CN101936854A - 局部受热加载测试材料在超高温氧化环境下力学性能的检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在1500度以上超高温氧化环境下可以简捷方便地测试陶瓷材料及其复合材料的拉伸强度、压缩强度、弯曲强度和断裂韧性等力学性能的试验方法及其实验装置。实验装置由试验框架、固定样品系统、加载系统、超高温喷火加热系统、显示记录系统，非接触式红外测温系统等组装而成。该方法是采用乙炔或汽油增氧等喷火技术对样品进行局部快速加热，使之局部温度达到1500度以上，利用便携式实验仪对样品施加弯曲、拉伸或压缩载荷等，记录下载荷值，从而获得材料的多项力学性能。本技术发明最大的特点是操作简单，实现超高温样品的局部高温和同步加载的技术，利用本发明的实验装置在超高温氧化环境下可方便地测量得到材料的强度和韧性等以往无法测试的超高温力学性能。

Description

局部受热加载测试材料在超高温氧化环境下力学性能的检测方法及装置

技术领域

本发明属于材料力学性能检测领域，涉及到一种在超高温氧化极端环境下材料的力学性能评价技术，具体涉及一种局部受热加载法进行材料性能检测的方法和装置。

背景技术

随着新材料和航天航空技术的飞速发展，对于耐高温、抗腐蚀、耐磨损等的高温结构材料的需求越来越多，如火箭和航空发动机中的喷管材料，需承受从燃烧室喷出的2000～3100℃高温高速燃气的机械冲刷，这就要求喷管材料具有足够的耐高温性能。火箭、导弹、卫星大多投资数亿元，如果因为选材不当造成发射失败则损失巨大。为了确保航空航天材料的性能能够符合设计要求，除了常规的测试项目外，对有特殊要求的材料，还要研制特殊的设备进行测试。但针对航空航天等特殊环境和条件(如超高温、高压、腐蚀等严酷条件)，要模拟譬如火箭发射火焰对材料的影响等测试，需要研制一系列庞大的设备。对于用于极端环境下的超高温部件的设计，了解材料服役条件下的强度和韧性等基本参数是保障构件的服役安全性必不可少的基本要求。目前，国内外对材料超高温氧化环境下的力学性能评价还没有有效的方法，也没有相关的标准和仪器设备。高温试验只能局限于1500℃以下，因为在1500℃以上的氧化环境下各种试验夹具和压头都难以承受。但是现代高技术和航天工业的发展有急需要有检测评价超高温材料力学性能的手段。因此，开发超高温等极端恶劣环境中材料性能的测试方法和技术，建立和完善超高温材料各项性能指标的测试、表征技术和评价标准，研发材料超高温力学性能测试的试验设备，对保障国家航天航空器件的可靠性和安全设计具有举足轻重的意义。

超高温力学性能包括超高温氧化环境下的强度和断裂韧性等。强度是材料在断裂失效过程中的最大应力，而断裂韧性是描述材料抵抗裂纹扩展的能力。一般来讲，测量脆性材料强度的方法主要有三点弯曲法和四点弯曲法。利用特定的三点弯曲和四点弯曲夹具对样品施加一个弯曲载荷直至样品断裂。根据断裂时的临界载荷和样品尺寸计算出材料的强度。测量材料断裂韧性的方法有单边切口梁法、预裂纹梁法、单边斜切口梁法和山型切口梁法等。由于炉子或夹具等因素的限制，所有这些方法都还没有在1500℃以上使用过。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以简捷方便地评价超高温氧化极端环境下陶瓷材料或复合材料的强度和断裂韧性的检测方法和装置。

所述超高温极端环境指1500℃-3000℃的大气环境下超高温与高温氧化、高温冲蚀耦合作用下的使役环境。

本发明一种局部受热加载测试材料超高温氧化环境下力学性能的装置，包括框架、固定样品系统、由加载仪和加载控制器组成的加载系统、喷火加热系统、红外测温系统和显示分析系统；其中：

框架为台阶状框板结构的金属支架，为试验过程中需要固定的部件提供支撑和操作空间；

固定样品系统用于固定待测样品，安装在框架上或置放在框架内；

加载系统的加载仪安装在框架上，可通过其中的传动装置驱动加载杆伸缩，配合固定样品系统对待测样品施加拉伸、压缩和弯曲载荷；加载控制器与加载仪信号线连接，用于控制加载仪的加载力度；

喷火加热系统包括一喷嘴，喷嘴手持或者固定在框架上并对准待测样品某一选定位置喷火；

红外测温系统为遥感测温仪，测温点靠近样品表面喷火加热区的中心位置；

显示分析系统为计算机系统，其中装载运算式；加载控制器与显示分析系统信号线连接，显示分析系统接收加载控制器传输的信号依据运算式计算出各测量项的数值并显示结果。

所述固定样品系统为固定座，固定安装在框架侧边框上，固定座中具有一容纳条状待测样品的水平方向的固定孔。

所述固定样品系统由四点弯曲夹具和配套使用的垫块组装，垫块固定安装在框架底部，四点弯曲夹具的下夹具水平放置在所述垫块之上并固定，四点弯曲夹具的上夹具与加载仪的加载杆固定连接。所述四点弯曲夹具的上夹具形成的内跨距至少为40mm，下夹具形成的外跨距至少为80mm，凹槽深度至少为60mm。

本发明提供的局部受热加载测试材料超高温氧化环境下力学性能的方法，使用前述装置，包括以下步骤：

1)将待测样品加工成条块状，通过固定样品系统安装在实验装置中；

2)用喷火加热系统通过喷嘴对准待测样品某一位置喷火，用红外测温系统对靠近喷火位置的待测样品进行测温，并保持待测样品在喷火位置的局部加热区内温度基本均匀，一般温差不超过50℃；

3)加载系统对条状待测样品施力直至待测样品断裂，加载控制器记录样品断裂时对应的临界载荷数值并传输给显示分析系统；

4)显示分析系统根据待测样品的尺寸和临界载荷数值计算得出各测量项的数值并显示结果。

具体的：

一)对待测样品进行超高温拉伸强度检测，所述待测样品水平安装，一端在所述固定座的固定孔中，另一端固定在加载仪水平方向伸缩的加载杆内，喷火加热系统的喷嘴对准待测样品中部位置喷火，加载系统对待测样品施加拉伸载荷，显示分析系统按式1计算得出拉伸强度σ₁：

${\mathrm{\σ}}_1=\frac{P_{c1}}{\mathrm{bh}}$ (式1)

其中，P_c1为临界载荷，b为样品宽度，h为样品厚度。

二)对待测样品进行超高温压缩强度检测，所述待测样品竖直安装，下端固定在框架底座的固定孔中，上端固定在加载仪纵向伸缩的加载杆内，喷火加热系统的喷嘴对准待测样品中段位置喷火，加载系统对待测样品施加压缩载荷，显示分析系统按式2计算得出压缩强度σ₁：

${\mathrm{\σ}}_2=\frac{P_{c2}}{\mathrm{bh}}$ (式2)

其中，P_c2为临界载荷，b为样品宽度，h为样品厚度。

三)对待测样品进行超高温弯曲强度检测，所述待测样品水平安装，一端在权利要求2所述固定座的固定孔中(支撑点P₃)，加载仪纵向伸缩的加载杆接触待测样品的另一端P点，喷火加热系统的喷嘴对准待测样品中段位置P₁喷火，加载系统对待测样品施加垂直向下的载荷，显示分析系统按式3.1计算得出弯曲强度σ₃：

${\mathrm{\σ}}_3=\frac{{6P}_{c3}\left({L-L}_1\right)}{{\mathrm{bh}}^2}$ (式3.1)

其中P_c3为样品断裂时的临界载荷，L为加载点P到样品支撑点P₃的距离，L₁为喷火加热点P₁到支撑点P₃的距离，b为样品宽度，h为样品厚度。

四)对待测样品进行超高温弯曲强度检测，所述待测样品水平安装在权利要求4所述四点弯曲夹具上，喷火加热系统的喷嘴对准待测样品中段位置喷火，加载仪的加载杆前端两压头跨接在待测样品喷火点两端并垂直向下施加弯曲载荷，显示分析系统按式3.2计算得出弯曲强度σ₄：

${\mathrm{\σ}}_4=\frac{3P_{c4}(L_2-L_3)}{{2\mathrm{bh}}^2}$ (式3.2)

其中P_c4为样品断裂时的临界载荷，L₂为四点弯曲夹具的外跨距，L₃为四点弯曲夹具的内跨距，b为样品宽度，h为样品厚度。

五)对待测样品进行超高温断裂韧性检测，所述待测样品为单边切口梁样品或单边斜切口梁样品，水平安装在权利要求4所述四点弯曲夹具上，喷火加热系统的喷嘴对准待测样品该切口位置喷火，加载仪的加载杆前端两压头跨接在待测样品喷火点两端并垂直向下施加载荷，显示分析系统按式4计算得出断裂韧性K_IC：

$K_{\mathrm{IC}}=\frac{P_{c5}(L_2-L_3)}{{\mathrm{bh}}^{3/2}}\×Y^{*}$ (式4)

其中P_c5为样品断裂时的临界载荷，L₂为四点弯曲夹具的外跨距，L₃为四点弯曲夹具的内跨距，b为样品宽度，h为样品厚度，Y^*为应力强度因子系数。

采用本发明的技术方案，在同一实验装置上对试样施加弯曲载荷、拉伸载荷和压缩载荷，可分别测量出材料的拉伸强度、压缩强度、弯曲强度和断裂韧性等。试验操作简单，不需要特定的样品和夹具，节省了大量的试验经费。本发明是针对在1500℃以上超高温氧化极端环境、常规方法无法测试的情况下，利用乙炔或汽油增氧等喷射火焰技术对样品进行局部加热，使之快速升温达到1500℃以上，然后加载直至样品断裂。设计一种可组装式的超高温试验装置，使其可以同时发生超高温局部火焰和超高温测量，在主体框架的不同部位安装便携式加载实验仪对试样施加弯曲、拉伸或压缩载荷等，从而得到材料在超高温氧化环境下的拉伸、压缩、弯曲强度和韧性等力学性能。

采用本发明的技术方法，可以评价材料在1500℃以上超高温氧化极端环境下的强度和断裂韧性。不需要专门的高温试验炉和气氛保护等，达到了简单、方便、快捷地评价脆性材料超高温氧化极端环境下力学性能的目的。

附图说明

图1测量试样在超高温氧化极端环境下拉伸强度的示意图。

图2测量试样在超高温氧化极端环境下压缩强度的示意图。

图3悬臂梁法测量试样在超高温氧化极端环境下弯曲强度的示意图。

图4四点弯曲法测量试样在超高温氧化极端环境下弯曲强度的示意图。

图5单边切口梁法测量试样在超高温氧化极端环境下断裂韧性示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种局部受热加载法评价陶瓷材料或复合材料的超高温力学性能。该方法可以测量在1500℃以上超高温极端环境下陶瓷材料和复合材料的强度和韧性等力学性能。其基本思路是采用乙炔或汽油增氧等喷射火焰技术对检测样品进行局部快速加热，利用红外测温仪监测样品表面温度，通过便携式加载实验仪对样品施加弯曲、拉伸或压缩载荷等，记录下相应的载荷值。根据获得的断裂载荷和样品尺寸得到其强度，包括拉伸和压缩、弯曲强度等。采用单边切口梁法或单边斜切口梁法确定其断裂韧性。

本发明首先提供了一种局部受热加载法测量陶瓷材料或陶瓷复合材料在1500℃以上极端氧化环境下的强度和断裂韧性等超高温力学性能的测试装置。参见图1至图5所示。显然，该装置可以用来测量材料的室温力学性能，在此不做阐述。该装置主要由以下几个部分组成：框架1、喷火加热系统2、固定样品系统(样品座3或四点弯曲夹具9和配套使用的底座10)、由加载仪5和加载控制器6组成的加载系统、显示分析系统7、红外测温系统8等组装而成。在测试时可根据不同测试参数将以上各部件组装使用，以下分别详述。

在本发明中，框架1为台阶状框板结构的金属支架，为试验过程中需要固定的部件提供支撑和操作空间；喷火加热系统2为通过乙炔或汽油增氧喷火技术形成的一套现有喷射火焰加热系统，如商用氧乙炔或汽油增氧喷火装置，包括配套燃料部分(如氧气瓶和乙炔气瓶或汽油瓶等)和喷嘴，配套燃料部分置于框架1外，但喷嘴手持或者固定在框架1上；固定样品系统用于固定待测样品，其根据样品的形状和固定位置安装，可以为样品座3，也可以为四点弯曲夹具9和配套使用的底座10(如图4、图5所示)；加载仪5具有施加拉伸、压缩和弯曲载荷的基本功能，通过其中的传动装置使得其上压头(如加载杆51)能够自由伸缩，加载控制器6与便携式加载仪5以信号线连接，用于控制便携式加载仪5的加载力度，加载仪5配合加载控制器6形成加载系统，该加载系统可使用商品便携式加载实验仪(如中国建筑材料检验认证中心有限公司生产的TDS-I型多功能试验仪)。加载系统配合固定样品系统通过改变样品的安置形式即可达到施加拉伸、压缩和弯曲载荷的目的；加载系统的加载控制器6还与显示分析系统7以信号线连接，将其记录的加载数据实时输送给显示分析系统7；红外测温系统8为遥感测温仪，为非接触式高温测温系统(如美国雷泰公司生产的MR1SCCF红外测温仪，最高测量温度可达3000℃)；显示分析系统7为计算机系统，其装载运算式，依据算式计算出各测量参数的数值。可以理解，加载控制器6、显示分析系统7和红外测温系统8无需固定在框架1内，而可以依操作是否便捷而放置。

测试中先将所述陶瓷材料或复合材料加工成所需尺寸的测试样品：对于强度测试均采用条状样品，然后将样品表面进行打磨抛光并测量样品的尺寸；对于断裂韧性测试采用单边切口梁或单边斜切口梁样品，在试验之前测量样品尺寸和切口深度。

以下针对材料的不同力学参数的检测进行更进一步的说明：

一、超高温拉伸强度的检测：

在该参数测试中，测试样品为长度大于60mm的长条状，测试装置如图1所示，固定样品座3固定在框架1的一侧边内，其中预留一固定孔以容纳样品；样品4呈水平方向一端固定在固定样品座3的固定孔中，便携式加载仪5固定在框架1右侧，其加载杆51与水平方向的样品4另一端接触形成加载点P，通过加载仪5对样品施加拉伸应力；喷火加热系统2的喷嘴固定在框架1上，喷火位置正对样品4的中部区域某一位置P₁；红外测温系统8的测温点P₂尽可能靠近P₁。

测试中，按以上方式组装测试装置后，喷火加热系统2的喷嘴对样品P₁点进行快速加热，红外测温系统8监测P₂点温度变化，当达到设定的温度时喷嘴继续喷火一段时间保温，确保样品在局部加热区温度能基本保持一致(加热区域内的温度差值小于50℃)；然后，便携式加载仪5以某一固定加载速率(通常为0.5mm/min)加载，使其加载杆51对悬臂梁式条状样品P点施加一个拉伸载荷直至样品断裂，样品断裂时加载控制器6记录的载荷会迅速衰减，由此判断拉伸过程中样品断裂时对应的最大载荷即为临界载荷。通常断裂点出现在喷火局部高温区(靠近P₁点)，此时关闭喷火加热系统2，加载控制器6记录下样品断裂时所对应的临界载荷，显示分析系统7根据获得的临界载荷和样品尺寸计算得出其拉伸强度σ₁。

计算式：(式1)

其中P_c1为加载控制器记录的样品断裂时的临界载荷，b为样品宽度，h为样品厚度。

二、超高温压缩强度的检测

在该参数测试中，测试样品为长度大于60mm的长条状，测试装置如图2所示，便携式加载仪5固定在框架1一侧的上端，样品4在垂直方向固定装置于加载仪5的加载杆51和框架1的底座之间，加载杆51与条状样品4端头接触形成加载点P，通过加载仪5对样品施加一个的预紧力(不超过5N)，喷火加热系统2的喷嘴固定在框架1上，喷火位置正对样品4的中部区域的某一位置P₁；红外测温系统8的测温点P₂尽可能靠近P₁。

测试中，按以上方式组装测试装置后，喷火加热系统2的喷嘴对样品P₁点进行快速加热，红外测温系统8监测P₂点温度变化，当达到设定的温度时喷嘴继续喷火一段时间保温，确保样品在局部加热区(靠近P₁点)温度能基本保持一致(加热区域内的温度差值小于50℃)；然后，便携式加载仪5以某一固定加载速率加载，使其加载杆51以某一加载速率(一般为0.1mm/min)对状样品P点施加一个压缩载荷直至样品断裂。通常断裂点出现在喷火局部高温区，此时关闭喷火加热系统2，加载控制器6记录下样品断裂时所对应的临界载荷，显示分析系统7根据获得的临界载荷和样品尺寸计算得出其压缩强度σ₂。

计算式：

(式2)

其中P_c2为样品在压缩载荷作用下断裂时的临界载荷，b为样品宽度，h为样品厚度。

三、超高温弯曲强度的检测

(1)悬臂梁法测量试样在超高温极端环境下弯曲强度

在该参数测试中，测试样品为长度大于60mm的长条状，测试装置如图3所示，固定样品座3固定在框架1的一侧边内，其中预留一固定孔以容纳样品；样品4呈水平方向一端固定在固定样品座3的固定孔中(固定样品座3边缘为P3点)，便携式加载仪5固定在框架1最上端，其加载杆51垂直向下与水平方向的样品4另一端接触形成加载点P；喷火加热系统2的喷嘴固定在框架1上，喷火位置正对样品4的中部某一位置P₁；红外测温系统8的测温点P₂尽可能靠近P₁。

测试中，按以上方式组装测试装置后，喷火加热系统2的喷嘴对样品P₁点进行快速加热，利用红外测温系统8监测P₂点温度变化，当达到设定的温度时喷嘴继续喷火一段时间保温，确保样品在局部加热区(靠近P₁点)温度能基本保持一致(温度差值不超过50℃)；然后，便携式加载仪5以某一固定加载速率加载，使其加载杆51对悬臂梁式条状样品P点垂直向下施加一个载荷直至样品断裂。一般样品断裂时加载仪5的载荷会迅速衰减，由此可以确定断裂过程中的临界载荷。通常断裂点出现在喷火局部高温区，此时关闭喷火加热系统2，加载控制器6记录下样品断裂时加载仪5所对应的临界载荷，显示分析系统7根据获得的临界载荷和样品尺寸计算得出其弯曲强度σ₃。

计算式：

(式3.1)

其中P_c3为样品断裂时的临界载荷，L为加载点P到样品支撑点P₃的距离，L₁为喷火加热点P₁到支撑点P₃的距离，b为样品宽度，h为样品厚度。

(2)四点弯曲法测量试样在超高温极端环境下弯曲强度

在该参数测试中，先采用耐高温材料(如耐高温合金材料或SiC陶瓷材料)加工一大跨距的四点弯曲夹具，如图4，其中上夹具91形成内跨，内跨距不小于40mm，下夹具92形成外跨，外跨距不小于80mm，同时上、下夹具的凹槽深度不小于60mm(防止高温火焰对夹具造成损伤)。测试样品为长度大于80mm的长条状实验样品。

测试装置如图4所示。四点弯曲夹具的下夹具92的底座固定在框架1的垫块10上，样品4呈水平方向横跨在下夹具92上；便携式加载仪5固定在框架1上端，其加载杆51的下部连接四点弯曲的上夹具91，通过上夹具91接触水平方向的样品4并施力，加载点P位于样品4中部区域喷火点P₁两端，通过加载仪5对样品施加载荷，喷火加热系统2的喷嘴固定在框架1上，喷火位置正对样品4的中部区域某一位置P₁；红外测温系统8的测温点P₂尽可能靠近P₁。

测试中，按以上方式组装测试装置后，喷火加热系统2的喷嘴对样品P₁点进行快速加热，红外测温系统8监测P₂点温度变化，当达到设定的温度时喷嘴继续喷火一段时间保温，确保样品在局部加热区温度能基本保持一致(温差不超过50℃)；然后，便携式加载仪5以某一固定加载速率加载，使其加载杆51通过上夹具91对条状样品P点施加一个弯曲载荷直至样品断裂。通常断裂点出现在喷火局部高温区(靠近P₁点)，此时关闭喷火加热系统2，加载控制器6记录下样品断裂时加载仪5所对应的临界载荷，显示分析系统7根据获得的临界载荷和样品尺寸计算得出其弯曲强度σ₄。

计算式：(式3.2)

其中P_c4为样品断裂时的临界载荷，L₂为四点弯曲的外跨距，L₃为四点弯曲内跨距，b为样品宽度，h为样品厚度。

四、超高温断裂韧性的测量

在该参数测试中，采用耐高温材料(如耐高温合金材料或SiC陶瓷材料)加工一套大跨距的四点弯曲夹具，参见图5，其中上夹具91形成内跨，内跨距不小于40mm，下夹具92形成外跨，外跨距不小于80mm(本试验中采用的四点弯曲夹具内跨距为40mm，外跨距为80mm)，同时上、下夹具的凹槽深度不小于60mm(防止高温火焰对夹具造成损伤)。测试样品为长度大于80mm的长条状，且在该样品长条中段位置设切口，切口宽度不大于200μm，切口深度为样品厚度的一半(单边切口梁试样)，或者是样品上预制一个斜切口，斜切口的宽度控制在200μm之内，斜切口较深的一端控制在样品厚度(0.6-0.8)倍范围之内，斜切口角度为45°左右(单边斜切口梁试样)。

测试装置如图5所示。四点弯曲夹具的下夹具92的底座固定在框架1的垫块10上，样品4呈水平方向横跨在下夹具92上；便携式加载仪5固定在框架1上端，其加载杆51的下部连接四点弯曲的上夹具91，通过上夹具91接触水平方向的样品4并施力，加载点P位于样品4中部区域喷火点P₁两端，通过加载仪5对样品施加压应力；喷火加热系统2的喷嘴固定在框架1上，喷火位置正对样品4切口上端P₁点；红外测温系统8的测温点P₂尽可能靠近P₁。

测试中，按以上方式组装测试装置后，喷火加热系统2的喷嘴对样品P₁点进行快速加热，红外测温系统8监测P₂点温度变化，当达到设定的温度时喷嘴继续喷火一段时间保温，确保样品在局部加热区(靠近P₁点)温度能基本保持一致(温度差别不超过50℃)；然后，便携式加载仪5以某一固定加载速率加载，使其加载杆51通过上夹具91对条状样品两加载点施加一个载荷直至样品从P₁点断裂。然后关闭喷火加热系统2，加载控制器6记录下样品断裂时所对应的临界载荷，显示分析系统7根据获得的临界载荷和样品尺寸计算出超高温断裂韧性计算得出其断裂韧性K_IC。

计算式：(式4)

其中P_c5为样品断裂时的临界载荷，L₂为四点弯曲夹具的外跨距，L₃为四点弯曲夹具内跨距，b为样品宽度，h为样品厚度，Y^*为应力强度因子系数(与样品尺寸和缺口形状及深度有关的一个参数，详见参考文献D.T.Wan et al.，Journal of the EuropeanCeramic Society，29(2009)763-771)。

本发明主要提出了局部受热加载法(即局部高温和同步加载)评价陶瓷材料或复合材料在1500度以上极端环境下的强度和韧性的解决方案。以下结合具体实施例详细说明本发明。实施例只为具体公开本发明测试超高温材料强度和断裂韧性的实施方案，不作为对本发明其他实施方式的限制。

实例1：测量某军品配套超高温材料的拉伸强度。

利用线切割机将某军品配套超高温材料切成3mm×4mm×90mm或3mm×4mm×40mm的长条状样品若干条，然后将表面进行打磨抛光；

具体实验操作步骤为：

1)取一根实验样品，测量其尺寸为3.10mm×3.84mm×90.3mm，将样品的一端固定样品支座上夹紧(如图1所示)，另一端固定在便携式加载仪的加载杆上。为了防止损坏样品表面，在样品两端粘上某一特定的柔性材料，如透明胶带。

2)采用乙炔或汽油增氧喷火技术对样品中间位置P₁点进行快速加热，利用红外测温仪测量表面P₂点的温度达到1738℃；

3)以0.5mm/min的速度对样品进行拉伸加载直至样品断裂，记录下载荷-位移曲线，样品断裂时所对应的临界载荷为90.24N。如果样品断裂位置处于喷火加热区，实验结果有效。否则，该实验结果应该舍去。

4)计算所得其拉伸强度为7.58MPa。

实例2：测量某军品配套超高温材料的压缩强度。

具体实验操作步骤为：

1)取一根实验样品，测量其尺寸为3.10mm×3.90mm×40.04mm，将样品放置便携式加载仪的加载杆与框架底座之间，施加一个大约5N的预紧力(如图2所示)；

2)采用乙炔或汽油增氧喷火技术对样品中间位置P₁点进行快速加热，利用红外测温仪测量表面P₂点温度达到1833℃；

3)以0.5mm/min的速度对样品进行加载直至样品断裂，记录下载荷-位移曲线，样品断裂时所对应的临界载荷为300.24N。如果样品断裂位置处于喷火加热区，实验结果有效。否则，该实验结果应该舍去。

4)计算所得在1833℃时的压缩强度为24.83MPa。

实例3：测量某军品配套超高温材料的悬臂梁弯曲强度。

具体实验操作步骤为：

1)取一根测试样品，测量其尺寸为3.02mm×3.84mm×90.5mm，将样品放置固定样品支座上夹紧(如图3所示)，采用乙炔或汽油增氧喷火技术对样品中间位置P₁点进行快速加热，利用红外测温仪测量表面P₂点温度达到1695℃；

2)准确测量加载点P和喷火区中心点P1到支座边缘P3的距离分别为65.9mm和33.6mm。

3)以0.5mm/min的速度在加载点P对样品进行加载直至样品断裂，记录下载荷-位移曲线，样品断裂时所对应的临界载荷为19.76N。如果样品断裂位置处于喷火加热区，实验结果有效。否则，该实验结果应该舍去。

4)计算所得其悬臂梁弯曲强度为112.83MPa。

实例4：测量某军品配套超高温材料的弯曲强度(四点弯曲法)。

具体实验操作步骤为：

1)取一根实验样品，测量其尺寸为3.02mm×3.84mm×90.06mm，将样品放置四点弯曲夹具的上下夹具之间(如图4所示)，四点弯曲夹具上跨距为40mm，下跨距为80mm。

2)采用乙炔或汽油增氧喷火技术对样品中间位置P₂点进行快速加热，利用红外测温仪测量表面P₂点温度达到2095℃。

3)以0.5mm/min的速度对样品进行加载直至样品断裂，记录下载荷-位移曲线，样品断裂时所对应的临界载荷为28.24N。如果样品断裂位置处于喷火加热区，实验结果有效。否则，该实验结果应该舍去。

4)计算所得在2095℃时的弯曲强度为48.38MPa。

实例5：测量某军品配套超高温材料的弯曲强度(四点弯曲法)。

具体实验操作步骤为：

1)取一根实验样品，测量其尺寸为3.02mm×3.94mm×90.08mm，将样品放置四点弯曲夹具的上下夹具之间(如图4所示)，四点弯曲夹具上跨距为40mm，下跨距为80mm。

2)采用乙炔或汽油增氧喷火技术对样品中间位置P₂点进行快速加热，利用红外测温仪测量表面P₂点温度达到1702℃。

3)以0.5mm/min的速度对样品进行加载直至样品断裂，记录下载荷-位移曲线，样品断裂时所对应的临界载荷为66.66N。如果样品断裂位置处于喷火加热区，实验结果有效。否则，该实验结果应该舍去。

4)计算所得在1702℃时的弯曲强度为107.97MPa。

其结果与实施例3相比。当测试温度基本相同时，测量的强度值也基本相同，说明这两种方法都适合于测量材料的超高温强度。

实例6：测量某军品配套超高温材料的断裂韧性(单边切口梁法)。

具体实验操作步骤为：

1)取一根实验样品，测量其尺寸为4.02mm×7.98mm×90.10mm，将样品放置四点弯曲夹具(如图5所示)之间；四点弯曲夹具上跨距为40mm，下跨距为80mm。

2)采用乙炔或汽油增氧喷火技术对样品中间位置P₂点进行快速加热，利用红外测温仪测量样品P₂点表面温度达到1610℃。

3)以0.05mm/min的速度对样品进行加载直至样品断裂，记录下载荷-位移曲线，突变点所对应的载荷为121.8N。如果样品断裂位置处于喷火加热区，实验结果有效。否则，该实验结果应该舍去。

4)计算所得在1610℃时的断裂韧性为4.09MPa·m^1/2。

通过以上说明可以归纳本发明具有如下特征：

①利用本发明对陶瓷材料或复合材料在1500℃以上超高温极端环境下强度和断裂韧性进行测试，材料制备简单，对材料尺寸、形状没有特殊要求。

②实现了样品局部高温和同步加载的优势，在一套简单的实验装置上可同时实现测量材料的拉伸强度、压缩强度、弯曲强度以及断裂韧性，无需特定的夹具和实验机。

③本发明可操作性强，容易实现，适用范围广泛，不仅适用于超高温的陶瓷材料和复合材料等，也适用于其它任何耐高温的固体材料。

本发明所述的强度和韧性的评价技术有很广的应用领域，实现了对不同固体材料在1500℃以上超高温氧化极端环境下进行力学性能评价，具有测试方法简单，操作简单，测试结果可靠等优点。

本技术发明最大的特点是操作简单，实现超高温样品的局部高温和同步加载技术，利用简单的实验装置可同时测量得到材料在1500℃以上超高温氧化极端环境下的弯曲强度、拉伸强度、压缩强度和断裂韧性等。

Claims (10)

1.一种局部受热加载测试材料超高温氧化环境下力学性能的装置，包括框架、固定样品系统、由加载仪和加载控制器组成的加载系统、喷火加热系统、红外测温系统和显示分析系统；其中：

框架为台阶状框板结构的金属支架，为试验过程中需要固定的部件提供支撑和操作空间；

固定样品系统用于固定待测样品，安装在框架上或置放在框架内；

加载系统的加载仪安装在框架上，可通过其中的传动装置驱动加载杆伸缩，配合固定样品系统对待测样品施加拉伸、压缩和弯曲载荷；加载控制器与加载仪信号线连接，用于控制加载仪的加载力度；

喷火加热系统包括一喷嘴，喷嘴手持或者固定在框架上并对准待测样品某一选定位置喷火；

红外测温系统为遥感测温仪，测温点靠近样品表面喷火加热区的中心位置；

显示分析系统为计算机系统，其中装载运算式；加载控制器与显示分析系统信号线连接，显示分析系统接收加载控制器传输的信号依据运算式计算出各测量项的数值并显示结果。

2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述固定样品系统为固定座，固定安装在框架侧边框上，固定座中具有一容纳条状待测样品的水平方向的固定孔。

3.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述固定样品系统由四点弯曲夹具和配套使用的垫块组装，垫块固定安装在框架底部，四点弯曲夹具的下夹具水平放置在所述垫块之上并固定，四点弯曲夹具的上夹具与加载仪的加载杆固定连接。

4.根据权利要求3所述装置，其特征在于，所述四点弯曲夹具的上夹具形成的内跨距至少为40mm，下夹具形成的外跨距至少为80mm，凹槽深度至少为60mm。

5.一种局部受热加载测试材料超高温氧化环境下力学性能的方法，使用权利要求1或2或3或4所述装置，包括以下步骤：

1)将待测样品加工成条块状，通过固定样品系统安装在实验装置中；

2)用喷火加热系统通过喷嘴对准待测样品某一位置喷火，用红外测温系统对靠近喷火位置的待测样品进行测温，并保持待测样品在喷火位置的局部加热区内温度基本均匀，一般温差不超过50℃；

3)加载系统对条状待测样品施力直至待测样品断裂，加载控制器记录样品断裂时对应的临界载荷数值并传输给显示分析系统；

4)显示分析系统根据待测样品的尺寸和临界载荷数值计算得出各测量项的数值并显示结果。

6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，对待测样品进行超高温拉伸强度检测，所述待测样品水平安装，一端在权利要求2所述固定座的固定孔中，另一端固定在加载仪水平方向伸缩的加载杆内，喷火加热系统的喷嘴对准待测样品中部位置喷火，加载系统对待测样品施加拉伸载荷，显示分析系统按式1计算得出拉伸强度σ₁：

${\mathrm{\σ}}_1=\frac{P_{c1}}{\mathrm{bh}}$ (式1)

其中，P_c1为临界载荷，b为样品宽度，h为样品厚度。

7.根据权利要求5所述方法，其特征在于，对待测样品进行超高温压缩强度检测，所述待测样品竖直安装，下端固定在框架底座的固定孔中，上端固定在加载仪纵向伸缩的加载杆内，喷火加热系统的喷嘴对准待测样品中段位置喷火，加载系统对待测样品施加压缩载荷，显示分析系统按式2计算得出压缩强度σ₁：

${\mathrm{\σ}}_2=\frac{P_{c2}}{\mathrm{bh}}$ (式2)

其中，P_c2为临界载荷，b为样品宽度，h为样品厚度。

8.根据权利要求5所述方法，其特征在于，对待测样品进行超高温弯曲强度检测，所述待测样品水平安装，一端在权利要求2所述固定座的固定孔中(支撑点P₃)，加载仪纵向伸缩的加载杆接触待测样品的另一端P点，喷火加热系统的喷嘴对准待测样品中段位置P₁喷火，加载系统对待测样品施加垂直向下的载荷，显示分析系统按式3.1计算得出弯曲强度σ₃：

${\mathrm{\σ}}_3=\frac{{6P}_{c3}\left({L-L}_1\right)}{{\mathrm{bh}}^2}$ (式3.1)

其中P_c3为样品断裂时的临界载荷，L为加载点P到样品支撑点P₃的距离，L₁为喷火加热点P₁到支撑点P₃的距离，b为样品宽度，h为样品厚度。

9.根据权利要求5所述方法，其特征在于，对待测样品进行超高温弯曲强度检测，所述待测样品水平安装在权利要求4所述四点弯曲夹具上，喷火加热系统的喷嘴对准待测样品中段位置喷火，加载仪的加载杆前端两压头跨接在待测样品喷火点两端并垂直向下施加弯曲载荷，显示分析系统按式3.2计算得出弯曲强度σ₄：

${\mathrm{\σ}}_4=\frac{{3P}_{c4}(L_2-L_3)}{2{\mathrm{bh}}^2}$ (式3.2)

其中P_c4为样品断裂时的临界载荷，L₂为四点弯曲夹具的外跨距，L₃为四点弯曲夹具的内跨距，b为样品宽度，h为样品厚度。

10.根据权利要求5所述方法，其特征在于，对待测样品进行超高温断裂韧性检测，所述待测样品为单边切口梁样品或单边斜切口梁样品，水平安装在权利要求4所述四点弯曲夹具上，喷火加热系统的喷嘴对准待测样品该切口位置喷火，加载仪的加载杆前端两压头跨接在待测样品喷火点两端并垂直向下施加载荷，显示分析系统按式4计算得出断裂韧性K_IC：

$K_{\mathrm{IC}}=\frac{P_{c5}(L_2-L_3)}{{\mathrm{bh}}^{3/2}}\×Y^{*}$ (式4)

其中P_c5为样品断裂时的临界载荷，L₂为四点弯曲夹具的外跨距，L₃为四点弯曲夹具的内跨距，b为样品宽度，h为样品厚度，Y^*为应力强度因子系数。

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