新型恒應(yīng)力蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)裝置研制及應(yīng)用

趙　艷，　管建軍，　劉　峰，　梁　平

(遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001)

0　引　言

材料的蠕變性能是研究和評(píng)定材料性能的重要技術(shù)指標(biāo)[1-3]。蠕變?cè)囼?yàn)通常是在恒定溫度、恒定載荷下進(jìn)行的。GB/T2039-1997金屬拉伸蠕變及持久試驗(yàn)方法概述的試驗(yàn)原理是將試樣加熱至規(guī)定溫度，沿試樣軸線方向施加恒定拉伸力，將試樣拉至規(guī)定變形量或者斷裂，測(cè)定其蠕變或持久性能[4]。在研究金屬材料蠕變性能時(shí)，恒應(yīng)力加載是技術(shù)關(guān)鍵。

所謂恒應(yīng)力，就是在試樣受載而發(fā)生變形的任何時(shí)刻，試樣上單位面積的內(nèi)應(yīng)力恒定不變[5-6]。當(dāng)前多數(shù)金屬的蠕變?cè)囼?yàn)要求保持恒應(yīng)力[7-10]。金屬材料蠕變性能試驗(yàn)是長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的試驗(yàn)，在高溫工作期間，通常受到靜態(tài)應(yīng)力和循環(huán)應(yīng)力的共同作用，實(shí)際變形過(guò)程各不相同[11-13]，這對(duì)試驗(yàn)設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間的恒應(yīng)力加載提出了要求。為提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，按通用標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)工程人才，強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力，實(shí)驗(yàn)室研制新型恒應(yīng)力蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)，開(kāi)設(shè)與科研前沿相關(guān)的材料類(lèi)專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)，將新技術(shù)與檢測(cè)方法相結(jié)合，為學(xué)生將來(lái)的工作和繼續(xù)科研儲(chǔ)備知識(shí)和技能。

新型恒應(yīng)力蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)保留了傳統(tǒng)蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)機(jī)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?cè)嚇邮冀K受到恒定應(yīng)力，也實(shí)現(xiàn)了更精確的測(cè)量金屬材料試樣在規(guī)定溫度、恒定應(yīng)力下蠕變性能。本文介紹了新型恒應(yīng)力蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)及測(cè)試方法，對(duì)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算，分析了裝置的可靠性，測(cè)試了材料的蠕變曲線。

1　裝置結(jié)構(gòu)及測(cè)試方法

恒應(yīng)力蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，裝置實(shí)物圖如圖2所示(2臺(tái))。圖中，軸套12固定在載荷曲臂26上，載荷曲臂26繞轉(zhuǎn)軸13轉(zhuǎn)動(dòng)。載荷曲臂的水平段加工內(nèi)螺紋，水平配重桿1，水平配重砣2通過(guò)螺母10、11緊固，可在水平配重桿上左右移動(dòng)。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(dòng)，使鋼絲繩14完全貼合在軸套12上，通過(guò)鋼絲繩14對(duì)試樣8進(jìn)行加載。鋼絲繩14另一端通過(guò)螺母15與加熱爐7中的試樣8上端固定。試樣8下端通過(guò)螺母25限定在底座9的橫梁24上。形變測(cè)量桿18、形變測(cè)量筒19、形變測(cè)量筒夾20通過(guò)螺母16相互連接，與地面垂直，利用形變測(cè)量桿18與形變測(cè)量筒19的位移差來(lái)確定試樣的蠕變變形量。試樣8變形伸長(zhǎng)帶動(dòng)形變測(cè)量桿18在形變測(cè)量筒19中向上移動(dòng)，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(zhuǎn)軸，14-鋼絲繩，15-螺母，16-螺母，17-試樣夾，18-形變測(cè)量桿，19-形變測(cè)量筒，20-形變測(cè)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(yīng)力蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　恒應(yīng)力蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)實(shí)物圖

2　裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

假設(shè)試樣均勻變形，則在試樣上的均布軸向應(yīng)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(guò)程中保持體積不變，則有：A(t)L(t)=A0L0，其中：L(t)為試樣的長(zhǎng)度；A0、L0為試樣的初始截面積和初始長(zhǎng)度，要求恒應(yīng)力，

dσ(t)/dt=0

(1)

即：

簡(jiǎn)化有：

上式移項(xiàng)后兩邊積分有：

lnF=-lnL+lnL0+lnF0

(2)

對(duì)于所設(shè)計(jì)的加載支架，應(yīng)用杠桿定理得到如下關(guān)系式：

F(t)·R=G·δG(t)

(3)

式中：R為試樣軸力相對(duì)于支點(diǎn)的力臂，在試驗(yàn)過(guò)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(yàn)過(guò)程中保持為常量；δG為載荷的力臂，在試驗(yàn)過(guò)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(guān)系式：

lnδG=-lnL+lnL0+lnF0-ln(G/R)

(4)

設(shè)試驗(yàn)過(guò)程中支架軸承的轉(zhuǎn)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(dāng)θ0為零時(shí)，通過(guò)杠桿定理計(jì)算得到。

設(shè)加載支架載荷側(cè)上表面的曲線方程為Q(x,y)，以軸承中心為坐標(biāo)原點(diǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)角為θ時(shí)，設(shè)加載載荷在表面上的作用點(diǎn)坐標(biāo)為(xθ,yθ)，在該點(diǎn)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(duì)于不考慮摩擦的系統(tǒng)，試驗(yàn)過(guò)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(guān)系式：

有：

dyθ/dθ=δG=xθ

(9)

式(6)～(9)聯(lián)立即可求得xθ，yθ，Q(x,y)。

3　裝置可靠性控制與數(shù)據(jù)采集

(1) 開(kāi)始試驗(yàn)前，對(duì)水平和垂直的配重進(jìn)行調(diào)整，提高試驗(yàn)時(shí)對(duì)試樣加載應(yīng)力的穩(wěn)定性。

(2) 開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)，將試樣夾持于試樣夾上，對(duì)加熱爐進(jìn)行通電，加熱燈絲電極套置于加熱燈絲的端部，達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)開(kāi)始保持溫度不變。

(3) 在加載曲臂上通過(guò)鋼絲繩進(jìn)行加載，鋼絲繩連接載荷曲臂與試驗(yàn)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(zhǎng)度1 m。

(4) 金屬試樣在一定溫度發(fā)生蠕變?cè)囼?yàn)時(shí)，載荷曲臂將發(fā)生一定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，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(qū)最小截面積的改變而改變，使試樣上應(yīng)力恒定。

(5) 轉(zhuǎn)軸通過(guò)固體潤(rùn)滑油實(shí)現(xiàn)充分潤(rùn)滑效果，保證曲臂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦力在允許誤差范圍內(nèi)，提高恒應(yīng)力蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間的可靠性和安全性。

(6) 形變測(cè)量機(jī)構(gòu)由形變測(cè)量桿、形變測(cè)量筒及形變測(cè)量筒夾構(gòu)成，當(dāng)試樣發(fā)生蠕變變形時(shí)，試樣通過(guò)形變?cè)嚇訆A帶動(dòng)測(cè)量桿在形變測(cè)量筒中發(fā)生移動(dòng)，其位移量即為試樣的變形量，可直觀測(cè)得蠕變變形量。

(7) 恒應(yīng)力蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)與計(jì)算機(jī)相連，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，可測(cè)量位移-時(shí)間關(guān)系曲線。

4　數(shù)據(jù)測(cè)量與分析

實(shí)驗(yàn)以GH4169合金為材料，溫度為660 ℃，載荷為660 MPa和770 MPa，在新型恒應(yīng)力蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)上測(cè)試其蠕變性能，測(cè)得的位移和時(shí)間關(guān)系曲線如圖3所示。從圖中可以看出，隨著應(yīng)力的升高，斷裂時(shí)間呈減小的趨勢(shì)。整個(gè)測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)單直觀，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解。

5　結(jié)　語(yǔ)

(1) 設(shè)計(jì)了一種新型恒應(yīng)力蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)，該裝置利用杠桿原理，加載力臂采用曲臂的形式，對(duì)加熱爐中的試樣進(jìn)行間接加載。蠕變?cè)囼?yàn)時(shí)，載荷曲臂發(fā)生一定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，使試樣上應(yīng)力恒定，形變測(cè)量桿可直觀測(cè)得蠕變變形量。

圖3GH4169合金在660 ℃和不同應(yīng)力下的蠕變曲線

(2) 通過(guò)對(duì)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，分析了設(shè)計(jì)裝置的可靠性。以GH4169合金為材料進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單直觀，數(shù)據(jù)能夠清晰呈現(xiàn)。

(3) 該裝置既可用于學(xué)生材料力學(xué)性能測(cè)試的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，也有利于科研工作的開(kāi)展，為提升學(xué)生的創(chuàng)新思維和探索性意識(shí)提供了實(shí)驗(yàn)技術(shù)保障。

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