本實用新型涉及一種高溫軸壓試驗裝置，屬于高溫材料力學(xué)試驗設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，要求一些工件能夠在更高的工作溫度和應(yīng)力條件下進行更長時間的運行。例如在高壓蒸汽鍋爐、汽輪機、燃氣輪機、柴油機、航空發(fā)動機以及化工煉油設(shè)備中，很多機件長期在高溫條件下服役。在工程應(yīng)用中，金屬材料常常處在高溫高應(yīng)變率耦合作用下的環(huán)境中，材料特性與應(yīng)變率的依賴關(guān)系受材料使用環(huán)境溫度的影響。近年來，材料與結(jié)構(gòu)高溫力學(xué)行為的研究，一方面要為在更加嚴(yán)苛條件下的重大裝備的設(shè)計制造和使用提供相關(guān)理論基礎(chǔ)，另一方面要支持先進的微小型高溫裝置(微化學(xué)機械系統(tǒng)、高溫微電子設(shè)備等)的發(fā)展。先進能源系統(tǒng)的設(shè)計制造提出了許多挑戰(zhàn)性的問題，例如當(dāng)前致力發(fā)展的在600～700℃下工作的超臨界電站裝置、下一代的核能系統(tǒng)：超高溫堆(氦氣出口溫度達1000℃)、液態(tài)金屬堆(出口溫度達550℃-800℃)等等，其中設(shè)備除了承受高溫高壓之外，腐蝕和輻射問題均是影響可靠性的重要因素。隨著工業(yè)科技發(fā)展的需要，許多新材料(非金屬材料及復(fù)合材料)不斷地被研究和開發(fā)出來并獲得應(yīng)用，其中不少材料需要工作在惡劣環(huán)境下(例如高溫或低溫)，如用于航空發(fā)動機葉片的材料要工作在數(shù)百度的高溫下，而用于航天飛機的頭部材料在重返大氣層時要承受數(shù)千度的高溫。

材料的力學(xué)性能主要包括彈性和剛度，強度(屈服強度、極限強度、疲勞強度)和硬度以及塑性和韌性幾方面。不同的機械設(shè)計用途要求具有不同力學(xué)性能的材料，同一種材料在不同工況、不同環(huán)境條件下會表現(xiàn)出不同的力學(xué)行為。例如航天航空、車輛、艦船發(fā)動機等性能的不斷提高，對高溫結(jié)構(gòu)材料提出了更高的要求，需要材料更強、更剛、更耐熱和更輕。

高溫對于金屬材料力學(xué)行為和力學(xué)性能的影響主要有以下幾個方面：

（1）抗拉強度。金屬材料的抗拉強度是隨著溫度的升高而逐漸下降的，并且高溫下的抗拉強度也隨載荷持續(xù)時間的增長而降低。且應(yīng)力越低，持續(xù)時間越長，隨著溫度的升高載荷逐漸變小。

（2）高溫蠕變。金屬材料在高溫條件下工作，即使受到較小的熱應(yīng)力，也會發(fā)生緩慢的持續(xù)的塑性變形，即高溫蠕變。蠕變是高溫對金屬材料影響最為直觀的表現(xiàn)，一般來說，隨著工作溫度的升高，金屬材料的抗蠕變性能會下降，此外，溫度波動也會加快金屬材料的蠕變變形速度。

（3）塑性降低。高溫長時間載荷下，金屬材料的塑性顯著降低，一般都呈現(xiàn)出沿晶斷裂，且缺口敏感性增加，因此，其斷裂往往呈現(xiàn)脆性破壞現(xiàn)象。此外，溫度和持續(xù)時間也能影響金屬材料的斷裂形式，溫度升高時晶粒強度和晶界強度都要降低。

（4）應(yīng)力變化。高溫下溫度的不同和變化會引起金屬材料的變形，當(dāng)變形受到不同溫度區(qū)域材料的約束時就會產(chǎn)生熱應(yīng)力，高溫區(qū)產(chǎn)生壓縮熱應(yīng)力，低溫區(qū)產(chǎn)生拉伸熱應(yīng)力。金屬材料在高溫下的屈服強度稱為流變應(yīng)力，一般地，隨著溫度的升高而降低。

由以上所述可知進行高溫條件下材料力學(xué)行為和力學(xué)性能的研究已經(jīng)成為當(dāng)下工程生產(chǎn)設(shè)計的迫切需要。目前，測試材料力學(xué)的儀器主要有液壓萬能材料試驗機、電子萬能材料試驗機等，這些儀器大多是在常溫或低溫下進行測試，無法滿足得到高溫下的力學(xué)參數(shù)（如果彈性模量，剪切模量，泊松比），而這些參數(shù)對于相應(yīng)機構(gòu)零件的材料選擇及理論模擬（如模擬高壓鍋爐在高溫高壓下的靜態(tài)及動態(tài)過程）至關(guān)重要。

上述高壓裝置存在的問題主要有：

（1）無法在高溫條件下，對固體樣品單獨加載軸向載荷，并原位測量固體樣品的應(yīng)力和應(yīng)變；（2）現(xiàn)有力學(xué)試驗機體積較大，難以與顯微鏡和各種光譜儀對接，無法原位觀測固體樣品的表面形貌特征和顯微光譜特征；（3）現(xiàn)有測量應(yīng)變的方法大多采用應(yīng)變片的方式，但是能用于高溫條件下的應(yīng)變片價格比較高，且高溫條件下應(yīng)變片的溫度補償比較難處理。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型要解決的技術(shù)問題是：提供一種高溫軸壓試驗裝置，可實現(xiàn)不同溫度下應(yīng)力應(yīng)變的測量，測試精度高、測試數(shù)據(jù)更可靠，溫度可到達700℃，以解決目前國內(nèi)外同類試驗裝置中存在的上述各種問題。

本實用新型采取的技術(shù)方案為：一種高溫軸壓試驗裝置，包括壓力容器，所述壓力容器水平方向內(nèi)設(shè)置有對稱密封的兩軸向壓桿，所述兩壓桿間放置試樣，一壓桿外端連接加載裝置以及布置有位移檢測裝置，另一壓桿外端連接壓力傳感器，所述加載裝置、位移檢測裝置和壓力傳感器固定連接到底座上，所述壓力容器外套接有加熱試樣的加熱裝置所述加熱裝置置于底座的凹槽內(nèi)，與壓力容器接觸面設(shè)置有溫度傳感器。

優(yōu)選的，上述壓力容器表面設(shè)置有光學(xué)窗口，所述光學(xué)窗口正對試樣中心，且安裝有觀測試樣的顯微白光像和顯微光譜的光學(xué)測量系統(tǒng)。

優(yōu)選的，上述位移檢測裝置、壓力傳感器、溫度傳感器、加熱裝置、光學(xué)測量系統(tǒng)連接到控制器，并通過導(dǎo)線連接到上位機。

優(yōu)選的，上述位移檢測裝置設(shè)置兩個，分別分布在兩壓桿的兩外端，其結(jié)構(gòu)包括位移傳感器和剛性薄片條，所述剛性薄片條一端連接在壓桿端部，其另一端接觸有位移傳感器探頭，所述位移傳感器固定連接在底座側(cè)壁上。

優(yōu)選的，上述加載裝置包括加力螺釘和轉(zhuǎn)接件，所述加力螺釘可螺旋移動地連接在底座側(cè)壁上，其螺紋端部中心連接有轉(zhuǎn)接件，轉(zhuǎn)接件端部設(shè)置有萬向球頭，萬向球頭將力傳遞到左側(cè)壓桿。

優(yōu)選的，上述所述轉(zhuǎn)接件為臺階軸，其小軸插入加力螺釘中部的盲孔內(nèi)，并在小軸上套接有壓縮彈簧，壓縮彈簧一端抵靠在加力螺釘端面上，其另一端抵靠在轉(zhuǎn)接件大軸端面上。

優(yōu)選的，上述壓力傳感器通過調(diào)整螺釘連接到底座上，其連接右側(cè)壓桿一端設(shè)置有球頭。

優(yōu)選的，上述光學(xué)窗口包括正對相通第一通孔、第二通孔、透明部和第三通孔，第一通孔設(shè)置在壓力容器上，第二通孔設(shè)置在加熱裝置上，所述第三通孔設(shè)置在底座側(cè)壁上，所述透明部通過壓塊安裝在第一通孔處，其設(shè)置在壓塊凹槽內(nèi)，壓塊凹槽內(nèi)設(shè)置有透光孔，其外表面緊貼在第一通孔處，設(shè)置在壓力容器凹槽內(nèi)。

本實用新型的有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型效果如下：

（1）本實用新型可以在高溫和軸向壓力下原位測量固體試樣的應(yīng)力應(yīng)變，測量數(shù)據(jù)更加接近實際；

（2）本實用新型安裝有光學(xué)窗口，可以原位觀測試樣表面的顯微圖像，這樣就可以在不同溫度和軸向壓力下，利用顯微鏡直接觀測試樣表面的微觀結(jié)構(gòu)（如應(yīng)力條件下表面的裂紋）及其動態(tài)變化；

（3）本實用新型安裝有光學(xué)窗口，并能原位觀測試樣的顯微光譜，如測量各種具有拉曼活性材料的拉曼光譜，拉曼光譜可精確測量材料的晶格振動能量。當(dāng)材料受到應(yīng)力作用時，其晶格結(jié)構(gòu)就會產(chǎn)生變化，晶格振動能量也將發(fā)生改變，拉曼頻移也將發(fā)生改變，根據(jù)應(yīng)力與相對拉曼頻移之間的關(guān)系可精確計算出晶體內(nèi)部的應(yīng)力，顯微拉曼光譜法用于力學(xué)測量，具有非接觸、無損、空間分辨率高和可以深度聚焦等特點，可以在不同溫度和單軸應(yīng)力條件下，系統(tǒng)的測量固體樣品的應(yīng)力應(yīng)變與拉曼光譜，并建立拉曼頻移與應(yīng)力的理論關(guān)系模型，為科研工作及工程技術(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持；

（4）本實用新型測量變形的方法采用相對的兩個位移傳感器測量樣品兩端的位移，從而得出固體樣品的應(yīng)變，由于位移傳感器在壓力容器和加熱裝置的外部，不受溫度波動和圍壓的影響，因此測量固體試樣的應(yīng)變數(shù)據(jù)更精確也更經(jīng)濟；

（5）本實用新型測量變形的位移傳感器安裝方式，其測量精度達到0.5μm，分辨率達到0.01μm，能夠更精確地測量固體樣品的微小應(yīng)變量；

（6）本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，并具有體積小，重量輕的特點。

附圖說明

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖的布置圖；

圖2為圖1的前視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖1中的A局部放大示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及具體的實施例對本實用新型進行進一步介紹。

實施例1：如圖1-圖3所示，一種高溫軸壓試驗裝置，包括壓力容器2，壓力容器2水平方向內(nèi)設(shè)置有對稱密封的兩軸向左側(cè)壓桿3和右側(cè)壓桿4，左側(cè)壓桿3和右側(cè)壓桿4間放置試樣5，一壓桿3外端連接加載裝置7以及布置有位移檢測裝置22，另一壓桿4外端連接壓力傳感器8，加載裝置7、位移檢測裝置22和壓力傳感器8固定連接到底座1上，壓力容器2外套接有加熱試樣5的加熱裝置6，加熱裝置6置于底座1的凹槽26內(nèi)，與壓力容器2接觸面設(shè)置有溫度傳感器29。

優(yōu)選的，上述壓力容器2表面設(shè)置有光學(xué)窗口10，光學(xué)窗口10正對試樣5中心，且安裝有觀察試樣5光譜的光學(xué)測量系統(tǒng)30，并能原位觀測固體樣品的表面顯微形貌特征及顯微光譜測量，獲得試樣表面的拉曼光譜與應(yīng)力應(yīng)變之間的關(guān)系。

優(yōu)選的，上述位移檢測裝置22、壓力傳感器8、溫度傳感器29、加熱裝置6、光學(xué)測量系統(tǒng)30連接到控制器，并通過導(dǎo)線連接到上位機。

優(yōu)選的，上述位移檢測裝置22設(shè)置兩個，分別分布在左側(cè)壓桿3和右側(cè)壓桿4的兩外端，其結(jié)構(gòu)包括左位移傳感器32、右位移傳感器24和左剛性薄片條33、右剛性薄片條23，左剛性薄片條33和右剛性薄片條23一端分別連接在左側(cè)壓桿3和右側(cè)壓桿4端部，其另一端分別接觸有左位移傳感器32和右位移傳感器24探頭，左位移傳感器32和右位移傳感器24探頭分別固定連接在底座1左、右側(cè)壁上，通過兩個位移傳感器安裝在壓桿兩端，對試樣進行軸向變形的檢測，檢測出來后利用位移差，能夠大大提高檢測位移的精度和數(shù)據(jù)可靠性，大大降低檢測誤差。

優(yōu)選的，上述加載裝置7包括加力螺釘18和轉(zhuǎn)接件19，加力螺釘18可螺旋移動地連接在底座1側(cè)壁上，其螺紋端部中心連接有轉(zhuǎn)接件19，轉(zhuǎn)接件19端部設(shè)置有萬向球頭20，萬向球頭20將力傳遞到左側(cè)壓桿3，通過加力螺釘旋轉(zhuǎn)將軸向力傳遞到轉(zhuǎn)接件上，轉(zhuǎn)接件推動壓桿實現(xiàn)試樣的軸向加載，萬向球頭的接觸能夠減少接觸面，防止壓桿轉(zhuǎn)動對試樣測試數(shù)據(jù)的影響，減少非軸向分力對軸向載荷的影響，大大提高軸向加載力的穩(wěn)定性以及可靠性，提高試驗測試精度。

優(yōu)選的，上述轉(zhuǎn)接件19為臺階軸，其小軸34插入加力螺釘18中部的盲孔35內(nèi)，并在小軸34上套接有壓縮彈簧21，壓縮彈簧21一端抵靠在加力螺釘18端面上，其另一端抵靠在轉(zhuǎn)接件19大軸端面上，采用壓縮彈簧置于轉(zhuǎn)接件和加力螺釘間，因彈簧的彈性緩沖作用，讓加載的軸向力變化緩慢，更加均勻，更加便于控制加載力的變化，進一步提高數(shù)據(jù)測試精度和測試可靠性，操作更加方便容易，避免瞬時沖擊力帶來的測試數(shù)據(jù)效果差和不可靠以及傳感器的損壞，大大提高了使用安全性。

優(yōu)選的，上述壓力傳感器8通過調(diào)整螺釘25連接到底座1上，其連接右側(cè)壓桿4一端設(shè)置有球頭43，通過調(diào)整螺釘25結(jié)合上述的加力螺釘18，實現(xiàn)左右側(cè)壓桿的移動，從而保證試樣能夠居于正中位置正對光學(xué)窗口，便于光學(xué)測試系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)更加精確和更加可靠，且通過調(diào)整螺釘和加力螺釘?shù)臄Q動，調(diào)節(jié)方便快捷。

優(yōu)選的，上述光學(xué)窗口10包括正對相通第一通孔14、第二通孔15、透明部13和第三通孔16，第一通孔14設(shè)置在壓力容器2上，第二通孔15設(shè)置在加熱裝置6上，所述第三通孔16設(shè)置在底座1側(cè)壁上，透明部13通過壓塊12安裝在第一通孔14處，其設(shè)置在壓塊12凹槽內(nèi)，壓塊12凹槽內(nèi)設(shè)置有透光孔，其外表面緊貼在第一通孔14處，通過螺釘17將其固定連接在壓力容器2凹槽內(nèi)。

實施例2：一種高溫軸壓試驗裝置的試驗方法，該方法包括以下步驟：

（1）將試樣裝入壓力容器內(nèi)，通過兩對稱壓桿初始按壓；

（2）加熱裝置通過加熱壓力容器將試樣進行加熱；

（3）在試樣不同溫度下測試軸向壓力和位移變化，并通過光學(xué)測量系統(tǒng)觀測試樣在高溫和軸向壓力條件下的表面顯微白光像和顯微光譜。

步驟（3）中位移測試方法包括以下步驟：

（1）對固體樣品在一定的溫度壓力條件下測量，通過壓桿左側(cè)位移檢測裝置的位移傳感器測得的左側(cè)位移X1，壓桿右側(cè)位移檢測裝置的位移傳感器測得的右側(cè)位移X2，則兩剛性薄片條間的總變形位移量為X=X1+X2，其中位移傳感器精度達到0.5μm和分辨率達到0.01μm；

（2）然后再用與固體樣品尺寸一樣的碳化鎢試樣在相同溫度、壓力、流體條件下進行測試，測量兩個剛性薄片條之間的總位移量為X’；

（3）試樣的變形量為Y=X-X’。

以上所述，僅為本實用新型的具體實施方式，但本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實用新型的保護范圍之內(nèi)，因此，本實用新型的保護范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護范圍為準(zhǔn)。