一种腐蚀及高温环境下的低周疲劳试验装置及方法

摘要

本发明公开一种腐蚀及高温环境下的低周疲劳试验装置及方法，包括：应变测量装置，加热系统以及循环冷却系统；应变测量装置包括上连接板、上应变感应柱、下连接板、下应变感应柱以及引伸计；试样的上端穿过上连接板和上冷却盘，并与上冷却盘和上连接板固定连接；试样的下端穿过腐蚀锅、加热炉、下连接板和下冷却盘，并与下连接板和下冷却盘固定连接；上应变感应柱的一端固定在上连接板上，下应变感应柱一端固定在下连接板上，上应变感应柱的另一端和下应变感应柱的另一端相对齐；引伸计通过橡皮筋分别固定在上应变感应柱以及下应变感应柱上。本发明克服了引伸计无法在腐蚀以及高温环境下使用的难题，操作简便灵活，安全可靠，成本低，测量精度高。

说明书

技术领域：

本发明属于材料性能测试及材料应变测量技术领域，特别涉及一种腐蚀及高温环境下的 低周疲劳试验装置及方法。

背景技术：

低周疲劳是材料在高应力循环作用下的疲劳，其疲劳寿命较短。低周疲劳问题涉及的范 围十分广泛，如化工压力容器、航空发动机、核压力容器和管道中都严重存在着低周疲劳问题， 因此对低周疲劳的研究有着广泛的应用。引伸计是低周疲劳试验机的重要部件，通过引伸计可 以控制试样在试验过程中的变形量，具有精度高、可靠性高、灵敏度高的特点。但是由于引伸 计是精密部件，在环境恶劣的腐蚀及高温条件下其金属部件容易腐蚀，变形，从而影响各类信 号的传递和输出，并且损坏。因此腐蚀及高温环境下的低周疲劳比较难以实现。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种腐蚀及高温环境下的低周疲劳试验装置及方法，以克服引伸 计无法在腐蚀以及高温环境下使用的难题，本发明装置操作简便灵活，安全可靠，成本低，测 量精度高，具有很高的应用价值。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种腐蚀及高温环境下的低周疲劳试验装置，包括：应变测量装置，加热系统以及循环 冷却系统；应变测量装置包括上连接板、上应变感应柱、下连接板、下应变感应柱以及引伸计； 试样的上端穿过上连接板和上冷却盘，并与上冷却盘和上连接板固定连接；试样的下端穿过腐 蚀锅、加热炉、下连接板和下冷却盘，并与下连接板和下冷却盘固定连接；上应变感应柱的一 端固定在上连接板上，下应变感应柱一端固定在下连接板上，上应变感应柱的另一端和下应变 感应柱的另一端相对齐；引伸计通过橡皮筋分别固定在上应变感应柱以及下应变感应柱上；腐 蚀锅位于加热炉内；加热系统包括腐蚀锅和加热炉；循环冷却系统，用于降低加热时应变测量 装置的温度。

本发明进一步的改进在于：上冷却盘、上连接板、下冷却盘和下连接板平行设置，且腐 蚀锅和加热炉设置于上连接板与下连接板之间。

本发明进一步的改进在于：试样的上端通过两个螺母与试样上端的外螺纹相配合，将试 样的上端、上连接板和上冷却盘固定连接；试样的下端通过两个螺母与试样下端的外螺纹相配 合，将试样下端、腐蚀锅、加热炉、下连接板和下冷却盘固定连接。

本发明进一步的改进在于：加热炉上设置加热炉上盖；加热炉上盖上设有供试样穿过的 试样插孔、用于安装热电偶的热电偶插孔；热电偶插孔中安装有热电偶。

本发明进一步的改进在于：腐蚀锅的底部与试样之间设有密封圈；加热炉上盖上还设有 导气管插孔，导气管插孔中安装有导气管。

本发明进一步的改进在于：加热炉的电源线以及热电偶与PID控制器相连，实现对加热 炉温度的控制。

本发明进一步的改进在于：上冷却盘、下冷却盘中通有冷却水，上冷却盘和下冷却盘上 设置的上循环水管以及下循环水管与低压循环水泵相连，实现冷却水的循环。

本发明进一步的改进在于：上连接板上设有供上应变感应柱穿过的第一应变感应柱插孔， 下连接板上设有供下应变感应柱穿过的第二应变感应柱插孔；第一应变感应柱插孔和第二应变 感应柱插孔具有用于调节上应变感应柱和下应变感应柱水平位置的调节空间。

本发明进一步的改进在于：上应变感应柱和下应变感应柱之间的间距为1～2mm。

一种腐蚀及高温环境下的低周疲劳试验方法，包括以下步骤：

首先，对试样进行低周疲劳试验，测定不同的试验初始应变条件下试样所承受的载荷；

其次，将腐蚀及高温环境下的低周疲劳试验装置安装好后，测量上连接板和下连接板之 间的距离S；建立四分之一轴对称模型，使用模拟软件模拟试样在不同载荷条件下的应变，然 后统计S/2及L/2处试样的应变，确定试样两端距中心S/2处总的应变与试验初始应变的对应 关系；最后，在试验过程中，应变参数控制使用模拟所得的试验初始应变所对应的试样两端距 中心S/2处总的应变值，数据处理时，使用与试样两端距中心S/2处总的应变所对应的试验初 始应变；其中L为引伸计标距。

本发明测量的应变不是被测试样中间部分的应变；当试样的尺寸以及试验装置的安装部 位确定后，通过有限元模拟试样应变，然后统计引伸计标距间试样的应变以及应变测量装置上 连接板及下连接板间试样的应变，确定之间的对应关系；在试验的过程中，参数设定为应变测 量装置间的应变；之后进行数据处理时，按照对应关系，将应变测量装置间的应变转化为引伸 计标距间的应变。

本发明试验方法，首先使用低周疲劳试验的方法，测得不同应变下试样所受到的最大载 荷，然后使用数值模拟的方法测得不同应变条件下距试样中心一定距离下试样的应变值，使用 此应变值作为腐蚀及高温环境下的低周疲劳试验的试验参数。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明实验装置功能全面，可以实现腐蚀环境下，高温环境下，高温腐蚀环境下的低周疲 劳试验。

本发明实验装置结构简单，安装方便，成本低，使用寿命长，高温腐蚀环境下，通过导 气管将腐蚀气体排除，避免了腐蚀气体对机器的腐蚀；同时通过循环冷却系统将应变测量装置 的温度控制在一定范围内，可以实现较高温度下的低周疲劳试验。

本发明试验方法简单，通过有限元模拟，本发明可以保证试验结果的准确性。

附图说明

图1是本发明腐蚀及高温环境下低周疲劳试验装置的系统示意图。

图2是进行高温低周疲劳试验时使用的加热炉上盖的示意图。

图3是进行高温腐蚀低周疲劳试验时使用的加热炉上盖的示意图。

图4是上下连接板示意图。

图5是加热炉及腐蚀锅示意图。

图6是模拟标定时的标定位置（距试样中心）示意图。

图7是实施例1中高温腐蚀环境下材料的低周疲劳S-N曲线图。

图8是实施例2中高温环境下材料的低周疲劳S-N曲线图。

其中，1、上冷却盘；2、循环水管；3、热电偶；4、螺母；5、试样；6、上连接板；7、 加热炉上盖；8、腐蚀锅；9、加热炉；10、螺母；11、上应变感应柱；12、引伸计；13、下冷 却盘；14、循环水管；15、密封圈；16、螺母；17、下连接板；18、电源线；19、螺母；20、 下应变感应柱；21、热电偶插孔；22、试样插孔；23、导气管；24、导气管插孔；25、试样插 孔；26、应变感应柱插孔；27、试样插孔；28、加热炉底盖。

具体实施方式：

请参阅图1至图8所示，本发明一种腐蚀及高温环境下的低周疲劳试验装置，包括：应 变测量装置，加热系统以及循环冷却系统。

应变测量装置由上连接板6，上应变感应柱11，下连接板17，下应变感应柱20以及引伸 计12组成；试样5穿过上冷却盘1和上连接板6，通过螺母4以及试样5上面的螺纹连接固 定在一起；试样5穿过下冷却盘13，下连接板17，加热炉9，腐蚀锅8以及密封圈15，通过 螺母16以及试样5上面的螺纹连接固定在一起；上应变感应柱11穿过上连接板6，通过螺母 10及其上面的螺纹固定一起；下应变感应柱20穿过下连接板17，通过螺母19及其上面的螺 纹固定一起；引伸计12通过橡皮筋分别固定在上应变感应柱11以及下应变感应柱20上。

加热系统由腐蚀锅8，加热炉9，热电偶3，加热炉上盖7以及电源线18组成。

循环冷却系统由上冷却盘1，下冷却盘12，循环水管2以及循环水管14组成。

加热系统通过电源线18以及热电偶3与PID控制器相连，实现对加热炉温度的控制。

循环冷却系统，上冷却盘1、下冷却盘13中通有冷却水，通过循环水管2以及循环水管 14与低压循环水泵相连，实现冷却水的循环，继而降低加热时应变测量装置的温度。

应变感应装置，下连接板17的应变感应柱插孔26的直径大于下应变感应柱20的直径， 便于调节下应变感应柱20的水平位置，使上应变感应柱11和下应变感应柱20对齐。

应变测量装置测量的应变不是被测试样中间部分的应变；当试样的尺寸以及试验装置的 安装部位确定后，通过有限元模拟试样应变，然后统计引伸计标距间试样的应变以及应变测量 装置上连接板6及下连接板17间试样的应变，确定之间的对应关系；在试验的过程中，参数 设定为应变测量装置间的应变；之后进行数据处理时，按照对应关系，将应变测量装置间的应 变转化为引伸计标距间的应变。

上述加热系统，当进行高温低周疲劳试验时，使用如图2所示的加热炉上盖7，并且不安 装密封圈15；当进行高温腐蚀低周疲劳试验时，使用如图3所示的加热炉上盖7，其特征在于 在加热炉上盖7上多开了一个孔，将其内的腐蚀性气体通过导气管23引出，防止腐蚀性气体 溢出后对机器造成腐蚀。

本发明实验装置可以通过改变加热系统及循环冷却系统使其适用于不同的温度环境。

本发明中，上冷却盘1、上连接板6、上应变感应柱11、下冷却盘13、下连接板1和下 应变感应柱20为304奥氏体不锈钢。加热炉上盖7及加热炉9的外壳为铝。加热炉底盖28 为304奥氏体不锈钢，使用粘结剂与加热炉9的炉体相连。密封圈15为“0”型密封圈。循环 水管2，14以及导气管23为塑料软管。试验装置中所用的螺母均为不锈钢。

本发明一种腐蚀及高温环境下的低周疲劳试验装置的安装：将试样5依次穿过下冷却盘 13，下连接板17，加热炉9，腐蚀锅8，如果腐蚀锅8内要装腐蚀液，则将密封圈15套入试 样5，紧挨腐蚀锅8的锅底，使用两个螺母16将下冷却盘13，下连接板17，加热炉9，腐蚀 锅8，密封圈15以及试样5固定在一起。试样5的上部依次穿过加热炉上盖7中心的试样插 孔22、上连接板6和上冷却盘1，通过两个螺母4将试样5、上连接板6和上冷却盘1固定在 一起。将热电偶3插入加热炉上盖7中的热电偶插孔21。若腐蚀锅8内装腐蚀液，则将导气 管23插入加热炉上盖7中的导气管插孔24。将上应变感应柱11插入上连接板6的应变感应 柱插孔26，使用两个螺母10将上应变感应柱11和上连接板6固定在一起，将下应变感应柱 20插入下连接板17的应变感应柱插孔26中，使用两个螺母19将下应变感应柱20和下连接 板17固定在一起。调节螺母10与上应变感应柱11，使上应变感应柱11和下应变感应柱20 的间隙在1～2mm之间，调节下应变感应柱20的水平位置，使下应变感应柱20与上应变感应 柱11对齐。使用橡皮筋将引伸计12固定在上下应变感应柱11，20上。

为了保证腐蚀及高温环境下的低周疲劳试验的准确性，在第一次使用时应进行应变标定。 本发明一种腐蚀及高温环境下的低周疲劳试验装置的实验方法，包括以下步骤：

首先，进行低周疲劳试验，测定不同的试验初始应变条件下试样所承受的载荷；其次， 腐蚀及高温环境下的低周疲劳试验装置安装好后，测量应变测量装置中上连接板6和下连接板 17之间的距离S。建立四分之一轴对称模型，使用模拟软件Abaqus模拟试样在不同载荷条件 下的应变，然后统计如图6所示的S/2及L（引伸计标距）/2处试样的应变，确定试样两端距 中心S/2处总的应变与试验初始应变的对应关系；最后，在试验过程中，应变参数控制使用模 拟所得的试验初始应变所对应的试样两端距中心S/2处总的应变值，数据处理时，使用与试样 两端距中心S/2处总的应变所对应的试验初始应变。

实施例1：

本实例是在80℃质量分数为40%的MgCl₂溶液中进行的。使用如图3所示的加热炉上盖 7，可以将产生的腐蚀气体通过导气管23导出，避免腐蚀气体溢出对机器产生腐蚀。本实例中 的试验装置可以满足室温到300℃条件下的低周疲劳试验。

本实例中，试验装置安装完成后，需要进行应变标定。在本实例中上连接板6和下连接 板17之间的距离S为110mm，上下连接板6、17距试样中心各为55mm。首先，测定不同应 变条件下试样所受到的负荷值；建立四分之一轴对称模型，使用模拟软件模拟试样在不同载荷 条件下的应变，然后统计如图6所示的S/2及L/2处试样的应变，本实例要求试样中心部分的 应变要求如表1所示。

表1试验初始应变条件

统计不同载荷条件下试样S/2处的应变值，将统计的结果乘以2，获得试样两端距中心 S/2处总的应变值。最终的统计结果及其对应的试验初始应变如表2所示。

表2模拟应变及其与试验初始应变的对应关系

试验过程中应变参数使用模拟应变，进行数据处理时，按照表2的对应关系将模拟应变 转化为试验初始应变。最终的试验结果如附图7所示。由附图7中可以看出试验结果符合材料 疲劳规律，能够反映出该材料在80℃质量分数为40%的MgCl₂溶液中的低周疲劳性能。

实施例2

本实例是在180℃空气介质中进行，由于没有腐蚀液，所以腐蚀锅底部不需要密封，不 安装密封圈15，使用如图2所示的加热炉上盖7，试验装置其余部分与实施例1相同。

本实例中上连接板6和下连接板17之间的距离S为110mm，上下连接板6、17距试样 中心各为55mm。因此使用实施例1中的模拟结果进行试验。最终的试验结果如附图8所示。 由附图8中可以看出试验结果符合材料疲劳规律，能够反映该材料在180℃空气介质中的低周 疲劳性能。