CN102175536B

CN102175536B - 一种非金属材料高温抗拉强度的测试装置

Info

Publication number: CN102175536B
Application number: CN 201110003070
Authority: CN
Inventors: 葛山; 尹玉成; 刘志强
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date: 2011-01-10
Filing date: 2011-01-10
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2031-01-10
Also published as: CN102175536A

Abstract

本发明涉及一种非金属材料高温抗拉强度的测试装置。其方案是：拉力机(6)下拉杆(19)和上拉杆(5)分别穿过金属密封箱(23)与下万向夹具(20)和上万向夹具(4)联接；待测试样(18)穿过金属密封箱(23)中心的感应环(22)和感应线圈(3)安装在下万向夹具(20)和上万向夹具(4)内，待测试样(18)的狭长部位位于感应环(22)高度的中间部位。红外测温仪(15)的接收端与密封门(9)上的石英玻璃窗(16)的中心和感应环(22)的圆孔中心在一条线上；计算机(11)分别与感应炉(1)和红外测温仪(15)连接，感应炉(1)与感应线圈(3)连接，金属密封箱(23)外接抽真空装置(13)和气源(14)。本发明结构简单、体积小、测试温度高、成本低、寿命长、测试准确且能在不同气氛条件下测试。

Description

一种非金属材料高温抗拉强度的测试装置

技术领域

本发明属于非金属材料性能的测试技术领域。具体涉及一种非金属材料高温抗拉强度的测试装置。

背景技术

非金属材料的高温抗拉强度是材料的一项重要的力学性能指标。测定非金属材料高温下的抗拉强度，需要将材料加热到测定温度。不同的加热装置所采用的加热体不同：一是传统的加热体，即加热材料是用电炉丝作为发热体，其升温速率慢，测定温度低；二是用贵金属做发热体，如铂金丝、铂铑带，虽可提高测试温度，但价格昂贵、升温速率依然很慢，且贵金属发热体极易损坏，需经常维护；三是用碳化硅棒或硅钼棒做发热体，由于发热体结构及尺寸的原因，加热设备需做的很大，在与拉力机配合使用时要求拉力机要有较大的空间来安放试样的加热设备，因而对拉力机提出了较高的要求。

另外一个重要的原因是为了对试样进行高温抗拉强度测试，安装在试样两端的夹具必须是耐高温的材料制成，这种高温夹具不仅难以加工，而且价格昂贵，使用寿命短。

再加上上述设备的发热体只能在空气气氛下工作，从而使得设备无法在真空或保护性气体气氛下工作。

因此，上述发热体制成的高温抗拉强度测定的加热装置和价格昂贵的高温夹具限制了使用范围，使许多在高温下易氧化的材料和需要在真空或保护性气体气氛下工作的材料的高温抗拉强度无法测定。上述的这些问题一直困扰着这项测试的发展，

发明内容

本发明旨在克服上述问题缺陷，目的是提供一种结构简单、体积小、升温速度快、测试温度高、维护工作量少、成本低、使用寿命长、测试准确和能在多种气氛下测试的非金属材料高温抗拉强度的测试装置。

为实现上述任务，本发明采用的技术方案是：在拉力机的下工作平台中心固定有下拉杆，下拉杆穿过金属密封箱与下万向夹具联接；待测试样穿过感应环和感应线圈，待测试样的下端安装在下万向夹具内，待测试样上端安装在上万向夹具内，待测试样的狭长部位位于感应环高度的中间部位；拉力机的上拉杆穿过金属密封箱上的密封圈与上万向夹具联接。

在金属密封箱的中心设置有感应环，在感应环的外部同中心地套有感应线圈，感应环与感应线圈的间隙为2～10mm，感应线圈的高度与感应环的高度相同，感应线圈通过绝缘垫圈与感应炉的输出端连接。

金属密封箱的一侧安装有密封门，密封门上设置有石英玻璃窗，石英玻璃窗的外部设有红外测温仪，红外测温仪的接收端与石英玻璃窗的中心、感应环的圆孔中心位于一条直线上；红外测温仪的输出端与计算机连接，计算机内的控温程序与感应炉的控制端连接。

感应炉的输出端与感应线圈连接，金属密封箱外接抽真空装置和气源。

所述的拉力机为拉力试验机或为万能材料试验机，拉力机的有效支柱间距至少为420mm，支柱的有效高度至少为600mm。

所述的密封门与金属密封箱之间采用硅橡胶密封圈和密封螺母进行固定联接。

所述的拉力机的上拉杆为刚玉质、SiC质、氧化锆质、高强石墨质和高温耐热合金中的一种；下拉杆为刚玉质、SiC质、氧化锆质、高强石墨质和高温耐热合金中的一种；上万向夹具为刚玉质、SiC质、氧化锆质、高强石墨质和高温耐热合金中的一种；下万向夹具为刚玉质、SiC质、氧化锆质、高强石墨质和高温耐热合金中的一种；上装样销轴为刚玉质、SiC质、氧化锆质、高强石墨质和高温耐热合金中的一种；下装样销轴的材质为刚玉质、SiC质、氧化锆质、高强石墨质和高温耐热合金中的一种。

所述的感应环的材质为金属材质或为石墨材质；感应环的壁厚为2～20mm，在感应环的环壁开有直径为10～15mm的圆孔，该圆孔位于环壁高度方向的中部。

所述的感应环的高度是：若待测试样的狭长部位的截面为正方形时，感应环的高度为该边长1.2～2.0倍；若待测试样的狭长部位的截面为矩形时，感应环的高度为该长边的1.2～2.0倍；若待测试样狭长部位的截面若为圆形时，感应环的高度为该圆形直径的1.2～2.0倍。

所述的气源或为N₂、或为Ar、或为N₂和Ar的混合气体。

所述的感应炉的功率为1～100kW，工作电压为380V，升温速率为1～50℃/min，加热温度为800～2000℃；感应炉为中频感应炉或为超音频感应炉，中频感应炉的工作频率为200～2500Hz，超音频感应炉的工作频率为10～45kHz。

由于采用上述方案，本装置仅对试样加热从而使加热区域范围缩小，安装在试样两端的夹具无需耐高温的材料制成，试样的夹具便不受苛刻的温度要求而可采用多种材料制造，成本低，使用寿命长；另外，本装置采用感应加热方式代替电炉丝、贵金属、碳化硅或硅钼棒对试样进行加热，从而使该装置体积小、结构简单、维护工作量少，同时还实现了不同试样材料以不同速率升温，最高温度可达到2000℃，使用温度高和测试准确，可实现不同温度条件下的不同材料的待测试样的高温抗拉强度的测试。本装置不仅配备了抽真空和气体保护装置，能在空气气氛或真空或保护性气体气氛条件下测定材料高温抗拉强度，从而扩大了该装置在不同气氛下的待测试样的高温抗拉强度的测试范围，还可在切断气源和加热电源的情况下，作为常温条件下的非金属材料抗拉强度的测试装置。

因此，本发明结构简单、体积小、升温速度快、测试温度高、维护工作量少、成本低、使用寿命长、测试准确和能在空气气氛或真空或保护性气体气氛条件下进行非金属材料高温抗拉强度的测试。

附图说明

图1为本发明的一种结构示意图；

图2是图1中感应线圈3和感应环22的局部放大示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明，并非对其保护范围的限制。

实施例1

一种非金属材料高温抗拉强度的测试装置。该装置结构如图1所示，在拉力机6的下工作平台中心固定有下拉杆19，下拉杆19穿过金属密封箱23与下万向夹具20联接；待测试样18穿过感应环22和感应线圈3，待测试样18的下端经下装样销轴21安装在下万向夹具20内，待测试样18上端经上装样销轴8安装在上万向夹具4内，待测试样18的狭长部位位于感应环22高度的中间部位；拉力机6的上拉杆5穿过金属密封箱23上的密封圈7与上万向夹具4联接。

在金属密封箱23的中心设置有感应环22，如图2所示，在感应环22的外部同中心地套有感应线圈3，感应环22与感应线圈3的间隙为2～10mm，感应线圈3的高度与感应环22的高度相同，感应线圈3通过绝缘垫圈2与感应炉1的输出端连接。

金属密封箱23的一侧安装有密封门9，密封门9上设置有石英玻璃窗16，石英玻璃窗16的外部设有红外测温仪15，红外测温仪15的接收端与石英玻璃窗16的中心和感应环22的圆孔中心位于一条直线上；红外测温仪15的输出端与计算机11连接，计算机11与显示屏12连接，计算机11内的控温程序与感应炉1的控制端连接。

感应炉1的输出端与感应线圈3连接，金属密封箱23外接抽真空装置13和气源14。

本实施例的拉力机6为拉力试验机，拉力试验机的有效支柱间距至少为420mm，支柱的有效高度至少为600mm。

本实施例的密封门9与金属密封箱23之间采用硅橡胶密封圈17和密封螺母10进行固定联接。

本实施例的拉力机的上拉杆5、下拉杆19、上万向夹具4、下万向夹具20、上装样销轴8和下装样销轴21的材质或为刚玉质、或为SiC质、或为氧化锆质、或为高强石墨质、或为高温耐热合金。

本实施例的感应环22的材质为金属材质；感应环22的壁厚为2～10mm，在感应环22的环壁开有直径为10～13mm的圆孔，该圆孔位于环壁高度方向的中部。

本实施例中的待测试样18的狭长部位的截面为正方形，感应环22的高度为该边长1.2～2.0倍。

本实施例的感应炉1为中频感应炉，中频感应炉的工作频率为200～2500Hz，功率为1～20kW，工作电压为380V。

本实施例的测试方法是：

第一步，将高铝质试样18安装到上万向夹具4和下万向夹具20内；

第二步，关闭金属密封箱23的密封门9，旋紧密封螺母10，压紧硅橡胶密封圈17使金属密封箱23密封；

第三步，断开金属密封箱23与抽真空装置13和气源14的连接；

第四步，打开计算机内的温度控制和测量程序；

第五步，设定升温速率为10～15℃/min，加热温度为800℃；

第六步，接通中频感应炉1和红外测温仪15的电源开关，开始加热；

第七步，加热至800℃后，开启拉力试验机6进行高温抗拉强度的测定，记录并保存高铝质试样18的测定结果。

实施例2

一种非金属材料高温抗拉强度的测试装置。该装置结构同实施例1。其中：

拉力机6为万能材料试验机。拉力机的上拉杆5材质为刚玉质，下拉杆19材质为SiC质，上万向夹具4材质为氧化锆质，下万向夹具20材质为高强石墨质，上装样销轴8和下装样销轴21的材质为高温耐热合金刚玉质。

感应环22的材质为石墨材质；感应环22的壁厚为8～15mm，在感应环22的环壁开有直径为12～15mm的圆孔，该圆孔位于环壁高度方向的中部。

感应炉1为超音频感应炉，超音频感应炉的工作频率为20～45kHz，功率为50～100kW，工作电压为380V。

本实施例的待测试样18的狭长部位的截面为矩形，感应环22的高度为该长边的1.2～2.0倍。

本实施例的测试方法是：

第一步，把石墨质试样18安装到上万向夹具4和下万向夹具20内；

第三步，开启抽真空装置13，抽真空至金属密封箱23内的剩余压力小于2500Pa；

第四步，打开气源14，对金属密封箱23内充入N₂或Ar，充入气体的气压略大于0.11MPa；

第五步，打开计算机11内的温度控制和测量程序；

第六步，设定升温速率为15～50℃/min，加热温度为2000℃；

第七步，接通中频感应炉1和红外测温仪15的电源开关，开始加热；

第八步，加热至2000℃后，开启万能材料试验机6，进行高温抗拉强度的测定，记录并保存测定结果。

实施例3

拉力机6为万能材料试验机。拉力机的上拉杆5和下拉杆19材质为高温耐热合金，上万向夹具4和下万向夹具20材质为SiC质，上装样销轴8和下装样销轴21的材质为刚玉质。

感应环22的材质为石墨材质；感应环22的壁厚为10～20mm，在感应环22的环壁开有直径为12～15mm的圆孔，该圆孔位于环壁高度方向的中部。

感应炉1为超音频感应炉，超音频感应炉的工作频率为10～30kHz；超音频感应炉1的功率为1～60kW，工作电压为380V。

本实施例的待测试样18狭长部位的截面为圆形，感应环22的高度为该圆形直径的1.2～2.0倍。

本实施例的测试方法是：

第一步，把镁碳质试样18安装到上万向夹具4和下万向夹具20内；

第四步，打开气源14对金属密封箱23内充入N₂和Ar的混合气体，充入上述气体的气压略大于0.11MPa；

第五步，打开计算机11内的温度控制和测量程序；

第六步，设定升温速率为1～10℃/min，加热温度为1500℃；

第八步，加热至1500℃后，开启和万能材料试验机6，进行高温抗拉强度的测定，记录并保存测定结果；

本具体实施方式采用感应加热方式代替电炉丝、贵金属、碳化硅或硅钼棒对试样进行加热，从而使该装置体积小、结构简单、维护工作量少。采用感应加热方式，加热区域小，试样夹持的部分温度大大降低，解决了安装在试样两端的夹具必须是耐高温的材料制成、高温夹具难以加工，而且价格昂贵和使用寿命短的难题。同时也实现了不同速率的快速升温，最高温度可达到2000℃，使用温度高。本发明还配备了抽真空和气体保护装置，能在空气气氛或真空或保护性气体气氛条件下测定材料高温耐压强度，扩大了该装置所能测定材料的范围。

因此，本具体实施方式结构简单、体积小、升温速度快、测试温度高、成本低、使用寿命长、维护工作量少、测试准确和能在空气气氛或真空或保护性气体气氛条件下进行非金属材料高温抗拉强度的测试。

Claims

1.一种非金属材料高温抗拉强度的测试装置，其特征在于在拉力机（6）的下工作平台中心固定有下拉杆（19），下拉杆（19）穿过金属密封箱（23）与下万向夹具（20）联接；待测试样（18）穿过感应环（22）和感应线圈（3），待测试样（18）的下端安装在下万向夹具（20）内，待测试样（18）上端安装在上万向夹具（4）内，待测试样（18）的狭长部位位于感应环（22）高度的中间部位；拉力机（6）的上拉杆（5）穿过金属密封箱（23）上的密封圈（7）与上万向夹具（4）联接；

在金属密封箱（23）的中心设置有感应环（22），在感应环（22）的外部同中心地套有感应线圈（3），感应环（22）与感应线圈（3）的间隙为2～10mm，感应线圈（3）的高度与感应环（22）的高度相同，感应线圈（3）通过绝缘垫圈（2）与感应炉（1）的输出端连接；

金属密封箱（23）的一侧安装有密封门（9），密封门（9）上设置有石英玻璃窗（16），石英玻璃窗（16）的外部设有红外测温仪（15），红外测温仪（15）的接收端与石英玻璃窗（16）的中心、感应环（22）的圆孔中心位于一条直线上；红外测温仪（15）的输出端与计算机（11）连接，计算机（11）内的控温程序与感应炉（1）的控制端连接；

感应环（22）的高度是：若待测试样（18）的狭长部位的截面为正方形时，感应环（22）的高度为该正方形边长的1.2～2.0倍；若待测试样（18）的狭长部位的截面为矩形时，感应环（22）的高度为该矩形长边的1.2～2.0倍；若待测试样（18）的狭长部位的截面为圆形时，感应环（22）的高度为该圆形直径的1.2～2.0倍；

感应炉（1）的输出端与感应线圈（3）连接，金属密封箱（23）外接抽真空装置（13）和气源（14）。

2.根据权利要求1所述的非金属材料高温抗拉强度的测试装置，其特征在于所述的拉力机（6）为拉力试验机或为万能材料试验机，拉力机（6）的有效支柱间距至少为420mm，支柱的有效高度至少为600mm。

3.根据权利要求1所述的非金属材料高温抗拉强度的测试装置，其特征在于所述的密封门（9）与金属密封箱（23）之间采用硅橡胶密封圈（17）和密封螺母（10）进行固定联接。

4.根据权利要求1所述的非金属材料高温抗拉强度的测试装置，其特征在于所述的拉力机的上拉杆（5）为刚玉质、SiC质、氧化锆质、高强石墨质和高温耐热合金中的一种；下拉杆（19）为刚玉质、SiC质、氧化锆质、高强石墨质和高温耐热合金中的一种；上万向夹具（4）为刚玉质、SiC质、氧化锆质、高强石墨质和高温耐热合金中的一种；下万向夹具（20）为刚玉质、SiC质、氧化锆质、高强石墨质和高温耐热合金中的一种；待测试样（18）的下端经下装样销轴（21）安装在下万向夹具（20）内，待测试样（18）的上端经上装样销轴（8）安装在上万向夹具（4）内，上装样销轴（8）为刚玉质、SiC质、氧化锆质、高强石墨质和高温耐热合金中的一种，下装样销轴（21）的材质为刚玉质、SiC质、氧化锆质、高强石墨质和高温耐热合金中的一种。

5.根据权利要求1所述的非金属材料高温抗拉强度的测试装置，其特征在于所述的感应环（22）的材质为金属材质或为石墨材质；感应环（22）的壁厚为2～20mm，在感应环（22）的环壁开有直径为10～15mm的圆孔，该圆孔位于环壁高度方向的中部。

6.根据权利要求1所述的非金属材料高温抗拉强度的测试装置，其特征在于所述的气源（14）或为N₂、或为Ar、或为N₂和Ar的混合气体。

7.根据权利要求1所述的非金属材料高温抗拉强度的测试装置，其特征在于所述的感应炉（1）的功率为1～100kW，工作电压为380V，升温速率为1～50℃/min，加热温度为800～2000℃；感应炉（1）为中频感应炉或为超音频感应炉，中频感应炉的工作频率为200～2500Hz，超音频感应炉的工作频率为10～45kHz。