本发明涉及一种微试样蠕变、 蠕变疲劳试验系统及试验方法。 背景技术

在火电、核电、石化和炼油等高能耗行业中， 为了实现节能减排的目标， 需要提高温度、 压强等技术参数来提高资源的利用率， 从而对相关高温部件 提出了更高的要求。如何保证相关设备在高温 和恶劣环境中的安全稳定成为 重大的研究课题。 在高温环境下， 在役设备主要的破坏形式是蠕变和疲劳， 但是在一些特定的工况下， 如蒸汽、 含氧较高的气体环境中， 载荷作用与氧 化作用存在着一定的交互影响， 从而影响在役设备的使用寿命和安全运行。 因此， 需要充分了解在役设备的蠕变氧化、 疲劳 -蠕变氧化间的交互作用， 从而准确有效的进行寿命评估。

目前， 在役设备的材料性能评估主要是无损检测和微 试样试验。 但现在 的无损检测技术主要检验材料的缺陷，对于材 料的力学性能主要采用微试样 试验。 GB/T2039-1997 《金属拉伸蠕变及持久试验方法》对单轴拉伸 蠕变试 验有统一标准，但试样尺寸较大，无法满足对 在役设备取样进行试验的要求。 涂善东和凌祥等人的发明实现了三点弯、 四点弯等不同类型的微弯曲试样蠕 变试验，但是要进行微拉伸试样蠕变试验和微 弯曲试样蠕变试验需要两个不 同的试验系统才能实现， 成本高昂， 不通用， 不利于研究人员进行试验和试 验的推广。 发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术 设备无法兼顾微拉伸试 样蠕变试验和微弯曲试样蠕变试验的缺陷， 提供一种微试样蠕变、 蠕变疲劳 试验系统、 一种微拉伸试样蠕变试验方法和一种微弯曲试 样蠕变试验方法。 本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问 题：

一种微试样蠕变、 蠕变疲劳试验系统， 其特点在于， 所述微试样蠕变、 蠕变疲劳试验系统包括主机框架、 高温炉、 伺服电机加载装置、 测距装置、 测力装置、 冷却系统、 夹装机构、 石英管、 供气装置、 计算机控制系统及数 据采集系统， 其中，

所述主机框架包括底座、 一上横梁、 一中横梁和两根立柱；

所述伺服电机加载装置设置在所述主机框架底 座上， 其上端穿过所述中 横梁， 且与一嵌套在所述中横梁上的导向套配合；

所述测力装置与所述伺服电机加载装置连接， 且设置于所述伺服电机加 载装置的上方；

所述测距装置固定在所述主机框架的中横梁上 ，其传感头套于所述测力 装置和冷却系统之间；

所述冷却系统设置于测力装置上方，所述冷却 系统由水箱提供循环水进 行冷却；

所述夹装机构设置于所述冷却系统上方， 包括下支撑杆、 夹具套件、 以 及上支撑杆， 所述夹具套件置于所述石英管内， 所述上支撑杆的下端与所述 夹具套件螺紋连接、 且嵌在所述石英管上端， 所述上支撑杆的上端与一设置 于所述上横梁上的定位机构连接，所述下支撑 杆的上端与所述夹具套件螺紋 连接、 且嵌在所述石英管下端；

所述夹具套件为拉伸夹具套件、 三点弯曲夹具套件、 四点弯曲夹具套件 或小冲孔夹具套件；

所述夹具套件上设置有若干与温度控制器连接 的热电偶，所述温度控制 器用于调节所述高温炉的温度；

所述石英管与所述高温炉嵌套连接， 且其两端穿透于所述高温炉； 所述供气装置通过进气管将气体输送到由所述 夹装机构和所述石英管 构成的空间内。 较佳地， 微试样包括微拉伸试样和微弯曲试样， 所述微弯曲试样包括微 三点弯试样、 微四点弯试样和微小冲孔试样， 其中， 所述微拉伸试样的两端 各设置有一凸肩。

较佳地， 所述三点弯曲夹具套件、 四点弯曲夹具套件和小冲孔夹具套件 上设置有至少一气孔， 其中，

所述拉伸夹具套件包括两个夹头， 每一所述夹头各包括可拆卸连接在一 起的一前模和一后模，所述前模和后模均设置 有一用于容纳微试样凸肩的凹 槽， 所述两夹头分别与所述上支撑杆和所述下支撑 杆螺紋连接， 通过凸肩和 凹槽搭配的设计可以避免采用夹具夹持时产生 的应力， 而凸肩也限位在凹槽 里， 不易滑动从而影响测量；

所述三点弯曲夹具套件包括一顶部设置有一定 位孔的定位套、一设置于 所述定位套下方的基座和一具有一个压头的单 头压杆，所述压头的横截面的 大小形状与所述定位孔的大小形状相同， 所述压头穿过所述定位孔， 并与置 于所述基座上的微试样接触， 所述基座和所述下支撑杆螺紋连接， 所述单头 压杆和所述上支撑杆螺紋连接；

所述四点弯曲夹具套件包括一顶部设置有两个 定位孔的定位套、一设置 于所述定位套下方的基座和一具有两个压头的 双头压杆，所述压头的横截面 的大小形状与所述定位孔的大小形状相同， 所述压头穿过所述定位孔， 并与 置于所述基座上的微试样接触， 所述基座和所述下支撑杆螺紋连接， 所述双 头压杆和所述上支撑杆螺紋连接；

所述小冲孔夹具套件包括一顶部设置有一定位 孔的定位套、一设置于所 述定位套下方的基座、 一压球和一具有一个压头的单头压杆， 所述压头的横 截面的大小形状与所述定位孔的大小形状相同 ， 所述压头穿过所述定位孔， 并与置于微试样上的所述压球接触， 所述基座和所述下支撑杆螺紋连接， 所 述单头压杆和所述上支撑杆螺紋连接。

较佳地， 所述供气装置包括一与所述进气管连接的气瓶 或蒸汽发生系 统， 所进气管设置有流量计和用于控制气体流量的 流量阀， 所述蒸汽发生系 统包括一氮气气瓶、一与所述氮气气瓶连接的 水箱和一与所述水箱连接的蒸 汽发生装置， 所述蒸汽发生装置还与所述进气管连接。 一般的水中含有氧， 产生的水蒸汽不饱和， 试验时很难符合试验条件， 所述蒸汽发生系统可以排 掉水中的氧， 产生饱和水蒸汽， 同时结构简单， 效果明显。

较佳地， 所述石英管露出于所述高温炉的部分覆盖有保 温材料。 由于所 述石英管有部分露出于所述高温炉外， 而有部分处于所述高温炉中， 容易使 所述石英管内的气体产生不同温差， 这样使得试验不符合试验条件， 试验测 出了错误的数据，对试验的准确性产生很大的 影响，而通过所述保温材料（一 般为石棉）， 可以保持所述石英管内的气体温度恒定， 确保了试验的准确性。

较佳地， 所述测距装置为测距传感器， 所述测力装置为测力传感器， 均 与计算机控制系统相连， 所述数据采集系统用于记录所述测距传感器、 所述 测力传感器测量的数据。

较佳地，所述伺服电机加载装置包括伺服电机 、同步带、减速机和拉杆， 所述伺服电机通过同步带带动减速机， 减速机带动拉杆进行轴向运动， 所述 计算机控制系统用于设置蠕变加载条件。

一种微拉伸试样蠕变试验方法， 其特点在于， 包括：

步骤 1、 将微试样的两端分别嵌入夹头的后模的凹槽内 ， 合上前模， 将 前模和后模用螺栓连接， 将热电偶贴在夹具上， 将夹头分别与上支撑杆和下 支撑杆螺紋连接；

步骤 2、 将石英管从上往下套在下支撑杆上， 使气体不能从底部漏出； 将密封盖套入上支撑杆， 使石英管与夹装机构之间形成封闭的空间；

步骤 3、 将上支撑杆与上横梁上的支撑杆销钉连接；

步骤 4、 将测力装置调零， 微调伺服电机加载装置， 卸掉安装过程中产 生的预应力， 将测距装置调零， 设定限位距离和限位力值；

步骤 5、启动供气装置，调节流量阀使气体以恒定� �流速进入石英管内； 当供应蒸汽时， 用氮气将水中的氧排尽， 通入蒸汽发生器， 产生饱和的水蒸 汽送入石英管内； 步骤 6、 开启高温炉， 升温；

步骤 7、 设置计算机控制系统， 确定伺服电机加载装置的加载方式和加 载力值；

步骤 8、测力装置和测距装置获得试验数据，并通� �数据采集系统记录。 较佳地， 步骤 3为： 将上支撑杆与上横梁上的支撑杆销钉连接， 在石英 管露出于高温炉处包覆上保温材料。 由于所述石英管有部分露出于所述高温 炉外， 而有部分处于所述高温炉中， 容易使所述石英管内的气体产生不同温 差， 这样使得试验不符合试验条件， 试验测出了错误的数据， 对试验的准确 性产生很大的影响， 而通过所述保温材料 （一般为石棉）， 可以保持所述石 英管内的气体温度恒定， 确保了试验的准确性。

较佳地， 步骤 7为： 让伺服电机加载装置加载恒定载荷， 或者加载三角 波形、 正弦波形或方波形交变载荷。 一般的试验施加的都为恒定载荷力， 而 现实里， 多数情况为交变载荷力， 通过施加三角波、 正弦波、 方波等多种交 变载荷力， 可以有效地模拟现实情况来进行试验。

一种微弯曲试样蠕变试验方法， 其特点在于， 包括：

步骤 1、 将微试样嵌入夹装机构的夹具内， 将定位套套在夹具上， 将热 电偶贴在夹具上；

步骤 2、 将石英管从上往下套在下支撑杆上， 使气体不能从底部漏出； 将上支撑杆从上往下装入石英管中， 使石英管与夹装机构之间形成封闭的空 间；

步骤 3、 旋转上支撑杆， 使压杆嵌入定位套后将上支撑杆固定在上横梁 上；

步骤 4、 将测力装置调零， 微调伺服电机加载装置， 使下支撑杆向上移 动至试样与压杆接触时停止，将测距装置调零 ，设定限位距离和和限位力值; 步骤 5、启动供气装置，调节流量阀使气体以恒定� �流速进入石英管内； 当供应蒸汽时， 用氮气将水中的氧排尽， 通入蒸汽发生器， 产生饱和的水蒸 汽送入石英管内； 步骤 6、 开启高温炉， 升温；

步骤 7、 设置计算机控制系统， 确定伺服电机加载装置的加载方式和加 载力值；

步骤 8、测力装置和测距装置获得试验数据，并通� �数据采集系统记录。 较佳地， 步骤 3为： 旋转上支撑杆， 使压杆嵌入定位套后将上支撑杆固 定在上横梁上， 在石英管露出于高温炉处包覆上保温材料。 由于所述石英管 有部分露出于所述高温炉外， 而有部分处于所述高温炉中， 容易使所述石英 管内的气体产生不同温差， 这样使得试验不符合试验条件， 试验测出了错误 的数据， 对试验的准确性产生很大的影响， 而通过所述保温材料（一般为石 棉）， 可以保持所述石英管内的气体温度恒定， 确保了试验的准确性。

较佳地， 步骤 7为： 让伺服电机加载装置加载恒定载荷， 或者加载三角 波形、 正弦波形或方波形交变载荷。 一般的试验施加的都为恒定载荷力， 而 现实里， 多数情况为交变载荷力， 通过施加三角波、 正弦波、 方波等多种交 变载荷力， 可以有效地模拟现实情况来进行试验。

本发明中， 上述优选条件在符合本领域常识的基础上可任 意组合， 即得 本发明的各较佳实施例。

本发明的积极进步效果在于： 通过本发明的应用， 可以在一套系统中进 行微试样拉伸蠕变试验和微试样弯曲蠕变试验 两种试验， 利于研究人员进行 试验和试验的推广。 附图说明

图 1为本发明实施例 1的微试样蠕变、 蠕变疲劳试验系统^

图 2为本发明实施例 1的石英管和高温炉连接示意图。

图 3为本发明实施例 2的拉伸夹具套件结构示意图。

图 4为本发明实施例 3的三点弯曲夹具套件结构示意图。

图 5为本发明实施例 4的四点弯曲夹具套件结构 ^ 具体实施方式

下面举出较佳实施例， 并结合附图来更清楚完整地说明本发明。

实施例 1

如图 1所示， 本发明的微试样蠕变、 蠕变疲劳试验系统， 包括气瓶 1， 氮气瓶 2， 阀门 3， 水箱 4， 压力表 5， 流量表 6， 安全阀 7， 开关 8， 蒸汽发 生器 9， 水泵 10， 底座 11， 交流伺服电机 12， 立柱 13， 测距传感器 14， 测 力传感器 15， 主机框架 16， 冷却系统 17， 石英管 18， 高温炉 19， 上横梁 20， 锁紧装置 21， 销钉 22， 上支撑杆 23， 夹装机构 24， 夹具套件 25， 下支 撑杆 26， 进气口 27， 中横梁 28， 冷却水 29， 温度控制器 30， 设备控制器 31， 急停开关 32， 计算机 33。

主机框架 16由底座 11、 上横梁 20、 中横梁 28以及两根立柱 13构成； 交流伺服电机 12下端固定在底座 11上，上端穿过中横梁 28， 交流伺服电机 12通过同步带带动减速机，减速机带动丝杠，� ��杠螺母通过拉管带动下支撑 杆 26做轴向运动， 从而实施加载， 下支撑杆 26用于连接拉管和测力传感器 15，交流伺服电机 12上端穿过中横梁 28， 与设置在中横梁 28内的导向套相 配合， 以此来保证同轴度； 测距传感器 14和测力传感器 15与计算机 33相 联， 进行试验数据记录， 测力传感器 15与交流伺服电机 12连接， 置于其正 上方， 测距传感器 14固定在中横梁 28上； 冷却系统 17置于测力传感器 15 上方， 冷却系统 17由水箱提供循环水进行冷却， 避免将高温炉 19的热量传 递到传感器而影响其精度； 夹装机构 24置于冷却系统 17上方， 穿过石英管 18， 上端与固定在主机框架 16的上横梁 20上的销钉 22连接， 夹装机构 24 包括下支撑杆 26、 夹具套件 25以及上支撑杆 23。

如图 2所示， 高温炉 19为对开立式高温炉， 试验时， 可转动并套在石 英管 18外， 其温度由置于石英管 18内贴在夹具套件 25上的热电偶测量温 度后由温度控制器进行调节， 高温炉 19与温度控制器 30用导线相连， 热电 偶与温度控制器 30相连， 高温炉 19固定在主机框架 16的立柱 13上。

石英管 18两端由密封套 46密封，石英管 18露出于高温炉 19的部位用 石棉包覆， 防止局部温度不平衡， 使得试验不精确。

当试验用到使用其他气体时， 开启气瓶 1， 将气体充入石英管 18中。 当使用水蒸汽时， 将氮气瓶 2中的氮气通入水箱 4中排尽去离子水中的氧， 通入蒸汽发生器 9， 产生的蒸汽通过流量阀控制流量， 最后通过进气管通入 由石英管构成的相对密闭的空间， 由石英管 18底部通入， 从顶端排出， 构 成一个相对稳定的蒸汽环境， 用于研究在蒸汽环境下的高温力学性能。

实施例 2

如图 3所示， 本实施例夹具套件 25包括前模 37和后模 35， 前后模由 内六角螺栓 36连接，后模 35通过螺紋与下支撑杆 26或者上支撑杆 23连接， 微拉伸试样 34置于后模 35的凹槽内， 依靠微拉伸试样 34的凸肩固定； 高 温炉 19为对开立式高温炉， 试验时， 可转动并套在石英管 18外， 其温度由 置于石英管 18内贴在夹具套件 25上的热电偶测量温度后由温度控制器进行 调节， 高温炉 19与温度控制器 30用导线相连， 热电偶与温度控制器 30相 连， 高温炉 19固定在主机框架 16的立柱 13上。

本实施例进行微拉伸试样试验的步骤如下：

步骤 1、 将微拉伸试样 34的两端分别嵌入夹头的后模 35的凹槽内， 合 上前模 37， 将前模 37和后模 35用内六角螺栓 36连接， 将热电偶贴在夹具 上， 将夹头分别与上支撑杆和下支撑杆螺紋连接；

步骤 2、 将石英管从上往下套在下支撑杆上， 使气体不能从底部漏出； 将密封盖套入上支撑杆， 使石英管与夹装机构之间形成封闭的空间；

步骤 3、 将上支撑杆与上横梁上的支撑杆销钉连接， 在石英管露出于高 温炉处包覆上保温材料；

步骤 4、 将测力装置调零， 微调伺服电机加载装置， 卸掉安装过程中产 生的预应力， 将测距装置调零， 设定限位距离和限位力值；

步骤 5、启动供气装置，调节流量阀使气体以恒定� �流速进入石英管内； 当供应蒸汽时， 用氮气将水中的氧排尽， 通入蒸汽发生器， 产生饱和的水蒸 汽送入石英管内； 步骤 6、 开启高温炉， 升温；

步骤 7、 让伺服电机加载装置加载恒定或交变载荷力；

步骤 8、测力装置和测距装置获得试验数据，并通� �数据采集系统记录。 实施例 3

如图 4所示为本实施例的夹具套件 25，夹具套件 25为三点弯曲夹具套 件， 能够实现三点弯曲的理论模型， 精度高， 能与环境气体充分接触， 如图 4所示， 包括定位套 41、 单头压杆 40、 基座 38。 其中， 所述上支撑杆嵌在 所述石英管上端、 与单头压杆 40通过螺紋连接； 所述下支撑杆嵌在所述石 英管下端、 与所述基座 38通过螺紋连接， 两根圆柱形滚子 39嵌在基座 38 上， 形成试样的两个支点， 基座 38在两根圆柱形滚子 39之间有部分挖空， 利于试样变形。 微弯曲试样 42 置于圆柱形滚子 39上， 两端嵌入夹具约 0.5mm, 滴蜡固定。 基座 38开有内螺紋， 与下支撑杆连接。 单头压杆 40外 侧有部分削去， 方便与定位套 41配合。 定位套 41套在基座 38上， 中间部 分内凹， 可与基座 38配合， 并留有一定高度。 定位套 41侧面有开小圆孔和 进气管 43连接， 便于环境气体与微弯曲试样 42接触。 定位套 41中间开有 长方形小孔， 对单头压杆 40进行定位， 单头压杆 40具有一个压头， 可以 穿过小孔与微弯曲试样 42接触， 保证单头压杆 40与微弯曲试样 42的垂直 度。

本实施例进行微三点弯曲蠕变试验的步骤如下 ：

步骤 1、 将微弯曲试样 42嵌入夹装机构的夹具内， 将定位套 41套在夹 具上， 将热电偶贴在夹具上；

步骤 2、 将石英管从上往下套在下支撑杆上， 使气体不能从底部漏出； 将上支撑杆从上往下装入石英管中， 使石英管与夹装机构之间形成封闭的空 间；

步骤 3、 将上支撑杆与上横梁上的支撑杆销钉连接， 在石英管露出于高 温炉处包覆上保温材料；

步骤 4、 将测力装置调零， 微调伺服电机加载装置， 使下支撑杆向上移 动至试样与压杆接触时停止，将测距装置调零 ，设定限位距离和和限位力值; 步骤 5、启动供气装置，调节流量阀使气体以恒定� �流速进入石英管内； 当供应蒸汽时， 用氮气将水中的氧排尽， 通入蒸汽发生器， 产生饱和的水蒸 汽送入石英管内；

步骤 6、 开启高温炉， 升温；

步骤 7、 让伺服电机加载装置加载恒定或交变载荷力；

步骤 8、测力装置和测距装置获得试验数据， 并通过数据采集系统记录。 实施例 4

本实施例与实施例 3 基本相同， 不同之处仅在于， 所述夹具套件为四 点弯曲夹具套件，结构如图 5 所示。四点弯曲夹具套件能够实现四点弯曲的 理论模型， 精度高， 能与环境气体充分接触。 与三点弯曲夹具套件结构基本 相同，不同之处在于双头压杆 44和定位套 45， 四点弯曲的定位套 45中间开 有两个长方形小孔， 双头压杆 44有两个压头。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是 本领域的技术人员应当理 解， 这些仅是举例说明， 本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的 。 本 领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质 的前提下， 可以对这些实施方 式做出多种变更或修改， 但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。