炉开始降温，待炉内温度降至500℃时，关闭惰性气氛保护装置，待炉温降至室温，关闭冷却水箱的供水开关，打开高温炉炉门，取出拉伸试样，采用游标卡尺和千分尺分别测得标距断裂后的长度和断裂面的横截面面积，保存好测量数据，将试验后的拉伸试样封装储存以备待检。棒材拉伸试样的拆卸只需将断裂的拉伸试样从夹具内螺纹旋下即可，管材拉伸试样的拆卸首先需将均布丝杆旋松，丝杆底部端面脱离楔形夹块，待楔形夹块松动后，抽出管材拉伸试样，拔出塞杆即可。

实施例1：1200℃温度下钼合金棒材的高温拉伸性能测试

首先，在钼合金棒材标准试样表面刻划原始标距，用量具测量原始标距长度L和标准试样的横截面直径D，计算出原始截面面积S，然后在试样的螺纹区均匀涂覆石墨乳，将试样两端分别旋入棒材专用夹具的内螺纹区，外螺纹区也均匀涂覆石墨乳并和连接管的内螺纹区相连接，打开高温炉，转动旋转支架，保持棒材拉伸试样和棒材专用夹具处在高温炉体中央，再在棒材试样的两端和中央分别插入3支热电偶，用来控制棒材试样上、中及下部温度，再将由高温炉下部进入的氩气管道通过耐高温软线固定在专用夹具下部，关闭高温炉体并锁紧，引伸计沿滑动支架穿过高温炉体侧壁孔进入炉腔内部并顶在棒材拉伸试样的标距区域，完成高温拉伸试验平台的搭建；然后，开启氩气保护装置，使氩气吹扫干净高温炉体内部的空气，并使炉腔内保持微正压，再启动温度控制器，采用梯度升温方式给高温炉体加热，当炉温显示500℃时，开启冷却系统，给冷却连接头供给冷却液，继续升温，当和棒材试样相接触的3支热电偶的温度均显示1200℃时，保温15min以上，万能试验机横梁移动，开始试样的拉伸动作，当拉伸试样出现屈服现象时，引伸计沿滑动支架退出炉体，直到拉伸试样断裂，万能试验机横梁停止运动，完成钼及钼合金棒材的高温拉伸试验。试验参数的选择：试验温度：1200℃，保温时间：15min，屈服前万能试验机横梁的移动速率为2mm/min，屈服后为6mm/min，最后，按照标准公式计算钼及钼合金棒材试样的抗拉强度Rpm(MPa)、屈服强度Rp_0.2(MPa)断面收缩率Z(％)和断后延伸率A(％)。测试计算结果见表1。

表1 1200℃下钼合金棒材的拉伸测试结果

由表1可以看出，1200℃钼合金棒材拉伸测试的力学性能数据稳定、准确，所选用夹具结构和材质可靠。

实施例2：1200℃温度下钼合金管材的高温拉伸性能测试

钼合金管材高温拉伸性能测试中试验平台搭建、拉伸试验过程及测试数据计算可参考实施例1进行试验。测试计算结果见表2。

表2 1200℃下钼合金管材的拉伸测试结果

由表2可以看出，1200℃钼合金管材拉伸试验中，管材试样受力均匀，均未出现拉豁、开裂等异常，测试的力学性能数据稳定、准确，所选用夹具结构和材质可靠。

上述实施例只是为说明本发明的技术构思及特点，并不能以此限制本发明的保护范围，凡是根据本发明的实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。