新型恒应力蠕变试验机装置研制及应用

赵　艳，　管建军，　刘　峰，　梁　平

(辽宁石油化工大学 机械工程学院，辽宁 抚顺 113001)

0　引　言

材料的蠕变性能是研究和评定材料性能的重要技术指标[1-3]。蠕变试验通常是在恒定温度、恒定载荷下进行的。GB/T2039-1997金属拉伸蠕变及持久试验方法概述的试验原理是将试样加热至规定温度，沿试样轴线方向施加恒定拉伸力，将试样拉至规定变形量或者断裂，测定其蠕变或持久性能[4]。在研究金属材料蠕变性能时，恒应力加载是技术关键。

所谓恒应力，就是在试样受载而发生变形的任何时刻，试样上单位面积的内应力恒定不变[5-6]。当前多数金属的蠕变试验要求保持恒应力[7-10]。金属材料蠕变性能试验是长时间运行的试验，在高温工作期间，通常受到静态应力和循环应力的共同作用，实际变形过程各不相同[11-13]，这对试验设备长时间的恒应力加载提出了要求。为提升实验教学条件，按通用标准和行业标准培养工程人才，强化培养学生的工程能力和创新能力，实验室研制新型恒应力蠕变试验机，开设与科研前沿相关的材料类专业综合实验，将新技术与检测方法相结合，为学生将来的工作和继续科研储备知识和技能。

新型恒应力蠕变试验机保留了传统蠕变试验机机械杠杆工作原理，加载力臂采用曲臂的形式，不仅可以保持蠕变试样始终受到恒定应力，也实现了更精确的测量金属材料试样在规定温度、恒定应力下蠕变性能。本文介绍了新型恒应力蠕变试验机的结构及测试方法，对装置结构设计进行计算，分析了装置的可靠性，测试了材料的蠕变曲线。

1　装置结构及测试方法

恒应力蠕变试验机结构示意图如图1所示，装置实物图如图2所示(2台)。图中，轴套12固定在载荷曲臂26上，载荷曲臂26绕转轴13转动。载荷曲臂的水平段加工内螺纹，水平配重杆1，水平配重砣2通过螺母10、11紧固，可在水平配重杆上左右移动。水平配重砣2下端连接垂直配重杆3，垂直配重砣5同样由螺母4、6紧固，并可在垂直配重杆3上上下移动，使钢丝绳14完全贴合在轴套12上，通过钢丝绳14对试样8进行加载。钢丝绳14另一端通过螺母15与加热炉7中的试样8上端固定。试样8下端通过螺母25限定在底座9的横梁24上。形变测量杆18、形变测量筒19、形变测量筒夹20通过螺母16相互连接，与地面垂直，利用形变测量杆18与形变测量筒19的位移差来确定试样的蠕变变形量。试样8变形伸长带动形变测量杆18在形变测量筒19中向上移动，其位移量即为试样在某一温度下的蠕变变形量。

1-水平配重杆，2-水平配重砣，3-垂直配重杆，4-螺母，5-垂直配重砣，6-螺母，7-加热炉，8-试样，9-底座，10-螺母，11-螺母，12-轴套，13-转轴，14-钢丝绳，15-螺母，16-螺母，17-试样夹，18-形变测量杆，19-形变测量筒，20-形变测量筒夹，21-立柱，22-加热灯丝，23-加热灯丝电极套，24-横梁，25-螺母，26-载荷曲臂

图1恒应力蠕变试验机结构示意图

图2　恒应力蠕变试验机实物图

2　装置结构设计计算

假设试样均匀变形，则在试样上的均布轴向应力σ(t)=F(t)/A(t)，其中：F(t)为试样所受的轴力；A(t)为试样的横截面积。由于试样在变形过程中保持体积不变，则有：A(t)L(t)=A0L0，其中：L(t)为试样的长度；A0、L0为试样的初始截面积和初始长度，要求恒应力，

dσ(t)/dt=0

(1)

即：

简化有：

上式移项后两边积分有：

lnF=-lnL+lnL0+lnF0

(2)

对于所设计的加载支架，应用杠杆定理得到如下关系式：

F(t)·R=G·δG(t)

(3)

式中：R为试样轴力相对于支点的力臂，在试验过程中保持为常量(传递轴力的钢丝绳缠绕在轴套的外表面)；G为加载载荷，在试验过程中保持为常量；δG为载荷的力臂，在试验过程中变化。由于载荷始终垂直向下，因此要求力臂随着试样拉伸而不断变小。式(3)代入式(2)有如下关系式：

lnδG=-lnL+lnL0+lnF0-ln(G/R)

(4)

设试验过程中支架轴承的转角为θ，则有：

L-L0=R(θ-θ0)， dL=Rdθ

(5)

式(5)代入式(4)得：

(6)

式中：F0可在给定G下当θ0为零时，通过杠杆定理计算得到。

设加载支架载荷侧上表面的曲线方程为Q(x,y)，以轴承中心为坐标原点。当转角为θ时，设加载载荷在表面上的作用点坐标为(xθ,yθ)，在该点表面曲线的切线方向是竖直的，即法线方向是水平的，则有：

(7)

δG=xθ

(8)

对于不考虑摩擦的系统，试验过程中，加载载荷G所做的功和轴力所做的功是相等的，有如下关系式：

有：

dyθ/dθ=δG=xθ

(9)

式(6)～(9)联立即可求得xθ，yθ，Q(x,y)。

3　装置可靠性控制与数据采集

(1) 开始试验前，对水平和垂直的配重进行调整，提高试验时对试样加载应力的稳定性。

(2) 开始试验时，将试样夹持于试样夹上，对加热炉进行通电，加热灯丝电极套置于加热灯丝的端部，达到预定温度时开始保持温度不变。

(3) 在加载曲臂上通过钢丝绳进行加载，钢丝绳连接载荷曲臂与试验载荷，完全贴合在加载曲臂上，另一端用于连接加载试样，能承受足够载荷，长度1 m。

(4) 金属试样在一定温度发生蠕变试验时，载荷曲臂将发生一定角度的转动，由于载荷曲臂的曲率影响，使作用于试样上的力随着蠕变区最小截面积的改变而改变，使试样上应力恒定。

(5) 转轴通过固体润滑油实现充分润滑效果，保证曲臂转动时的摩擦力在允许误差范围内，提高恒应力蠕变试验机长时间的可靠性和安全性。

(6) 形变测量机构由形变测量杆、形变测量筒及形变测量筒夹构成，当试样发生蠕变变形时，试样通过形变试样夹带动测量杆在形变测量筒中发生移动，其位移量即为试样的变形量，可直观测得蠕变变形量。

(7) 恒应力蠕变试验机与计算机相连，通过数据采集卡采集数据，可测量位移-时间关系曲线。

4　数据测量与分析

实验以GH4169合金为材料，温度为660 ℃，载荷为660 MPa和770 MPa，在新型恒应力蠕变试验机上测试其蠕变性能，测得的位移和时间关系曲线如图3所示。从图中可以看出，随着应力的升高，断裂时间呈减小的趋势。整个测试过程简单直观，通过实验，加深学生对理论知识的理解。

5　结　语

(1) 设计了一种新型恒应力蠕变试验机，该装置利用杠杆原理，加载力臂采用曲臂的形式，对加热炉中的试样进行间接加载。蠕变试验时，载荷曲臂发生一定角度的转动，使试样上应力恒定，形变测量杆可直观测得蠕变变形量。

图3GH4169合金在660 ℃和不同应力下的蠕变曲线

(2) 通过对装置结构设计计算，分析了设计装置的可靠性。以GH4169合金为材料进行蠕变试验测试，实验过程简单直观，数据能够清晰呈现。

(3) 该装置既可用于学生材料力学性能测试的设计性实验，也有利于科研工作的开展，为提升学生的创新思维和探索性意识提供了实验技术保障。

参考文献(References)：

[1]Nakata T, Komazaki S, Kohno Y,etal. Development of a small punch testing method to evaluate the creep property of high Cr ferritic steel: Part II-stress analysis of small punch test specimen by finite element method [J]. Mater Sci Eng A, 2016, 666: 80-87.

[2]江冯，刘春慧，程从前，等. 采用不同方法预测10Cr9MoW2VNbBN钢蠕变曲线的比较 [J]. 机械工程材料, 2015, 39 (3): 89-94.

[3]张力文，钟玉平. 金属高温蠕变理论研究进展及应用 [J]. 材料导报, 2015(29): 409-417.

[4]GB/T 2039-1997金属拉伸蠕变及持久试验方法 [S].

[5]段理量，孙壬荣，李敬武. 恒应力冰雪冻土蠕变试验机 [J]. 试验机与材料试验, 1986(5): 21-26.

[6]沙桂英，韩恩厚，于涛，等. Mg-Y-Nd合金的蠕变行为及其微观机制 [J]. 金属学报, 2003, 39 (10): 1025-1031.

[7]王建国,王红缨,唐俊武. 拉伸-蠕变-循环复合加载试验研究[J]. 物理测试,1991(5):39.

[8]陈国良,郭宏,孙继跃,等. 耐热钢12Cr1MoV蠕变性能的描述和外推[J]. 北京科技大学学报,1997(2):157-160.

[9]李学雄,夏长清,戚延龄,等. TC6钛合金的高温拉伸蠕变行为研究[J]. 稀有金属材料与工程,2013(9):1901-1904.

[10]陈宇强,潘素平,刘文辉,等. 析出相对Al-Cu-Mg合金蠕变行为的影响[J]. 中国有色金属学报,2015(4):900-909.

[11]Vacchieri E. Review: Creep-fatigue interaction testing and damage assessment for high temperature materials [J]. Reference Module in Materials Science and Materials Engineering, 2016.

[12]Guguloth K, Swaminathan J, Roy N,etal. Uniaxial creep and stress relaxation behavior of modified 9Cr-1Mo steel [J]. Mater Sci Eng, 2017, 684; 683-696.

[13]刘晓燕，赵西成，杨西荣，等. 超细晶/纳米晶金属材料的蠕变行为研究进展 [J]. 稀有金属, 2016, 40(12): 1282-1291.