技术领域
[0001] 本实用新型涉及实验装置领域，特别涉及一种用于测试材料的
应力腐蚀开裂敏感性的试验用夹具。
背景技术
[0002] 应力腐蚀开裂简称为应力腐蚀，是指承受应力的材料在腐蚀性环境中由于裂纹的扩展而发生失效的腐蚀破裂。在由腐蚀引起的各种材料失效案件中，应力腐蚀最为严重。在开发探测酸性油气田的过程中，需要综合考虑复杂、苛刻的服役工况以及生产成本等诸多因素。在进行选材时，首先需要考虑的就是材料的应力腐蚀开裂敏感性。伴随着腐蚀性
酸性气体和
地层水的介入，裂纹尖端的
阳极溶解
加速，金属的表面及裂纹的两侧
阴极区介质中的离子氢获得
电子变成
原子氢，而部分
吸附态氢原子会向着金属内部的裂纹尖端扩散导致应力腐蚀裂纹的形核和扩展。因此，开展不同环境与不同应力条件下的应力腐蚀开裂试验，研究材料的应力腐蚀特征和规律，有助于优化材料的选择，这对于油气田的安全开发具有重要的工程意义。
[0003] 材料的应力腐蚀是环境和
载荷对结构件联合作用的结果，包括材料与环境的化学作用、电化学作用、以及材料与载荷之间的物理作用，这三者之间也会发生相互作用。鉴于材料、介质、应力状态和试验目的的多样性，
现有技术中已经发展了多种的试验方法。通常，金属抗EC(环境开裂)的试验是采取下述试验方法，方法A：标准拉伸试验方法；方法B：标准弯梁试验方法；方法C：标准C形环试验方法；方法D：标准双
悬臂梁(DCB)试验以及慢应变速率法(SSRT)等。这些方法只能在实验过程中对试样施加单一类型的应力，不能模拟材料在实际工况下承受复杂载荷状态，因而试验的 结果具有一定的局限性。
[0004] 因此设计一种可以实现对试样同时施加不同类型的应力、易于安装、拆卸，方便批量化试验、并且可以在腐蚀性气氛中进行应力腐蚀测试的夹具成为亟待解决的问题。实用新型内容
[0005] 本实用新型提供了一种用于测试材料试样的应力腐蚀开裂敏感性的夹具，该夹具包括：
支架，其包括基本上同轴的
螺纹孔和台阶孔，以及位于
螺纹孔和台阶孔之间的测试空间；滑动件，其可滑动地设置在螺纹孔中，并且，滑动件的一端联接至材料试样的第一端部；第一转动件，其至少部分设置有螺纹，以便与所述螺纹孔
螺纹连接，第一转动件的一端抵靠所述滑动件另一端，并且，旋转所述第一转动件能够推动所述滑动件，以便在所述材料试样上施加压应力；第二转动件，其可旋转地设置在所述台阶孔中，第二转动件的一端联接至所述材料试样的与所述第一端部相反的第二端部，并且，旋转所述第二转动件能够在所述材料试样上施加
扭转应力。
[0006] 可选地，所述滑动件包括突出部，该突出部可滑动地设置在螺纹孔的轴向凹槽中，以便阻碍所述滑动件围绕所述螺纹孔的轴线转动。
[0007] 可选地，所述第二转动件包括台阶面，该台阶面可转动地抵靠所述台阶孔的环形台阶面，以便阻碍所述第二转动件沿台阶孔的轴线方向滑动。
[0008] 可选地，所述夹具包括
螺母，所述第二转动件的非与所述材料试样联接的一端包括螺纹部，该螺纹部以螺纹方式与所述螺母连接，以便能够通过旋转螺母使第二转动件转动。
[0009] 可选地，所述支架包括至少一个用于接收第一
紧定螺钉的第一紧定螺钉孔，并且，旋紧第一紧定螺钉能够保持所述滑动件就位；所述支架包括至少一个用于接收第二紧定螺钉的第二紧定螺钉孔，并且，旋紧第二紧定螺钉能够保持所述第二转动件就位。
[0010] 可选地，所述滑动件包括第一凹槽，其抵靠并夹持所述材料试样的第一端部；所述第二转动件包括第二凹槽，其抵靠并夹持所述材料试样的第二端部。
[0011] 进一步可选地，所述第一凹槽和所述第二凹槽具有基本相同的矩形横截面，并且，所述第一凹槽和所述第二凹槽的矩形横截面的对称中心均位于所述螺纹孔的轴线上。
[0012] 可选地，在所述第一凹槽和所述材料试样的第一端部之间，以及在所述第二凹槽和所述材料试样的第二端部之间，分别设置有至少一个绝缘
块。
[0013] 可选地，所述第一转动件、所述滑动件、所述第二转动件和所述支架可以由C276哈氏
合金制成；所述螺母可以由C276哈氏合金制成；所述第一紧定螺钉和/或所述第二紧定螺钉可以由C276哈氏合金制成；所述绝缘块可以由聚四氟乙烯、聚四氟、或者陶瓷材料制成。
[0014] 可选地，所述夹具包括可以多个所述支架，以及对应数量的所述第一转动件、所述滑动件和所述第二转动件，其中，所述多个支架一体成型或连接在一起。
[0015] 进一步可选地，所述夹具包括两个镜面对称的支架。
[0016] 可选地，所述夹具的测试空间中具有腐蚀性环境，以测试所述材料试样的应力腐蚀开裂敏感性。
[0017] 进一步可选地，所述腐蚀性环境包括高温高H2S分压、高温高CO2分压、或高温高H2S与CO2混合分压的环境。
[0018] 基于上述技术方案，本实用新型的夹具适用于测试材料试样在同时受压应力和扭转应力的作用下，在腐蚀性气氛中的应力腐蚀开裂性能。本实用新型的夹具可以确保试样受力稳定，并可以细微地调节压应力和扭转应力的大小。同时，本实用新型的夹具操作简单，易于安装和拆卸，可以方便地用于对比试验或批量试样。
附图说明
[0019] 为了更清楚地说明本实用新型
实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，这些附图仅仅涉及本实用新型的一些实施例，而非对本实用新型的限制。
[0020] 图1是根据本实用新型的一个实施例的夹具的正视剖视图；
[0021] 图2是图1中的夹具的侧视局部剖视图；
[0022] 图3是根据本实用新型的压力滑块的透视图；
[0023] 图4是根据本实用新型的扭力螺钉的透视图；
[0024] 图5是根据本实用新型的另一实施例的具有两个对称测试位的夹具的正视剖视图。
[0025] 图6A-B是根据本实用新型的实施例的具有三个和六个测试位的夹具的示意性俯视图。
具体实施方式
[0026] 为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0027] 除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实用新型
申请说明书以及
权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。
[0028] 参考附图，其中相同的附图标记在各附图中指示相同的部件，例如，附 图标记J指示夹具。夹具J用于夹持材料试样4，为材料试样4同时施加压应力和扭转应力，并且放置在高温腐蚀性气氛之中，以进行应力腐蚀开裂敏感性能的测试。
[0029] 参考图1，夹具J包括压力
螺栓1、压力滑块2、扭力螺钉6、支架8。其中，支架8被构造以接收压力螺栓1、压力滑块2以及扭力螺钉6。螺母7与扭力螺钉6通过螺纹配合。材料试样4被构造为被夹持在压力滑块2和扭力螺钉6之间。另外，在材料试样4和压力滑块2之间、以及材料试样4和扭力螺钉之间设置有绝缘块5。支架8上接收有多个用于紧定压力滑块2和扭力螺钉6的紧定螺钉31、32。
[0030] 支架8被构造成为夹具J的其他元件提供结构
支撑，并且，具有良好的机械强度和
耐腐蚀性能。可选地，支架8由具有较高的强度、
刚度和耐腐蚀性的金属材料制成，例如哈氏合金C276。图1和图2显示了支架8的结构。支架8可以具有大体上的长方体形状。为方便描述起见，支架8的如图1所示的左侧纵向面可以称之为纵向基准面A。应理解，上述限定以及下文中引用其对具体
位置进行的描述，不以任何方式对本实用新型的保护内容进行限定。参照图1，支架8具有沿纵向基准面A方向的长度、以及垂直于纵向基准面A方向的宽度。参照图2，支架8还具有垂直于长度方向的厚度。支架8可以包括彼此相反的、垂直于纵向基准面A的第一横向面B1和第二横向面B2，以及平行于纵向基准面A的第一纵向面C1和第二纵向面C2。
第一纵向面C1的中间部分沿着整个厚度朝向纵向基准面A凹陷一深度至第二纵向面C2，随之形成靠近第一横向面B1的第三横向面B3，以及靠近第二横向面B2的第四横向面B4。第三横向面B3、第四横向面B4和第二纵向面C2共同形成三面敞开的长方体形的测试空间E。测试空间E为安装或拆卸材料试样4的提供必要的操作路径及操作空间，同时，还可以确保材料试样4的至少部分在测试过程中暴露于测试空间E中的腐蚀性环境中。第三横向面B3、第四横向面B4和第二纵向面C2相交的位置处设置有
倒角，以增强支 架8的强度。如图1所示，测试空间E将支架8分隔为用于支撑压力螺栓1和压力滑块2的第一支撑部81，用于支撑扭力螺钉6的第二支撑部82，以及用于连接第一支撑部和第二支撑部的连接部83。可选地，第一支撑部81、第二支撑部82以及连接部83的尺寸可以根据材料试样4的尺寸、期望的测试应力的大小而具体设计，以确保支架8整体结构牢固。
[0031] 第一支撑部81包括一个通孔，也称为螺纹孔84，其从第一横向面B1延伸至第三横向面B3。在螺纹孔84中，沿其长度方向至少部分地设置有用于接合压力螺栓1的
内螺纹。压力螺栓1配合在螺纹孔84内的长度小于螺纹孔84自身的长度，以便为压力滑块2的装配和工作留有空间。根据螺纹孔84的尺寸、期望的测试压应力大小等参数可以选用尺寸合适的螺栓元件，在此不详细描述。
[0032] 压力滑块2可滑动地设置在第一支撑部81中，具体地，压力滑块2与螺纹孔84内不与压力螺栓1接合的部分滑动
接触。压力滑块2的结构如图3所示。压力滑块2大体上具有圆柱体形状，其直径略小于螺纹孔84的内径，使得压力滑块2可以沿其轴线方向抵靠螺纹孔84的内表面滑动。在本
发明的一个实施例中，压力滑块2的侧面24，以及螺纹孔84抵靠侧面24的部分可以是光滑的，以便降低二者间的滑动摩擦阻力。压力滑块2的朝向第一横向面B1的滑块下端面22与压力螺栓1朝向第三横向面B3的螺栓端面11抵靠接触。压力滑块2还包括第一凹槽23，其设置在压力滑块2的朝向第二横向面B2的滑块上端面21上。第一凹槽23具有矩形截面，截面矩形的中心位于圆柱体的轴线上，凹槽23朝向滑块下端面22延伸一深度，从而将压力滑块2的靠近上端面21部分分隔为具有一定间隔的两个对称的夹持部25、26。夹持部25、26被构造为至少部分地从螺纹孔84中伸出，以便接收材料试样4。材料试样4通常包括在其两端处的彼此相反的两个端部41、42，其中，第一端部41靠近第一横向面B1，第二端部42靠近第二横向面B2。第一端部41具有矩形状横截面，其厚度和宽度被设置为大致等于或略小于凹 槽23的厚度和宽度，使得第一端部41可以与第一凹槽23配合，并且可以伸入到螺纹孔84的内部。第一端部41的两个侧面抵靠接触夹持部25、26的内表面，以便接受扭转应力；
第一端部41的朝向第一纵向面B1的端面抵靠接触第一凹槽23的底面27，以便接受压应力。
[0033] 可选地，可以在材料试样4的第一端部41和凹槽23的底面26之间设置绝缘块5。如图1所示，绝缘块5的横截面可以被设置为大致等同于第一凹槽23的横截面，以便可以放置在第一凹槽23中，并进入到螺纹孔84以内；另一方面，绝缘块5的横截面可以被设置为大致等同于或略大于第一端部41的底面，以便在该底面上施加均匀的压应力。滑块5通常由具有较高硬度、刚度、并且电绝缘的聚四氟乙烯、聚四氟或陶瓷材料制成，一方面，绝缘块可以保护底面27在材料试样4的反作用力下不会发生
变形或损毁，另一方面，绝缘块可以避免潜在地流经材料试样4的
电流不利地传导至夹具J的金属元件中，从而降低测量误差，再一方面，绝缘块还可以避免潜在的材料试样4和夹具J的金属元件之间的原
电池效应，从而确保应力腐蚀测试结果的准确性，并减弱夹具J本身的腐蚀。
[0034] 在使用过程中，压力螺栓1在外加的驱动力矩作用下发生转动，从而产生的朝向第二横向面B2的压力F，如图2所示。这一压力F通过压力螺栓1的螺栓端面11传递至压力滑块2的下端面22，从而推动压力滑块2朝向第二横向面B2发生一位移。压力F继而通过第一凹槽23的底面27传递至绝缘块5，然后传递至材料试样4的第一端部41，从而在材料试样4的第二端部42就位的情况下，为材料试样4提供测试所需的压应力。压应力的大小可以通过控制压力螺栓1旋转的角度而精细地调节。当压力螺栓1旋转一预定的角度，压力滑块2继而向上移动相应的距离就位，从而为材料试样4施加一预定的压应力。为了进行应力腐蚀开裂敏感性测试，压应力通常需要保持一段时间。为此，如图1所示，可选地，第一支撑部84在第一纵向面C1临近压力滑块2的位置处可以设置一个与紧定螺钉31接合的紧定螺纹孔 861。通过旋转紧定螺钉31使其就位，可以在压力滑块2的侧面24上施加紧固力，以抑制压力滑块2移动或转动。可选地，为了牢固地紧固压力滑块2，可以设置多个紧定螺钉，并且，紧定螺钉可以被设置在第一支撑部84的其他位置，以便在压力滑块2的侧面24的任意位置处施加紧固力。
可选地，压力滑块2的侧面24上设置有一个或多个突出部，同时，螺纹孔84的内壁上设置有相应的轴向凹槽，所述一个或多个突出部可滑动地配合在所述轴向凹槽中，从而能够防止压力滑块2在螺纹孔84内发生不必要的旋转，借此可以避免紧定螺钉在材料试样受到扭转应力时松动或滑脱，从而更为可靠地调控和维持施加在材料试样上的扭转应力的大小。
[0035] 支架8的第二支撑部82包括具有变化直径的台阶状通孔，也可称为台阶孔85，其从第二横向面B2延伸至第四横向面84。如图1所示，台阶孔85包括直径较大的临近第四横向面B4的第一孔852，以及直径较小的临近第二横向面B2的第二孔853。第一孔852和第二孔853同轴，并且二者与螺纹孔84同轴。在第一孔852和第二孔853之间，形成环形台阶面851，用于与扭力螺钉6抵靠接触并限制其轴向位置。
[0036] 扭力螺钉6可转动地由第二支撑部82支撑，具体地，其被构造成与台阶孔85配和，如图1所示。如图4所示，扭力螺钉6包括直径大致等于第一孔852的第一圆柱部65，直径大致等于第二孔853的第二圆柱部66，以及其上设置有螺纹的螺纹部64，并且螺纹部64的外径小于第二圆柱部66的直径。第一圆柱部65可转动地与第一孔852配合，第二圆柱部66可转动地与第二孔853配合，螺纹部64可转动地与螺母7螺纹配合。第一圆柱部65、第二圆柱部66和螺纹部64依次、同轴地固定接合在一起，可选地，三者可以如图4所示地整体形成，或者可以通过任意本领域内已知的连接方式固定连接在一起。从而，第一圆柱部65和第二圆柱部66之间形成第一台阶面63，螺纹部64和第二圆柱部66之间形成第二台阶面67。第一台阶面63可转动地抵靠接触台阶孔85的环形台阶面851，以便限定扭力螺钉6的轴向 位置，第二台阶面67可转动地抵靠接触螺母7的一个侧面，以限定螺母7的轴向位置。第一圆柱部65还包括第二凹槽62，其设置扭力螺钉6的朝向第一横向面B1的螺钉下端面61上。第二凹槽66具有矩形截面，且该截面矩形的中心通过第一圆柱部65的轴线，第二凹槽66朝向第一台阶面63延伸一深度，从而将扭力螺钉6的靠近下端面66的部分分隔为具有一定间隔的两个夹持部68、
69。第二凹槽62的宽度和深度分别等于第一凹槽23的宽度和深度。夹持部68、69被构造为至少部分地从台阶孔85中伸出，以便接收材料试样4的第二端部42。类似与第一端部41，材料试样4的第二端部42也具有矩形状横截面，其厚度和宽度可以被设置与第二凹槽66的厚度和宽度相同，使得第二端部42可以与第二凹槽66配合，并且可以部分地伸入到台阶孔85内部。第二端部42的两个侧面抵靠接触夹持部68、69的内表面，以便接受扭转应力；第二端部
42的朝向第二横向面B2的端面抵靠第二凹槽66的底面，以便接受压应力。
[0037] 如图1所示，在材料试样4的第二端部42和凹槽66的底面之间也可以设置绝缘块5。类似地，绝缘块5的横截面可以被设置为大致等于第二凹槽62的横截面，从而可以放置在凹槽62中，并进入到台阶孔85以内；另一方面，绝缘块5的横截面可以被设置为大致等于第二端部42的端面，以便该在该端面上施加均匀的压应力。绝缘块的材料选择和效果如前文所述。
[0038] 在使用过程中，螺母7在外加的驱动力矩作用下旋转，同时，外加力矩通过螺母7和扭力螺钉6之间的螺纹连接传递至扭力螺钉6，继而通过夹持部68、69传递至材料试样4，从而在材料试样4上施加扭转应力。扭转应力的大小可以通过控制螺母7旋转的角度而调控。当螺母7旋转一预定角度，扭力螺钉6随之旋转相应的角度就位，从而为材料试样4施加一预定扭转应力。为了进行保持该扭转应力，如图1和2所示，第二支撑部85在第一纵向面C1临近扭力螺钉6的第一圆柱部65的位置处，同样设置有与紧定螺钉32接合的紧定螺纹孔862。通过旋转紧定螺钉32使其就位，可以在扭力螺 钉6的第一圆柱部65的表面上施加紧固力，以阻止扭力螺钉6的转动。可选地，可以设置有多个紧定螺钉32以牢固地保持扭力螺钉6就位，并且，紧定螺钉可以被设置在第二支撑部85的其他位置，以便在扭力螺钉6第一圆柱部65的侧面的任意位置处施加紧固力。当旋转压力螺栓1和螺母就位，可以在材料试样4上同时地、大小可控地施加压应力和扭转应力。在旋转紧定螺钉31和32就位的情况下，压应力31和扭转应力32可以稳定地保持，以便进行一定试件的应力腐蚀测试。
[0039] 可以按照以下步骤使用本实用新型的实施例的夹具：
[0040] 1)通过测试空间E，将材料试样4的第一夹持部41和第二夹持部42分别放置在压力滑块2的第一凹槽23和扭力螺钉6的第二凹槽62中；
[0041] 2)旋转压力螺栓1至预定角度，使材料试样4承受一预定压应力；
[0042] 3)旋转紧定螺钉31，以
锁定压力滑块2的位置；
[0043] 4)旋转螺母7至预定角度，使材料试样4承受一预定扭转应力；
[0044] 5)旋转紧定螺钉32，以锁定扭力螺钉6的位置；
[0045] 6)使测试空间E中的环境达到测试条件，开始应力腐蚀敏感性测试。
[0046] 所述的测试条件可以包括各种研究者感兴趣的气氛环境，例如高温高H2S分压、高温高CO2分压、或者高温高H2S与CO2混合分压等气氛。为了实现步骤6)，可以将夹具J整体放置在腐蚀性环境中，也可以仅在测试空间E内填充腐蚀性气体并密封。
[0047] 因此，本实用新型实施例的夹具可以用于测试待测金属材料在同时受压应力和扭转应力的作用下，在特定腐蚀性气氛中的应力腐蚀开裂性能，以便优化各种工况下材料的选择。通过使用本实用新型的夹具，可以确保试样受力稳定，并可以细微地调节压应力和/或扭转应力的大小。同时，本实用新型的夹具操作简单，易于安装和拆卸。
[0048] 通过构造夹具使其具有多个相同测试位，本实用新型的夹具可以有利地用于对比试验或批量试样。
[0049] 如图5所示，在本实用新型的一个实施例中，夹具被构造为包括具有镜面对称结构的双测试位支架，具体地，双测试位支架包括关于纵向基准面A对称的两个支架8，两个支架8各自的第一支撑部81、第二支撑部82、连接部83分别连接在一起。由于两个支架8的结构相同，且在其上支撑和操作的元件也相同，因而可以有利地对比两个材料试样4在相同的腐蚀性环境和应力状态下的开裂行为，如图5所示。
[0050] 图6A示意性示出了根据本实用新型的实施例的具有三个相同的测试位的夹具，其包括三个中心对称的支架8，并且每一个支架8的第一支撑部、第二支撑部和连接部连接在一起，该夹具因而可用于同时测试三个材料试样的应力腐蚀性能。图6B示意性示出了根据本实用新型的具有六个相同的测试位的夹具，其包括六个平行布置的支架8，并且每一个支架8的连接部连接在一起，该夹具因而可用于同时测试六个材料试样的应力腐蚀性能。可选地，术语“连接”包括本领域内已知的各种机械连接方式，如整体形成、
焊接、
铆接、粘接等。还可选地，在本实用新型的实施例的
基础上，本领域技术人员容易构想出具有其他数量的测试位的夹具，而不脱离本实用新型的保护范围。
[0051] 本实用新型实施例可以准确地进行应力腐蚀性能的对比试验或批量化试验，可以保持测试过程中试样受力恒定，并能细微地调控受力大小，同时夹具安装便捷，具有经济性。本实用新型的实施例的方案对于实验室进行模拟现场应力腐蚀测试、研究材料的应力腐蚀规律具有重要意义。
[0052] 应理解，本实用新型实施例不意图对支架8的具体形状和尺寸做具体限定，从而所述夹具可适用于测试不同规格的材料试样的应力腐蚀开裂性能。
[0053] 以上所述仅是本实用新型的示范性实施方式，而非用于限制本实用新型的保护范围，本实用新型的保护范围由所附的权利要求确定。
[0054] 附图标记
[0055] J 夹具 7 螺母
[0056] 1 压力螺栓/第一转动件 8 支架
[0057] 11 螺栓端面 81 第一支撑部
[0058] 2 压力滑块/滑动件 82 第二支撑部
[0059] 21 滑块上端面 83 连接部
[0060] 22 滑块下端面 84 螺纹孔
[0061] 23 第一凹槽 85 台阶孔
[0062] 24 侧面 851 环形台阶面
[0063] 25、26 夹持部 852 第一孔
[0064] 27 底面 853 第二孔
[0065] 31 第一紧定螺钉 861 第一紧定螺钉孔
[0066] 32 第二紧定螺钉 862 第二紧定螺钉孔
[0067] 4 材料试样
[0068] 41 第一端部 A 纵向基准面
[0069] 42 第二端部 B1 第一横向面
[0070] 5 绝缘块 B2 第二横向面
[0071] 6 扭力螺钉/第二转动件 B3 第三横向面
[0072] 61 螺钉下端面 B4 第四横向面
[0073] 62 第二凹槽 C1 第一纵向面
[0074] 63 第一台阶面/台阶面 C2 第二纵向面
[0075] 64 螺纹部
[0076] 65 第一圆柱部 E 测试空间
[0077] 66 第二圆柱部 F 压力
[0078] 67 第二台阶面 M 扭转力矩
[0079] 68、69 夹持部。
