專利名稱：一種液態(tài)金屬條件下的材料脆化試驗裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種液態(tài)金屬條件下的材料脆化試驗裝置和方法，適用于開展結構材料在液態(tài)金屬中的脆斷敏感性試驗研究。
背景技術：
在液態(tài)金屬環(huán)境中，結構材料受到液態(tài)金屬(如鋰鉛或鉛鉍合金等)的腐蝕和熱應力的同時作用，會導致結構材料的韌性丟失，引起結構材料的脆性斷裂，從而引起重大安全事故。該研究在眾多工業(yè)領域(例如核反應堆領域)有廣泛應用。開展結構材料在液態(tài)金屬中的脆斷敏感性試驗的裝置能接近真實情況地模擬結構材料在液態(tài)金屬中的工況，獲得的試驗數(shù)據(jù)可以開展液態(tài)金屬的腐蝕機理研究，并為工業(yè)用備選材料選取提供指導。目前，國內(nèi)還沒有開展結構材料在液態(tài)金屬中脆斷效應試驗裝置和方法的研究。 國際上僅有少數(shù)國家在該方面進行了研究，法國科學研究中心采用沖壓方式對試驗試樣施加一定的力，該裝置對試樣有特殊要求，并且該裝置還存在難以開展試樣裂紋擴展情況的試驗研究和試樣的安裝和取樣過程較為繁瑣等缺點；另外，比利時的UMETS系列裝置主要用于輻照后拉伸試樣在液態(tài)鉛鉍或鋰鉛中的脆斷敏感性試驗研究，該裝置結構設計復雜， 成本昂貴，試驗操作困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術解決問題克服現(xiàn)有裝置結構復雜、功能單一等缺陷，提供一種液態(tài)金屬條件下的材料脆化試驗裝置和方法，具有拉伸試樣拆裝方便、裝置可靠性強、安全性高、功能齊全等優(yōu)點，可研究拉伸試樣在液態(tài)金屬和應力同時作用下的脆斷敏感性及應力腐蝕等試驗研究。本發(fā)明的技術解決方案一種液態(tài)金屬條件下的材料脆化試驗裝置，包括測試罐I、熔融罐2、拉伸機3、底座10、氣體系統(tǒng)13和管道15，具體結構描述如下所述測試罐I包括圓形密封蓋12和圓柱形側壁11，圓形密封蓋12位于圓柱形側壁11上方，圓柱形側壁11固定在底座10上方；測試罐I和熔融罐2之間由管道15連接， 管道15中間有一個液態(tài)金屬閥門16 ；拉桿連接套5連接于拉伸機3下方；拉伸主軸6連接于拉桿連接套5下方；試樣夾具7連接于拉伸主軸6下方，并位于測試罐I內(nèi)部，拉伸試樣4位于試樣夾具7之間，試樣夾具7用于固定拉伸試樣4,使拉伸試樣4與拉伸主軸6處于同一軸線上；支撐底板9連接于試樣夾具7的下方，并與支撐導柱8下端連接，支撐導柱8上端與圓形密封蓋12連接， 并位于測試罐I內(nèi)部；拉伸機3以恒定的拉伸速率向上移動時，依次通過拉桿連接套5、拉伸主軸6和試樣夾具7為拉伸試樣4提供一個恒定的拉伸速率；波紋管14位于圓形密封蓋 12之上，套在拉伸主軸6的外圍，以實現(xiàn)圓形密封蓋12和拉伸主軸6之間的動密封。氣體系統(tǒng)13的兩個氣路分別與測試罐I和熔融罐2相連接，氣體系統(tǒng)13提供的惰性氣氛或還原性氣氛對測試罐I和熔融罐2內(nèi)的液態(tài)金屬進行保護，減少其在高溫下的氧化，同時用于液態(tài)金屬在測試罐I和熔融罐2之間的轉移，且能抑制測試罐I和熔融罐2 內(nèi)液態(tài)金屬的揮發(fā)。所述拉伸試樣4位于由圓形密封蓋12、支撐導柱8和支撐底板9構成的半封閉獨立樣品室內(nèi)。
所述拉桿連接套5下端中間設計為空心槽。一種液態(tài)金屬條件下的材料脆化試驗方法，按照上述的試驗裝置結構的連接，同時將拉伸試樣4固定在試樣夾具7上之后，通過氣體系統(tǒng)13將熔融罐2內(nèi)提前熔融的液態(tài)金屬壓入測試罐內(nèi)1，待測試罐I中液態(tài)金屬的液位升至拉伸試樣9上端一段距離后，啟動拉伸機3，選擇應變速率低于KT3S4的慢應變速率進行試驗，拉伸機3向上移動時，依次通過拉桿連接套5、拉伸主軸6和試樣夾具7給拉伸試樣4提供一個恒定的拉伸速率,直到拉伸試樣4斷裂；試驗結束后，再通過氣體系統(tǒng)13將測試罐I內(nèi)的液態(tài)金屬壓回熔融罐2內(nèi)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于(I)本發(fā)明裝置中，拉伸試樣位于由圓形密封蓋、支撐導柱和支撐底板構成的半封閉獨立樣品室內(nèi)，試驗前或試驗后，可以通過提升半封閉獨立樣品室將拉伸試樣升至測試罐上方，方便了拉伸試樣的安裝與拆卸；(2)本發(fā)明拉伸試樣位于半封閉獨立樣品室內(nèi)，試驗后，拉伸試樣是否被拉斷，均可通過提升半封閉獨立樣品室取出拉伸試樣，保證了裝置運行的可靠性；(3)本發(fā)明拉桿連接套下端中間空心槽的設計，可以使拉伸機空載移動一段距離， 對裝置起到保護作用，提高了裝置運行安全性；(4)本發(fā)明可以開展結構材料在高溫液態(tài)金屬及高溫氣體環(huán)境中的對比拉伸試驗，獲得結構材料在上述環(huán)境中的裂紋擴展速率、斷裂特性等對比試驗結果，功能齊全。


圖I為本發(fā)明的裝置主體結構示意圖；圖中，I測試罐；2熔融罐；3拉伸機；4拉伸試樣；5拉桿連接套；6拉伸主軸；7試樣夾具；8支撐導柱；9支撐底板；10底座；11圓柱形側壁；12圓形密封蓋；13氣體系統(tǒng)；14 波紋管；15管道；16液態(tài)金屬閥門。
具體實施例方式本發(fā)明一種液態(tài)金屬條件下的材料脆化試驗裝置和方法可以用于開展結構材料在液態(tài)金屬環(huán)境和應力同時作用下的材料性能研究，如圖I所示，本發(fā)明試驗裝置具體包括測試罐I、熔融罐2、拉伸機3、拉伸試樣4、試樣夾具7、支撐導柱8、支撐底板9、拉伸主軸
6、拉桿連接套5、波紋管14、氣體系統(tǒng)13、管道15、液態(tài)金屬閥門16。如圖I所示，測試罐I包括圓形密封蓋12和圓柱形側壁11，圓形密封蓋12位于圓柱形側壁11上方，圓柱形側壁11固定在底座10上方，測試罐I和熔融罐2之間由管道15 相連接，管道15中間有一個液態(tài)金屬閥門16。拉桿連接套5連接于拉伸機3下方，拉伸主軸6連接于拉桿連接套5下方；試樣夾具7連接于拉伸主軸6下方，并位于測試罐I內(nèi)部， 拉伸試樣4位于試樣夾具7之間，試樣夾具7用于固定拉伸試樣4，使拉伸試樣4與拉伸主軸6處于同一軸線上；支撐底板9連接于試樣夾具7的下方，并與支撐導柱8下端連接，支撐導柱8上端與圓形密封蓋12連接，并位于測試罐I內(nèi)部；拉伸機3以恒定的拉伸速率向上移動時，依次通過拉桿連接套5、拉伸主軸6和試樣夾具7為拉伸試樣4提供一個恒定的拉伸速率；波紋管14位于圓形密封蓋12之上，套在拉伸主軸6的外圍，以實現(xiàn)圓形密封蓋 12和拉伸主軸6之間的動密封。氣體系統(tǒng)13的兩個氣路分別與測試罐I和熔融罐2相連接，氣體系統(tǒng)提供的惰性氣氛或還原性氣氛對測試罐I和熔融罐2內(nèi)的液態(tài)金屬進行保護， 減少其在高溫下的氧化，同時用于液態(tài)金屬在測試罐I和熔融罐2之間的轉移，且能抑制測試Sil I和溶融te 2內(nèi)液態(tài)金屬的揮發(fā)。所述拉伸試樣4位于由圓形密封蓋12、支撐導柱8和支撐底板9構成的半封閉獨立樣品室內(nèi)，方便了試驗前后拉伸試樣4的拆裝；且拉伸試樣4是否被拉斷，都可以方便取出拉伸試樣4。
所述拉桿連接套5下端中間設計為空心槽，與拉伸主軸6連接之后，允許拉伸機3 空載移動一段距離，對裝置起到保護作用。所述試樣夾具7、支撐導柱8和支撐底板9采用耐高溫耐液態(tài)金屬腐蝕的高性能材料，且其可定期更換，保證了裝置的壽命。試驗時，拉伸試樣4固定于試樣夾具7中，并置于測試罐I內(nèi)部，固態(tài)金屬介質裝于熔融罐2內(nèi)。具體試驗步驟如下采用電加熱對測試罐I、管道15及熔融罐2進行加熱； 待溫度升至試驗設定溫度(金屬熔點之上)時，打開管道15中間的液態(tài)金屬閥門16，利用氣體系統(tǒng)13將熔融罐2內(nèi)的液態(tài)金屬壓入測試罐I內(nèi)，并使測試罐I內(nèi)液態(tài)金屬的液位位于拉伸試樣4之上IOmm左右，關閉液態(tài)金屬閥門16 ;隨后，啟動拉伸機3,選擇慢應變速率(應變速率低于lO、-1)進行試驗(在液態(tài)金屬腐蝕和應力的同時作用下，結構材料的機械性能會降低，繼而發(fā)生脆性斷裂——液態(tài)金屬脆化效應)，待拉伸試樣4斷裂后，打開管道15中間的液態(tài)金屬閥門16，利用氣體系統(tǒng)13將測試罐I內(nèi)的液態(tài)金屬全部壓回熔融罐2內(nèi)，關閉液態(tài)金屬閥門16，并停止對整個裝置的加熱，使其自然冷卻至室溫，然后提升圓形密封蓋12，取出拉伸試樣4，分析拉伸試樣4的裂紋擴展情況、表面腐蝕情況及斷口特點(韌性斷裂還是脆性斷裂)等。
權利要求
1.一種液態(tài)金屬條件下的材料脆化試驗裝置，其特征在于包括測試罐(I)、熔融罐(2)、拉伸機(3)、底座(10)、氣體系統(tǒng)(13)和管道(15);所述測試罐(I)包括圓形密封蓋(12)和圓柱形側壁(11)，圓形密封蓋(12)位于圓柱形側壁(11)上方，圓柱形側壁(11)固定在底座(10)上方；測試罐(I)和熔融罐(2)之間由管道(15)連接，管道(15)中間有一個液態(tài)金屬閥門(16);拉桿連接套(5)連接于拉伸機(3)下方；拉伸主軸(6)連接于拉桿連接套(5)下方；試樣夾具(7)連接于拉伸主軸(6)下方，并位于測試罐(I)內(nèi)部，拉伸試樣(4)位于試樣夾具(7)之間，試樣夾具(7)用于固定拉伸試樣(4)，使拉伸試樣(4)與拉伸主軸(6)處于同一軸線上；支撐底板(9)連接于試樣夾具(7)的下方，并與支撐導柱(8) 下端連接，支撐導柱⑶上端與圓形密封蓋(12)連接，并位于測試罐⑴內(nèi)部；拉伸機(3) 以恒定的拉伸速率向上移動時，依次通過拉桿連接套(5)、拉伸主軸(6)和試樣夾具(7)為拉伸試樣⑷提供一個恒定的拉伸速率；波紋管(14)位于圓形密封蓋(12)之上，套在拉伸主軸(6)的外圍，以實現(xiàn)圓形密封蓋(12)和拉伸主軸(6)之間的動密封；氣體系統(tǒng)(13)的兩個氣路分別與測試罐⑴和熔融罐⑵相連接，氣體系統(tǒng)(13)提供的氣體環(huán)境對測試罐(I)和熔融罐(2)內(nèi)的液態(tài)金屬進行保護，減少其在高溫下的氧化，同時用于液態(tài)金屬在測試罐⑴和熔融罐⑵之間的轉移，且能抑制測試罐⑴和熔融罐⑵內(nèi)液態(tài)金屬的揮發(fā)。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種液態(tài)金屬條件下的材料脆化試驗裝置，其特征在于所述拉伸試樣(4)位于由圓形密封蓋(12)、支撐導柱(8)和支撐底板(9)構成的半封閉獨立樣品室內(nèi)。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種液態(tài)金屬條件下的材料脆化試驗裝置，其特征在于所述拉桿連接套(5)下端中間設計為空心槽。
4.一種液態(tài)金屬條件下的材料脆化試驗方法，其特征在于按照權利要求I所述的試驗裝置結構的連接，同時將拉伸試樣(4)固定在試樣夾具(7)上之后，通過氣體系統(tǒng)(13) 將熔融罐(2)內(nèi)提前熔融的液態(tài)金屬壓入測試罐內(nèi)(I)，待測試罐(I)中液態(tài)金屬的液位升至拉伸試樣(9)上端一段距離后，啟動拉伸機(3)，選擇應變速率低于10-3S-1的慢應變速率進行試驗，拉伸機(3)向上移動時，依次通過拉桿連接套(5)、拉伸主軸(6)和試樣夾具(7)給拉伸試樣(4)提供一個恒定的拉伸速率，直到拉伸試樣(4)斷裂；試驗結束后，再通過氣體系統(tǒng)(13)將測試罐(I)內(nèi)的液態(tài)金屬壓回熔融罐(2)內(nèi)。
全文摘要
一種液態(tài)金屬條件下的材料脆化試驗裝置和方法，提供開展結構材料在液態(tài)金屬中的脆斷敏感性試驗研究的平臺和試驗方法。裝置包括熔融罐、測試罐、拉伸機、拉伸試樣、試樣夾具、拉伸主軸、拉桿連接套、波紋管等。拉伸試樣固定在試樣夾具上，并放置在測試罐內(nèi)，通過氣體系統(tǒng)，將提前在熔融罐內(nèi)融化的液態(tài)金屬壓入測試罐內(nèi)，然后采用拉伸機對拉伸試樣進行拉伸和測試。本發(fā)明適用于開展結構材料在液態(tài)金屬中的脆化敏感性試驗研究。
文檔編號G01N3/08GK102620990SQ20121008960
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月30日 優(yōu)先權日2012年3月30日
發(fā)明者劉靜, 姜志忠, 朱志強, 高勝 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院