新型恒應力蠕變試驗機裝置研制及應用

趙　艷，　管建軍，　劉　峰，　梁　平

(遼寧石油化工大學 機械工程學院，遼寧 撫順 113001)

0　引　言

材料的蠕變性能是研究和評定材料性能的重要技術指標[1-3]。蠕變試驗通常是在恒定溫度、恒定載荷下進行的。GB/T2039-1997金屬拉伸蠕變及持久試驗方法概述的試驗原理是將試樣加熱至規定溫度，沿試樣軸線方向施加恒定拉伸力，將試樣拉至規定變形量或者斷裂，測定其蠕變或持久性能[4]。在研究金屬材料蠕變性能時，恒應力加載是技術關鍵。

所謂恒應力，就是在試樣受載而發生變形的任何時刻，試樣上單位面積的內應力恒定不變[5-6]。當前多數金屬的蠕變試驗要求保持恒應力[7-10]。金屬材料蠕變性能試驗是長時間運行的試驗，在高溫工作期間，通常受到靜態應力和循環應力的共同作用，實際變形過程各不相同[11-13]，這對試驗設備長時間的恒應力加載提出了要求。為提升實驗教學條件，按通用標準和行業標準培養工程人才，強化培養學生的工程能力和創新能力，實驗室研制新型恒應力蠕變試驗機，開設與科研前沿相關的材料類專業綜合實驗，將新技術與檢測方法相結合，為學生將來的工作和繼續科研儲備知識和技能。

新型恒應力蠕變試驗機保留了傳統蠕變試驗機機械杠桿工作原理，加載力臂采用曲臂的形式，不僅可以保持蠕變試樣始終受到恒定應力，也實現了更精確的測量金屬材料試樣在規定溫度、恒定應力下蠕變性能。本文介紹了新型恒應力蠕變試驗機的結構及測試方法，對裝置結構設計進行計算，分析了裝置的可靠性，測試了材料的蠕變曲線。

1　裝置結構及測試方法

恒應力蠕變試驗機結構示意圖如圖1所示，裝置實物圖如圖2所示(2臺)。圖中，軸套12固定在載荷曲臂26上，載荷曲臂26繞轉軸13轉動。載荷曲臂的水平段加工內螺紋，水平配重桿1，水平配重砣2通過螺母10、11緊固，可在水平配重桿上左右移動。水平配重砣2下端連接垂直配重桿3，垂直配重砣5同樣由螺母4、6緊固，并可在垂直配重桿3上上下移動，使鋼絲繩14完全貼合在軸套12上，通過鋼絲繩14對試樣8進行加載。鋼絲繩14另一端通過螺母15與加熱爐7中的試樣8上端固定。試樣8下端通過螺母25限定在底座9的橫梁24上。形變測量桿18、形變測量筒19、形變測量筒夾20通過螺母16相互連接，與地面垂直，利用形變測量桿18與形變測量筒19的位移差來確定試樣的蠕變變形量。試樣8變形伸長帶動形變測量桿18在形變測量筒19中向上移動，其位移量即為試樣在某一溫度下的蠕變變形量。

1-水平配重桿，2-水平配重砣，3-垂直配重桿，4-螺母，5-垂直配重砣，6-螺母，7-加熱爐，8-試樣，9-底座，10-螺母，11-螺母，12-軸套，13-轉軸，14-鋼絲繩，15-螺母，16-螺母，17-試樣夾，18-形變測量桿，19-形變測量筒，20-形變測量筒夾，21-立柱，22-加熱燈絲，23-加熱燈絲電極套，24-橫梁，25-螺母，26-載荷曲臂

圖1恒應力蠕變試驗機結構示意圖

圖2　恒應力蠕變試驗機實物圖

2　裝置結構設計計算

假設試樣均勻變形，則在試樣上的均布軸向應力σ(t)=F(t)/A(t)，其中：F(t)為試樣所受的軸力；A(t)為試樣的橫截面積。由于試樣在變形過程中保持體積不變，則有：A(t)L(t)=A0L0，其中：L(t)為試樣的長度；A0、L0為試樣的初始截面積和初始長度，要求恒應力，

dσ(t)/dt=0

(1)

即：

簡化有：

上式移項后兩邊積分有：

lnF=-lnL+lnL0+lnF0

(2)

對于所設計的加載支架，應用杠桿定理得到如下關系式：

F(t)·R=G·δG(t)

(3)

式中：R為試樣軸力相對于支點的力臂，在試驗過程中保持為常量(傳遞軸力的鋼絲繩纏繞在軸套的外表面)；G為加載載荷，在試驗過程中保持為常量；δG為載荷的力臂，在試驗過程中變化。由于載荷始終垂直向下，因此要求力臂隨著試樣拉伸而不斷變小。式(3)代入式(2)有如下關系式：

lnδG=-lnL+lnL0+lnF0-ln(G/R)

(4)

設試驗過程中支架軸承的轉角為θ，則有：

L-L0=R(θ-θ0)， dL=Rdθ

(5)

式(5)代入式(4)得：

(6)

式中：F0可在給定G下當θ0為零時，通過杠桿定理計算得到。

設加載支架載荷側上表面的曲線方程為Q(x,y)，以軸承中心為坐標原點。當轉角為θ時，設加載載荷在表面上的作用點坐標為(xθ,yθ)，在該點表面曲線的切線方向是豎直的，即法線方向是水平的，則有：

(7)

δG=xθ

(8)

對于不考慮摩擦的系統，試驗過程中，加載載荷G所做的功和軸力所做的功是相等的，有如下關系式：

有：

dyθ/dθ=δG=xθ

(9)

式(6)～(9)聯立即可求得xθ，yθ，Q(x,y)。

3　裝置可靠性控制與數據采集

(1) 開始試驗前，對水平和垂直的配重進行調整，提高試驗時對試樣加載應力的穩定性。

(2) 開始試驗時，將試樣夾持于試樣夾上，對加熱爐進行通電，加熱燈絲電極套置于加熱燈絲的端部，達到預定溫度時開始保持溫度不變。

(3) 在加載曲臂上通過鋼絲繩進行加載，鋼絲繩連接載荷曲臂與試驗載荷，完全貼合在加載曲臂上，另一端用于連接加載試樣，能承受足夠載荷，長度1 m。

(4) 金屬試樣在一定溫度發生蠕變試驗時，載荷曲臂將發生一定角度的轉動，由于載荷曲臂的曲率影響，使作用于試樣上的力隨著蠕變區最小截面積的改變而改變，使試樣上應力恒定。

(5) 轉軸通過固體潤滑油實現充分潤滑效果，保證曲臂轉動時的摩擦力在允許誤差范圍內，提高恒應力蠕變試驗機長時間的可靠性和安全性。

(6) 形變測量機構由形變測量桿、形變測量筒及形變測量筒夾構成，當試樣發生蠕變變形時，試樣通過形變試樣夾帶動測量桿在形變測量筒中發生移動，其位移量即為試樣的變形量，可直觀測得蠕變變形量。

(7) 恒應力蠕變試驗機與計算機相連，通過數據采集卡采集數據，可測量位移-時間關系曲線。

4　數據測量與分析

實驗以GH4169合金為材料，溫度為660 ℃，載荷為660 MPa和770 MPa，在新型恒應力蠕變試驗機上測試其蠕變性能，測得的位移和時間關系曲線如圖3所示。從圖中可以看出，隨著應力的升高，斷裂時間呈減小的趨勢。整個測試過程簡單直觀，通過實驗，加深學生對理論知識的理解。

5　結　語

(1) 設計了一種新型恒應力蠕變試驗機，該裝置利用杠桿原理，加載力臂采用曲臂的形式，對加熱爐中的試樣進行間接加載。蠕變試驗時，載荷曲臂發生一定角度的轉動，使試樣上應力恒定，形變測量桿可直觀測得蠕變變形量。

圖3GH4169合金在660 ℃和不同應力下的蠕變曲線

(2) 通過對裝置結構設計計算，分析了設計裝置的可靠性。以GH4169合金為材料進行蠕變試驗測試，實驗過程簡單直觀，數據能夠清晰呈現。

(3) 該裝置既可用于學生材料力學性能測試的設計性實驗，也有利于科研工作的開展，為提升學生的創新思維和探索性意識提供了實驗技術保障。

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