1.本发明属于蠕变测试技术领域，口径具体涉及一种蠕变试样的薄壁变试备方制备。
背景技术：
2.随着高温气冷堆核电、管蠕快中子增殖堆核电等第四代核电站的样制研究和建造的进展不断深入，对核电关键设备、法流关键部件涉及的口径原材料基础性能研究测试的需求越来越多。四代核电钠冷快堆采用钠-钠-水/汽三回路传热系统设计，薄壁变试备方热交换器是管蠕快堆关键设备之一，换热管需在高温环境（360~527℃）下设计寿命40年内不可更换，样制工程设计对换热管管材的法流高温持久、蠕变、口径疲劳性能提出了较高的薄壁变试备方要求。
3.蠕变试验是管蠕一种用于评估金属材料在持续恒温和恒应力环境下的缓慢塑性变形现象的材料机械性能试验。蠕变现象在高温或高应力条件下表现更为明显。样制制备用于蠕变试验的法流标准试样对尺寸及形状有一定限制。标准试样一般包括中间段、夹持段以及限位凸台，中间段为试样的蠕变试验有效区，夹持段分别位于中间段两端，限位凸台位于夹持段与中间段之间。试样通过两端的夹持段与蠕变试验设备的连接杆经螺纹连接，使得试样固定于设备中；同时，蠕变试验设备的引伸计分别通过两侧限位凸台对试样进行夹持并牵引，使得试样于预定温度环境下在轴向应力作用下发生蠕变，实现蠕变性能测试。
4.现有持久蠕变试验标准gb/t 2039或astm e139给出了对于圆形截面、方形、矩形截面试样的加工要求。对于管材结构的待测原料，圆形截面试样通常要求管材壁厚不小于5 mm；方形、矩形截面试样一般不适用于管材。当管材壁厚小于5 mm的情况下，可采用弧形截面试样，即对管材进行对剖加工成板条，但该种情况下管材外径应不小于30 mm。对于外径小于30 mm，壁厚小于5 mm的管材，则无法按上述标准要求进行蠕变试样的制备。然而，第四代核电站涉及多个外径小于30 mm，壁厚小于5 mm的管材产品，该类小口径薄壁管材均无法按上述标准制备试样。
5.现有技术中，小口径薄壁管材通常采用整管试样进行力学性能测试。据cn 115014988 a公开，对原始管材的中间段进行减薄处理，两端预留夹持段，通过减薄中间段的方式在夹持段与中间段之间成型限位凸台。然而，为匹配现有的蠕变试验设备，限位凸台的高度通常不小于1 mm，对于壁厚不大于2 mm管材，如外径16 mm，壁厚仅1.2 mm的管材（φ16
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1.2mm），无法继续通过在夹持段与中间段之间减薄至少1 mm的方式得到限位凸台，故该方法基本不能解决壁厚不大于2 mm管材的蠕变试样制备。同理，据cn 115753369 a公开的管材结构蠕变性能试验方法及引伸杆装置，同样需要对原始管材的中间段的外部进行减薄以形成试样标距段，减薄厚度不小于1 mm，因此也不能解决壁厚不大于2 mm管材的蠕变试样制备。
6.综上，对于第四代核电涉及的φ16
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1.2 mm、φ22
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1.4 mm等小口径薄壁无缝管，目前没有合适的蠕变试样制备方法。
技术实现要素：
7.为了突破现有技术对于外径不大于30mm，壁厚不大于2mm的小口径薄壁管材蠕变试样制备的瓶颈，本发明提供了一种小口径薄壁管材蠕变试样制备方法，通过在管材两端堆焊端塞的方法，解决了试样制备过程中限位凸台及外螺纹成型的难题，使其也能满足蠕变试验设备中的固定及牵引要求，有效地对第四代核电涉及的小口径薄壁无缝管进行蠕变性能测定。
8.本发明提供了一种小口径薄壁管蠕变试样制备方法，包括以下步骤：（1）取预定长度的原始管材，作为试样中间段；制备与原始管材相匹配的端塞；（2）将原始管材与端塞进行堆焊连接，使得原始管材两端分别固定连接有端塞；（3）端塞分别加工制成试样夹持段，堆焊焊缝分别加工制成限位凸台，制得蠕变试样。
9.在制备管状结构的蠕变试样时，通常需要在原始管材两端的夹持段上加工形成用于连接蠕变试验设备连接杆的外螺纹以及便于引伸计夹持的限位凸台。然而，对于外径不大于30 mm，壁厚不大于2 mm的小口径薄壁管材，现有技术无法在其表面加工得到外螺纹或限位凸台。故本发明通过在原始管材两端堆焊端塞的方式，在端塞外表面加工制得与蠕变试验设备连接杆相匹配的外螺纹，在堆焊焊缝上加工制得与蠕变试验设备引伸计相匹配的限制凸台，如此，制得的试样可以被稳定地固定于设备上并进行牵引，完成对该类小口径薄壁管材的蠕变性能测定。
10.具体地，所述限位凸台高度与蠕变试验设备相匹配。蠕变试验设备的两个引伸计分别通过试样上两侧的限位凸台对试样进行夹持并牵引，对试样施加轴向应力。
11.具体地，所述限位凸台高度不小于1 mm，优选为1~2 mm，更优选为1.5 mm。根据现有的持久蠕变试验标准gb/t 2039或astm e139，限位凸台的高度一般不小于1 mm，使得蠕变试验设备的引伸计可以牢固地夹持住试样两端。作为试样的关键结构，现有技术通常采用间接的方法，如减薄中间段或采用更大壁厚的原始管材作为替代，在试样表面加工形成限位凸台，此类方法误差较大，且不适用于壁厚不大于2 mm的小口径薄壁管材。
12.具体地，所述堆焊焊缝高度不小于限位凸台高度。堆焊是一种金属材料连接和修复的方法，通过在工件表面熔化并加入填充材料，形成均匀的焊缝来实现材料的连接或修复。堆焊通常采用电弧焊、氩弧焊、气焊焊、电阻焊、激光焊等。在本发明中，通过堆焊的方式，不仅将两侧端塞固定连接于原始管材，还利用具有一定高度的堆焊焊缝作为试样限位凸件的加工材料。所述堆焊焊缝高度为1~5 mm，优选为2~5 mm，更优选为3 mm。如此，对所述焊缝进行机加工，得到限位凸台。
13.具体地，所述端塞材料强度不小于原始管材强度。为确保夹持段的稳固性，并且减少在持久蠕变试验中因端塞材料发生蠕变而对试样中间段产生影响，所述端塞应选用在室温以及高温条件下强度不小于原始管材的材料制备而成。试若样夹持段和试样中间段材料性质差异过大，可能引起局部应力集中，导致裂纹的产生和扩展。
14.具体地，所述端塞中心设有轴向贯通的通孔。通孔的设计可以避免试验过程中因气体热胀冷缩而对试样中间段带来应力变化。
15.具体地，所述端塞包括塞头与柱体。所述柱体直径大于所述原始管材的外径。所述塞头靠近柱体的一端为直径最大处，与原始管材内径相同；所述塞头远离柱体的一端直径
小于原始管材内径。将端塞通过塞头插入原始管材内部，进行稳固连接。
16.优选地，所述塞头与柱体交接处还成型有连接部，所述连接部与塞头同轴设置，所述连接部直径大于原始管材外径，小于柱体直径；所述端塞经塞头插入原始管材内部后，连接部与原始管材贴合，并于贴合处进行堆焊。
17.具体地，所述堆焊方式为氩弧焊、激光焊中的至少一种。氩弧焊、激光焊的焊接方式对于薄壁管材试样的组织性能影响小，可精确控制焊接热影响区，避免对蠕变性能测试结果的产生影响，保证试验精确度。
18.具体地，所述堆焊焊丝强度不小于原始管材强度。为确保夹持段与中间段连接稳固性，并且减少在持久蠕变试验中因焊丝材料发生蠕变而对试样中间段产生影响，所述焊丝应选用在室温以及高温条件下强度不小于原始管材的材料制备而成。
19.具体地，所述端塞柱体经机加工制成试样夹持段。
20.具体地，所述夹持段与中间段同轴，且同轴度不大于0.005 d或0.03 mm，两者取较大者。试样夹持段与试样中间段同轴，可以减少试样在加载时的应力集中，保证加载力能够均匀地传递到试样各个部分。如果试样夹持段与试样中间段不同轴，就会导致一侧的夹持段和中间段之间存在一定的偏心距离，加载时在一侧产生较大的应力集中现象，可能会导致试样在这一侧变形或破裂。同轴度误差越小，试样在加载时的应力分布和变形情况会更加均匀，确保蠕变试验的可靠性和准确性。
21.具体地，所述夹持段包括过渡段和外螺纹段，所述外螺纹段与中间段之间经过渡段交接，交接处进行倒圆角处理。
22.进一步地，所述外螺纹段与过渡段同轴设置，且外螺纹段外径不小于原始管材外径。试样通过两端外螺纹段与蠕变试验设备的连接杆经经螺纹连接，使得试样固定于设备中。
23.试样夹持段与中间段的交接处是一个重要的应力集中区域。过渡段的设置以及对交接处进行倒圆角的处理，使得中间段与夹持段之间平滑过渡，避免中间段与夹持段的连接处发生应力集中，导致连接点断裂，保证在检测试样受力过程中仅中间段会发生形变。该设置平缓地过渡了两个部分的差异，减少局部应力集中，提高试样的抗裂纹能力，为试样提供更好的力学性能和耐久性。
24.本发明的有益效果在于：本发明通过在原始管材两端堆焊端塞的方式，在端塞外表面加工制得与蠕变试验设备连接杆相匹配的外螺纹，在堆焊焊缝上加工制得与蠕变试验设备引伸计相匹配的限制凸台，如此，制得的试样可以被稳定地固定于设备上并进行牵引，完成对该类小口径薄壁管材的蠕变性能测定。对采用上述制备方法制得的蠕变试样按gb/t 2039或astm e139标准进行试验，试验后得到的结果与相同性能要求的标准圆棒试样基本一致，很好的解决了小口径薄壁管蠕变试验试样制备的难题。
附图说明
25.图1是作为试样中间段的原始管材；图2是制得的与原始管材相匹配的端塞；图3是制得的蠕变试样；图中，10-原始管材，20-端塞，201-塞头，202-柱体，203-连接部，1-中间段，2-夹持
段，21-通孔，22-过渡段，23-外螺纹段，3-限位凸台。
具体实施方式
26.以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
27.结合图1~3，本实施例提供了一种小口径薄壁管蠕变试样制备方法，包括以下步骤：（1）如图1所示，取原始管材10，即外径16 mm，壁厚1.2 mm的316h无缝管，作为试样中间段1。如图2所示，取直径22 mm 的316h钢棒，机加工后制得两个相同的端塞20，所述端塞20包括塞头201、连接部203、柱体202。所述塞头201直径最大处为13.6 mm，与原始管材10内径相同，所述塞头201直径最大处与柱体202经连接部203过渡，所述连接部203与塞头201同轴设置，所述连接部203直径为17.6 mm。在端塞20中心开设轴向贯通的通孔21。
28.（2）将步骤（1）制得的两个端塞20经塞头201插入原始管材10两端后，连接部203与原始管材10贴合，并于贴合处进行堆焊。所述堆焊采用800h焊丝，焊接方式为氩弧焊。
29.（3）如图3所示，将步骤（2）焊接于原始管材10两端的端塞20分别加工制成试样夹持段2。所述夹持段2包括过渡段22和外螺纹段23，所述外螺纹段23与过渡段22同轴设置。外螺纹段23外径为16 mm，与原始管材10外径相同。所述外螺纹段23与中间段1之间经过渡段22交接，交接处进行倒圆角处理，圆角半径为15mm。将步骤（2）堆焊焊缝处分别加工制成限位凸台3，所述限位凸台3高度为1.5 mm，制得蠕变试样。
30.在本实施例中，步骤（1）端塞20采用的材料与原始管材10无缝管的材料相同，均为316h奥氏体不锈钢，应用于第四代核电。316h奥氏体不锈钢耐热性好，在高温下具有更高的强度，可用于温度约500℃以上的结构和承压应用。为确保夹持段2的稳固性，并且减少在持久蠕变试验中因端塞20材料发生蠕变而对试样中间段1产生影响，所述端塞20应选用在室温以及高温条件下强度不小于原始管材10无缝管的材料制备而成。试若样夹持段2和试样中间段1材料性质差异过大，可能引起局部应力集中，导致裂纹的产生和扩展。
31.结合图2，所述端塞20包括塞头201与柱体202。所述塞头靠近柱体的一端为直径最大处，与原始管材10内径相同；所述塞头远离柱体的一端直径小于原始管材10内径。所述塞头201与柱体202交接处还成型有连接部203，所述连接部203与塞头201同轴设置，所述连接部203直径大于原始管材10外径，小于柱体202直径。塞头201插入原始管材10内部，使得端塞20与原始管材10稳固连接。连接部203的设置使得端塞20与原始管材10在贴合处与柱体202产生高度差，便于堆焊的同时扩大了两者的接触面积。综上，塞头201与连接部203的协同设置可避免夹持段2与中间段1之间的连接处产生应力集中而造成堆焊焊缝（即限位凸台3）的断裂。同时，所述柱体202直径大于原始管材10的外径，为步骤（3）外螺纹段23及过渡段22的成型预留加工空间。值得注意的是，所述端塞20中心设有轴向贯通的通孔21。通孔21的设计可以避免试验过程中因高温高压环境下气体热胀冷缩而对试样中间段1带来应力变化。
32.在本实施例中，步骤（2）采用氩弧焊的方式对端塞20和原始管材10进行堆焊。在另一个具体实施例中，步骤（2）采用激光焊的方式对端塞20和原始管材10进行堆焊。通过堆焊的方式，不仅将两侧端塞20固定连接于原始管材10，还利用具有一定高度的堆焊焊缝作为试样限位凸件的加工材料。在本实施例中，所述堆焊焊缝高度为为3 mm，为步骤（3）制备高度为1.5 mm的限位凸台3预留加工空间。氩弧焊的焊接方式对于试样的组织性能影响小，可精确控制焊接热影响区，避免对蠕变性能测试结果的产生影响，保证试验精确度。在本实施例中，采用800h焊丝进行堆焊。镍基合金800h（n08810）是一种在高温条件下具有良好强度、耐腐蚀、抗氧化性和抗渗碳性的优质材料，在600℃以上具有很好的抗拉强度，并且在700℃以下长时间工作时仍然具有较好的韧性。采用800h焊丝进行堆焊可确保夹持段2与中间段1连接稳固性，并且减少在持久蠕变试验中因焊丝材料发生蠕变而对试样中间段1产生影响。
33.在本实施例中，步骤（3） 将端塞20柱体202经机加工制成试样夹持段2，并对步骤（2）的堆焊焊缝进行加工，制得的高度为1.5 mm的限位凸台3，使得蠕变试验设备的引伸计可以牢固地夹持住试样两端。其中，夹持段2与中间段1同轴，且同轴度不大于0.005 d或0.03 mm，两者取较大者。试样夹持段2与试样中间段1同轴，可以减少试样在加载时的应力集中，保证加载力能够均匀地传递到试样各个部分。如果试样夹持段2与试样中间段1不同轴，会导致一侧的夹持段2和中间段1之间存在一定的偏心距离，加载时在一侧产生较大的应力集中现象，可能会导致试样在这一侧变形或破裂。同轴度误差越小，试样在加载时的应力分布和变形情况会更加均匀，确保蠕变试验的可靠性和准确性。
34.作为优选，将夹持段2外端加工制成外螺纹段23，从而夹持段2能够通过螺纹连接于蠕变试验设备连接杆上，使得试样牢固地安装于设备上。其中，外螺纹段23与过渡段22同轴设置，外螺纹段23外径与原始管材10外径相同，使得夹持段2能够更好地承受载荷，从而在设备对夹持段2进行牵引时，避免夹持段2出现断裂，对测试造成影响。
35.作为优选，外螺纹段23与中间段1之间经过渡段22交接，交接处进行倒圆角处理，圆角半径为15mm。作为试样夹持段2与中间段1的过渡区，过渡段22是一个重要的应力集中区域。倒圆角的处理使得中间段1与夹持段2之间平滑过渡，避免中间段1与夹持段2的连接处发生应力集中，导致连接点断裂，保证在检测试样受力过程中仅中间段1会发生形变。该设置平缓地过渡了两个部分的差异，减少局部应力集中，提高试样的抗裂纹能力，为试样提供更好的力学性能和耐久性。
36.对本实施例制得的蠕变试样按astm e139标准，以相同性能要求的标准圆棒试样作对比，进行两次平行试验，在538℃下加载170mpa应力，试验100h后的检测结果如下表1所示。
37.表1 实施例1中无缝管的蠕变性能由表1可知，本实施例制备得到的试样试验后得到的结果与相同性能要求的标准
圆棒试样基本一致，很好的解决了小口径薄壁管蠕变试验试样制备的难题。
38.以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。