测试超高温环境中试样蠕变性能的装置及测试方法
【专利摘要】本发明涉及一种测试超高温环境中试样蠕变性能的装置，其特征在于设置在电液伺服试验机上夹块和下夹块之间的简支弯曲测试装置，在测试过程中由于其最大应力位置和最大挠度位置不在同一处，因此在试验设计层面上提高了测试的精度。本发明提出的装置和力学性能测试方法对试样的制备要求低，加工简便，操作简单，且能应用于热障涂层系统，研究涂层各层的蠕变性能并为工程应用提供试验技术支持和理论指导，因而具有重要的理论研究价值和广泛的工程应用前景。
【专利说明】测试超高温环境中试样蠕变性能的装置及测试方法
【技术领域】
[0001]本发明属于一种蠕变性能测试装置及方法，具体涉及一种测试超高温环境中试样蠕变性能的装置及测试方法。
【背景技术】
[0002]近年来由于超高速飞行器鼻锥、机翼前缘、发动机热端等各种关键部位或部件对材料耐高温和使用寿命要求的逐步提高，大量以陶瓷系为基础的超高温材料(使用环境温度> IOO(TC)得到一定程度的应用。为实现不断提高结构使用温度和延长结构经济寿命的目标，要求必须对新材料在役温度下的蠕变行为有准确的认识，使得这些材料能够在高温关键部位和结构中得以安全应用。因此如何确定超高温材料在使用环境中的蠕变行为问题成为当前的研究领域的一个亟待解决的问题。
[0003]开发与设计超高温材料与结构在服役温度下的性能分析与测试方法，是实现材料向高性能、高可靠性方向发展的基础。通常，材料的性能可以通过标准试验获得，如光滑圆棒试验、紧凑拉伸试验。这些试验对试样有一定数量和尺寸要求，在大多数情况下这种要求是可以满足的，但在一些情况下是无法满足的。首先，标准试验在夹具设计过程中，易遇到由于温度过高带来的夹具氧化、强度降低、加工困难等问题；其次，当试样与所研究材料之间的微结构等有不同时，上述方法所得的结果没有可比性，也较难直接用于力学模型的建立和机理的研究；第三，在超高温服役情况下，易在热影响区发生早期失效，对超高温结构的寿命具有重要影响。但由于热影响区尺寸比较小，无法采用标准高温性能测试方法获得其性能。因此梁弯曲试验等新方法得到了一定程度的应用。，但现有传统三点、四点弯曲测试方法由于试样最大弯曲挠度和损伤失效的位置都发生在试样的中部位置。且对于三点弯曲试验而言，压头与试样的接触位置和测定挠度数据位置都在试样的中部，试样的压入变形都会很大程度上影响挠度的精度。还有在大挠度测量时，压头处会出现滑动导致应力集中，出现剪切应力等问题都会导致测试结果的不准确。因此，目前迫切需要发展快速、便捷、准确的测试方法来测定材料的蠕变性能。
[0004]总之，传统的标准试验(如光滑圆棒试验、紧凑拉伸试验)对试样有一定的尺寸要求，不适用于热障涂层(TBC)系统、超高温陶瓷材料(机械加工的困难)。另外传统的三点或四点弯曲试验中，首先由于试样最大弯曲挠度和损伤失效的位置都发生在试样的中部位置，试样的压入变形会很大程度上影响挠度的测试数据的精度。其次由于压头与试件间的摩擦以及压头在试件上的滑动导致剪切力的产生，使得测试结果存在误差。

【发明内容】

[0005]要解决的技术问题
[0006]为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种测试超高温环境中试样蠕变性能的装置及测试方法，以获得超高温环境下试样的蠕变性能。
[0007]技术方案[0008]一种测试超高温环境中试样蠕变性能的装置，计算机1、温度控制器2、测量控制器3、电液伺服试验机7、惰性气体5和水冷系统6 ;其特征在于:还包括设置在电液伺服试验机7上夹块和下夹块之间的简支弯曲测试装置4 ;所述简支弯曲测试装置4包括上过渡连接杆8、防转螺母9、压头10、试样紧固螺母12、固定装置13、可移动卡槽15、防转螺母16、下过渡连接杆17 ;上过渡连接杆8通过螺栓连接压头10并配有第一防转螺母9，压头10下端为固定装置13，固定装置13内设有固定试样11的试样紧固螺母12，使固定试样11呈水平位置；固定装置13的下端与下过渡连接杆17上端螺栓连接并配有防转螺母16 ;下过渡连接杆17下端与电液伺服试验机7下夹块直接连接；固定装置13的底部设有可移动卡槽15，可移动卡槽15，上设有多个并列的槽口，用于调整压头10与试样11的相对位置。
[0009]所述压头10和试样紧固螺母12采用碳碳复合材料。
[0010]一种利用所述测试超高温环境中试样蠕变性能的装置测试蠕变性能的方法，所述蠕变性能为蠕变常数和应力指数；其特征在于步骤如下:
[0011]步骤1:将被测试样11由试样紧固螺母12固定在固定装置13上，并处于水平状态；然后将固定装置13置于压头10与下过渡连接杆17之间，并一起安放在电液伺服试验机7上夹块和下夹块之间，并使压头处于试样的中心位置；所述被测试样11为长条形试样；
[0012]步骤2:调节温度控制器使试验温度达到预设的试验温度；
[0013]步骤3:由可移动卡槽15将被测试样11与压头10选择在不同的相对位置，根据预设的蠕变载荷曲线对控制软件进行设置，然后驱动试验机，使得被测试样11受到压头10的压力而产生变形进行试验；所述控制软件采用FT console或SAX ；
[0014]过程如下:
[0015](I)、驱动试验机根据预设的蠕变载荷曲线的控制，通过压头10对被测试样11加压，计算机采集试验机上下夹块之间的距离变化即为被测试样加压点处的弯曲挠度变化值；
[0016](2)、根据采集到的弯曲挠度绘制成弯曲挠度一时间曲线，得出稳态的挠度率；
[0017]步骤4:通过可移动卡槽15改变被测试样11与压头10的相对位置，重复步骤3，得出不同压头位置下的稳态挠度率；
[0018]步骤5 ;使用有限元软件ABAQUS设置一组假定的蠕变常数B和应力指数n，在与试验相同的蠕变载荷下进行有限元分析，获取稳态挠度率一螺变应力指数一蠕变常数变化曲线.[0019]步骤6:将步骤4试验获得的稳态挠度率和步骤5所得的数值曲线在同一坐标系下进行重合绘制，得到对应于不同压头位置下的两组蠕变常数一应力指数曲线，获得的两组曲线的交点为材料初步的螺变参数；
[0020]步骤7:根据步骤6所得到的结果，更新有限元计算所设置的B和η的假定值，重复上述步骤5和6，直到两次结果误差在误差范围内收敛，最后一次所得到的结果为材料的螺变参数。
[0021]有益效果
[0022]本发明提出的一种测试超高温环境中试样蠕变性能的装置及测试方法，与传统的蠕变性能测试方法相比，本发明提出的新型蠕变性能测试方法的有益效果表述如下:[0023](I)加工、操作、控制、使用的简便。传统的标准试验(如光滑圆棒试验、紧凑拉伸试验)对试样有一定的尺寸要求，不适用于热障涂层(TBC)系统、超高温陶瓷材料(机械加工的困难)。而本发明提出的新型力学性能测试方法对试样的制备要求低，加工简便，操作简单，且能应用于热障涂层系统，研究涂层各层的蠕变性能并为工程应用提供试验技术支持和理论指导，因而具有重要的理论研究价值和广泛的工程应用前景。
[0024](2)测试精度的提高。传统的三点或四点弯曲试验中，首先由于试样最大弯曲挠度和损伤失效的位置都发生在试样的中部位置，试样的压入变形会很大程度上影响挠度的测试数据的精度。其次由于压头与试件间的摩擦以及压头在试件上的滑动导致剪切力的产生，使得测试结果存在误差。而本发明提出的简支弯曲力学性能测试方法由于其最大应力位置和最大挠度位置不在同一处，因此在试验设计层面上提高了测试的精度。
[0025](3)适用于超高温环境下蠕变性能的测定。本发明提出的新型蠕变性能测试装置所用材料为碳碳复合材料，碳碳复合材料具有高比模量、高比强度、抗热冲击性能好等优点，且这种材料随着温度的升高(可达2200°C)其强度不降低，适用于超高温环境下力学性能的测定。
【专利附图】

【附图说明】
[0026]图1:为本发明提供的超高温蠕变性能测试装置结构图
[0027]图2:简支弯曲测试装置示意图
[0028]图3:简支弯曲测试装置简化几何模型示意图
[0029]1-计算机，2-温度控制器，3-测量控制器，4-简支弯曲测试装置，5-惰性气体，6-水冷系统，7-电液伺服试验机，8-上过渡连接杆，9-第一防转螺母，10-压头，11-试样，12-试样紧固螺母，13-固定装置，14-紧固螺母，15-可移动卡槽，16-第二防转螺母，17-下过渡连接杆。
【具体实施方式】
[0030]现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
[0031]图1所示的是本发明提供的超高温蠕变性能测试仪的组成框图，一计算机1，该计算机安装了电液伺服疲劳试验机的控制软件；一输入端与计算机电连接的温度控制器2 ;一输入端与计算机电连接的测量控制器3 ;—电液伺服试验机7 装满惰性气体的气瓶5 ；一用来保证测试装置安全性的水冷系统6 ;—简支弯曲测试装置4。
[0032]本实施例中，计算机安装的软件是FT console和SAX (single Axis Max),温度控制器所能控制的温度范围是0-2000°C，所采用的驱动装置是Instron8871电液伺服试验机，该试验机的优点是响应速度快、输出功率大、测量和控制精度高且操作简洁、方便，目前在航空、航天、军事、冶金、交通、工程机械等领域得到了广泛的应用。电液伺服技术是实现动态高周疲劳、程控疲劳和低周疲劳以及静态的恒变形速率、恒负荷速率和各种模拟仿真试验系统的最佳技术手段。
[0033]简支弯曲测试装置的结构图如图2所示，包括:上过渡连接杆8、第一防转螺母9、压头10、试样紧固螺母12、固定装置13、紧固螺母14、可移动卡槽15、第二防转螺母16、下过渡连接杆17。其中上过渡连接杆8上端与电液伺服试验机7上夹块直接连接，下端与压头10螺栓连接并配有防转螺母9 ;试样11安装在固定装置13中，且试样左端通过紧固螺母12固定至水平位置；可移动卡槽15有三个位置可供选择，其卡槽端通过紧固螺母14固定在固定装置上，其下端与下过渡连接杆17上端螺栓连接并配有防转螺母16 ;下过渡连接杆17下端与电液伺服试验机7下夹块直接连接。
[0034]利用本发明提供的超高温蠕变性能测试仪的测试方法如下:
[0035]步骤1:将被测试样11由试样紧固螺母12固定在固定装置13上，并处于水平状态；然后将固定装置13置于压头10与下过渡连接杆17之间，并一起安放在Instron8871电液伺服试验机7上夹块和下夹块之间，并使压头处于试样的中心位置，以防引起偏心造成的误差；所述被测试样11为长条形试样；
[0036]步骤2:调节温度控制器使试验温度达到预设的试验温度；
[0037]步骤3:由可移动卡槽15将被测试样11与压头10选择在不同的相对位置，根据预设的蠕变载荷曲线对控制软件进行设置，然后驱动试验机，使得被测试样11受到压头10的压力而产生变形进行试验；所述控制软件采用FT console或SAX ；
[0038]过程如下:
[0039](I)、驱动试验机根据预设的蠕变载荷曲线的控制，通过压头10对被测试样11加压，计算机采集试验机上下夹块之间的距离变化即为被测试样加压点处的弯曲挠度变化值； [0040](2)、根据采集到的弯曲挠度绘制成弯曲挠度一时间曲线，得出稳态的挠度率；
[0041]步骤4:通过可移动卡槽15改变被测试样11与压头10的相对位置，重复步骤3，得出不同压头位置下的稳态挠度率；
[0042]步骤5 ;使用有限元软件ABAQUS设置一组假定的蠕变常数B和应力指数n，在与试验相同的蠕变载荷下进行有限元分析，获取稳态挠度率一螺变应力指数一蠕变常数变化曲线；
[0043]步骤6:将步骤4试验获得的稳态挠度率和步骤5所得的数值曲线在同一坐标系下进行重合绘制，得到对应于不同压头位置下的两组蠕变常数一应力指数曲线，获得的两组曲线的交点为材料初步的螺变参数；
[0044]步骤7:根据步骤6所得到的结果，更新有限元计算所设置的B和η的假定值，重复上述步骤5和6，直到两次结果误差在误差范围内收敛，最后一次所得到的结果为材料的螺变参数。
[0045]本发明中根据弯曲挠度绘制成弯曲挠度一时间曲线，算出稳态挠度率并根据相关蠕变理论得出试样的蠕变性能过程如下:
[0046]典型的蠕变曲线可以被分为三个阶段:蠕变第一阶段、蠕变第二 (稳态)阶段和蠕变第三阶段。在工程研究领域，蠕变第二阶段由于其具有稳态蠕变率的优点被广泛应用。因此蠕变应力可以表达为如下形式:
[0047]
e{t) = A(T)an = B&'cxf^)(I)


KI
[0048]其中〃⑴是稳态螺变速率，A⑴是与试验温度相关的常数，σ是施加的螺变应力，η是蠕变应力指数，B是与材料微观结构相关的蠕变常数，Q是蠕变活化能，R和T分别是理想气体常数和试验温度。
[0049]本发明提供的简支弯曲蠕变测试装置的简化几何模型如图3所示。O和A是固定装置夹持试样的夹持点，两夹持点之间的距离为I。夹持点A与压头间的距离为a，试样的厚度为2h。试样发生弯曲后的挠度为d。压头施加在试样上的集中载荷为P。在图3(c)中，还指出三点弯曲蠕变时横截面受到剪切力P和弯矩M。
[0050]在模型的建立过程中给出了两个基本假设:1，在压头的下方存在着局部应力集中，但其对加载部位的弯曲位移的影响可以忽略不计。2，剪切载荷P对蠕变应力应变的影响很小可以忽略不计。
[0051]如图3 (C)中所示，应力分布σ可以由下式获得:
【权利要求】
1.一种测试超高温环境中试样蠕变性能的装置，计算机(I)、温度控制器(2)、测量控制器(3)、电液伺服试验机(7)、惰性气体(5)和水冷系统(6);其特征在于:还包括设置在电液伺服试验机(7)上夹块和下夹块之间的简支弯曲测试装置(4);所述简支弯曲测试装置(4)包括上过渡连接杆(8)、第一防转螺母(9)、压头(10)、试样紧固螺母(12)、固定装置(13)、可移动卡槽(15)、第二防转螺母(16)、下过渡连接杆(17);上过渡连接杆(8)通过螺栓连接压头(10)并配有第一防转螺母(9)，压头(10)下端为固定装置(13)，固定装置(13)内设有固定试样(11)的试样紧固螺母(12)，使固定试样(11)呈水平位置；固定装置(13)的下端与下过渡连接杆(17)上端螺栓连接并配有防转螺母(16);下过渡连接杆(17)下端与电液伺服试验机(7)下夹块直接连接；固定装置(13)的底部设有可移动卡槽(15)，可移动卡槽(15)，上设有多个并列的槽口，用于调整压头(10)与试样(11)的相对位置。
2.根据权利要求1所述的测试超高温环境中试样蠕变性能的装置，其特征在于:所述压头(10)和试样紧固螺母(12)采用碳碳复合材料。
3.一种利用权利要求1或2所述测试超高温环境中试样蠕变性能的装置测试蠕变性能的方法，所述蠕变性能为蠕变常数和应力指数；其特征在于步骤如下: 步骤1:将被测试样(11)由试样紧固螺母(12)固定在固定装置(13)上，并处于水平状态；然后将固定装置(13)置于压头(10)与下过渡连接杆(17)之间，并一起安放在电液伺服试验机(7)上夹块和下夹块之间，并使压头处于试样的中心位置；所述被测试样(11)为长条形试样； 步骤2:调节温度控制器使试验温度达到预设的试验温度； 步骤3:由可移动卡槽(15 )将被测试样(11)与压头(10 )选择在不同的相对位置，根据预设的蠕变载荷曲线对控制软件进行设置，然后驱动试验机，使得被测试样(11)受到压头(10)的压力而产生变形进行试验；所述控制软件采用FT console或SAX ； 过程如下: (1)、驱动试验机根据预设的蠕变载荷曲线的控制，通过压头(10)对被测试样(11)加压，计算机采集试验机上下夹块之间的距离变化即为被测试样加压点处的弯曲挠度变化值； (2)、根据采集到的弯曲挠度绘制成弯曲挠度一时间曲线，得出稳态的挠度率； 步骤4:通过可移动卡槽(15)改变被测试样(11)与压头(10)的相对位置，重复步骤3，得出不同压头位置下的稳态挠度率； 步骤5 ;使用有限元软件ABAQUS设置一组假定的蠕变常数B和应力指数n，在与试验相同的蠕变载荷下进行有限元分析，获取稳态挠度率一螺变应力指数一螺变常数变化曲线； 步骤6:将步骤4试验获得的稳态挠度率和步骤5所得的数值曲线在同一坐标系下进行重合绘制，得到对应于不同压头位置下的两组蠕变常数一应力指数曲线，获得的两组曲线的交点为材料初步的螺变参数； 步骤7:根据步骤6所得到的结果，更新有限元计算所设置的B和η的假定值，重复上述步骤5和步骤6，直到两次结果误差在误差范围内收敛，最后一次所得到的结果为材料的螺变参数。
【文档编号】G01N3/18GK103954510SQ201410119640
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年3月27日 优先权日:2014年3月27日
【发明者】温世峰, 曾小虎, 元辛, 陈霞, 张猛创, 刘博 , 仝福娟, 舒亚锋, 高文静, 杨未柱, 杨帆, 岳珠峰 申请人:西北工业大学