一种液态金属条件下的材料脆化试验装置和方法

专利名称：一种液态金属条件下的材料脆化试验装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种液态金属条件下的材料脆化试验装置和方法，适用于开展结构材料在液态金属中的脆断敏感性试验研究。
背景技术：
在液态金属环境中，结构材料受到液态金属(如锂铅或铅铋合金等)的腐蚀和热应力的同时作用，会导致结构材料的韧性丢失，引起结构材料的脆性断裂，从而引起重大安全事故。该研究在众多工业领域(例如核反应堆领域)有广泛应用。开展结构材料在液态金属中的脆断敏感性试验的装置能接近真实情况地模拟结构材料在液态金属中的工况，获得的试验数据可以开展液态金属的腐蚀机理研究，并为工业用备选材料选取提供指导。目前，国内还没有开展结构材料在液态金属中脆断效应试验装置和方法的研究。 国际上仅有少数国家在该方面进行了研究，法国科学研究中心采用冲压方式对试验试样施加一定的力，该装置对试样有特殊要求，并且该装置还存在难以开展试样裂纹扩展情况的试验研究和试样的安装和取样过程较为繁琐等缺点；另外，比利时的UMETS系列装置主要用于辐照后拉伸试样在液态铅铋或锂铅中的脆断敏感性试验研究，该装置结构设计复杂， 成本昂贵，试验操作困难。

发明内容
本发明的技术解决问题克服现有装置结构复杂、功能单一等缺陷，提供一种液态金属条件下的材料脆化试验装置和方法，具有拉伸试样拆装方便、装置可靠性强、安全性高、功能齐全等优点，可研究拉伸试样在液态金属和应力同时作用下的脆断敏感性及应力腐蚀等试验研究。本发明的技术解决方案一种液态金属条件下的材料脆化试验装置，包括测试罐I、熔融罐2、拉伸机3、底座10、气体系统13和管道15，具体结构描述如下所述测试罐I包括圆形密封盖12和圆柱形侧壁11，圆形密封盖12位于圆柱形侧壁11上方，圆柱形侧壁11固定在底座10上方；测试罐I和熔融罐2之间由管道15连接， 管道15中间有一个液态金属阀门16 ；拉杆连接套5连接于拉伸机3下方；拉伸主轴6连接于拉杆连接套5下方；试样夹具7连接于拉伸主轴6下方，并位于测试罐I内部，拉伸试样4位于试样夹具7之间，试样夹具7用于固定拉伸试样4,使拉伸试样4与拉伸主轴6处于同一轴线上；支撑底板9连接于试样夹具7的下方，并与支撑导柱8下端连接，支撑导柱8上端与圆形密封盖12连接， 并位于测试罐I内部；拉伸机3以恒定的拉伸速率向上移动时，依次通过拉杆连接套5、拉伸主轴6和试样夹具7为拉伸试样4提供一个恒定的拉伸速率；波纹管14位于圆形密封盖 12之上，套在拉伸主轴6的外围，以实现圆形密封盖12和拉伸主轴6之间的动密封。气体系统13的两个气路分别与测试罐I和熔融罐2相连接，气体系统13提供的惰性气氛或还原性气氛对测试罐I和熔融罐2内的液态金属进行保护，减少其在高温下的氧化，同时用于液态金属在测试罐I和熔融罐2之间的转移，且能抑制测试罐I和熔融罐2 内液态金属的挥发。所述拉伸试样4位于由圆形密封盖12、支撑导柱8和支撑底板9构成的半封闭独立样品室内。
所述拉杆连接套5下端中间设计为空心槽。一种液态金属条件下的材料脆化试验方法，按照上述的试验装置结构的连接，同时将拉伸试样4固定在试样夹具7上之后，通过气体系统13将熔融罐2内提前熔融的液态金属压入测试罐内1，待测试罐I中液态金属的液位升至拉伸试样9上端一段距离后，启动拉伸机3，选择应变速率低于KT3S4的慢应变速率进行试验，拉伸机3向上移动时，依次通过拉杆连接套5、拉伸主轴6和试样夹具7给拉伸试样4提供一个恒定的拉伸速率,直到拉伸试样4断裂；试验结束后，再通过气体系统13将测试罐I内的液态金属压回熔融罐2内。本发明与现有技术相比的优点在于(I)本发明装置中，拉伸试样位于由圆形密封盖、支撑导柱和支撑底板构成的半封闭独立样品室内，试验前或试验后，可以通过提升半封闭独立样品室将拉伸试样升至测试罐上方，方便了拉伸试样的安装与拆卸；(2)本发明拉伸试样位于半封闭独立样品室内，试验后，拉伸试样是否被拉断，均可通过提升半封闭独立样品室取出拉伸试样，保证了装置运行的可靠性；(3)本发明拉杆连接套下端中间空心槽的设计，可以使拉伸机空载移动一段距离， 对装置起到保护作用，提高了装置运行安全性；(4)本发明可以开展结构材料在高温液态金属及高温气体环境中的对比拉伸试验，获得结构材料在上述环境中的裂纹扩展速率、断裂特性等对比试验结果，功能齐全。


图I为本发明的装置主体结构示意图；图中，I测试罐；2熔融罐；3拉伸机；4拉伸试样；5拉杆连接套；6拉伸主轴；7试样夹具；8支撑导柱；9支撑底板；10底座；11圆柱形侧壁；12圆形密封盖；13气体系统；14 波纹管；15管道；16液态金属阀门。
具体实施例方式本发明一种液态金属条件下的材料脆化试验装置和方法可以用于开展结构材料在液态金属环境和应力同时作用下的材料性能研究，如图I所示，本发明试验装置具体包括测试罐I、熔融罐2、拉伸机3、拉伸试样4、试样夹具7、支撑导柱8、支撑底板9、拉伸主轴
6、拉杆连接套5、波纹管14、气体系统13、管道15、液态金属阀门16。如图I所示，测试罐I包括圆形密封盖12和圆柱形侧壁11，圆形密封盖12位于圆柱形侧壁11上方，圆柱形侧壁11固定在底座10上方，测试罐I和熔融罐2之间由管道15 相连接，管道15中间有一个液态金属阀门16。拉杆连接套5连接于拉伸机3下方，拉伸主轴6连接于拉杆连接套5下方；试样夹具7连接于拉伸主轴6下方，并位于测试罐I内部， 拉伸试样4位于试样夹具7之间，试样夹具7用于固定拉伸试样4，使拉伸试样4与拉伸主轴6处于同一轴线上；支撑底板9连接于试样夹具7的下方，并与支撑导柱8下端连接，支撑导柱8上端与圆形密封盖12连接，并位于测试罐I内部；拉伸机3以恒定的拉伸速率向上移动时，依次通过拉杆连接套5、拉伸主轴6和试样夹具7为拉伸试样4提供一个恒定的拉伸速率；波纹管14位于圆形密封盖12之上，套在拉伸主轴6的外围，以实现圆形密封盖 12和拉伸主轴6之间的动密封。气体系统13的两个气路分别与测试罐I和熔融罐2相连接，气体系统提供的惰性气氛或还原性气氛对测试罐I和熔融罐2内的液态金属进行保护， 减少其在高温下的氧化，同时用于液态金属在测试罐I和熔融罐2之间的转移，且能抑制测试Sil I和溶融te 2内液态金属的挥发。所述拉伸试样4位于由圆形密封盖12、支撑导柱8和支撑底板9构成的半封闭独立样品室内，方便了试验前后拉伸试样4的拆装；且拉伸试样4是否被拉断，都可以方便取出拉伸试样4。
所述拉杆连接套5下端中间设计为空心槽，与拉伸主轴6连接之后，允许拉伸机3 空载移动一段距离，对装置起到保护作用。所述试样夹具7、支撑导柱8和支撑底板9采用耐高温耐液态金属腐蚀的高性能材料，且其可定期更换，保证了装置的寿命。试验时，拉伸试样4固定于试样夹具7中，并置于测试罐I内部，固态金属介质装于熔融罐2内。具体试验步骤如下采用电加热对测试罐I、管道15及熔融罐2进行加热； 待温度升至试验设定温度(金属熔点之上)时，打开管道15中间的液态金属阀门16，利用气体系统13将熔融罐2内的液态金属压入测试罐I内，并使测试罐I内液态金属的液位位于拉伸试样4之上IOmm左右，关闭液态金属阀门16 ;随后，启动拉伸机3,选择慢应变速率(应变速率低于lO、-1)进行试验(在液态金属腐蚀和应力的同时作用下，结构材料的机械性能会降低，继而发生脆性断裂——液态金属脆化效应)，待拉伸试样4断裂后，打开管道15中间的液态金属阀门16，利用气体系统13将测试罐I内的液态金属全部压回熔融罐2内，关闭液态金属阀门16，并停止对整个装置的加热，使其自然冷却至室温，然后提升圆形密封盖12，取出拉伸试样4，分析拉伸试样4的裂纹扩展情况、表面腐蚀情况及断口特点(韧性断裂还是脆性断裂)等。
权利要求
1.一种液态金属条件下的材料脆化试验装置，其特征在于包括测试罐(I)、熔融罐(2)、拉伸机(3)、底座(10)、气体系统(13)和管道(15);所述测试罐(I)包括圆形密封盖(12)和圆柱形侧壁(11)，圆形密封盖(12)位于圆柱形侧壁(11)上方，圆柱形侧壁(11)固定在底座(10)上方；测试罐(I)和熔融罐(2)之间由管道(15)连接，管道(15)中间有一个液态金属阀门(16);拉杆连接套(5)连接于拉伸机(3)下方；拉伸主轴(6)连接于拉杆连接套(5)下方；试样夹具(7)连接于拉伸主轴(6)下方，并位于测试罐(I)内部，拉伸试样(4)位于试样夹具(7)之间，试样夹具(7)用于固定拉伸试样(4)，使拉伸试样(4)与拉伸主轴(6)处于同一轴线上；支撑底板(9)连接于试样夹具(7)的下方，并与支撑导柱(8) 下端连接，支撑导柱⑶上端与圆形密封盖(12)连接，并位于测试罐⑴内部；拉伸机(3) 以恒定的拉伸速率向上移动时，依次通过拉杆连接套(5)、拉伸主轴(6)和试样夹具(7)为拉伸试样⑷提供一个恒定的拉伸速率；波纹管(14)位于圆形密封盖(12)之上，套在拉伸主轴(6)的外围，以实现圆形密封盖(12)和拉伸主轴(6)之间的动密封；气体系统(13)的两个气路分别与测试罐⑴和熔融罐⑵相连接，气体系统(13)提供的气体环境对测试罐(I)和熔融罐(2)内的液态金属进行保护，减少其在高温下的氧化，同时用于液态金属在测试罐⑴和熔融罐⑵之间的转移，且能抑制测试罐⑴和熔融罐⑵内液态金属的挥发。
2.根据权利要求I所述的一种液态金属条件下的材料脆化试验装置，其特征在于所述拉伸试样(4)位于由圆形密封盖(12)、支撑导柱(8)和支撑底板(9)构成的半封闭独立样品室内。
3.根据权利要求I所述的一种液态金属条件下的材料脆化试验装置，其特征在于所述拉杆连接套(5)下端中间设计为空心槽。
4.一种液态金属条件下的材料脆化试验方法，其特征在于按照权利要求I所述的试验装置结构的连接，同时将拉伸试样(4)固定在试样夹具(7)上之后，通过气体系统(13) 将熔融罐(2)内提前熔融的液态金属压入测试罐内(I)，待测试罐(I)中液态金属的液位升至拉伸试样(9)上端一段距离后，启动拉伸机(3)，选择应变速率低于10-3S-1的慢应变速率进行试验，拉伸机(3)向上移动时，依次通过拉杆连接套(5)、拉伸主轴(6)和试样夹具(7)给拉伸试样(4)提供一个恒定的拉伸速率，直到拉伸试样(4)断裂；试验结束后，再通过气体系统(13)将测试罐(I)内的液态金属压回熔融罐(2)内。
全文摘要
一种液态金属条件下的材料脆化试验装置和方法，提供开展结构材料在液态金属中的脆断敏感性试验研究的平台和试验方法。装置包括熔融罐、测试罐、拉伸机、拉伸试样、试样夹具、拉伸主轴、拉杆连接套、波纹管等。拉伸试样固定在试样夹具上，并放置在测试罐内，通过气体系统，将提前在熔融罐内融化的液态金属压入测试罐内，然后采用拉伸机对拉伸试样进行拉伸和测试。本发明适用于开展结构材料在液态金属中的脆化敏感性试验研究。
文档编号G01N3/08GK102620990SQ20121008960
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月30日 优先权日2012年3月30日
发明者刘静, 姜志忠, 朱志强, 高胜 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院