简易机械式蠕变测试结构的开发

摘 "要：设计了一款机械式蠕变测试结构，用于搜集金属和非金属样条的蠕变力学行为。首先，采用盒型有导轨可伸长测试工装，可以保证测试方向不变，减少测试过程中样品的扭曲；其次，通过设计较小的空间和可实时反馈的温控系统，以及使用重锤形成的恒定的拉力，实现了稳定高精度的测试条件；再次，通过将标距设置为100mm，采集位移的分辨率为0.5mm，可得到精确到每0.5%的蠕变应变。此外，设计了保护装置，降低潜在的安全风险。所设计的结构为蠕变测试提供了一个简易、低成本的设备方案。

关键词：机械式设备；标距；温控系统；蠕变应变

中图分类号：TH122 """""""文献标志码： 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

蠕变是指在保持应力不变的条件下，固体材料随着时间的推移而产生的应变增加现象［1］。与塑性变形不同，后者通常在应力超过弹性极限时发生，而蠕变则在长时间作用下，即使在应力低于弹性极限的情况下也会出现［2-3］。很多材料，包括金属、塑料、岩石和冰在特定条件下都表现出蠕变性质［4-6］。由于许多零部件在一定温度下工作，温度会加速蠕变，导致蠕变变形增加。

通常，蠕变测试使用蠕变持久试验机进行，这些机器可以分为机械式［7-8］和电子式［9-10］两类。机械式试验机是传统产品，而电子式是近年来开发的新型产品。由于电子式蠕变持久试验机一般具有能够进行应力松弛试验和低周蠕变循环试验等独特优点，市场需求急剧增加。然而，电子式蠕变试验机进行长期蠕变测试会受到定值漂移的影响。但目前市场上的机械式和电子式蠕变持久试验机价格昂贵，不适合广泛应用。

本文设计了一种简易多工位机械式蠕变测试装置，它可以高精度、长时间地测试蠕变力学性能，同时显著节省成本，为测量金属或塑料等材料的蠕变力学性能提供了一种新的设备解决方案。

1 "原理与功能

众所周知，持续的应力会导致材料发生蠕变力学行为，高温会加速这种行为［11-13］。因此，在设计蠕变测试工装时，需要考虑应力的恒定输入、温度的即时响应控制、测试过程的稳定进行，以及蠕变变形测试结果的高精度搜集。通过将待测样条放置于一个小的盒型容器内，加热板贴于距离样条较近的地方，以及增加温度调节控制器，可缩小使加热范围，进而使温度易于控制。通过悬挂恒定质量的砝码，实现恒定的应力控制。通过专门设计的工装将待测试样品夹在测试工装上，以保持样品在测试时的平直性，避免扭曲。测试工装通过自锁挂钩与框架柔性连接，从而完全释放系统内的扭矩，并确保整个系统垂直向下，以维持测试系统的稳定性。通过指针将样条标距段的变形输出到盒体边缘，使用较长的标距和较小的刻度，可实现位移的高精度记录。

2 "机构组成

2.1 "整体框架

如图1所示，此机构包括整体机架、操作电箱、测试工装、钢索机构、计重组件和脚轮脚杯。该设备的整体尺寸约为2000mm（长）×1200mm（宽）×1800mm（高）。本机构具备6组独立的测试工装总成，分别由6组温控系统独立控制，测试工装通过自锁挂钩固定，可以轻松拆卸和安装。每组测试工装都有独立的温控线路，可以通过插头快速连接到电控箱，方便工装的更换。

2.2 "测试工装盒

测试工装盒如图2所示，其整体被隔热板包裹，以确保保温性能，并防止操作人员烫伤。拉手嵌入隔热板内，并与内部金属结构隔离开来，以防在打开时烫伤工作人员。隔热板盖板与本体一端通过合页形成转动连接，另外一端通过磁吸连接，易于开合，也使得测试时保持常闭状态。两端固定支架放置于侧板的滑槽中，其中一端与侧板完全固定，另一端可以沿着滑道移动，过位线可用来判断固定支架是否已经达到设计的移动最大值。

测试工装盒内部包含加热板、试样、上下指针和热电偶，如图3所示。使用弹簧片将热电偶探头固定在试样的中部，以准确测量试样的温度。热电偶与加热板外联温控器，可实时监测和控制温度变化。上下指针通过固定夹锁紧在样条的标距段的边缘，标距段两端的位移变化通过上下指针传递到工装盒的侧板上。侧板上刻有标尺，最小刻度为0.5mm，对应应变为0.5%。此精度相对较高，避免了电子式蠕变试验机记录大量无用数据的缺点。人工可以实现每两天记录一个数据，实现蠕变变形数据的搜集。

2.3 "记重组件

这个装置所使用的计重块具有多样性和灵活性的特点，如图4所示。其包括25， 15， 10， 5， 1kg等不同质量的选项，能够满足各种不同样条截面尺寸和负载需求的试验。研究人员可根据不同材料的性质、截面属性和试验要求，精确地选择适当的组合，以确保蠕变测试的准确性和可重复性。

为了提高操作的便捷性和安全性，选择了可插拔式的记重块，从而可以容易地进行更换或组合，而不需要复杂的工具或步骤。此外，这些记重块的表面经过磨砂处理，具有良好的防滑性能。这一特性在测试过程中非常重要，因为它有助于防止计重块在负载应用过程中滑落或移动，从而提高了测试的安全性和准确性。这种设计不仅提高了实验的效率，还减少了潜在的操作风险，确保了实验过程的顺利进行。

承载记重组件的连杆也做了特殊设计，其通过自锁挂钩与测试工装盒柔性连接。连杆与自锁挂钩中间的连接块中设计了U形槽连接块，U形槽中间有个空隙，目的是为了方便钢索从侧面放入。U形槽高度方向预留了一些空间，考虑到随着蠕变的进行，测试工装盒的组件会被拉长，连杆和连接块会随之向下运动，此空间可以确保在测试过程中连接块不会搭接于钢索上。

钢索机构的设计是为了防止样条断裂导致记重组件坠落至地面，其结构如图5所示。其工作场景是当试样断裂时，计重组件会向下掉落，连接块会卡在钢丝绳上，从而挂住了记重组件，进而解决了重物掉落地面散开后伤害试验者。

2.4 "测试流程

蠕变测试的工作流程如图6所示。

第一步：将试样安装在测试工装内。将测试工装从设备中取下并置于水平工作台上，打开测试工装盒，将压紧试样两端的压板取出。将指针安装于试样标距两端，指针的指向方向需朝着侧板刻线的方向。然后用压板锁紧安装好指针的样条，装入工装盒中，安装时需保持样条处于平直状态，避免弯曲。

第二步：将整个测试工装安装到蠕变机构中。测试工装可滑动连接部分需朝下放置，待系统稳定后，挂记重组件。将8mm钢索穿入U形槽连接块内部，此时钢索的连接锁块应处于未锁紧的状态，方便后续调整。将记重块逐步添加入系统，直至达到所需的总重。

第三步：启动加热并逐步将温度升至所需值。此时样条由于加热和记重块重力的作用而延长。所以需再下移钢索连接块，使得钢索处于U形槽的下边缘，然后锁紧。

第四步：数据记录。按照设定的时间间隔记录蠕变位移值。记录时同步观察样品是否产生径缩或断裂，此现象产生时停止试验。

3 "结 "论

本文介绍了一款自制蠕变测试机构的原理、结构、功能和测试方法。该设备具备温度和拉力的双重控制功能，通过机械方式添加砝码来确保稳定的拉力输入。利用设计较长的样品标距段和记录位移使用较小的刻度，可以实现较高精度的位移测量，相应的应变为0.5%。该装置适用于多种材料的拉伸测试，包括金属和塑料。它分为6个独立的温控模块，因此测试效率高。同时，还设计了安全保护装置，避免安全事故的发生。

相对于传统机械式或者电子式蠕变测试机，本设计的设备在性价比方面有较大优势。传统的三工位测试设备，其价格在60万元左右，本文六工位测试设备仅需15万左右。传统设备由于使用较大的加热炉，其能耗较高；本文设备加热简单，能耗较低。传统设备设计复杂，如损坏，设备维修等待期较长；本设备简单，维修方便，可方便快速更换零部件。

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作者简介：秦计生，主要从事金属材料力学本构开发、电芯结构件开发方面的研究。

（欣旺达动力科技股份有限公司 "广东 "深圳 "518107）