用于金属材料蠕变性能测试的密封加载系统和测试装置

本发明涉及试验装置，尤其涉及一种用于金属材料蠕变性能测试的密封加载系统和测试装置。

背景技术：

1、高温氢蚀是能源和石化行业关键的降解机制之一。金属材料长时间处于高温氢氛围环境下，会产生氢蚀、氢鼓包现象，随着时间的推移，这些微裂纹逐渐长大，从而导致金属材料力学性能下降、塑性下降、开裂或损伤的现象。这种破裂没有任何先兆，是非常危险的。

2、随着工作温度的升高，现代工业中的高温设备和高温机构发生蠕变失效的可能性以及由于蠕变失效引发事故的严重性也都有所增加。

3、高温蠕变试验用于测定金属材料在长时间的恒温、恒应力作用下发生的缓慢的塑性变形。通过高温蠕变试验可得出的材料的温度稳定性、形变量及断裂规律，为高温构件的选材、工艺设计提供重要依据。

4、传统的蠕变实验方法均是采用矩形拉伸实验，并采用传感器进行伸长量的测量，由于这种实验方法基于拉伸变形，其测量的形变率较低，一般在10-6～10-5/s之间，不能满足对于低应力下蠕变的更高精度的测试要求。

技术实现思路

1、为解决现有技术存在的问题，本发明的一个目的是提供一种氢气或其它非空气环境下金属材料蠕变性能测试的密封加载系统。

2、本发明的另一目的是提供一种具有上述密封加载系统的金属材料蠕变性能测试装置，以解决现有蠕变试验方法不能满足高温和非空气氛围下、不同应力的蠕变试验及更高精度测试的问题。

3、为此，本发明采用以下技术方案：

4、一种用于金属材料蠕变性能测试的密封加载系统，包括进气管、排气管、两端装有法兰的异形石英管，以及由上至下依次安装在所述异形石英管内的上隔热块支撑件、上隔热块、试样上夹具、试样下夹具、下隔热块和砝码盘，其中：

5、所述进气管的进气口与气源连接；进气管的下部与所述异形石英管通过上法兰密封连接并伸入异形石英管内；进气管的出气口位于异形石英管内，进气管的下端与上隔热块支撑件螺纹连接；所述上隔热块的上下两端分别与所述上隔热块支撑件和试样上夹具固定连接；待测试的试样的上下两端分别固定在上夹具和下夹具上；所述砝码盘的吊杆穿过所述下隔热块的中心孔后挂在所述下夹具的下端，用于添加砝码；砝码盘由一加载装置进行选择性地支撑，用于给试样卸载或加载；所述加载装置与异形石英管的下端通过下法兰密封连接；所述下隔热块由下隔热块支撑件支撑，下隔热块支撑件的底部固定所述下法兰上；所述排气管的一端与所述异形石英管连通，另一端分别与真空泵和排气管道连接，用于给异形石英管抽真空和排出异形石英管内的气体。

6、所述的加载装置包括推杆、密封套管、弹簧和托转架，其中：所述托转架由上下间隔设置的上托盘和下托盘组成；上托盘中部形成通孔；所述密封套管穿过所述下法兰中部并与其固定且密封连接；密封套管的下端与所述上托盘固定且密封连接；所述推杆的顶端固装有一支撑块，用于承托所述砝码盘；推杆的下端穿过所述密封套管和上托盘与所述下托盘固定连接，在上托盘与下托盘之间的推杆上安装所述弹簧；所述推杆与密封套管之间形成密封且能够相对移动；在所述推杆的上部水平贯穿固装有一支撑柱，在所述密封套管的顶部两侧形成有用于容纳所述支撑柱两端部的凹槽；在密封套管上，自顶部两侧分别向下延伸形成滑动槽，且两个滑动槽的连线与两个凹槽的连线垂直。

7、所述上法兰、下法兰分别通过o型密封圈与所述异形石英管两端的法兰密封连接。所述异形石英管两端为圆管，中间为方管，以便进行蠕变性能测试时非接触光测系统发射的led辐射光能够穿透异形石英管且不发生折射。

8、优选的是，所述上夹具和下夹具均由耐高温合金材料制成，且二者的横截面为圆形，在上夹具和下夹具连接试样的一端形成有用于承接试样的两端的承接槽。

9、另外，所述的密封加载系统还包括安全报警器和真空表，其中：所述安全报警器安装在所述上法兰上，并与所述异形石英管连通，用于在异形石英管内气压超出设定值时进行报警，此时停止给异形石英管加热；所述真空表，用于测量异形石英管内的真空度和气体压力值。

10、本发明还保护一种金属材料蠕变性能测试装置，包括：主机架、密封加载系统夹具、上述的密封加载系统，以及开窗式高温炉、下支撑架和非接触式光测系统，其中：所述主机架由位于下部的支撑台和固装在支撑台上的双立柱门式框架组成，用于安装和固定开窗式高温炉、密封加载系统和非接触式光测系统；所述密封加载系统夹具的上端固装在所述双立柱门式框架的横梁中部，所述下支撑架安装在所述支撑台的中部；所述密封加载系统通过所述密封加载系统夹具和下支撑架竖直固定在所述主机架上；所述开窗式高温炉通过高温炉固定架组件固定在所述双立柱门式框架的一侧立柱上，用于给所述密封加载系统加热；所述非接触式光测系统用于测量螺旋或矩形试样的标距。

11、优选的是，所述密封加载系统的上隔热块的上端与所述开窗式高温炉的上平面重合，下隔热块的下端与开窗式高温炉的下平面重合，以保证试样的实验温度和密封加载系统的密封。

12、所述非接触式光测系统包括发射器、接收器和计算机，所述发射器和接收器安装在非接触式光测系统固定架组件上，并在开窗式高温炉的两侧相对设置，使发射器发出的led辐射光能够穿过所述密封加载系统中的试样到达所述接收器中；所述非接触式光测系统固定架组件7固定在主机架的立柱上；所述计算机通过连接线与所述接收器连接，用于在对试样施加载荷时，记录实验过程。

13、所述开窗式高温炉是在现有的三段式加热炉的基础上，在高温炉的前后两端对称设置两个矩形观察窗，以观测实验过程中试样的受力状态；所述观察窗采用双层石英玻璃，石英玻璃的外围使用耐高温合金金属材料包裹。

14、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

15、1.传统的单轴蠕变实验装置仅能在空气氛围下进行蠕变实验，不能满足金属材料在氢氛围(或其它气体氛围)下的蠕变测试需求，本发明的测试装置基于真空动密封原理，添加密封加载系统，外加一定的温度及载荷，用非接触式光测系统测量试样的标距随时间增加的伸长量，进而研究金属材料在非空气(例如氢气)氛围下的蠕变性能，可以进行持久蠕变、蠕变断裂等试验。

16、2.传统的单轴蠕变试验装置，由于应变分辨率低，不能满足金属材料在低应力下的蠕变测试需求，本发明的测试装置基于纯扭转变形原理，把待测样品加工成螺旋状试样，外加一定的温度和微小载荷，用非接触式光测系统测量试样螺距随时间增加的伸长量，进而研究金属材料在低应力下的蠕变性能。

17、3.本实验装置所测的氢氛围-高/低应力蠕变数据可为燃料电池金属连接体、核电、火电厂管道的安全性评价及寿命预测提供参考。

技术特征：

1.一种用于金属材料蠕变性能测试的密封加载系统，其特征在于：包括进气管(501)、排气管(519)、两端装有法兰的异形石英管(504)，以及由上至下依次安装在所述异形石英管(504)内的上隔热块支撑件(505)、上隔热块(506)、试样上夹具(507)、试样下夹具(509)、下隔热块(510)和砝码盘(512)，其中：

2.根据权利要求1所述的密封加载系统，其特征在于，所述加载装置包括推杆(513)、密封套管(514)、弹簧(517)和托转架，其中：

3.根据权利要求1所述的密封加载系统，其特征在于：所述上法兰(503)、下法兰(515)分别通过o型密封圈与所述异形石英管(504)两端的法兰密封连接。

4.根据权利要求1所述的密封加载系统，其特征在于：所述异形石英管(504)两端为圆管，中间为方管。

5.根据权利要求1所述的密封加载系统，其特征在于：所述上夹具(507)和下夹具(509)均由耐高温合金材料制成，且二者的横截面为圆形，在上夹具(507)和下夹具(509)连接试样的一端形成有用于承接试样的两端的承接槽。

6.根据权利要求1所述的密封加载系统，其特征在于，还包括安全报警器(502)和真空表(516)，其中：所述安全报警器(502)安装在所述上法兰(503)上，并与所述异形石英管(504)连通，用于在异形石英管(504)内气压超出设定值时进行报警，此时停止给异形石英管(504)加热；所述真空表(516)，用于测量异形石英管(504)内的真空度和气体压力值。

7.一种金属材料蠕变性能测试装置，包括：主机架、密封加载系统夹具(4)、权利要求1-6中任一项所述的密封加载系统(5)，以及开窗式高温炉(3)、下支撑架(11)和非接触式光测系统(6)，其中：

8.根据权利要求7所述的金属材料蠕变性能测试装置，其特征在于：所述密封加载系统(5)的上隔热块(506)的上端与所述开窗式高温炉(3)的上平面重合，下隔热块(509)的下端与开窗式高温炉(3)的下平面重合，以保证试样的实验温度和密封加载系统的密封。

9.根据权利要求7所述的金属材料蠕变性能测试装置，其特征在于：所述非接触式光测系统包括发射器(6a)、接收器(6b)和计算机(9)，所述发射器(6a)和接收器(6b)安装在非接触式光测系统固定架组件(7)上，并在开窗式高温炉(3)的两侧相对设置，使发射器(6a)发出的led辐射光能够穿过所述密封加载系统(5)中的试样到达所述接收器(6b)中；所述非接触式光测系统固定架组件(7)固定在主机架的立柱上；所述计算机(9)通过连接线(8)与所述接收器(6b)连接，用于在对试样施加载荷时，记录实验过程。

10.根据权利要求7所述的金属材料蠕变性能测试装置，其特征在于：所述开窗式高温炉(3)是在现有的三段式加热炉的基础上，在高温炉的前后两端对称设置两个矩形观察窗，以观测实验过程中试样的受力状态；所述观察窗采用双层石英玻璃，石英玻璃的外围使用耐高温合金金属材料包裹。

技术总结
本发明公开了一种用于金属材料蠕变性能测试的密封加载系统和测试装置，所述密封加载系统包括进气管、排气管、两端装有法兰的异形石英管，以及由上至下依次安装在所述异形石英管内的上隔热块支撑件、上隔热块、试样上夹具、试样下夹具、下隔热块和砝码盘；所述金属材料蠕变性能测试装置包括主机架、密封加载系统夹具、所述密封加载系统以及开窗式高温炉、下支撑架和非接触式光测系统。该装置能够测试金属材料在非空气氛围下的蠕变性能，能够进行持久蠕变、蠕变断裂试验且精度较高。

技术研发人员：张得昌,申俊杰,李建广
受保护的技术使用者：天津理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13