摘 "要：設(shè)計了一款機械式蠕變測試結(jié)構(gòu)，用于搜集金屬和非金屬樣條的蠕變力學(xué)行為。首先，采用盒型有導(dǎo)軌可伸長測試工裝，可以保證測試方向不變，減少測試過程中樣品的扭曲；其次，通過設(shè)計較小的空間和可實時反饋的溫控系統(tǒng)，以及使用重錘形成的恒定的拉力，實現(xiàn)了穩(wěn)定高精度的測試條件；再次，通過將標(biāo)距設(shè)置為100mm，采集位移的分辨率為0.5mm，可得到精確到每0.5%的蠕變應(yīng)變。此外，設(shè)計了保護裝置，降低潛在的安全風(fēng)險。所設(shè)計的結(jié)構(gòu)為蠕變測試提供了一個簡易、低成本的設(shè)備方案。

關(guān)鍵詞：機械式設(shè)備；標(biāo)距；溫控系統(tǒng)；蠕變應(yīng)變

中圖分類號：TH122 """""""文獻標(biāo)志碼： A

Development of a simple mechanical creep testing equipmentQIN Jisheng

（Sunwoda Mobility Energy Technology Co.， Ltd.， Shenzhen 518000， Guangdong， China）

Abstract： This paper describes the design of a mechanical creep testing equipment for collecting the creep mechanical behavior of both metallic and nonmetallic specimens. Firstly， a boxtype test fixture with guide rails and extendable features is employed to ensure that the testing direction remains constant， minimizing distortion of the specimen during the testing process. Secondly， stable and highprecision testing conditions are achieved through the design of a realtime feedback temperature control system in a compact space， and the application of a constant tensile force generated by a heavy object composed of various weights. Furthermore， by setting the gauge length of specimen to 100mm and collecting displacement data with a resolution of 0.5mm， creep strain with accuracy of every 0.5% can be obtained. Additionally， protective measures have been incorporated to reduce potential safety risks. The equipment designed in this article provides a simple and lowcost device solution for creep testing.

Key words： mechanical equipment; gauge length; temperature control system; creep strain

0 "引 "言

蠕變是指在保持應(yīng)力不變的條件下，固體材料隨著時間的推移而產(chǎn)生的應(yīng)變增加現(xiàn)象［1］。與塑性變形不同，后者通常在應(yīng)力超過彈性極限時發(fā)生，而蠕變則在長時間作用下，即使在應(yīng)力低于彈性極限的情況下也會出現(xiàn)［2-3］。很多材料，包括金屬、塑料、巖石和冰在特定條件下都表現(xiàn)出蠕變性質(zhì)［4-6］。由于許多零部件在一定溫度下工作，溫度會加速蠕變，導(dǎo)致蠕變變形增加。

通常，蠕變測試使用蠕變持久試驗機進行，這些機器可以分為機械式［7-8］和電子式［9-10］兩類。機械式試驗機是傳統(tǒng)產(chǎn)品，而電子式是近年來開發(fā)的新型產(chǎn)品。由于電子式蠕變持久試驗機一般具有能夠進行應(yīng)力松弛試驗和低周蠕變循環(huán)試驗等獨特優(yōu)點，市場需求急劇增加。然而，電子式蠕變試驗機進行長期蠕變測試會受到定值漂移的影響。但目前市場上的機械式和電子式蠕變持久試驗機價格昂貴，不適合廣泛應(yīng)用。

本文設(shè)計了一種簡易多工位機械式蠕變測試裝置，它可以高精度、長時間地測試蠕變力學(xué)性能，同時顯著節(jié)省成本，為測量金屬或塑料等材料的蠕變力學(xué)性能提供了一種新的設(shè)備解決方案。

1 "原理與功能

眾所周知，持續(xù)的應(yīng)力會導(dǎo)致材料發(fā)生蠕變力學(xué)行為，高溫會加速這種行為［11-13］。因此，在設(shè)計蠕變測試工裝時，需要考慮應(yīng)力的恒定輸入、溫度的即時響應(yīng)控制、測試過程的穩(wěn)定進行，以及蠕變變形測試結(jié)果的高精度搜集。通過將待測樣條放置于一個小的盒型容器內(nèi)，加熱板貼于距離樣條較近的地方，以及增加溫度調(diào)節(jié)控制器，可縮小使加熱范圍，進而使溫度易于控制。通過懸掛恒定質(zhì)量的砝碼，實現(xiàn)恒定的應(yīng)力控制。通過專門設(shè)計的工裝將待測試樣品夾在測試工裝上，以保持樣品在測試時的平直性，避免扭曲。測試工裝通過自鎖掛鉤與框架柔性連接，從而完全釋放系統(tǒng)內(nèi)的扭矩，并確保整個系統(tǒng)垂直向下，以維持測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過指針將樣條標(biāo)距段的變形輸出到盒體邊緣，使用較長的標(biāo)距和較小的刻度，可實現(xiàn)位移的高精度記錄。

2 "機構(gòu)組成

2.1 "整體框架

如圖1所示，此機構(gòu)包括整體機架、操作電箱、測試工裝、鋼索機構(gòu)、計重組件和腳輪腳杯。該設(shè)備的整體尺寸約為2000mm（長）×1200mm（寬）×1800mm（高）。本機構(gòu)具備6組獨立的測試工裝總成，分別由6組溫控系統(tǒng)獨立控制，測試工裝通過自鎖掛鉤固定，可以輕松拆卸和安裝。每組測試工裝都有獨立的溫控線路，可以通過插頭快速連接到電控箱，方便工裝的更換。

2.2 "測試工裝盒

測試工裝盒如圖2所示，其整體被隔熱板包裹，以確保保溫性能，并防止操作人員燙傷。拉手嵌入隔熱板內(nèi)，并與內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)隔離開來，以防在打開時燙傷工作人員。隔熱板蓋板與本體一端通過合頁形成轉(zhuǎn)動連接，另外一端通過磁吸連接，易于開合，也使得測試時保持常閉狀態(tài)。兩端固定支架放置于側(cè)板的滑槽中，其中一端與側(cè)板完全固定，另一端可以沿著滑道移動，過位線可用來判斷固定支架是否已經(jīng)達到設(shè)計的移動最大值。

測試工裝盒內(nèi)部包含加熱板、試樣、上下指針和熱電偶，如圖3所示。使用彈簧片將熱電偶探頭固定在試樣的中部，以準確測量試樣的溫度。熱電偶與加熱板外聯(lián)溫控器，可實時監(jiān)測和控制溫度變化。上下指針通過固定夾鎖緊在樣條的標(biāo)距段的邊緣，標(biāo)距段兩端的位移變化通過上下指針傳遞到工裝盒的側(cè)板上。側(cè)板上刻有標(biāo)尺，最小刻度為0.5mm，對應(yīng)應(yīng)變?yōu)?.5%。此精度相對較高，避免了電子式蠕變試驗機記錄大量無用數(shù)據(jù)的缺點。人工可以實現(xiàn)每兩天記錄一個數(shù)據(jù)，實現(xiàn)蠕變變形數(shù)據(jù)的搜集。

2.3 "記重組件

這個裝置所使用的計重塊具有多樣性和靈活性的特點，如圖4所示。其包括25， 15， 10， 5， 1kg等不同質(zhì)量的選項，能夠滿足各種不同樣條截面尺寸和負載需求的試驗。研究人員可根據(jù)不同材料的性質(zhì)、截面屬性和試驗要求，精確地選擇適當(dāng)?shù)慕M合，以確保蠕變測試的準確性和可重復(fù)性。

為了提高操作的便捷性和安全性，選擇了可插拔式的記重塊，從而可以容易地進行更換或組合，而不需要復(fù)雜的工具或步驟。此外，這些記重塊的表面經(jīng)過磨砂處理，具有良好的防滑性能。這一特性在測試過程中非常重要，因為它有助于防止計重塊在負載應(yīng)用過程中滑落或移動，從而提高了測試的安全性和準確性。這種設(shè)計不僅提高了實驗的效率，還減少了潛在的操作風(fēng)險，確保了實驗過程的順利進行。

承載記重組件的連桿也做了特殊設(shè)計，其通過自鎖掛鉤與測試工裝盒柔性連接。連桿與自鎖掛鉤中間的連接塊中設(shè)計了U形槽連接塊，U形槽中間有個空隙，目的是為了方便鋼索從側(cè)面放入。U形槽高度方向預(yù)留了一些空間，考慮到隨著蠕變的進行，測試工裝盒的組件會被拉長，連桿和連接塊會隨之向下運動，此空間可以確保在測試過程中連接塊不會搭接于鋼索上。

鋼索機構(gòu)的設(shè)計是為了防止樣條斷裂導(dǎo)致記重組件墜落至地面，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。其工作場景是當(dāng)試樣斷裂時，計重組件會向下掉落，連接塊會卡在鋼絲繩上，從而掛住了記重組件，進而解決了重物掉落地面散開后傷害試驗者。

2.4 "測試流程

蠕變測試的工作流程如圖6所示。

第一步：將試樣安裝在測試工裝內(nèi)。將測試工裝從設(shè)備中取下并置于水平工作臺上，打開測試工裝盒，將壓緊試樣兩端的壓板取出。將指針安裝于試樣標(biāo)距兩端，指針的指向方向需朝著側(cè)板刻線的方向。然后用壓板鎖緊安裝好指針的樣條，裝入工裝盒中，安裝時需保持樣條處于平直狀態(tài)，避免彎曲。

第二步：將整個測試工裝安裝到蠕變機構(gòu)中。測試工裝可滑動連接部分需朝下放置，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，掛記重組件。將8mm鋼索穿入U形槽連接塊內(nèi)部，此時鋼索的連接鎖塊應(yīng)處于未鎖緊的狀態(tài)，方便后續(xù)調(diào)整。將記重塊逐步添加入系統(tǒng)，直至達到所需的總重。

第三步：啟動加熱并逐步將溫度升至所需值。此時樣條由于加熱和記重塊重力的作用而延長。所以需再下移鋼索連接塊，使得鋼索處于U形槽的下邊緣，然后鎖緊。

第四步：數(shù)據(jù)記錄。按照設(shè)定的時間間隔記錄蠕變位移值。記錄時同步觀察樣品是否產(chǎn)生徑縮或斷裂，此現(xiàn)象產(chǎn)生時停止試驗。

3 "結(jié) "論

本文介紹了一款自制蠕變測試機構(gòu)的原理、結(jié)構(gòu)、功能和測試方法。該設(shè)備具備溫度和拉力的雙重控制功能，通過機械方式添加砝碼來確保穩(wěn)定的拉力輸入。利用設(shè)計較長的樣品標(biāo)距段和記錄位移使用較小的刻度，可以實現(xiàn)較高精度的位移測量，相應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?.5%。該裝置適用于多種材料的拉伸測試，包括金屬和塑料。它分為6個獨立的溫控模塊，因此測試效率高。同時，還設(shè)計了安全保護裝置，避免安全事故的發(fā)生。

相對于傳統(tǒng)機械式或者電子式蠕變測試機，本設(shè)計的設(shè)備在性價比方面有較大優(yōu)勢。傳統(tǒng)的三工位測試設(shè)備，其價格在60萬元左右，本文六工位測試設(shè)備僅需15萬左右。傳統(tǒng)設(shè)備由于使用較大的加熱爐，其能耗較高；本文設(shè)備加熱簡單，能耗較低。傳統(tǒng)設(shè)備設(shè)計復(fù)雜，如損壞，設(shè)備維修等待期較長；本設(shè)備簡單，維修方便，可方便快速更換零部件。

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作者簡介：秦計生，主要從事金屬材料力學(xué)本構(gòu)開發(fā)、電芯結(jié)構(gòu)件開發(fā)方面的研究。

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