小冲杆试验机的研发

　　1　引　言

　　小冲杆试验法(试验原理如图1所示)于20世纪80年代作为一种用来评定受辐射断裂材料性能随温度变化和辐照量变化特征的试验技术诞生以来,至今已过了20多年。在这些年间,以美国与日本为首的各国在利用小冲杆试验法评定材料常规力学性能的屈服极限和强度极限以及断裂韧性和高温蠕变性能等方面取得了一定的成果,然而,国内小冲杆试验法的研究与应用却仍旧处于起步阶段。究其原因,一方面,是由于国内开始研发该技术的时间比较晚,而使得成果落后于其他发达国家;另一方面,是由于缺乏功能完备的小冲杆试验机提供优良的试验环境与研究平台。

　　本文旨在开发一台性能稳定且具备常温、高温及低温试验能力和裂纹监测能力的小冲杆试验机。

　　2　机身结构方案

　　试验机整机开发是一项艰巨的大工程。为了使新的小冲杆试验机性能优异且功能齐全,同时又满足经济性与开发时间短等要求,决定基础构件采用目前市场上现有的万能试验机,在此基础上进行新型小冲杆试验机的开发。

　　机身结构设计包括万能试验机选型、环境箱系统设计、夹具设计和裂纹监测装置选用。

　　2·1　万能试验机的选型

　　试验机依据最大负载、压头速度、试验机位移测量分辨率以及试验机负载示值分辨率来进行选型。

　　2·1·1　试验机的最大负载

　　Mao[1]通过对HT-60、PCA、HT-9、SUS304、A533B五种材料的3mm×0·25mm规格,HT-60、A508、HT-9、SUS304、A533B五种材料10mm×10mm×0·3~0·5mm规格的小冲杆试验,得到了δb-Pmax的经验关系(其中δb为试样的抗拉强度,Pmax为试样的冲破载荷,t0为试样初始厚度

　　韩浩[2]通过对20 #、1·25Cr0·5Mo、A3、1Cr5Mo、12Cr1MoV、16MnR ( A)、国产P91、16MnR(B)、进口P91、4333M4、34NiCrMo16十一种材料的10mm×0·5mm规格的小冲杆试验,得到了δb-Pmax的经验关系:

　　由上述两式可知,材料的抗拉强度与冲破载荷是成正比关系的。同时又因试验机的最大负载必须大于试样的冲破载荷才可使试验成功,则可以得到如下结论:试验机能够满足抗拉强度最大的材料的负载需求,便能满足所有材料的负载需求。

　　从目前华东理工大学所获得的小冲杆试验数据中,可以找到抗拉强度最大的材料为37SiMnCrNiMoV,它的δb= 1580·7MPa,这里取δb=1600MPa,同时取t0=0·5mm,代入方程计算得,(1)式中的Pmax=3692N,(2)式中的Pmax=3774N。试验机最大负载必须大于两者,同时也要进行商品的标准化,整理完毕后可得适宜选用的万能试验机最大负载为5000N。

　　2·1·2　试验机的压头速度

　　张志豪[3]等通过对Zr41·25Ti13·75Ni10Cu12·5Be22·5大块非晶合金的8mm×0·6mm规格的不同加载速度的小冲杆试验,得出了如下结论:当压头速度变化量为1·5μm/s时,试验的负载—位移曲线出现了十分明显的变化。由此可以认为:虽然不同材料的应变速率敏感系数不同,但是压头速度对于小冲杆试验结果的影响是不可忽视的。因此,确定出一个试验误差小的压头速度范围以及确定出一个不同试样的试验结果可比性高的压头速度范围亦是试验机设计的重要环节之一。