一种高温液态铅铋环境中的疲劳试验装置及使用方法

摘要

本发明涉及疲劳试验领域，具体是一种高温液态铅铋环境中的疲劳试验装置及使用方法，适用于疲劳试样在液态铅铋环境中疲劳性能和蠕变性能测试。该装置包括疲劳试验机、加载轴、试样架、疲劳试样、支撑杆、疲劳釜、加热器、应变测量系统、溶解氧电极、导通管、储存釜，在疲劳釜、储存釜、导通管＞250℃时，通过往储存釜进气管通高纯氩气或高纯氮气，使储存釜中液态铅铋合金流入疲劳釜中，通过往疲劳釜进气管通高纯氩气或高纯氮气，使疲劳釜中液态铅铋合金流入储存釜中，实现高温液态铅铋合金在疲劳釜与储存釜中的相互转移。本发明能够精确控制液态铅铋合金的温度、应变速率、载荷等试验参数，评价金属材料在高温液态铅铋环境中的疲劳性能。

说明书

技术领域

本发明涉及疲劳试验领域，具体是一种高温液态铅铋环境中的疲劳试验装置及使用方法，适用于疲劳试样在液态铅铋环境中疲劳性能和蠕变性能测试。

背景技术

由于沸点高及不与水或空气发生反应放热，且嬗变能力强和中子经济性优异，铅或铅铋共晶是第四代商用铅冷快堆和加速器驱动先进核能系统以及未来空间堆和小堆等特殊堆型的首选冷却剂，具有广泛的应用前景，是当前国际研究热点。铅铋堆的运行温度高达450～550℃，其设备材料的服役性能与安全是关键。金属材料在高温液态铅铋环境中的腐蚀性能是限制铅冷快堆发展的关键问题之一。服役于第四代铅冷快堆中的结构材料，不仅遭受液态铅铋腐蚀，同时在服役过程中会承受载荷，力学化学交互作用可能加速材料失效，有必要研究结构材料在液态铅铋环境中的力学性能。在疲劳载荷作用下，金属材料在液态铅铋环境中的疲劳寿命可能显著下降，断口上出现准解理开裂形貌，表现出液态金属脆化特征。然而，相关试验技术尚不成熟。基于此，本发明研制了一种高温液态铅铋环境中的疲劳试验装置及使用方法，可用于开展金属材料在液态铅铋环境中的疲劳行为研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温液态铅铋环境中的疲劳试验装置及使用方法，实现金属材料在高温液态铅铋环境中的疲劳行为研究，评价金属材料在液态铅铋环境中的力学行为与脆化损伤行为。

本发明的技术方案是：

一种高温液态铅铋环境中的疲劳试验装置，该装置包括：疲劳试验机、加载轴、试样架、疲劳试样、支撑杆、疲劳釜、加热器、应变测量系统、溶解氧电极、导通管、储存釜，具体结构如下：

两根立柱相对平行设置，横梁安装在两根立柱上，疲劳试验机固定安装于横梁上，横梁底部通过两个竖向的支撑杆与疲劳釜釜盖连接；疲劳釜为上下设置的疲劳釜釜盖、疲劳釜釜体之间通过螺栓连接构成；疲劳釜釜体的外侧包裹加热器，疲劳釜釜体内腔中设置凹槽形试样架，凹槽形试样架的上端安装在疲劳釜釜盖的底部，疲劳试样沿竖向设置于试样架内；铅铋合金放置在疲劳釜或储存釜中，疲劳釜与储存釜的内腔底部通过导通管连接，储存釜和导通管的外侧包裹加热器；

疲劳釜釜盖上设置加载轴通孔、线性差动可变电压位移传感器安装口、溶解氧电极安装口、疲劳釜进气管、疲劳釜出气管，其中：疲劳试验机输出端的加载轴穿过横梁、疲劳釜釜盖与疲劳釜釜体内疲劳试样的上端连接；疲劳试样的下端通过连接件与凹槽形试样架的内底部连接，疲劳试样的上下两个标距段分别通过位移传递杆与应变测量系统的两个线性差动可变电压位移传感器连接；溶解氧电极的上端伸至疲劳釜釜盖的上方，溶解氧电极的下端穿过疲劳釜釜盖伸至疲劳釜釜体内腔中部。

所述的高温液态铅铋环境中的疲劳试验装置，在加载轴通孔处，加载轴与疲劳釜釜盖之间通过O型圈密封。

所述的高温液态铅铋环境中的疲劳试验装置，疲劳釜釜体与疲劳釜釜盖之间放置紫铜垫圈，通过螺栓连接实现密封。

所述的高温液态铅铋环境中的疲劳试验装置，控制柜与疲劳试验机、疲劳釜加热器及热电偶、储存釜加热器及热电偶、导通管加热器及热电偶连接，实现对疲劳试验机的控制，以及疲劳釜、储存釜、导通管的加热器温度控制，并采集试验数据。

所述的高温液态铅铋环境中的疲劳试验装置，两个线性差动可变电压位移传感器安装于疲劳釜釜盖上，两根位移传递杆分别装配在疲劳试样标距段两端，并插入线性差动可变电压位移传感器中；线性差动可变电压位移传感器通过线路与控制柜连接，通过控制柜采集线性差动可变电压位移传感器的信号，两个线性差动可变电压位移传感器的信号差值即为疲劳试样标距段应变。

所述的高温液态铅铋环境中的疲劳试验装置，疲劳釜进气管的一端伸至疲劳釜釜盖的外侧，疲劳釜进气管另一端穿过疲劳釜釜盖上的通道伸至疲劳釜釜体内腔的下部；疲劳釜出气管的一端伸至疲劳釜釜盖的外侧，疲劳釜出气管另一端穿过疲劳釜釜盖上的通道伸至疲劳釜釜体内腔的上部。

所述的高温液态铅铋环境中的疲劳试验装置，疲劳试验机为U型结构，疲劳试验机拥有载荷控制模式、位移控制模式或应变控制模式，能实现三角波、正弦波、梯形波或组合波形功能。

所述的高温液态铅铋环境中的疲劳试验装置的使用方法，具体步骤如下：

(1)将铅铋合金放入储存釜中；

(2)利用擦拭纸将储存釜釜体以及储存釜釜盖密封面擦干净，将紫铜垫圈擦干净后放入储存釜釜体顶部的密封槽中，将储存釜釜盖安置在储存釜釜体上；

(3)打开疲劳试验机，疲劳试验机调整为位移控制模式；

(4)将疲劳试样放置于疲劳釜中试样架上，将疲劳机控制模式变化为载荷控制，载荷大小调节至1～2kN，固定疲劳试样；

(5)利用擦拭纸将疲劳釜釜体以及疲劳釜釜盖密封面擦干净，将紫铜垫圈擦干净后放入疲劳釜釜体顶部的密封槽中，将疲劳釜釜盖安置在疲劳釜釜体上；

(6)分别从储存釜进气管、疲劳釜进气管往相应的釜体内充惰性气体，将釜体内空气排除，釜体内部处于惰性气体保护状态；

(7)在控制柜上设置目标温度，推荐储存釜和导通管的初始目标温度为250℃±10℃，疲劳釜目标温度为200℃，开始升温，达到目标温度值后保持20～40分钟，使储存釜中铅铋合金完全融化；

(8)将高纯氩气接入储存釜进气管，打开储存釜进气管阀门、关闭储存釜出气管阀门，关闭疲劳釜进气管阀门、打开疲劳釜出气管阀门；

(9)开始往储存釜中吹入高纯氩气，通过气压将液态铅铋合金经由导通管进入疲劳釜中；

(10)待疲劳釜中液态铅铋合金完全浸泡疲劳试样后，关闭储存釜进气管阀门同时保持出气管阀门关闭，关闭疲劳釜出气管阀门同时保持进气管阀门关闭；

(11)将疲劳釜温度降低至180℃±10℃；

(12)将溶解氧电极在150～200℃的温度预热20～40分钟之后，将溶解氧电极完全插入液态铅铋合金中；将溶解氧电极与高精度电压表连接，实时测量及采集液态铅铋合金中的溶解氧值；

(13)开始将疲劳釜升温至目标值，并保温30～60min；

(14)在疲劳试验机上输入试验参数；

(15)在疲劳试验机上将载荷调节至0N，并将位移相对清零；

(16)点击开始，开始疲劳试验；

(17)当疲劳试验进行到100～500周之后，设置疲劳试验停止条件，当峰值拉应力下降至最大峰值拉应力的75％时停止试验；

(18)试验结束后，保存疲劳实验数据；

(19)开始降温，当温度下降至250℃±10℃时，取出溶解氧电极，之后迅速拧紧卡套保持釜体密封性；

(20)将高纯氩气接入疲劳釜进气管，打开储存釜出气管阀门、保持进气管阀门关闭，打开疲劳釜进气管阀门、保持出气管阀门关闭；

(21)开始往疲劳釜中吹入高纯氩气，速率控制为0.1～1L/min，通过气压将液态铅铋合金经由导通管进入储存釜中；

(22)将储存釜、疲劳釜和导通管降温至室温，打开疲劳釜，拆卸试样并妥善保存；

(23)盖上疲劳釜釜盖，试验结束。

所述的高温液态铅铋环境中的疲劳试验装置的使用方法，在疲劳釜、储存釜、导通管的温度＞250℃时，通过往储存釜进气管通高纯氩气或高纯氮气，使储存釜中液态铅铋合金流入疲劳釜中，通过往疲劳釜进气管通高纯氩气或高纯氮气，使疲劳釜中液态铅铋合金流入储存釜中，能实现高温液态铅铋合金在疲劳釜与储存釜中的相互转移。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明提供一种高温液态铅铋环境中的疲劳试验装置及使用方法，试验装置包括疲劳试验机、疲劳釜、试样架、疲劳试样、应变测量系统、支撑杆、储存釜、导通管、控制柜、加热器、铅铋合金等，能够开展疲劳试样在高温液态铅铋环境中的疲劳试验，并实时记录采集温度、溶解氧浓度、位移、载荷、应变等试验参数，可用于评价金属材料在高温液态铅铋环境中的疲劳性能。

2、本发明装置通过导通管连接疲劳釜与储存釜，实现高温液态铅铋在疲劳釜与储存釜之间的转移，方便在常温空气中装卸疲劳试样，操作简单方便且不接触铅铋蒸汽。

附图说明

图1为本发明的装置结构图。图中：1、疲劳试验机；2、加载轴；3、试样架；4、疲劳试样；5、支撑杆；6、疲劳釜；7、疲劳釜釜盖；8、疲劳釜釜体；9、加热器；10、应变测量系统；11、溶解氧电极；12、O型圈；13、疲劳釜进气管；14、疲劳釜出气管；15、导通管；16、储存釜；17、储存釜进气管；18、储存釜出气管；19、控制柜；20、横梁；21、立柱。

具体实施方式

如图1所示，本发明高温液态铅铋环境中的疲劳试验装置，该装置包括：疲劳试验机1、加载轴2、试样架3、疲劳试样4、支撑杆5、疲劳釜6、疲劳釜釜盖7、疲劳釜釜体8、加热器9、应变测量系统10、溶解氧电极11、O型圈12、疲劳釜进气管13、疲劳釜出气管14、导通管15、储存釜16、储存釜进气管17、储存釜出气管18、控制柜19、铅铋合金等，具体结构如下：

两根立柱21相对平行设置，横梁20安装在两根立柱21上，疲劳试验机1固定安装于横梁20上，横梁20底部通过两个竖向的支撑杆5与疲劳釜釜盖7连接；疲劳釜6为上下设置的疲劳釜釜盖7、疲劳釜釜体8之间通过螺栓连接构成，疲劳釜釜体8与疲劳釜釜盖7之间放置紫铜垫圈，通过拧紧螺栓实现密封；疲劳釜釜体8的外侧包裹加热器9，疲劳釜釜体8内腔中设置凹槽形试样架3，凹槽形试样架3的上端安装在疲劳釜釜盖7的底部，疲劳试样4沿竖向设置于试样架3内；控制柜19通过线路与所述加热器9(配套热电偶)连接，由控制柜19进行供电以及控温，实现疲劳釜釜体8内铅铋合金的温度控制；

疲劳釜釜盖7上设置加载轴通孔、线性差动可变电压位移传感器安装口、溶解氧电极安装口、疲劳釜进气管13、疲劳釜出气管14，其中：疲劳试验机1输出端的加载轴2穿过横梁20、疲劳釜釜盖7与疲劳釜釜体8内疲劳试样4的上端连接，在加载轴通孔处，加载轴2与疲劳釜釜盖7之间通过O型圈12密封；疲劳试样4的下端通过连接件与凹槽形试样架3的内底部连接，疲劳试样4的上下两个标距段分别通过位移传递杆与应变测量系统10的两个线性差动可变电压位移传感器(LVDT)连接，应变测量系统10能够原位测量疲劳试样4标距段在液态铅铋环境中的应变；两个线性差动可变电压位移传感器(LVDT)安装于疲劳釜釜盖7上(外侧)，两根位移传递杆分别装配在疲劳试样标距段两端，插入线性差动可变电压位移传感器(LVDT)中；利用控制柜采集LVDT信号，两个LVDT的差值即为疲劳试样标距段应变。溶解氧电极11的上端伸至疲劳釜釜盖7的上方，溶解氧电极11的下端穿过疲劳釜釜盖7伸至疲劳釜釜体8内腔中部。疲劳釜进气管13的一端伸至疲劳釜釜盖7的外侧，疲劳釜进气管13另一端穿过疲劳釜釜盖7上的通道伸至疲劳釜釜体8内腔的下部；疲劳釜出气管14的一端伸至疲劳釜釜盖7的外侧，疲劳釜出气管14另一端穿过疲劳釜釜盖7上的通道伸至疲劳釜釜体8内腔的上部。

铅铋合金放置在疲劳釜6或储存釜16中，疲劳釜6与储存釜16的内腔底部通过导通管15连接，储存釜16的外侧包裹加热器9(配套热电偶)，控制柜19通过线路与所述加热器9连接，由控制柜19进行供电以及控温，实现储存釜16内铅铋合金的温度控制；另外，导通管15的外侧也可以包裹加热器(配套热电偶)，控制柜19通过线路与所述加热器连接，由控制柜19进行供电以及控温。

将疲劳试样4安装在试样架3上，将铅铋合金安置在疲劳釜6或储存釜16中，利用控制柜19、加热器升温至目标值，即可开展金属材料在高温液态铅铋环境中疲劳行为研究。在疲劳釜6、储存釜16、导通管15的温度＞250℃时，通过往储存釜进气管17通高纯氩气或高纯氮气(体积纯度99.999％)，可使储存釜16中液态铅铋合金流入疲劳釜6中，通过往疲劳釜进气管13通高纯氩气或高纯氮气(体积纯度99.999％)，可使疲劳釜6中液态铅铋合金流入储存釜16中，能实现高温液态铅铋合金在疲劳釜6与储存釜16中的相互转移，方便在常温空气条件下装卸疲劳试样4。控制柜19与疲劳试验机1、疲劳釜加热器及热电偶、储存釜加热器及热电偶、导通管加热器及热电偶连接，实现对疲劳试验机1的控制，以及疲劳釜、储存釜、导通管的加热器温度控制，并采集试验数据。从而，能精确控制液态铅铋环境中的试验温度，试验装置保持密封，防止试验过程中铅铋蒸汽泄露，能够开展疲劳试样在液态铅铋环境中疲劳试验。

疲劳试验机1为U型结构(作动器上置，底部为钢板)，疲劳试验机拥有载荷控制、位移控制和应变控制模式，能实现三角波、正弦波、梯形波、组合波形等功能。

下面，通过实施例对本发明进一步详细阐述。

实施例

本实施例中，疲劳试样为316L不锈钢，在350℃液态铅铋环境中、饱和溶解氧浓度条件下的疲劳试验，应变速率为4×10

如图1所示，本发明装置可开展金属材料在液态铅铋环境中的慢疲劳以及蠕变试验研究，可实时控制/采集试验温度、液态铅铋合金中的溶解氧浓度、位移、载荷、应变等参数，其使用步骤如下：

(1)将适量铅铋合金放入储存釜中。

(2)利用擦拭纸将储存釜釜体以及储存釜釜盖密封面擦干净，将紫铜垫圈擦干净后放入储存釜釜体顶部的密封槽中，将储存釜釜盖安置在储存釜釜体上，利用扭力扳手拧紧主密封螺栓(按对角线逐步拧紧，每次增加50N·m)，推荐最大扭力为100～150N·m。

(3)打开疲劳试验机，疲劳试验机调整为位移控制模式，将加载轴调节至适当位置。

(4)将疲劳试样放置于疲劳釜中试样架上，将加载轴调节至适当位置，将疲劳机控制模式变化为载荷控制，载荷大小调节至1～2kN，固定疲劳试样。

(5)利用擦拭纸将疲劳釜釜体以及疲劳釜釜盖密封面擦干净，将紫铜垫圈擦干净后放入疲劳釜釜体顶部的密封槽中，将疲劳釜釜盖安置在疲劳釜釜体上，利用扭力扳手拧紧主密封螺栓(建议按对角线逐步拧紧，每次增加50N·m)，推荐最大扭力为100～150N·m。

(6)分别从储存釜进气管、疲劳釜进气管往相应的釜体内充惰性气体(高纯氩气或高纯氮气)，将釜体内空气排除，釜体内部处于惰性气体保护状态。

(7)在控制柜上设置目标温度，推荐储存釜和导通管的初始目标温度为约250℃(高于铅铋合金共晶熔点，使铅铋合金从固态转化成液态)，疲劳釜目标温度为200℃，开始升温，达到目标温度值后保持约30分钟，使储存釜中铅铋合金完全融化。

(8)将高纯氩气接入储存釜进气管，打开储存釜进气管阀门、关闭储存釜出气管阀门，关闭疲劳釜进气管阀门、打开疲劳釜出气管阀门。

(9)开始往储存釜中吹入高纯氩气，通过气压将液态铅铋合金经由导通管进入疲劳釜中，同时注意观察疲劳釜中的热电偶，当温度发生突变时，说明液态铅铋合金液面已达到安装热电偶的位置。

(10)待疲劳釜中液态铅铋合金完全浸泡疲劳试样后，关闭储存釜进气管阀门(同时保持出气管阀门关闭)，关闭疲劳釜出气管阀门(同时保持进气管阀门关闭)。

(11)将疲劳釜温度降低至约180℃。

(12)将溶解氧电极在180℃的温度预热30min之后，将溶解氧电极完全插入液态铅铋合金中，并拧紧卡套密封。将溶解氧电极与高精度电压表(精度为0.01mV)连接，实时测量及采集液态铅铋合金中的溶解氧值。

(13)开始将疲劳釜升温至目标值，并保温60min。

(14)在疲劳试验机上输入试验参数(位移幅、频率、波形)。

(15)在疲劳试验机上将载荷调节至0N，并将位移相对清零。

(16)点击开始，开始疲劳试验。

(17)当疲劳试验进行到300周之后，设置疲劳试验停止条件，一般设置为当峰值拉应力下降至最大峰值拉应力的75％时停止试验。

(18)试验结束后，保存疲劳实验数据(位移、载荷、时间等)。

(19)开始降温，当温度下降至约250℃时(禁止降温至铅铋合金共晶凝固点，以防损坏溶解氧电极)，取出溶解氧电极，之后迅速拧紧卡套保持釜体密封性。

(20)将高纯氩气接入疲劳釜进气管，打开储存釜出气管阀门(保持进气管阀门关闭)，打开疲劳釜进气管阀门(保持出气管阀门关闭)。

(21)开始往疲劳釜中吹入高纯氩气，速率控制为0.1～1L/min，通过气压将液态铅铋合金经由导通管进入储存釜中，同时注意观察储存釜中的热电偶，当温度发生突变时，说明液态铅铋合金液面已达到安装热电偶的位置，排尽储存釜中的液态铅铋合金。

(22)将储存釜、疲劳釜和导通管降温至室温，打开疲劳釜，拆卸试样并妥善保存。

(23)盖上疲劳釜釜盖，试验结束。

实施例结果表明，本发明能够精确控制液态铅铋合金的温度、应变速率、载荷等试验参数，评价金属材料在高温液态铅铋环境中的疲劳性能。