簡(jiǎn)易機(jī)械式蠕變測(cè)試結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)

摘 "要：設(shè)計(jì)了一款機(jī)械式蠕變測(cè)試結(jié)構(gòu)，用于搜集金屬和非金屬樣條的蠕變力學(xué)行為。首先，采用盒型有導(dǎo)軌可伸長(zhǎng)測(cè)試工裝，可以保證測(cè)試方向不變，減少測(cè)試過(guò)程中樣品的扭曲；其次，通過(guò)設(shè)計(jì)較小的空間和可實(shí)時(shí)反饋的溫控系統(tǒng)，以及使用重錘形成的恒定的拉力，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定高精度的測(cè)試條件；再次，通過(guò)將標(biāo)距設(shè)置為100mm，采集位移的分辨率為0.5mm，可得到精確到每0.5%的蠕變應(yīng)變。此外，設(shè)計(jì)了保護(hù)裝置，降低潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)為蠕變測(cè)試提供了一個(gè)簡(jiǎn)易、低成本的設(shè)備方案。

關(guān)鍵詞：機(jī)械式設(shè)備；標(biāo)距；溫控系統(tǒng)；蠕變應(yīng)變

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122 """""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Development of a simple mechanical creep testing equipmentQIN Jisheng

（Sunwoda Mobility Energy Technology Co.， Ltd.， Shenzhen 518000， Guangdong， China）

Abstract： This paper describes the design of a mechanical creep testing equipment for collecting the creep mechanical behavior of both metallic and nonmetallic specimens. Firstly， a boxtype test fixture with guide rails and extendable features is employed to ensure that the testing direction remains constant， minimizing distortion of the specimen during the testing process. Secondly， stable and highprecision testing conditions are achieved through the design of a realtime feedback temperature control system in a compact space， and the application of a constant tensile force generated by a heavy object composed of various weights. Furthermore， by setting the gauge length of specimen to 100mm and collecting displacement data with a resolution of 0.5mm， creep strain with accuracy of every 0.5% can be obtained. Additionally， protective measures have been incorporated to reduce potential safety risks. The equipment designed in this article provides a simple and lowcost device solution for creep testing.

Key words： mechanical equipment; gauge length; temperature control system; creep strain

0 "引 "言

蠕變是指在保持應(yīng)力不變的條件下，固體材料隨著時(shí)間的推移而產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)黾蝇F(xiàn)象［1］。與塑性變形不同，后者通常在應(yīng)力超過(guò)彈性極限時(shí)發(fā)生，而蠕變則在長(zhǎng)時(shí)間作用下，即使在應(yīng)力低于彈性極限的情況下也會(huì)出現(xiàn)［2-3］。很多材料，包括金屬、塑料、巖石和冰在特定條件下都表現(xiàn)出蠕變性質(zhì)［4-6］。由于許多零部件在一定溫度下工作，溫度會(huì)加速蠕變，導(dǎo)致蠕變變形增加。

通常，蠕變測(cè)試使用蠕變持久試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，這些機(jī)器可以分為機(jī)械式［7-8］和電子式［9-10］兩類(lèi)。機(jī)械式試驗(yàn)機(jī)是傳統(tǒng)產(chǎn)品，而電子式是近年來(lái)開(kāi)發(fā)的新型產(chǎn)品。由于電子式蠕變持久試驗(yàn)機(jī)一般具有能夠進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn)和低周蠕變循環(huán)試驗(yàn)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，市場(chǎng)需求急劇增加。然而，電子式蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)期蠕變測(cè)試會(huì)受到定值漂移的影響。但目前市場(chǎng)上的機(jī)械式和電子式蠕變持久試驗(yàn)機(jī)價(jià)格昂貴，不適合廣泛應(yīng)用。

本文設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易多工位機(jī)械式蠕變測(cè)試裝置，它可以高精度、長(zhǎng)時(shí)間地測(cè)試蠕變力學(xué)性能，同時(shí)顯著節(jié)省成本，為測(cè)量金屬或塑料等材料的蠕變力學(xué)性能提供了一種新的設(shè)備解決方案。

1 "原理與功能

眾所周知，持續(xù)的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生蠕變力學(xué)行為，高溫會(huì)加速這種行為［11-13］。因此，在設(shè)計(jì)蠕變測(cè)試工裝時(shí)，需要考慮應(yīng)力的恒定輸入、溫度的即時(shí)響應(yīng)控制、測(cè)試過(guò)程的穩(wěn)定進(jìn)行，以及蠕變變形測(cè)試結(jié)果的高精度搜集。通過(guò)將待測(cè)樣條放置于一個(gè)小的盒型容器內(nèi)，加熱板貼于距離樣條較近的地方，以及增加溫度調(diào)節(jié)控制器，可縮小使加熱范圍，進(jìn)而使溫度易于控制。通過(guò)懸掛恒定質(zhì)量的砝碼，實(shí)現(xiàn)恒定的應(yīng)力控制。通過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的工裝將待測(cè)試樣品夾在測(cè)試工裝上，以保持樣品在測(cè)試時(shí)的平直性，避免扭曲。測(cè)試工裝通過(guò)自鎖掛鉤與框架柔性連接，從而完全釋放系統(tǒng)內(nèi)的扭矩，并確保整個(gè)系統(tǒng)垂直向下，以維持測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過(guò)指針將樣條標(biāo)距段的變形輸出到盒體邊緣，使用較長(zhǎng)的標(biāo)距和較小的刻度，可實(shí)現(xiàn)位移的高精度記錄。

2 "機(jī)構(gòu)組成

2.1 "整體框架

如圖1所示，此機(jī)構(gòu)包括整體機(jī)架、操作電箱、測(cè)試工裝、鋼索機(jī)構(gòu)、計(jì)重組件和腳輪腳杯。該設(shè)備的整體尺寸約為2000mm（長(zhǎng)）×1200mm（寬）×1800mm（高）。本機(jī)構(gòu)具備6組獨(dú)立的測(cè)試工裝總成，分別由6組溫控系統(tǒng)獨(dú)立控制，測(cè)試工裝通過(guò)自鎖掛鉤固定，可以輕松拆卸和安裝。每組測(cè)試工裝都有獨(dú)立的溫控線(xiàn)路，可以通過(guò)插頭快速連接到電控箱，方便工裝的更換。

2.2 "測(cè)試工裝盒

測(cè)試工裝盒如圖2所示，其整體被隔熱板包裹，以確保保溫性能，并防止操作人員燙傷。拉手嵌入隔熱板內(nèi)，并與內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)隔離開(kāi)來(lái)，以防在打開(kāi)時(shí)燙傷工作人員。隔熱板蓋板與本體一端通過(guò)合頁(yè)形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接，另外一端通過(guò)磁吸連接，易于開(kāi)合，也使得測(cè)試時(shí)保持常閉狀態(tài)。兩端固定支架放置于側(cè)板的滑槽中，其中一端與側(cè)板完全固定，另一端可以沿著滑道移動(dòng)，過(guò)位線(xiàn)可用來(lái)判斷固定支架是否已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)的移動(dòng)最大值。

測(cè)試工裝盒內(nèi)部包含加熱板、試樣、上下指針和熱電偶，如圖3所示。使用彈簧片將熱電偶探頭固定在試樣的中部，以準(zhǔn)確測(cè)量試樣的溫度。熱電偶與加熱板外聯(lián)溫控器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制溫度變化。上下指針通過(guò)固定夾鎖緊在樣條的標(biāo)距段的邊緣，標(biāo)距段兩端的位移變化通過(guò)上下指針傳遞到工裝盒的側(cè)板上。側(cè)板上刻有標(biāo)尺，最小刻度為0.5mm，對(duì)應(yīng)應(yīng)變?yōu)?.5%。此精度相對(duì)較高，避免了電子式蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)記錄大量無(wú)用數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)。人工可以實(shí)現(xiàn)每?jī)商煊涗浺粋€(gè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)蠕變變形數(shù)據(jù)的搜集。

2.3 "記重組件

這個(gè)裝置所使用的計(jì)重塊具有多樣性和靈活性的特點(diǎn)，如圖4所示。其包括25， 15， 10， 5， 1kg等不同質(zhì)量的選項(xiàng)，能夠滿(mǎn)足各種不同樣條截面尺寸和負(fù)載需求的試驗(yàn)。研究人員可根據(jù)不同材料的性質(zhì)、截面屬性和試驗(yàn)要求，精確地選擇適當(dāng)?shù)慕M合，以確保蠕變測(cè)試的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。

為了提高操作的便捷性和安全性，選擇了可插拔式的記重塊，從而可以容易地進(jìn)行更換或組合，而不需要復(fù)雜的工具或步驟。此外，這些記重塊的表面經(jīng)過(guò)磨砂處理，具有良好的防滑性能。這一特性在測(cè)試過(guò)程中非常重要，因?yàn)樗兄诜乐褂?jì)重塊在負(fù)載應(yīng)用過(guò)程中滑落或移動(dòng)，從而提高了測(cè)試的安全性和準(zhǔn)確性。這種設(shè)計(jì)不僅提高了實(shí)驗(yàn)的效率，還減少了潛在的操作風(fēng)險(xiǎn)，確保了實(shí)驗(yàn)過(guò)程的順利進(jìn)行。

承載記重組件的連桿也做了特殊設(shè)計(jì)，其通過(guò)自鎖掛鉤與測(cè)試工裝盒柔性連接。連桿與自鎖掛鉤中間的連接塊中設(shè)計(jì)了U形槽連接塊，U形槽中間有個(gè)空隙，目的是為了方便鋼索從側(cè)面放入。U形槽高度方向預(yù)留了一些空間，考慮到隨著蠕變的進(jìn)行，測(cè)試工裝盒的組件會(huì)被拉長(zhǎng)，連桿和連接塊會(huì)隨之向下運(yùn)動(dòng)，此空間可以確保在測(cè)試過(guò)程中連接塊不會(huì)搭接于鋼索上。

鋼索機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是為了防止樣條斷裂導(dǎo)致記重組件墜落至地面，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。其工作場(chǎng)景是當(dāng)試樣斷裂時(shí)，計(jì)重組件會(huì)向下掉落，連接塊會(huì)卡在鋼絲繩上，從而掛住了記重組件，進(jìn)而解決了重物掉落地面散開(kāi)后傷害試驗(yàn)者。

2.4 "測(cè)試流程

蠕變測(cè)試的工作流程如圖6所示。

第一步：將試樣安裝在測(cè)試工裝內(nèi)。將測(cè)試工裝從設(shè)備中取下并置于水平工作臺(tái)上，打開(kāi)測(cè)試工裝盒，將壓緊試樣兩端的壓板取出。將指針安裝于試樣標(biāo)距兩端，指針的指向方向需朝著側(cè)板刻線(xiàn)的方向。然后用壓板鎖緊安裝好指針的樣條，裝入工裝盒中，安裝時(shí)需保持樣條處于平直狀態(tài)，避免彎曲。

第二步：將整個(gè)測(cè)試工裝安裝到蠕變機(jī)構(gòu)中。測(cè)試工裝可滑動(dòng)連接部分需朝下放置，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，掛記重組件。將8mm鋼索穿入U(xiǎn)形槽連接塊內(nèi)部，此時(shí)鋼索的連接鎖塊應(yīng)處于未鎖緊的狀態(tài)，方便后續(xù)調(diào)整。將記重塊逐步添加入系統(tǒng)，直至達(dá)到所需的總重。

第三步：?jiǎn)?dòng)加熱并逐步將溫度升至所需值。此時(shí)樣條由于加熱和記重塊重力的作用而延長(zhǎng)。所以需再下移鋼索連接塊，使得鋼索處于U形槽的下邊緣，然后鎖緊。

第四步：數(shù)據(jù)記錄。按照設(shè)定的時(shí)間間隔記錄蠕變位移值。記錄時(shí)同步觀察樣品是否產(chǎn)生徑縮或斷裂，此現(xiàn)象產(chǎn)生時(shí)停止試驗(yàn)。

3 "結(jié) "論

本文介紹了一款自制蠕變測(cè)試機(jī)構(gòu)的原理、結(jié)構(gòu)、功能和測(cè)試方法。該設(shè)備具備溫度和拉力的雙重控制功能，通過(guò)機(jī)械方式添加砝碼來(lái)確保穩(wěn)定的拉力輸入。利用設(shè)計(jì)較長(zhǎng)的樣品標(biāo)距段和記錄位移使用較小的刻度，可以實(shí)現(xiàn)較高精度的位移測(cè)量，相應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?.5%。該裝置適用于多種材料的拉伸測(cè)試，包括金屬和塑料。它分為6個(gè)獨(dú)立的溫控模塊，因此測(cè)試效率高。同時(shí)，還設(shè)計(jì)了安全保護(hù)裝置，避免安全事故的發(fā)生。

相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械式或者電子式蠕變測(cè)試機(jī)，本設(shè)計(jì)的設(shè)備在性?xún)r(jià)比方面有較大優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的三工位測(cè)試設(shè)備，其價(jià)格在60萬(wàn)元左右，本文六工位測(cè)試設(shè)備僅需15萬(wàn)左右。傳統(tǒng)設(shè)備由于使用較大的加熱爐，其能耗較高；本文設(shè)備加熱簡(jiǎn)單，能耗較低。傳統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)復(fù)雜，如損壞，設(shè)備維修等待期較長(zhǎng)；本設(shè)備簡(jiǎn)單，維修方便，可方便快速更換零部件。

參考文獻(xiàn)：

［1］趙博，劉剛，韓先洪.鎳基單晶合金的高溫蠕變行為研究［J］. 模具技術(shù)，2017 （2）： 6-9.

ZHAO B， LIU G， HAN X H. Study on hightemperature creep behavior of nickelbase single crystal supper alloy ［J］. Die and Mould Technology， 2017（2）： "6-9.

［2］郭奕崇， 信春玲， 陳強(qiáng)， 等. 塑料土工格柵長(zhǎng)期蠕變行為的預(yù)測(cè)［J］. 工程塑料應(yīng)用， 2005， 33（3）： 53-56.

GUO Y C， XIN C L， CHEN Q， et al. Prediction of longterm creep behaviors of plastics geogrid［J］. Engineering Plastics Application， 2005， 33（3）： 53-56.

［3］黃明華， 王浩偉. ZL109合金的變載荷蠕變行為研究［J］. 航空材料學(xué)報(bào)， 2003 （z1）： 92-94.

HUANG M H， WANG H W. Creep behavior of ZL109 alloy under stress changes［J］. Journal of Aeronautical Materials， 2003 （z1）： 92-94.

［4］權(quán)晨， 劉新寶， 朱麟， 等. 高鉻耐熱鋼蠕變過(guò)程中的組織演化行為［J］. 金屬熱處理， 2022， 46（6）： 135-145.

QUAN C， LIU X B， ZHU L， et al. Microstructure evolution behavior of high chromium heatresistant steel during creep［J］. Heat Treatment of Metals， 2022， 46（6）： 135-145.

［5］陸曉中， 方慶海， 陸慶章， 等. PP/木粉復(fù)合材料的蠕變特性研究［J］. 塑料， 2009 （2）： 81-84.

LU X Z， FANG Q H， LU Q Z， et al. Creep characters of polypropylene/wood fiber composites［J］. Plastics， 2009 （2）： 81-84.

［6］張向東， 李永靖， 張樹(shù)光， 等. 軟巖蠕變理論及其工程應(yīng)用［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2004， 23（10）： 1635-1639.

ZHANG X D， LI Y J， ZHANG S G， et al. Creep theory of soft rock and its engineering application ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2004， 23（10）： 1635-1639.

［7］王戈， 楊惠琴， 陳慶峰， 等. 機(jī)械式蠕變持久試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的改造［J］. 工程與試驗(yàn)， 2008， 48（3）： 67-71.

WANG G， YANG H Q， CHEN Q F， et al. Progress for the measuring amp; controlling system of mechanical creep and rupture testing machines［J］. Engineering and Testing， 2008， 48（3）： 67-71.

［8］吳安民， 邱鵬， 鐘漢萍， 等. 半機(jī)械式半電子式蠕變持久試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)［J］. 工程與試驗(yàn)， 2016， 56（3）： 86-88.

WU A M， QIU P， ZHONG H P， et al. Design of falf mechanical and half electronic creep and stress rupture testing machine ［J］. Engineering and Testing， 2016， 56（3）： 86-88.

［9］程曉農(nóng)， 王鋮， 張楠， 等. 新型 Cr18Ni9NbTiN 奧氏體不銹鋼的高溫蠕變行為［J］. 金屬熱處理， 2016， 41（3）： 114-118.

CHEN X N， WANG C， ZHANG N， et al. High temperature creep behavior of a novel Cr18Ni9NbTiN austenitic stainless steel ［J］. Heat Treatment of Metals， 2016， 41（3）： 114-118.

［10］諶文武， 原鵬博， 劉小偉. 分級(jí)加載條件下紅層軟巖蠕變特性試驗(yàn)研究［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2009， 28（z1）： 3076-3081.

CHEN W W， YUAN P B， LIU X W. Study on creep properties of redbed soft rock under step load ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2009， 28（z1）： 3076-3081.

［11］孫茗， 莊景巍， 鄧海亮， 等. 高溫抗蠕變鋁合金及鋁基復(fù)合材料研究進(jìn)展［J］. 材料導(dǎo)報(bào)， 2021， 35（11）： 11137-11144.

SUN M， ZHUANG J W， DENG H L， et al. Reviews on the study of aluminum alloys and aluminum matrix composites with hightemperature anticreep behavior ［J］. Materials Reports， 2021， 35（11）： 11137-11144.

［12］HO K C， LIN J， DEAN T A. Constitutive modelling of primary creep for age forming an aluminium alloy［J］. Journal of Materials Processing Technology， 2004， 153： 122-127.

［13］WANG X， SHI Z， LIN J. Experimental study and modelling of anisotropic behaviour of aluminiumlithium alloys in creep age forming［J］. International Journal of Mechanical Sciences， 2023， 260： 108659.

作者簡(jiǎn)介：秦計(jì)生，主要從事金屬材料力學(xué)本構(gòu)開(kāi)發(fā)、電芯結(jié)構(gòu)件開(kāi)發(fā)方面的研究。

（欣旺達(dá)動(dòng)力科技股份有限公司 "廣東 "深圳 "518107）