一种多试样拉压蠕变试验装置的制作方法

本发明涉及金属材料蠕变时效行为检测技术，尤其是一种多试样拉压蠕变试验装置，也可以用于拉伸和压缩松弛时效试验。

背景技术：

随着航空航天事业的快速发展，具有结构完整度高、强度高以及密封性能好等诸多优点的大型整体壁板构件越来越多地在民用大飞机、军用飞机以及新一代运载火箭的重要结构中使用。蠕变时效成形是一种为制造高精度、高性能大型整体构件而发展起来的新型板材成形方法。大型构件蠕变时效高品质制造首要前提是通过单向拉伸或压缩试验准确检测出材料的蠕变时效变形和性能演变规律。目前拉伸或压缩试验一般在高温蠕变试验机上进行。蠕变试验机包括机架、载荷控制系统、应变测量系统以及温度控制系统等部分。

现有的拉伸或压缩蠕变试验操作过程大致包括如下过程：1、试样与夹具相连，把引伸装置固定在试样标距两端凸脊并接上光栅位移传感器，测量试验过程试样的应变；2、设置工艺参数，在控制电脑上设置具体的温度载荷路径；3、蠕变时效试验，蠕变机长期保持恒温恒载荷使试样蠕变时效成形成性。

但上述现有的拉伸或压缩蠕变试验存在如下缺点：1、由于蠕变时效特性基础试验需要系统地研究不同温度、应力和时间等工艺参数对材料蠕变变形和力学性能的影响规律，必须开展大量试验，而现有的蠕变试验机每次试验只能测试一个试样，因此每次只能对该单一试样提供某一种工艺条件(工艺条件可包括温度、应力、时间等参数)的试验，但要系统掌握材料的蠕变时效成形成性规律，则需要开展大量不同温度、应力、时间等工艺条件下的实验，因此现有的单一试样蠕变实验效率非常低。且目前蠕变机的额定载荷通常在50～100kn(千牛)之间或更大，而目前单个试样蠕变试验所需要的载荷最大一般不会超过8kn，只利用了蠕变试验机载荷行程范围前面的一小段，蠕变试验机的载荷行程没有得到充分利用，还有较大的利用空间。2、现有的蠕变机大多采用位移传感器测量试样高温变形，试样的装夹间隙以及外部环境等因素也很容易引起传感器读数发生改变，从而导致系统判断错误，降低试验测量精度，具体体现在：现有的蠕变机一般采用两套引伸杆分别固定在试样上下两端突脊，位移传感器通过测量两套引伸杆的相对变形测量试样变形，其中引伸杆部分处于高温箱内，位移传感器则在高温箱外面，即便位移传感器本身精度较高，引伸杆和试样由于材料热膨胀系数不同，得到的试样变形结果精度也不高，同时位移传感器具有高灵敏度且暴露在环境中，很容易受现场环境因素干扰，影响实验准确性，甚至实验失败。3、现有的蠕变机升温普遍采用电阻丝加热的形式，试样升温到目标温度所需要的时间较长，影响试验进度与效率。

中国专利201810011860.3公开了一种高通量蠕变测试装置载荷加载系统及压缩蠕变设备，包括驱动组件、连接在驱动组件上并用于连接多个测试样品的支撑平台和连接在支撑平台上方并可供与测试样品抵接的液压组件，驱动组件驱动支撑平台上下移动，液压组件包括封闭的液压缸和多个均连通在其液压缸内的液压活塞，每一液压活塞的直径均相同，且其液压活塞一端连接在所述液压缸内，另一端可供抵接在所述测试样品的顶端。虽然该方案中可同时对多个测试样品进行压缩蠕变试验，但由于其多个试样是在同一液压缸所驱动的多个液压活塞下加载，且其多个试样只能在相同的应力条件下进行测试，其仅仅只能实现多工位的同步测试，相对于单一试样的蠕变试验机，其仅仅是改变了单次试验的数量，这实际上不能真正达到各试样之间的相互独立，因此，现有技术中仍然需要一种可使多个试样之间相互在应力、时间、温度上均能达到独立，不相互影响或牵连的方案，来提高蠕变试验的效率与效果。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种多试样拉压蠕变试验装置，以解决背景技术中提出的问题。

一种多试样拉压蠕变试验装置，包括机架、高温箱、多试样固定装置、应变测量装置、加热装置，所述高温箱设置在机架上，所述多试样固定装置设置在高温箱内，多试样固定装置用于装夹试样并提供使试样发生拉压蠕变(拉伸蠕变或压缩蠕变)的应力，所述加热装置用于对试样加热或保温，所述应变测量装置用于对试样发生拉压蠕变的应变量进行实时测量。

所述多试样固定装置包括平行设置的支撑梁一与支撑梁二，支撑梁一上设有多个(多个指大于或等于2个)密封腔，每个密封腔对应一件试样，密封腔内设置有活塞，活塞将一个密封腔分隔成两个分腔体，所述活塞连接有拉压杆一，拉压杆一靠近支撑梁二的一端伸出密封腔外用于连接试样的一端，所述支撑梁二对应支撑梁一上每一个密封腔的位置连接设置有一根拉压杆二，拉压杆二用于连接试样的另一端，一个密封腔经由活塞分隔而成的两个分腔体分别通过管路连接到液压系统的两个工作油口，通过调整两个分腔体中的油压差，改变拉压杆一的移动趋势或方向而对试样进行拉伸或压缩蠕变试验。

所述支撑梁一上设有的密封腔(31)的个数为4～12个，优选5～8个。

优选的，各个密封腔所包括的各组分腔体连接到同一液压系统的工作油路上。

优选的，所述密封腔对应远离试样的一端设置有开口，开口通过密封螺塞进行封闭，在保证密封腔的密封的同时，便于活塞与拉压杆一的安装。

进一步的，所述拉压杆一用于连接试样的一端连接有绝缘连接环一，拉压杆二用于连接试样的一端连接有绝缘连接环二。

绝缘连接环一的一端与拉压杆一连接，绝缘连接环一的另一端连接有用于直接连接试样一端的试样固定杆一，绝缘连接环二的一端与拉压杆二连接，绝缘连接环二的另一端连接有用于直接连接试样另一端的试样固定杆二。

所述试样固定杆一与试样固定杆二均为导电体，试样固定杆一与拉压杆一之间以及试样固定杆二与拉压杆二之间均保持有绝缘间隙，试样固定杆一与试样固定杆二分别电性连接到加热装置的电源正负两极。

进一步的，所述拉压杆二连接支撑梁二的一端设置成t形结构，支撑梁二上设置有与拉压杆t形结构匹配的t形孔，所述t形孔两端均开口，拉压杆二用于连接试样的一端从t形孔的一端开口处伸出，t形孔的另一端开口处设置有螺帽，螺帽末端伸入t形孔内与拉压杆二相抵。

进一步的，所述多试样固定装置还包括拉应力传感器与压应力传感器，所述拉应力传感器的感应元件设置在拉压杆二与t形孔的孔肩之间，所述压应力传感器的感应元件设置在拉压杆二与螺帽之间。

进一步的，当所述试样为末端带外螺纹的棒状试样时，所述试样固定杆一与试样固定杆二用于连接试样的部位均设置有与试样末端外螺纹匹配的螺纹孔，当所述试样为末端带安装孔的板状试样时，所述试样固定杆一与试样固定杆二用于连接试样的部位均设置有供试样末端嵌入的凹槽，且试样固定杆一与试样固定杆二对应凹槽的位置设置有供安装销穿过的通孔，安装销穿过通孔与试样末端的安装孔而实现试样一端与固定杆一的连接及试样另一端与固定杆二的连接。

优选的，所述应变测量装置采用dic(digitalimagecorrelation)数字图像采集系统对试样的应变进行测量，应变测量装置包括安装架、光源、dic摄像机以及与dic摄像机连接的计算机，该计算机用于对dic摄像机采集的试样图像进行实时在线分析，并生成试样的应变结果，该计算机可以与蠕变试验机本身自带的pc控制机集成到一起，安装架固定在机架上且位于高温箱外部，所述dic摄像机与光源均设置在安装架上，dic摄像机的镜头及光源的照射方向均朝向准高温箱中的试样，所述高温箱对应dic摄像机的一侧设置为透明视窗。

优选的，所述透明视窗材质采用透明石英玻璃。

优选的，所述dic摄像机数量为两台，两台dic摄像机的镜头中心轴线之间保持有30°～120°的夹角，以便于从不同方向采集试样的应变图像，便于计算机根据试样不同位置的应变图像结合生成试样的三维应变过程。

进一步的，所述加热装置包括电源、热电偶与温控器，所述试样固定杆一与试样固定杆二上均设置有用于连接电源正极或负极的接线端子，所述热电偶的热电感应元件贴设在试样表面，电源与热电偶均由所述温控器电连接控制。

所述热电偶的感应元件优选贴设在试样背离dic摄像机镜头的一面。

所述加热装置的电源优选脉冲电源，脉冲电源频率为100～1000hz，优选200～500hz。

本发明提供了一种多试样拉压蠕变试验方法，使用上述多试样拉压蠕变试验装置进行试验，包括以下步骤：

1)将试样安装连接在拉压杆一与拉压杆二之间，具体的，将试样的一端通过绝缘连接环一及试样固定杆一与拉压杆一连接，将试样的另一端通过绝缘连接环二及试样固定杆二与拉压杆二连接。

2)连接并启动加热装置，使试样升温至目标温度后开始保温。

3)启动液压系统与应变测量装置，根据需要控制每一件试样所对应的两个分腔体中的油压差，对试样进行拉伸或压缩蠕变试验，同时应变测量装置实时测试样的应变量；所述两个分腔体中的油压及油液流动方向与拉压蠕变试验的对应关系设置为：试样需要受拉应力时，靠近试样的分腔体中的油压大于远离试样的分腔体中的油压，靠近试样的分腔体进油，远离试样的分腔体回油；试样需要受压应力时，靠近试样的分腔体中的油压小于远离试样的分腔体中的油压，远离试样的分腔体进油，靠近试样的分腔体回油。

优选的，所述步骤3中的应变测量装置采用dic(digitalimagecorrelation)图像采集系统，步骤1开始之前，先在试样表面喷涂散斑，以便于dic摄像头进行图像采集。

优选的，所述支撑梁一与支撑梁二为水平放置的直杆状，支撑梁一上的密封腔呈对称式分布，当同一时刻所进行的多个试样受蠕变应力方向不全相同时，支撑梁一与支撑梁二之间的试样受力状态设置为呈拉压间隔式分布，即任意相邻两试样所受蠕变应力方向相反以尽量使支撑梁一与支撑梁二保持平衡。

本发明至少具有以下有益效果：

本发明提出了一种高效高精度的多试样拉压蠕变试验装置和方法。通过对每一件试样设置一个密封腔，每个密封腔包括有两个分腔体，通过改变两个分腔体中的油压差即可对其对应的试样提供拉伸应力或压缩应力，使得同一时刻下，各件试样的所受的应力大小与受力时间可保持相对独立，同一时刻下，部分试样可为受拉，部分试样可为受压，受力时间方面，部分试样受力时间可长，另一部分试样受力时间可短，能够同时实现多个试样在同一台蠕变机下进行不同工艺条件的实验，有效利用蠕变试验机的负载能力的同时，还能实现试样的载荷与时间的独立控制，大幅的提高了蠕变试验的效率与精度，且灵活性强，尤其是对于需要做单因素试验或对比试验的情况，本发明的优越性更加突出。

本发明还引入带脉冲电源的加热装置，每个试样的温度通过电源为脉冲电流的加热装置进行单独控制，各试样的温度相互不影响，但整体又集中在高温箱中。利用脉冲电流的焦耳热效应与非热效应，配合热电偶对试样的温度进行反馈，可根据试验需要对试样实现快速加热、保温与降温，脉冲电源作为一种瞬间高能外场，其产生的高能焦耳热效应和电迁移作用使试样短时间内加热到目标温度，效率是常规加热方法的5～8倍；而且电脉冲能场具有高度聚集特性，通过合理布置电脉冲加热系统，可以准确实现高温箱内多种试样温度共存，能够实现高温箱内不同位置的各试样的独立精确控温，而且各试样的温度之间又相互独立不影响。

本发明利用非接触式的dic数字图像采集系统对试样的高温变形进行测量，能够对试样应变进行高精度测量，避免了传统间接测量法易于受材料膨胀系数不同和外界因素干扰导致的测量精度低的问题，且由于dic应变测量系统是非接触性的，测量数据更平滑准确，重复性好(即重复性试验测量得到的数据一致程度高)。

为了更好的测量试样的应变，本发明中设置两台dic摄像机，对试样形成双目立体视觉效果，通过追踪物体表面的散斑图像，实现变形过程中试样表面的三维坐标、位移和应变的动态测量，相对于现有的采用位移传感器的单轴式测量，更精准直观。

通过控制应变不变，本发明的高精度蠕变试验装置也可以用于拉伸与压缩松弛时效试验。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的多试样拉压蠕变试验装置整体外部结构视图(高温箱内部元件未示出)；

图2是本发明优选实施例的去除高温箱和应变测量装置后的多试样拉压蠕变试验装置主视图；

图3是本发明优选实施例的多试样固定装置立体结构视图；

图4是本发明优选实施例的带内部结构的多试样固定装置立体结构视图。

图中：1-机架，11-立柱一，12-立柱二，2-高温箱，21-透明视窗，3-支撑梁一，31-密封腔，310-分腔体a，311-分腔体b，312-管路a，313-管路b，32-活塞，33-拉压杆一，34-密封螺塞，35-绝缘连接环一，36-试样固定杆一，4-支撑梁二，41-拉压杆二，42-绝缘连接环二，43-试样固定杆二，44-螺帽，45-应力感应元件a，46-应力感应元件b，5-试样，6-绝缘间隙，7-接线端子，8-热电感应元件，91-安装架，92-光源，93-dic摄像机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参见图1～图4的一种多试样拉压蠕变试验装置，包括机架1、高温箱2、多试样固定装置、应变测量装置及加热装置，所述高温箱设置在机架上，所述多试样固定装置设置在高温箱内，多试样固定装置用于装夹试样并提供使试样发生拉压蠕变(拉伸蠕变或压缩蠕变)的应力，所述加热装置用于对试样加热或保温，所述应变测量装置用于对试样发生拉压蠕变的应变量进行实时测量。

所述多试样固定装置包括平行设置的直条状的支撑梁一3与支撑梁二4，支撑梁一与支撑梁二分别通过贯穿高温箱箱体的立柱一11与立柱二12与机架固定连接，支撑梁一上设有六个等距对称分布的密封腔31，每个密封腔对应一件试样5，密封腔内设置有活塞32，活塞将一个密封腔分隔成两个分腔体(分别定义为分腔体a310与分腔体b311)，所述活塞连接有拉压杆一33，拉压杆一靠近支撑梁二的一端伸出密封腔外用于连接试样5的一端，所述支撑梁二对应支撑梁一上每一个密封腔的位置连接设置有一根拉压杆二41，拉压杆二用于连接试样的另一端，一个密封腔经由活塞分隔而成的分腔体a与分腔体b分别通过管路a312与管路b313连接到液压系统的两个工作油口。

各个密封腔所包括的各组分腔体(一组分腔体指一个密封腔所包括的分腔体a310与分腔体b311)可连接到同一液压系统的工作油路上，每一个密封腔所包括的两个分腔体之间的压差可通过一组液压控制阀来调节与控制。

参见图4，所述密封腔31对应远离试样5的一端设置有开口，开口通过密封螺塞34进行封闭，在保证密封腔的密封的同时，便于活塞32与拉压杆一33的安装。

参见图4，所述拉压杆一用于连接试样的一端连接有圆筒状结构的绝缘连接环一35，拉压杆二用于连接试样的一端连接有圆筒状结构的绝缘连接环二42。

绝缘连接环一的两端均设有内螺纹，绝缘连接环一的一端内螺纹与拉压杆一末端的外螺纹旋合连接，绝缘连接环一的另一端内螺纹与试样固定杆一36末端的外螺纹旋合连接；绝缘连接环二42的两端均设有内螺纹，绝缘连接环二的一端内螺纹与拉压杆二41末端的外螺纹旋合连接，绝缘连接环二的另一端内螺纹与试样固定杆二43末端的外螺纹旋合连接。参见图4，试样固定杆一与拉压杆一之间以及试样固定杆二与拉压杆二之间均保持有绝缘间隙6，以使电流流经试样固定杆及试样后形成回路，防止电流流入设备。

试样固定杆一与试样固定杆二均为导电体，所述试样固定杆一与试样固定杆二上均设置有用于连接电源正极或负极的接线端子7，试样固定杆一与试样固定杆二通过接线端子7分别电性连接到加热装置(图中未示出)的电源正负两极。

所述加热装置包括电源、热电偶与温控器，所述热电偶的热电感应元件8贴设在试样表面，感应元件优选贴设在试样背离dic摄像机镜头的一面，并位于试样长度方向的中间位置，电源与热电偶均由所述温控器电连接控制，本实施例中，加热装置的电源选用加热速度快的脉冲电源。

参见图4，所述拉压杆二连接支撑梁二的一端设置成t形结构，支撑梁二上设置有与拉压杆t形结构匹配的t形孔，所述t形孔两端均开口，拉压杆二用于连接试样的一端从t形孔的一端开口处伸出，t形孔的另一端开口处设置有螺帽44，螺帽末端伸入t形孔内与拉压杆二41相抵。

本实施例中，多试样固定装置还包括拉应力传感器与压应力传感器，所述拉应力传感器的应力感应元件a45设置在拉压杆二与t形孔的孔肩之间，所述压应力传感器的应力感应元件b46设置在拉压杆二与螺帽之间，应当指出的是，本发明中所述拉应力传感器与压应力传感器中的“拉”与“压”均为相对试样而言，“拉”与“压”分别指试样受拉应力与受压应力。在进行压缩蠕变试验时，即试样受压应力时，本发明中所述压应力传感器的应力感应元件b46是受压的，拉应力传感器的应力感应元件a45不工作；在进行拉伸蠕变试验时，即试样受拉应力时，本发明中所述拉应力传感器的应力感应元件a45是受压的，压应力传感器的应力感应元件b46不工作。

拉应力传感器的应力感应元件a45与压应力传感器的应力感应元件b46分别用于在试样受拉应力与受压应力时对试样所受到的应力进行实时测量，并将试样受到的应力值反馈给液压系统的控制终端，以便于控制终端及时对分腔体a与分腔体b的压力差进行调整，形成一个闭环控制系统。

本实施例中，试样为末端带外螺纹的棒状试样，所述试样固定杆一与试样固定杆二用于连接试样的部位均设置有与试样末端外螺纹匹配的螺纹孔。

参见图1，本实施例的应变测量装置采用dic(digitalimagecorrelation)数字图像采集系统对试样的应变进行测量，应变测量装置包括安装架91、光源92、dic摄像机93以及与dic摄像机连接的计算机(图中未示出)，安装架固定在机架上且位于高温箱外部，所述dic摄像机与光源均设置在安装架上，dic摄像机的镜头及光源的照射方向均朝向高温箱中的试样，所述高温箱对应dic摄像机的一侧设置为透明视窗21，透明视窗材质采用透明石英玻璃。

本实施例中，dic摄像机数量为两台，两台dic摄像机的镜头中心轴线之间保持有45°的夹角，以便于从不同方向采集试样的应变图像，便于计算机根据试样不同位置的应变图像结合生成试样的三维应变过程。

一种多试样拉压蠕变试验方法，使用上述多试样拉压蠕变试验装置进行试验，包括以下步骤：

1)将试样安装连接在拉压杆一与拉压杆二之间，具体的，将试样的一端通过绝缘连接环一及试样固定杆一与拉压杆一连接，将试样的另一端通过绝缘连接环二及试样固定杆二与拉压杆二连接。

2)连接并启动加热装置，使试样升温至目标温度后开始保温。

3)启动液压系统与应变测量装置，根据需要控制每一件试样所对应的两个分腔体中的油压差，对试样进行拉伸或压缩蠕变试验，同时应变测量装置实时测量试样的应变量。所述两个分腔体中的油压及油液流动方向与拉压蠕变试验的对应关系设置为：试样需要受拉应力时，靠近试样的分腔体(即分腔体a)中的油压大于远离试样的分腔体(即分腔体b)中的油压，靠近试样的分腔体进油，远离试样的分腔体回油；试样需要受压应力时，靠近试样的分腔体中的油压小于远离试样的分腔体中的油压，远离试样的分腔体进油，靠近试样的分腔体回油。

本实施例中，所述步骤3中的应变测量装置采用dic(digitalimagecorrelation)图像采集系统，步骤1开始之前，先用亚光白漆在试样表面喷涂上散斑，以便于dic摄像头进行图像采集。

本实施例中，所述支撑梁一与支撑梁二为水平放置的直杆状，支撑梁一上的密封腔呈对称式分布，当同一时刻所进行的多个试样受蠕变应力方向不全相同时，支撑梁一与支撑梁二之间的试样受力状态尽量设置为呈拉压间隔式分布，即任意相邻两试样所受蠕变应力方向相反，以尽量使支撑梁一与支撑梁二保持受力平衡。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。