[发明专利]高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置及其使用方法

说明书

本发明提供可防止试样氧化、能够在真空环境下同时完成多种类型小试样的蠕变及蠕变裂纹扩展试验的高通量试验装置以及该试验装置的使用方法。试验装置包括机架、加载单元、真空单元、加热单元、位移测量单元及裂纹长度测量单元；加载单元包括试样加载盘、夹具、试样加载杆、波纹管、砝码加载杆及砝码托盘；真空单元包括真空罩、真空室底座和减压装置；加热单元为加热炉；位移测量单元包括引伸计和托架，用于测量小试样的变形量；裂纹长度测量单元包括直流恒流电源和电压测量装置，用于测量电压并算出蠕变裂纹扩展小试样的裂纹长度。本发明的试验装置及其使用方法在小试样的蠕变及蠕变裂纹扩展试验中是有用的。

技术领域

本发明属于材料高温力学性能测试领域，涉及一种高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置以及该装置的使用方法。尤其是针对某些取样限制的场合如在役构件、薄壁件、焊缝、使用功能性梯度材料的设备，采用小试样测试技术得到材料的蠕变及蠕变裂纹扩展性能的试验装置及其使用方法。

背景技术

电力、炼化、冶金以及航空等领域的设备呈现出更高温度、更长服役时间的发展趋势，以符合节能降耗、高效环保的原则。工作温度升高和服役寿命的延长，使得设备的蠕变失效与预防控制问题更加凸显。因此，研究高温高压工况下材料的蠕变及裂纹扩展性能变化，对于保证高温设备的安全和稳定运行有着重要意义。

目前对于高温工况下材料的蠕变及裂纹扩展性能研究，传统上主要是使用圆棒或板状的蠕变拉伸、紧凑拉伸、单边缺口等试样进行高温单轴蠕变及裂纹扩展试验，已经形成一套完善的测试设备及标准。但是由于标准中规定的试样体积较大，在某些取样限制的场合如在役构件、薄壁件、焊缝、使用功能性梯度材料的设备，限制了传统单轴蠕变试验的应用。为此，小试样试验技术逐渐发展起来。

高温条件下服役的工程装备比如蒸汽轮机、蒸汽发生器、燃汽轮机、核电厂结构件、火箭引擎和石油化工过程设备等可能产生蠕变损伤，因为典型的工程构件在服役时不可避免的带有小的缺陷或裂纹，这些小裂纹会随着时间的推移逐渐扩大直至设备失效，所以蠕变裂纹扩展(creep crack growth,CCG)的性能测试对于高温条件下服役的材料而言显得尤为重要。

对在服役设备及材料进行剩余寿命评价时，很多情况下，人们只能从服役构件上得到少量用于测试的材料，目前，采用微试样进行蠕变断裂试验的测试技术已成形并获得验证，但是基于小试样的CCG测量技术还未成形。

现有技术中，根据专利文献1(CN101187612A)，关凯书等人的开发出了可完成单个试样测试的小冲杆试验机。专利文献2(CN201464300U)中，华冰等人则开发出了多头的蠕变试验机。专利文献3(CN202533335U)中，涂善东等人设计出多头小试样的蠕变试验装置。另外，根据专利文献4(CN103884603A)，现有的蠕变裂纹扩展试验设备，由于设备框架大、传感器量程大等原因无法完成小试样的蠕变裂纹扩展试验。同时，现有的蠕变裂纹扩展设备仅能完成单个标准试样的测试，用途十分局限。此外，高温下小试样的表面氧化对测试结果影响较大，现有的试验设备均无法有效的实现高温下试样的氧化防护。

根据专利文献3的多头微型试样蠕变试验装置，虽然可以对多个小试样进行蠕变力学性能进行测试，但该装置采用顶部垂直加载方式且砝码加载盘在装置上方，仅能进行小试样的蠕变试验，其试样加载盘和夹具的设计结构不适合于进行蠕变裂纹扩展试验，因此无法完成小试样的蠕变裂纹扩展测试，此外还存在以下问题：采用内部热风循环对流加热，导致内部温度场不稳定，测定结果误差较大；不能抽真空，试样氧化严重，影响试验准确性。

针对现有设备无法实现试样氧化防护，无法实现小试样的蠕变裂纹扩展试验等问题，本领域迫切需要开发出一种能够在真空环境下同时完成多种类型小试样的蠕变及蠕变裂纹扩展试验的装置，实现材料高温力学性能的高通量测试。

现有技术

专利文献1：CN101187612A

专利文献2：CN201464300U