一种四轴慢应变速率拉伸的辐照促进应力腐蚀试验机的制作方法

本发明属于应力腐蚀实验领域，涉及高温高压水环境下慢应变速率拉伸应力腐蚀试验机，特别是一种带有四轴拉伸装置的辐照促进应力腐蚀试验机，用于研究辐照后试样在高温高压水环境下的应力腐蚀敏感性，以评价材料在高温高压水环境下的服役性能。

背景技术：

核电结构材料及其部件在高温高压水、辐照等苛刻环境中长期服役，其服役的可靠性和稳定性是影响核电站运行安全性和经济性的重要因素。奥氏体不锈钢等堆芯结构材料长期在强烈中子辐照与高温高压水腐蚀环境中服役，在辐照、腐蚀与应力的交互作用下会发生辐照促进应力腐蚀开裂(iascc)。欧、美、日等国家，在役压水堆堆芯围板连接用不锈钢制螺栓与控制棒驱动机构导向管镍基x-750合金制支撑销钉时，已发生多起iascc失效事件。iascc裂纹在实际服役环境下的萌生时间一般较长，在实验室条件下通常需要采用加速实验，对试样施加一定的拉应力/应变以促进裂纹的萌生。

常用实验方法是慢应变速率拉伸实验，此方法可以高效地对比不同材料或同种材料在不同环境、不同辐照条件下的iascc敏感性。辐照试样不同于传统应力腐蚀试样，辐照试样一般多为标距段为方形的小型非标试样，由于辐照、试样特殊以及设备欠缺等原因。目前，国内尚未系统开展针对国产材料的iascc研究，因此迫切需要研发一套用于研究辐照促进应力腐蚀的实验设备。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种能在高温高压水环境下研究辐照材料应力腐蚀敏感性的试验机，解决现有技术中存在的辐照促进应力腐蚀实验设备研发欠缺，传统单轴拉伸实验效率低下等问题。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种四轴慢应变速率拉伸的辐照促进应力腐蚀试验机，该试验机包括高温高压循环水系统、高压釜、四轴拉伸装置、数据采集系统四部分，其中：高温高压循环水系统与高压釜连通，高压釜倒置固定在内力消除支柱上；四轴拉伸装置设有釜内夹持装置和自平衡釜外拉伸装置，釜内夹持装置设置于高压釜内，辐照试样两端通过试样夹具与自平衡釜外拉伸装置相连，数据采集系统与自平衡釜外拉伸装置上的力传感器连接，数据采集系统将力传感器产生的力信号通过信号放大器输出至数据采集卡，数据采集卡的输出端连接计算机。

所述的四轴慢应变速率拉伸的辐照促进应力腐蚀试验机，高压釜为釜体和釜盖上下设置结构，釜盖底部通过连接件与伺服机连接，釜盖中设置进水口和出水口，高温高压循环水系统通过进水口和出水口与釜体连通，伺服机对高压釜内的辐照试样进行拉伸实验；高温高压循环水系统为高压釜内提供实验所需高温高压水，通过高温高压循环水系统精确控制回路中的水化学参数，通过自平衡釜外拉伸装置对高压釜内的辐照试样进行慢应变速率拉伸，通过数据采集系统自动采集记录实验数据。

所述的四轴慢应变速率拉伸的辐照促进应力腐蚀试验机，整个试验机固定于底板上，底板通过地脚螺栓紧固在地面上，形成可整体移动的一体化结构；底板上均布导向支柱，导向支柱与底板通过锁扣固定；导向支柱上连有水平设置的固定板，自下而上分别是伺服机固定板、釜盖固定板、导向滑轮固定板，固定板与导向支柱间用锁扣固定；釜体顶部通过起吊钢索连接，依次穿过导向滑轮固定板中心孔、导向滑轮和升降机的转轮，通过升降机来升降高压釜的釜体；釜盖通过法兰固定在釜盖固定板上，并用螺栓紧固，釜盖上连接热交换器的进水口和出水口，釜盖内侧的出水口连接不锈钢管伸入釜体底部，伺服机通过螺栓固定在伺服机固定板上；在伺服机固定板和釜盖固定板间连有内力消除支柱，内力消除支柱两端都用螺纹连接，使釜盖和伺服机连成一个整体；所述起吊滑轮固定板中间设有用于通过起吊钢索的圆孔，在起吊滑轮固定板上平行固定滑轮，使穿过圆孔的起吊钢索变向连至升降机。

所述的四轴慢应变速率拉伸的辐照促进应力腐蚀试验机，高压釜釜体的顶部设置起吊螺栓孔，釜体的法兰设置釜体主螺栓孔，高压釜釜盖在竖向贯通设置釜盖固定螺孔、釜盖内主螺栓孔、釜盖外主螺栓孔、拉伸轴孔、热电偶孔，高压釜釜盖在横向设置进出水口，进水口和出水口的一端分别位于釜盖的侧面，进水口和出水口的另一端分别位于釜盖的上表面；

起吊螺栓孔安装起吊螺栓，相对应的釜体主螺栓孔与釜盖外主螺栓孔之间通过螺栓连接，使釜体和釜盖连接固定；釜盖固定螺孔与内力消除支柱30连接固定釜盖，拉伸轴孔穿设拉伸轴，热电偶孔穿设热电偶。

所述的四轴慢应变速率拉伸的辐照促进应力腐蚀试验机，釜内夹持装置包括：拉伸试样、夹具一部、夹具二部、夹具三部、夹具四部、釜内支撑板，拉伸试样的两端分别与试样夹具二部和夹具三部通过螺纹相连，夹具一部与夹具二部、夹具三部与夹具四部通过连接销连接，连接销与试样夹具通过陶瓷管绝缘，夹具四部的上端与釜内支撑板相连，夹具一部的下端与拉伸轴相连，夹具一部与夹具二部、夹具三部与夹具四部通过陶瓷片绝缘。

所述的四轴慢应变速率拉伸的辐照促进应力腐蚀试验机，自平衡釜外拉伸装置包括：拉伸轴、力传感器、力传感器连接杆、万向节、伺服机传力板，拉伸轴的一端通过釜盖上均布的拉伸轴孔直接伸入到釜体内与拉伸试样的试样夹具相连，拉伸轴的另一端通过连接件与伺服机连接；

拉伸轴的下端向下依次连接力传感器连接杆、力传感器、万向节、伺服机传力板和伺服机，拉伸轴的外侧自上而下依次设置水冷装置、大轴套、小轴套一、小轴套二，大轴套安装在釜盖上均布的拉伸孔上，大轴套与釜盖通过螺纹连接，大轴套与釜盖连接处的端面密封，大轴套上通有水冷装置，大轴套由外置循环水冷却；两个小轴套相对设置，小轴套一、小轴套二之间通过连接杆连接，并保持位置相对固定，小轴套一、小轴套二之间通过高温高压水管路连通，使高温高压水在小轴套一、小轴套二内保持联通，保持压力平衡，拉伸轴与大轴套、小轴套一、小轴套二之间通过高弹性氟橡胶o型圈密封。

所述的四轴慢应变速率拉伸的辐照促进应力腐蚀试验机，位于小轴套一、小轴套二之间的拉伸轴外侧水平安装传力板一，传力板一的下方与传力板二相对设置，传力板一与传力板二之间通过连接杆连接，通过连接杆连接到力传感器连接杆，实现加载的传输，传力板二通过力传感器连接杆、力传感器、万向节与伺服机传力板连接，伺服机传力板安装于伺服机的伺服机连接杆上。

所述的四轴慢应变速率拉伸的辐照促进应力腐蚀试验机，伺服机向下作用，带动拉伸轴位移，从而带动拉伸试样；外加载荷依次通过伺服机连接杆、伺服机传力板、万向节、力传感器、力传感器连接杆、拉伸轴、试样夹具一部、夹具二部传递到拉伸试样上，同时保证夹具一部、夹具二部、夹具四部、夹具三部、拉伸试样、拉伸轴、力传感器、力传感器连接杆、万向节及伺服机传力板与万向节连接孔在同一垂直线上，伺服机传力板的中心孔与伺服机连接杆在同一垂直线上。

所述的四轴慢应变速率拉伸的辐照促进应力腐蚀试验机，该试验机的具体操作步骤如下：

(1)向高温高压循环水系统注入去离子水，为实验提供所需循环水；

(2)装配拉伸试样；首先，启动升降机，带动釜体上移，分开釜体和釜盖；然后，将夹具一部紧固在拉伸轴上，夹具四部悬挂于釜内支撑板上，而后将夹具二部固定在拉伸轴上的夹具一部上，操作伺服机使拉伸轴向上移动，当拉伸试样上端接触到夹具四部后，固定夹具四部和连有拉伸试样的夹具三部；最后，用扳手紧固夹具四部和釜内支撑板，使拉伸轴上具有相同的预紧力；

(3)合釜；装完拉伸试样后，操作升降机，放下釜体，使釜体和釜盖充分结合，然后拧紧釜盖主螺栓，使高压釜完全密封；

(4)运行循环水；使回路中的水充满釜体，调节回路流量，通过离子交换树脂除去回路中的杂质，直至电阻率满足实验要求；而后关闭除杂，加入实验所需溶液；然后将回路压力升至实验所需压力；最后回路升温至实验设定温度；

(5)稳定阶段；待温度升至实验设定温度，稳定48到72小时；

(6)拉伸实验；打开数据采集系统，采集记录实验数据；打开伺服机控制面板，设定拉伸试验参数，开始加载；

(7)停止实验；当拉伸实验到达设定的条件后，停止伺服机，保存实验数据，然后关闭预热器和高压釜加温开关，待回路温度降至室温，实验结束。

本发明的优点及有益效果：

1、本发明可以在模拟核电的高温高压水环境进行辐照非标小试样的慢应变速率(10^-8～10^-6/s)拉伸实验，因此可以评价材料的辐照促进应力腐蚀敏感性；

2、本发明采用四轴慢应变速率拉伸，相比传统单轴加载拉伸实验，极大地提高了实验效率；

3、本发明实现计算机软件自动采集记录数据，界面清晰，操作方便；

4、本发明成本低廉，操作简单，运行可靠。

附图说明

图1为本发明整个装置结构图。图中，2-釜体；12-釜盖；28-伺服机；29-釜内夹持装置；30-内力消除支柱；31-自平衡釜外拉伸装置；37-伺服机固定板；38-釜盖固定板；39-底板；40-起吊滑轮固定板；41-起吊钢索；42-滑轮；43-升降机；44-导向支柱。

图2-图3为高压釜釜体结构图。其中，图2为主视图；图3为俯视图。图中，2-釜体；10-釜体主螺栓孔；32-起吊螺栓孔。

图4-图5为高压釜釜盖结构图。其中，图4为仰视图；图5为图4中k-k剖视图。图中，12-釜盖；13-釜盖外主螺栓孔；14-拉伸轴孔；33-釜盖固定螺孔；34-釜盖内主螺栓孔；35-进出水口；36-热电偶孔。

图6为四轴拉伸装置详细图。图中，1-起吊螺栓；2-釜体；3-釜内支撑板；4-夹具四部；5-连接销；6-夹具三部；7-拉伸试样；8-夹具二部；9-夹具一部；10-釜体主螺栓孔；11-拉伸轴；12-釜盖；13-釜盖外主螺栓孔；14-拉伸轴孔；15-水冷装置；16-小轴套一；17-连接杆；18-传力板一；19-连接杆；20-管路；21-小轴套二；22-传力板二；23-力传感器连接杆；24-力传感器；25-万向节；26-伺服机传力板；27-伺服机连接杆；28-伺服机；45-大轴套。

图7为辐照剂量为1.5dpa和5dpa国产核级304不锈钢在320℃、13mpa、2.6ppm溶解氢环境中测试后试样的表面形貌。其中，应变速率为3×10^-7/s，应变量为1％和3％。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种能在高温高压循环水环境下测试辐照后材料的应力腐蚀敏感性试验机，该试验机主要由高温高压循环水系统、高压釜、四轴拉伸装置(釜内夹持装置29和自平衡釜外拉伸装置31)、数据采集系统四部分组成，其中：高温高压循环水系统与高压釜连通，高压釜倒置固定在四根圆形内力消除支柱30上，釜内夹持装置29设置于高压釜内，辐照试样两端通过试样夹具与自平衡釜外拉伸装置31相连，数据采集系统与自平衡釜外拉伸装置31上的力传感器24连接，数据采集系统将力传感器产生的力信号通过信号放大器输出至数据采集卡，数据采集卡的输出端连接计算机，实验数据通过控制软件记录储存在计算机里。高压釜为釜体2和釜盖12上下设置结构，釜盖12底部通过连接件与伺服机28连接，釜盖12中设置进水口和出水口，高温高压循环水系统通过进水口和出水口与釜体2连通。伺服机自带面板操作，可以按常规方式设置控制模式：载荷、位移等，从而对高压釜内的辐照试样进行拉伸实验。高温高压循环水系统为高压釜内提供实验所需高温高压水，通过高温高压循环水系统可精确控制回路中的溶解氧(do)、溶解氢(dh)、电导率等水化学参数，通过自平衡釜外拉伸装置31对高压釜内的辐照试样进行慢应变速率拉伸，通过数据采集系统自动采集记录实验数据。

高压釜为316不锈钢制高压釜，体积为3l，设计温度和压力(400℃、24mpa)。为了实验过程中方便加载，高压釜为倒置状，即釜盖12在下，釜体2在上。整个装置固定一块大的底板39上，而底板39通过地脚螺栓紧固在地面上，整个试验机一体化，可整体移动。底板39上均布四根导向支柱44，导向支柱44与底板39通过锁扣固定。四根导向支柱44上连有三块水平设置的固定板，自下而上分别是伺服机固定板37、釜盖固定板38、导向滑轮固定板40，固定板与导向支柱44间同样用锁扣固定，既能固定也能上下调节位置。釜体2顶部通过起吊钢索41连接，依次穿过导向滑轮固定板40中心孔、导向滑轮42和升降机43转轮，升降机43用来升降高压釜。釜盖12通过法兰固定在釜盖固定板38上，并用螺栓紧固，釜盖12上连接热交换器的进水口和出水口，釜盖12内侧的出水口连接一根不锈钢管，伸入釜体2底部。伺服机28同样用螺栓固定在伺服机固定板37上。在伺服机固定板37和釜盖固定板38间连有四根内力消除支柱30，内力消除支柱30两端都用螺纹连接，使釜盖12和伺服机28连成一个整体，这样拉伸时加载力就直接通过四根内力消除支柱30作用在地面上，消除内力的影响。所述起吊滑轮固定板40中间设有圆孔，用于通过起吊钢索41，在起吊滑轮固定板40上平行固定两个滑轮42，使穿过圆孔的起吊钢索41变向连至升降机43。

如图2-图6所示，在高压釜的釜体2底部设有圆形法兰，用于安放釜盖密封圈，釜体2的法兰设置八个釜体主螺栓孔10，高压釜釜体2的顶部设置三个起吊螺栓孔32；高压釜釜盖12在竖向贯通设置四个釜盖固定螺孔33、四个釜盖内主螺栓孔34、八个釜盖外主螺栓孔13、四个拉伸轴孔14、热电偶孔36，高压釜釜盖12在横向设置进出水口35(进水口和出水口呈相对180度)，进水口和出水口的一端分别位于釜盖12的侧面，进水口和出水口的另一端分别位于釜盖12的上表面。

起吊螺栓孔32安装起吊螺栓1，用于连接钢索升降釜体2。相对应的釜体主螺栓孔10与釜盖外主螺栓孔13之间通过螺栓连接，使釜体2和釜盖12连接固定和密封。釜盖固定螺孔33位于釜盖12底面靠边处，釜盖固定螺孔33为对称螺纹孔，呈矩形分布，用于与内力消除支柱30连接固定釜盖12。拉伸轴孔14均布在与釜盖12中心同一圆上，靠近釜体2正面的一端为通孔，用于通过拉伸轴11，靠近釜盖12底面为螺纹孔，用于连接大轴套45。热电偶孔36位于釜盖12中心，用于穿设热电偶。另外，釜盖内主螺栓孔34为螺纹孔，均布在与釜盖12上的拉伸轴孔14同一圆上，用于固定高压釜内的支撑杆。

如图1、图6所示，四轴拉伸装置包括釜内夹持装置29和自平衡釜外拉伸装置31，其中：

釜内夹持装置29包括：拉伸试样7、试样夹具(夹具一部9、夹具二部8、夹具三部6、夹具四部4)、釜内支撑板3，拉伸试样7的两端分别与试样夹具二部8和夹具三部6通过螺纹相连，夹具一部9与夹具二部8、夹具三部6与夹具四部4都通过连接销5连接，连接销5与试样夹具通过陶瓷管绝缘，夹具四部4的上端与釜内支撑板3相连，夹具一部9的下端与拉伸轴11相连，夹具一部9与夹具二部8、夹具三部6与夹具四部4通过陶瓷片绝缘。夹具三部6、夹具四部4的材质与拉伸试样的材质相同，此种设计可有效防止拉伸试样发生电偶腐蚀。

自平衡釜外拉伸装置31包括：拉伸轴11、力传感器24、力传感器连接杆23、万向节25、伺服机传力板26，拉伸轴11的一端通过釜盖12上均布的四个拉伸轴孔14(轴套密封孔)直接伸入到釜体2内与拉伸试样7的试样夹具相连，拉伸轴11的另一端通过连接件与伺服机28连接。

拉伸轴11的下端向下依次连接力传感器连接杆23、力传感器24、万向节25、伺服机传力板26和伺服机28，拉伸轴11的外侧自上而下依次设置水冷装置15、大轴套45、小轴套一16、小轴套二21，大轴套45安装在釜盖上均布的四个拉伸孔14上，大轴套45与釜盖12通过螺纹连接，大轴套45与釜盖12连接处的端面密封，大轴套45上通有水冷装置15，大轴套45由外置循环水冷却；两个小轴套相对设置，小轴套一16、小轴套二21之间通过三根连接杆17连接，并保持位置相对固定，小轴套一16、小轴套二21之间通过高压水管路20连通，使高压水在小轴套一16、小轴套二21内保持联通，保持压力平衡，拉伸轴11在加载过程中不受高压釜内的压力影响，使实验更加精确，拉伸轴11与大轴套45、小轴套一16、小轴套二21之间通过高弹性氟橡胶o型圈密封，保证拉伸轴在加载时保持良好的密封性能。

在小轴套一16、小轴套二21间的拉伸轴11上设有螺纹，螺纹处连接传力板一18，传力板一18的两侧用螺母固定，并可以通过旋转传力板一18上的螺纹改变传力板一18在拉伸轴11上的位置，从而调节可拉伸的位移。位于小轴套一16、小轴套二21之间的拉伸轴11外侧水平安装传力板一18，传力板一18的下方与传力板二22相对设置，传力板一18与传力板二22之间通过连接杆19连接，通过连接杆19连接到力传感器连接杆23，实现加载的传输。

传力板二22中间设有通孔，用于连接力传感器连接杆23，传力板二22的两侧用螺母固定，保证传力板二22水平；传力板二22设有四个均布通孔，用于连接万向节25，万向节25通过螺母紧固在传力板二22上，保证四轴位移移动的一致性；传力板二22通过力传感器连接杆23、力传感器24、万向节25与伺服机传力板26连接，伺服机传力板26中间设有一通孔，用于连接伺服机28，伺服机传力板26安装于伺服机28的伺服机连接杆27上。

伺服机28向下作用，带动拉伸轴11位移，从而带动拉伸试样7。外加载荷依次通过伺服机连接杆27、伺服机传力板26、万向节25、力传感器24、力传感器连接杆23、拉伸轴11、试样夹具一部9、夹具二部8传递到拉伸试样7上，同时保证夹具(夹具一部9、夹具二部8、夹具四部4、夹具三部6)、拉伸试样7、拉伸轴11、力传感器24、力传感器连接杆23、万向节25及伺服机传力板26与万向节25连接孔在同一垂直线上，伺服机传力板26的中心孔与伺服机连接杆27在同一垂直线上；所述自平衡釜外拉伸装置31还包括一消除加载内力装置，用于消除加载时作用的内力，消除加载内力装置由伺服机固定板37通过四根内力消除支柱30与釜盖固定板38相连组成，伺服机固定板37与釜盖固定板38相对水平设置(图1)。

如图1-图6所示，本发明用于研究辐照试样在高温高压水环境下的应力腐蚀敏感性，具体操作步骤如下：

1、向高温高压循环水系统注入去离子水，为实验提供所需循环水。

2、装配拉伸试样。首先，启动升降机43，带动釜体2上移，分开釜体2和釜盖12。然后，将夹具一部9紧固在拉伸轴11上，夹具四部4悬挂于釜内支撑板3上(留有间隙，不紧固)，而后将夹具二部8固定在拉伸轴11上的夹具一部9上，操作伺服机28使拉伸轴11向上移动，当拉伸试样上端接触到夹具四部4后，固定夹具四部4和连有拉伸试样7的夹具三部6；最后，用小力矩扳手紧固夹具四部4和釜内支撑板3，使四根拉伸轴11上具有相同的预紧力。

3、合釜。装完四个拉伸试样7后，操作升降机43，放下釜体2，使釜体2和釜盖12充分结合，然后拧紧釜盖主螺栓，使高压釜完全密封。

4、运行循环水。使回路中的水充满釜体2，调节回路流量，通过离子交换树脂除去回路中的杂质，直至电阻率满足实验要求；而后关闭除杂，加入实验所需溶液；然后将回路压力升至实验所需压力；最后回路升温至实验设定温度。

5、稳定阶段。待温度升至实验设定温度，稳定48到72小时。

6、拉伸实验。打开数据采集系统，采集记录实验数据。打开伺服机28控制面板，设定拉伸试验参数(控制模式、拉伸速率、作用行程、停机条件等)，开始加载。

7、停止实验。当拉伸实验到达设定的条件后，停止伺服机，保存实验数据，然后关闭预热器和高压釜加温开关，待回路温度降至室温，实验结束。

下面，通过实施例对本发明进一步详细说明。

实施例1

本实施例中，辐照剂量为1.5dpa和5dpa的国产核级304不锈钢在320℃、13mpa、2.6ppm溶解氢环境中的慢应变速率拉伸实验，应变速率为3×10^-7/s，应变量为1％和3％。

实验材料为国产核级304不锈钢，辐照的拉伸试样，标距尺寸为21mm×2mm×2mm。试样辐照在美国密歇根大学离子束表面改性和分析实验室完成，辐照采用能量为2mev，直径为3mm的质子束模拟中子辐照，辐照损伤速率为6×10^-6dpa/s，辐照温度为360℃。把辐照后的拉伸试样固定在夹具上，拧紧高压釜，运行水循环，控制实验所需水化学条件，设定实验温度320℃。当釜内温度达到设定温度后，稳定72小时，然后运行数据采集系统，打开伺服机控制面板，设定控制模式为位移，应变速率为3×10^-7/s，停止边界条件为1％和3％应变幅值。待冷却至室温，取出试样，观察表面形貌，以表面裂纹的多少和长度比较材料辐照促进应力腐蚀敏感性。如图7所示，从试样表面形貌可以看到，5dpa试样表面裂纹明显多于1.5dpa试样，说明辐照促进了材料的应力腐蚀敏感性。

实施例结果表明，本发明能够实现四轴同时加载，可同时进行四个试样的辐照促进应力腐蚀实验，极大地提高实验效率。