CN103424319B - 一种超低温冲击测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超低温试验领域，特别涉及一种超低温冲击测试装置及其测试方法。其装置至少包括用作测试对象的试样、降温组件以及用于执行试样冲断操作的冲击实验组件，所述试样表面处包覆有保温层，该装置结构简单而便于实现，可对试样材料的过冷温度补偿值产生明显的降低效果，以有效确保最终冲击实验结果的准确性需求；同时还提供一种基于上述超低温冲击测试装置的测试方法，包括：于试样表面裹设保温层；进行预定温度的降温保温操作；进行试样回温测试；确定制冷机低温装置所需设定的试验最低温度；冲击试验比对；进入常规超低温冲击试验流程；以有效而稳定的确保其装置的操作需求，进一步确保实验结果的精确性。

Description

一种超低温冲击测试装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及超低温试验领域，特别涉及一种超低温冲击测试装置及其测试方法。

背景技术

随着科学技术的发展，深冷低温环境工况条件频繁出现在低温超导、航空航天、石油化工行业等众多领域，其对材料的低温性能要求日益苛刻，相应材料在低温乃至超低温力学性能研究已经受到国内外学者的高度重视，其研究范围大多集中在普冷低温环境(不低于-153℃)下，而在超低温下的材料力学性能的研究往往较少；这主要是因为超低温的实验环境较难获得。因此，用于材料超低温性能研究的实验环境的建立非常重要。

目前，低温冲击试验所需低温环境一般通过液体介质或气体介质冷却实现。温度高于-196℃时，可以液氮、干冰为冷源通过酒精或氟利昂等介质配比实现；而温度低于-196℃时，可用液氢(-253℃)或液氦(-269℃)作为冷源。而根据冲击试验特点，试样需离开低温环境进行试验，但是，由于内外环境的巨大温度差异，试样本身往往会在在从低温或超低温环境中移动至外部正常温度下的冲击试验台处过程中产生明显的急剧升温现象，这在超低温实验时尤为明显，这就导致实验时其所需测试温度与实际测试温度间的产生偏差性，最终极大的影响了其实验数据的精确性。后来，人们通过测算在低温或超低温实验下试样的回温速率，从而获取各温度区下试样冲击试验的过冷温度补偿值，也即：如试样从超低温装置中移出3S～5S后内即刻冲击打断，其过冷温度补偿值为3℃～4℃，此时即可事先将试样在低温装置内多降温3℃～4℃，此时试样取出后3S～5S后再行打断，其打断时的试样温度就刚好满足预定的实验温度需求了。上述温度补偿方式，确实满足了低温实验下的某些试样实验需求，然而其存在的缺陷仍然不容小视：温度补偿方式，对于试样本身所能最终承受的低温限度存在要求，特别是对于自身存有低温相变的金属材料而言，过大的过冷温度补偿值极有可能引起金属相变，从而导致试样的材料性能发生变化，进而使试验结果与实际情况不符，最终导致其所测量出的实验数据完全不具备实际使用价值；此外，在进行某些超低温冲击测试时，其制冷系统已经勉强能够满足其实验温度需求，一旦其过冷温度补偿值数值过大，在其实验温度基础上再增加过冷温度补偿值后，制冷系统可能无法达到其实验最低温度，从而给实验测试人员带来极大困扰。

发明内容

本发明的目的为解决上述现有技术的不足，提供一种结构简单而便于实现的超低温冲击测试装置，可对试样材料的过冷温度补偿值产生明显的降低效果，以有效确保最终冲击实验结果的准确性需求；同时还提供一种基于上述超低温冲击测试装置的测试方法，以有效而稳定的确保其装置的操作需求，进一步确保实验结果的精确性。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种超低温冲击测试装置，至少包括用作测试对象的试样、用于使试样达到指定温度的降温组件以及用于执行试样冲断操作的冲击实验组件，所述试样表面处包覆有保温层；

所述保温层包括外形轮廓与试样形状一致的长方体状玻璃容器，玻璃容器内壁与试样表面间存有用于容纳和铺设保温材料的间隙。

所述保温层呈密封式的包覆试样表面设置，所述保温材料为气凝胶粉体。

所述降温组件包括制冷机低温装置，所述制冷机低温装置至少包括隔热壳体、容纳于隔热壳体内的辐射罩、用于制冷的制冷机以及用于放置试样的试样腔，所述制冷机的冷头及试样腔下部均位于辐射罩内且两者间联接设置；所述试样腔外形呈筒体状且其开口端顺延并伸出隔热壳体设置，试样腔的开口端设置有用于启闭试样腔的盖体，所述盖体与试样腔开口端形成密封配合。

所述冲击实验组件包括用于安置试样的砧座以及用于执行冲击操作的锤头部，所述砧座具备有限制试样沿锤头部动作方向位移的限位约束，所述冲击实验组件还包括用于限制试样沿其长度方向动作的限位块。

所述砧座为两块彼此板面平行的“L”字形板构成，两“L”字形板的凹口处同侧设置且该凹口构成限制试样沿锤头部动作方向位移的限位约束；所述限位块固接于其中一块“L”字形板凹口处布置，限位块构成限制试样沿其长度方向动作的单向限位约束。

一种应用上述超低温冲击测试装置的测试方法，具备以下步骤：

1)、于试样表面裹设保温层；

2)、将1)步骤完成后的试样于制冷机低温装置内的进行预定温度的降温保温操作；

3)、进行试样回温测试；即将试样从制冷机低温装置移出并置于正常冲击实验环境下，确定该试样于正常冲击实验环境下的温度随时间变化曲线，根据其曲线以及正常完成该冲击试验所需时间，确定该试样的过冷温度补偿值；

4)、根据过冷温度补偿值追溯确定制冷机低温装置所需设定的试验最低温度；

5)、在试验最低温度下，对构成保温层的玻璃容器再进行冲击试验比对，确定其对试样冲击性能的影响；

6)、进入常规超低温冲击试验流程。

1)步骤中，试样应先置于玻璃容器内，之后于玻璃容器与试样间的间隙处填充粉体状保温材料，再后整体密封。

在进行玻璃容器乃至包覆保温层的试样的冲击试验之前，应根据包裹保温层后的试样尺寸，于砧座上确定限位块具体安装位置并安装限位块。

限位块的布置流程为：由长方体玻璃容器尺寸，计算或目视确定试样上预留缺口所在位置，根据试样预留缺口所在位置确定砧座上的限位块布置位置。

本发明的主要优点在于：

1)、为克服试样在超低温环境条件下移出低温装置后的温度剧升现象，依靠在原有的试样表面处包覆设置保温层，从而达到降低其温度剧升速率的目的；实验表明，经过保温层包覆后的试样，在3S～5S的正常冲断操作时间内，其温度上升速度明显降低，从而也就极大的降低了试样本身的实际过冷温度补偿值，而过冷温度补偿值的减少，也就提升了实际实验时制冷机低温装置所需设定的试验最低温度值，也就从一定程度上减小了本身存在低温相变的金属的相变可能性和可能出现的制冷系统效率不足问题，最终有效保证其其最终实验数据的精确性需求。

2)、对于保温层的选用，本发明优选玻璃容器作为容纳部，并依靠二氧化硅气凝胶粉体作为其内置填充保温材料；这是因为一方面玻璃作为典型的脆性材料，其处于低温甚至超低温条件下本身的脆性极高，极易在受到冲击作用后产生碎裂现象，这样，也就保证了即使试样在易碎玻璃和粉体状保温材料的包覆下，也不会因为保温层的材质原因而对试样后期的冲断过程产生实质影响；另一方面，二氧化硅气凝胶粉体作为一种理想的透明隔热材料，不但可以在和透明玻璃容器组合使用时能够实现对于内置试样的适时观察目的，同时，依靠二氧化硅气凝胶粉体本身远优异于脱脂棉以及珍珠岩粉体等隔热材料的隔热保温作用，从而有效确保对于试样本身的保温目的，在试样从低温甚至超低温环境中取出至室温时，由于二氧化硅气凝胶粉体的隔热作用，从而极大降低试样的温升效率，最终确保其实验的准确性。

3)、本发明通过改良制冷机低温装置的内部构件，从而使其试样腔具备可密封以及可开启的盖体，在需要放入试样时，开启盖体并向试样腔内放入试样，取出时同样如此；依靠可启闭的盖体，从而实现试样的快捷置取目的，以进一步的提升实际实验效率。

4)、对于限位块的布置，可根据人们实际的操作需求加以添置。本发明之所以设置限位块，也就是考虑到了作为超低温实验操作，试样本身从超低温环境下取出到置于冲击实验组件内冲断的这段时间，往往是决定试样温度变化以及实验数据结果是否准确的最重要一环，一方面本发明可以通过保温层的设置，降低试样的温升效率，以保证试样的温度回升速度满足目前操作需求；另一方面，则通过增设限位块，从而加速操作人员的试样放置效率，限位块与砧座凹口所构成的类似角状限位结构，也就能快捷的实现长方体状试样的三角定位需求，这在操作间隔以及实验结果均以秒计的实验流程中，能进一步缩短操作间隔，显然能过为实验过程的精确性带来有利影响。

5)、相应的，本发明通过上述操作装置，同时附以应用上述超低温冲击测试装置的测试方法；也即在正式进行冲断操作实验前，依靠本发明的测试方法首先获得包裹保温层的试样的温升曲线和预设的实验最低温度，并同时获得保温层本身的对于试样的影响结果，只有这样，在正式进行冲断操作时，方可保证其超低温冲断测试的准确性。

6)、鉴于试样本身的形状，其保温层相应布置呈长方体状以便于容纳试样以及于砧座上的快速放置；限位块的布置位置，则以长方体本身的长度尺寸以及试样上本身即有的位于试样中部的试样缺口所定，从而保证限位块位置放置的准确性，避免因限位块位置放置问题而出现试样放置歪斜导致的冲断实验故障现象，以最终为整个实验的快速有效和可靠进行提供稳定基础。

附图说明

图1是本发明的工作流程示意框图；

图2为制冷机低温装置结构示意图；

图3为本发明的测试装置系统示意图；

图4为脱脂棉、珍珠岩粉体以及二氧化硅气凝胶粉体的三种保温材料实验回温曲线图；

图5为冲击实验时的试样放置图。

附图中标号与各部件对应关系如下：

a-测控温仪  b-真空泵  c-氦压机  d-氦气瓶

10-制冷机低温装置  11-隔热壳体  12-辐射罩  13-制冷机

14-试样腔  141-盖体  20-砧座  21-限位块

具体实施方式

为便于理解，此处结合附图对本发明的具体测试装置及其操作流程作以下进一步描述：

实际上，本发明的制作目的，就是实现试验可控温度最低至-263℃，克服试验温度不准确及保温困难，从而提供一种超低温冲击性能测试系统及相应的测试方法。考虑到目前试验可控温度的最低值，显然越是靠近其最低值，其温度获取就更为困难，尤其是对于临近其温度最低值的超低温测试试样，一旦其过冷温度补偿值过大，而导致其预定的实验最低温度低于其试验可控温度的最低值，这显然是难以接受的；本发明依靠保温层的设置结构，以在保证其实验温度的前提下起到有效缩减乃至尽可能杜绝过冷温度补偿值的目的，最终确保其实验结果的高精确性和稳定操控性。

图4为脱脂棉、珍珠岩粉体以及孔隙率＞90％的二氧化硅气凝胶粉体的三种保温材料实验回温曲线图。

实验对象试样为标准尺寸试样，长方体结构，长度55mm，横截面为10mmx10mm的方形截面，试样长度方向的中部位置设置有V型或U型预留缺口，以便于冲断。

本发明的具体的测试装置如图3所示，通常包括测控温仪a、制冷机低温装置10、真空泵b、氦压机c、氦气瓶d；其中测控温仪a依靠测温仪温度检测数据线和测温仪温度反馈数据线实现对试样腔14内试样的温控目的，通过测量试样腔内温度，以达成控制试样温度的效果，控温精度为±100mk，测温范围2K～500K可测量范围；制冷机低温装置10实现对于试样的降温保温需求，具体结构如图2所示；真空泵b实现试样腔14内抽真空目的，以保证试样腔14内温度的高传导效率，同样，氦压机c通过制冷机13实现制冷机13冷头的温度降低效果，而氦气瓶d则通过向真空的试样腔14内通气，以达到包覆试样以及作为试样与试样腔14内壁的温度导通介质的效果。

整个装置的超低温冲击性能测试系统的正常冲断工作流程如下：

1)、将试样放入试样腔14，关闭试样腔14的盖体141并整体密封，此时开动真空泵b，试样腔14实现抽真空处理；

2)、通过氦气瓶d向试样腔14内充入高纯氦气；

3)、开启氦压机c的进、出水管，氦压机c开始工作并迅速实现制冷机13冷头冷却效果；

4)、通过测控温仪a设置试验温度；

5)、启动制冷机13装置开始降温，通过制冷机13冷头与试样腔14下部的联接结构，低温被迅速通过试样腔14和其内腔氦气而被传导至试样处；

6)、温度降至试验温度，保持温度稳定一段时间后，通过氦气瓶d再向试样腔内继续充入高纯氦气，待试样腔14内气压与外界一致时，方可打开试样腔14取出试样样品进行冲断试验。

同样的，如图1所示，本发明的正式冲断实验前，为保证其实验数据精确性，还需对整个测试装置进行预先的测试操作，具体如下：

1)、试样处理

将试样置于构成保温层的玻璃容器内，向玻璃容器与试样之间的间隙处填充保温材料并将玻璃容器整体密封。

2)、砧座20处设置限位块21

由长方体玻璃容器尺寸，计算确定试样上预留缺口所在位置，根据试样预留缺口所在位置确定砧座20上的限位块21布置位置；以保证冲击试样在试验过程中的保持对中性，具体如图5所示。

3)、试样回温测试

在试样上固定温度传感器，通过测控温仪a设定试验温度，到设定温度并稳定一段时间后，从试样腔14取出试样，于冲击实验所处环境温度下记录试样温度随时间变化。

4)、确定过冷温度补偿值

根据试样回温测试结果及正常完成冲击试验所需时间，确定该试样的过冷温度补偿值。

5)、比对试验

根据过冷温度补偿值Δt确定试验最低温度T，在此温度下对盛装保温材料的玻璃容器进行冲击试验比对，确定其对冲击性能的影响。

6)、冲击试验

试样处理后置于试样腔14内，降至试验温度T，保温一段时间后，快速取出试样进行冲断试验。

Claims (9)

1.一种超低温冲击测试装置，至少包括用作测试对象的试样、用于使试样达到指定温度的降温组件以及用于执行试样冲断操作的冲击实验组件，其特征在于：所述试样表面处包覆有保温层：

所述保温层包括外形轮廓与试样形状一致的长方体状玻璃容器，玻璃容器内壁与试样表面间存有用于容纳和铺设保温材料的间隙。

2.根据权利要求1所述的超低温冲击测试装置，其特征在于：所述保温层呈密封式的包覆试样表面设置，所述保温材料为二氧化硅气凝胶粉体。

3.根据权利要求1或2所述的超低温冲击测试装置，其特征在于：所述降温组件包括制冷机低温装置(10)，所述制冷机低温装置(10)至少包括隔热壳体(11)、容纳于隔热壳体(11)内的辐射罩(12)、用于制冷的制冷机(13)以及用于放置试样的试样腔(14)，所述制冷机(13)的冷头及试样腔(14)下部均位于辐射罩(12)内且两者间联接设置；所述试样腔(14)外形呈筒体状且其开口端顺延并伸出隔热壳体(11)设置，试样腔(14)的开口端设置有用于启闭试样腔(14)的盖体(141)，所述盖体(141)与试样腔(14)开口端形成密封配合。

4.根据权利要求3所述的超低温冲击测试装置，其特征在于：所述冲击实验组件包括用于安置试样的砧座(20)以及用于执行冲击操作的锤头部，所述砧座(20)具备有限制试样沿锤头部动作方向位移的限位约束，所述冲击实验组件还包括用于限制试样沿其长度方向动作的限位块(21)。

5.根据权利要求4所述的超低温冲击测试装置，其特征在于：所述砧座(20)为两块彼此板面平行的“L”字形板构成，两“L”字形板的凹口处同侧设置且该凹口构成限制试样沿锤头部动作方向位移的限位约束；所述限位块(21)固接于其中一块“L”字形板凹口处布置，限位块(21)构成限制试样沿其长度方向动作的单向限位约束。

6.一种应用如权利要求4所述的超低温冲击测试装置的测试方法，其特征在于具备以下步骤：

1)、于试样表面裹设保温层；

2)、将1)步骤完成后的试样于制冷机低温装置(10)内的进行预定温度的降温保温操作；

3)、进行试样回温测试；即将试样从制冷机低温装置(10)中移出并置于正常冲击实验环境下，确定该试样于正常冲击实验环境下的温度随时间变化曲线，根据其曲线以及正常完成该冲击试验所需时间，确定该试样的过冷温度补偿值；

4)、根据过冷温度补偿值追溯确定制冷机低温装置(10)中所需设定的试验最低温度；

5)、在试验最低温度下，对构成保温层的玻璃容器再进行冲击试验比对，确定其对试样冲击性能的影响；

6)、进入常规超低温冲击试验流程。

7.根据权利要求6所述的超低温冲击测试装置，其特征在于：1)步骤中，试样应先置于玻璃容器内，之后于玻璃容器与试样间的间隙处填充粉体状保温材料，再后整体密封。

8.根据权利要求6所述的超低温冲击测试装置，其特征在于：在进行玻璃容器乃至包覆保温层的试样的冲击试验之前，应根据包裹保温层后的试样尺寸，于砧座(20)上确定限位块(21)具体安装位置并安装限位块(21)。

9.根据权利要求6或8所述的超低温冲击测试装置，其特征在于：限位块(21)的布置流程为：由长方体玻璃容器尺寸，计算或目视确定试样上预留缺口所在位置，根据试样预留缺口所在位置确定砧座上的限位块(21)布置位置。