一种用于核结构材料的小样品力学性能测试系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于核结构材料的小样品力学性能测试系统，由电子万能材料力学试验机、高精度力学传感器、样品夹具、拉压力学转换连杆和高、低温环境设备组成；联合使用高温炉和温控箱，可实现‑180℃到1000℃的原位温度环境；待测样品长度方向的尺寸小于等于10mm，厚度方向尺寸小于等于0.5；样品夹具可根据样品尺寸进行特殊设计；使用本发明专利技术的系统可高效的测试核结构材料的力学性能，其实验操作过程简单易行、重复性好、测量精度高、数据处理方法简单可靠。该系统可应用于Zr合金、反应堆用钢、镍合金、铝合金等核结构材料的力学性能测试和辐照损伤行为评估。

A small sample mechanical performance testing system for nuclear structural materials

The invention discloses a small sample mechanical property testing system for nuclear structural materials, which is composed of an electronic universal material mechanical testing machine, a high-precision mechanical sensor, a sample clamp, a tensile-compressive connecting rod, and high and low temperature environmental equipment. Temperature environment; the dimension of the length direction of the sample to be measured is less than or equal to 10 mm, and the thickness direction is less than or equal to 0.5; the sample clamp can be specially designed according to the sample size; the mechanical properties of nuclear structural materials can be effectively tested by the system using the present invention, and the experimental operation process is simple, repeatable and the measuring accuracy is high. The data processing method is simple and reliable. The system can be used to test the mechanical properties of Zr alloy, reactor steel, nickel alloy, aluminum alloy and other nuclear structural materials and to evaluate the radiation damage behavior.

【技术实现步骤摘要】
一种用于核结构材料的小样品力学性能测试系统
本专利技术属于材料力学性能测试系统
，具体涉及一种用于核结构材料的小样品力学性能测试系统。
技术介绍
核结构材料在辐照条件下会发生结构损伤，例如产生空位团、原子偏聚、相变、位错环、非晶、肿胀、裂纹，进而引起材料塑性、韧性的下降以及硬度、脆性的提高。研究核结构材料的力学性能具有重要意义，可用于评估现有服役核能材料的性能和寿命、辐照损伤机理的研究以及设计研发面向未来的新型核结构材料。因此很有必要建立一套评估核结构材料力学性能的方法。反应堆辐照过的核结构材料(Zr合金燃料包壳、反应堆用不锈钢等)通常都具有很强的放射性，因此传统核结构材料力学性能的研究均在热室中进行，其造价昂贵、测量效率低。材料的力学性能测试基本都是破坏性的，通常一个样品只能进行一次力学测量，这就需要有更多的样品才能满足多种力学测试的需求。反应堆内高通量的辐照空间十分有限，采用传统的方法测试样品必然占用更多的宝贵辐照空间，为了得到系统的数据，需要多次的辐照实验和更长的研究周期。可见传统的力学研究方法不能满足现有的研究需要。使用小样品替代或部分替代传统拉伸样品研究核结构材料的力学性能，具有如下优点。第一，可以极大的提高研究效率、降低研究成本；第二，样品数量丰富，便于进行多种力学实验研究；第三，样品放射剂量低，操作安全，可在热室外操作；第四，便于对样品施加温度环境，进行不同温度下的力学性能测试；第五，制样技术中某些步骤与透射电镜和小角散射制样技术相同，方便建立结构与性能的关系。可见，小样品力学性能测试技术突破了传统核结构力学性能研究方法的限制，在核结构材料力学性能研究中具有重要作用。小样品测试技术以其灵活、多样、高效的测试特点引起了国内外学者的广泛关注。应用小样品测试技术进行核结构材料力学性能研究的报道很多，但是关于该技术本身的报道却很少，尤其是涉及样品夹具设计、夹具与力学试验机的装配、高低温加载环境的集成以及数据分析方面的技术还鲜有报道。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的主要目的在于提供一种用于核结构材料的小样品力学性能测试系统，旨在解决现有技术中对样品夹具设计、夹具与力学试验机的装配、高低温加载环境的集成以及数据分析方面的研究空白的问题。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种用于核结构材料的小样品力学性能测试系统，特别是一种可以在高、低温环境下进行核结构材料小样品力学性能测试的测试系统；该系统可应用于Zr合金、钢和镍合金、铝合金等核结构材料的常温力学性能测试以及高低温环境下的力学性能测试。上述系统包括电子万能材料力学试验机、高精度力学传感器、用于装夹测试样品的样品夹具、拉压力学转换连杆和高低温环境设备；所述拉压力学转换连杆与电子万能材料力学试验机的底座连接；所述高低温环境设备安装于所述电子万能材料力学试验机内，通过所述高低温环境设备调节电子万能材料力学试验机内的测试环境温度；所述高精度力学传感器设置于所述拉压力学转换连杆上；所述样品夹具设置于所述拉压力学转换连杆上，通过所述拉压力学转换连杆对所述样品夹具施加压力。进一步，所述拉压力学转换连杆包括下托盘和上压盘，所述下托盘中心设置有一凹槽，所述凹槽的尺寸与所述样品夹具的外观尺寸相匹配，便于将所述样品夹具放入所述凹槽中。进一步，所述样品夹具包括方片样品夹具和圆片样品夹具，根据样品形状选择合适的样品夹具；所述方片样品夹具由第一上模具、第一下模具、第一压针、第一钢球和方片模具组成，所述第一上模具中心设置有直径为2.4-2.6mm的孔，所述第一下模具中心设置有直径为3.9-4.2mm的孔，所述第一压针为直径2.2-2.3mm的圆柱形顶针，所述第一钢球采用直径为2.3-2.4mm的硬质合金钢球，所述方片模具的边长为2.3-2.4mm，所述第一下模具中根据样品尺寸设计有一个方形的凹槽，在所述第一上模具中心设置有与所述第一下模具中心的方形凹槽相匹配的方形凸起，装配时，首先把方片样品放入第一下模具的方形凹槽内，并通过2个准直螺丝固定第一上下模具，然后在第一上模具中心孔中放入方片模具，最后通过第一上模具的中心孔放入第一压针；所述圆片样品夹具由第二上模具、第二下模具、第二压针和圆形模具组成；所述第二上模具中心设置有直径为1-1.2mm的孔，所述第二下模具中心设置有直径为1.5-1.7mm的孔，所述第二压针为直径0.9-1mm的圆柱形顶针，所述第二钢球采用直径为0.9-1mm的硬质合金钢球，所述圆片模具的直径为0.9-1mm，所述第二下模具中根据样品尺寸设计有一个圆形的凹槽，在所述第二上模具中心设置有与所述第二下模具中心的圆形凹槽相匹配的圆形凸起，装配时，首先把圆片样品放入第二下模具的圆形凹槽内，并通过2个准直螺丝固定第二上下模具，然后在第二上模具中心孔中放入圆片模具，最后通过第二上模具的中心孔放入第二压针。进一步，所述样品夹具和所述拉压力学转换连杆均采用316不锈钢或镍基高温合金一体成型。进一步，所述高低温环境设备由温控箱和高温炉组成；所述温控箱用于实现低温环境控制，所述高温炉用于实现高温环境控制；所述高温炉采用三段电阻加热的方式实现高温的温度控制，所述高温炉的控温范围为300℃到1000℃；所述温控箱采用通过控制液氮的流量来调节低温环境，所述温控箱可达到的低温范围是-180℃到室温；联合使用高温炉和温控箱，可实现-180℃到1000℃的原位温度环境。进一步，采用上述系统进行力学性能测试时，必须使用相同厚度的样品进行同一类型的力学研究，样品厚度在0.2-0.5mm之间，精度为0.01mm。进一步，所述高精度力学传感器的最大量程为1000N到5000N。进一步，所述电子万能材料力学试验机的横梁位移分辨率至少为0.1μm。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下优点：本专利技术的用于核结构材料的小样品力学性能测试系统，设置有电子万能材料力学试验机、高精度力学传感器、样品夹具、拉压力学转换连杆和高低温环境设备，使用本专利技术的系统可高效的测试核结构材料的力学性能，其实验操作过程简单易行、重复性好、测量精度高、数据处理方法简单可靠。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。图1为10mm×10mm方片状样品夹具分解示意图；图2为Φ3mm圆片状样品夹具分解示意图；图3为方片样品夹具装配图；图4为片状样品夹具、拉压力学转换连杆和高温炉和温控箱的联用示意图；图5为屈服载荷位移与载荷关系曲线图；图6为小样品Zr合金的测试曲线。附图标记说明：1-第一压针；2-第一上模具；3-第一钢球；4-方片模具；5-第一下模具；6-上压盘；7-下托盘。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。需本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于核结构材料的小样品力学性能测试系统，其特征在于，包括电子万能材料力学试验机、高精度力学传感器、用于装夹测试样品的样品夹具、拉压力学转换连杆和高低温环境设备；所述拉压力学转换连杆与电子万能材料力学试验机的底座连接；所述高低温环境设备安装于所述电子万能材料力学试验机内，通过所述高低温环境设备调节电子万能材料力学试验机内的测试环境温度；所述高精度力学传感器设置于所述拉压力学转换连杆上；所述样品夹具设置于所述拉压力学转换连杆上，通过所述拉压力学转换连杆对所述样品夹具施加压力。

【技术特征摘要】
1.一种用于核结构材料的小样品力学性能测试系统，其特征在于，包括电子万能材料力学试验机、高精度力学传感器、用于装夹测试样品的样品夹具、拉压力学转换连杆和高低温环境设备；所述拉压力学转换连杆与电子万能材料力学试验机的底座连接；所述高低温环境设备安装于所述电子万能材料力学试验机内，通过所述高低温环境设备调节电子万能材料力学试验机内的测试环境温度；所述高精度力学传感器设置于所述拉压力学转换连杆上；所述样品夹具设置于所述拉压力学转换连杆上，通过所述拉压力学转换连杆对所述样品夹具施加压力。2.根据权利要求1所述的用于核结构材料的小样品力学性能测试系统，其特征在于，所述拉压力学转换连杆包括下托盘和上压盘，所述下托盘中心设置有一凹槽，所述凹槽的尺寸与所述样品夹具的外观尺寸相匹配，便于将所述样品夹具放入所述凹槽中。3.根据权利要求1或2所述的用于核结构材料的小样品力学性能测试系统，其特征在于，所述样品夹具包括方片样品夹具和圆片样品夹具，根据样品形状选择合适的样品夹具；所述方片样品夹具由第一上模具、第一下模具、第一压针、第一钢球和方片模具组成，所述第一上模具中心设置有直径为2.4-2.6mm的孔，所述第一下模具中心设置有直径为3.9-4.2mm的孔，所述第一压针为直径2.2-2.3mm的圆柱形顶针，所述第一钢球采用直径为2.3-2.4mm的硬质合金钢球，所述方片模具的边长为2.3-2.4mm，所述第一下模具中根据样品尺寸设计有一个方形的凹槽，在所述第一上模具中心设置有与所述第一下模具中心的方形凹槽相匹配的方形凸起，装配时，首先把方片样品放入第一下模具的方形凹槽内，并通过2个准直螺丝固定第一上下模具，然后在第一上模具中心孔中放入方片模具，最后通过第一上模具的中心孔放入第一压针；所述圆片样品夹具由第二上模具、第二下模具、第二压针和圆形模具组成；所述第二上模具中心设置有直径为1-1.2mm的孔，所述第二下模具中心设置有直径为1.5-1...

【专利技术属性】
技术研发人员：田强，晏敏皓，
申请(专利权)人：西南科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51