CN1038882A - 测应固体材料机械物理性能的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量固体材料机械物理性能的装置，其特征是炉壳体正面设有可开启的炉门，圆筒状的辐射屏和发热体的一半固定在炉门上，声导杆顶端呈Y形，换能器采用P(ZT)-S压电陶瓷材料，热电偶固定在设在炉壳体顶部的波纹管的下端，发热体内设有陶瓷坩埚，该装置还设有充、抽气管道和压力传感器及水压报警系统。在293K～2273K温度范围内可同时测量材料的弹性模量，切变模量或泊松比及熔点或热差。

Description

本发明属于一种测量装置，具体说是一种测量固体材料机械物理性能的装置。

通常在对固体材料的机械物理性能的研究中，需要一种测量装置来测量固体材料的弹性模量、切变模量、泊松比、熔点和热差。《3а-Водская    Лаборатория》1977年No1中公开了一种“测量材料弹性和导温系数的高温超声装置”，这种装置可用来测量材料的弹性模量、泊松比和导温系数，但没有测量材料熔点或热差的部件，不能用于测量材料的熔点或热差;同时该装置还存在以下缺陷：1.炉体采用中间半开式的，在安装测试样品时，需吊起上半部炉体、取掉周围的辐射屏和发热体，操作笨重、复杂;2.测试样品由两根声导管和一根热电偶构成三点式支承，仅局限用于圆片状样品，而固定样品的钨丝弹簧的压力对共振频率的影响会造成测量误差;3.换能器灵敏度低，测量时上限温度只能达到2100K，不能满足核材料从室温至2273K的测量要求;4.该装置没有通气管道和炉内气压测量装置，只能适用于在真空条件下测量，不能适用于某些材料需在通入保护性气体条件下测量。

本发明的目的是提供一种测量固体材料机械物理性能的装置，既可单独测量固体材料的弹性模量、切变模量、泊松比、熔点或热差，又能同时测量这些机械和物理性能。而且操作轻便、简单、用途广泛、测量精度高、安全可靠。

本发明是这样实现的：测量固体材料机械物理性能的装置包括炉壳体、炉内的热电偶、声导杆、连接在声导杆下端的换能器、发热体、辐射屏、与炉壳体连通的进、出水管。炉壳体采用前开门式的，炉壳体的正面设有与炉壳体连接可开启的炉门;辐射屏至少有两层，每层辐射屏由两个形状相同的半圆管和上、下圆片组成，其中一个半圆管固定在炉门上，另一个半圆管固定在炉壳体的内壁，上、下圆片分别固定在炉壳体内壁上，位于辐射屏内的发热体呈圆筒状，由两个形状相同、用钨片制成的半圆管对合而成，对合处留有间隙，其中一个半圆管发热体与炉门和辐射屏的一个半圆管固定连接，并与炉门上的一组电极相连，另一半圆管发热体与另一个辐射屏半圆管固定连接，并与炉门上的另一组电极相连;两根声导杆的顶端呈Y形，构成试样的四点支承方式;换能器采用P（ZT）-S压电陶瓷制成的;发热体内设有陶瓷坩埚，陶瓷坩埚通过其底部的支承杆支承在辐射屏内层的下圆片上，炉壳体的顶部设波纹管，热电偶固定在波纹管的下端。

本发明所提供的装置中发热体内增设了测量固体材料熔点或热差的部件～陶瓷坩埚，所以，本装置不但可以用来测量固体材料的弹性模量、切变模量、泊松比，而且可以用来测量固体材料的熔点、热差。实现在同一台装置上，在一次升温过程中同时测量固体材料的机械性能和物理性能。同时，在本发明所提供的测量装置中，采用前开门式，而且辐射屏和发热体的一半固定在炉门上，拉开炉门就带出一半辐射屏和发热体，即可安放试样，操作轻便、简单;试样由声导杆顶端四点支承，增加试样支承的稳定性，除了可用于测量圆片试样外，还可以用于测量矩形板试样;取消了固定试样的钨丝弹簧，消除了弹簧压力对共振频步的影响，提高了测量的精度;采用P（ZT）-3压电陶瓷材料制成的换能器，提高了测量温度的上限。

本发明具有下列附图：

图1是测量固体材料机械物理性能的装置示意图;

图2是本发明装置的测量固体材料热差的构件示意图;

图3是本发明装置的测量固体材料熔点的构件示意图;

图4是本发明装置的水压报警系统示意图;

图5是利用本发明装置测量纯铝熔点的曲线图;（图中τ为时间，t为温度）

图6是利用本发明装置测量铜的熔点的曲线图;（图中τ为时间，t为温度）

图7是利用本发明装置测量钢的热差的曲线图;（图中τ为时间，△t为热差）

图8是利用本发明装置测量锆-4弹性模量的曲线图;（图中T（K）为温度，E（GPa）为弹性模量）

图9是利用本发明装置测量金属铀弹性模量的曲线图;（图中T（K）为温度，E（GPa）为弹性模量）

图10是利用本发明装置测量金属铀泊松比的曲线图;（图中T（K）为温度，μ为泊松比）

图11是利用本发明装置测量二氧化铀弹性模量的曲线图。（图中T（K）为温度，E为弹性模量）

现结合附图和具体实施例对本发明作详细描述：

测量固定材料机械物理性能的装置由炉壳体19、炉内的热电偶9和10、声导杆1和2、连接在声导杆1和2下端的换能器17和18、发热体4、辐射屏5、与炉壳体19连通的进水管22、24和26、出水管21、23和25构成，炉壳体19采用前开门式的，炉壳体19的正面设有与其连接的炉门3;设四层辐射屏5，每层辐射屏5由两个形状相同的半圆管和上、下圆片组成，其中一个半圆管固定在炉门3上，另一个半圆管固定在炉壳体19的内壁上，上、下圆片分别固定在炉壳体19的内壁上，最内层辐射屏由钨片制成，其余三层由钼片制成;位于辐射屏5内的发热体4呈圆筒状，由两个形状相同、用钨片制成的半圆管对合而成，对合处留有间隙，以增大电阻，有利于升温，其中一个半圆管发热体4与炉门3和辐射屏5的一个半圆管固定连接，并与炉门3上的一组电极27相连，另一个半圆管发热体4与辐射屏5的另一个半圆管连接，并与炉门3上的另一组电极27相连;两根声导杆1和2的顶端呈Y形，构成试样的四点支承方式，以提高试样15支承的稳定性，可用于测量圆片状或矩形板试样;换能器17和18采用P（ZT）-s压电陶瓷制成的，以提高测量温度的上限;发热体4内部设有陶瓷坩埚13，陶瓷坩埚13通过其底部的两根支承杆12支承在最内层辐射屏的下圆片11上，两根支承杆12所在平面与两根声导杆1和2所在平面互相垂直，便于安装陶瓷坩埚13;炉壳体19的顶部设有波纹管8，热电偶9和10固定在波纹管8的下端;在本实施例中，炉门3上设有一根带阀门20的通气管6，炉壳体19的侧面设有与炉壳体19内腔相通的抽气管16，炉壳体19顶部设有测量炉内气压的压力传感器7，关闭阀门20，由抽气管16将炉内空气抽出，使装置在真空条件下测量，真空度达3×10^-3Pa。关闭抽气管16，由通气管 6可送入保护性气体，使装置在充有保护性气体条件下测量，满足某些材料的特殊测量要求。为了防止突然停水，在高温下烧坏装置，在炉壳体19的背部设有由总进水管32、水槽33、连接管34、水压表35、报警器36与进水管22、24和26组成的水压报警系统，总进水管32一端经水槽33与进水管22、24、26连通，总进水管32经连接管34与水压表35旁通，报警器36与水压表35相连。冷却水由总进水管32流入水槽33，再由进水管22、24和26分别流入炉门3、炉壳体19下部用螺栓连接的圆柱腔，以及炉壳体19的内外层中间，当冷却水在总进水管32中的压力小于0.1公斤/厘米或停水时，就自动接通水压表35与报警器36的电路，由报警器36发出报警信号。

利用本发明所提供的装置和与装置连接的公知测量仪表，可以单独测量固体材料，如锆-4、金属铀、二氧化铀的机械性能～弹性模量、切变模量、泊松比，（见图8至图11所示），也可以单独测量固体材料物理性能，如钢的热差（见图7所示），纯铝、铜的熔点（见图5，图6所示）。

同时，还可以在一次升温过程中同时测量一种材料的机械性能如弹性模量、切变模量或泊松比和另一种材料的物理性能，如熔点或热差。

测量固体材料弹性模量和熔点时，将两个试样15分别置于声导杆17、18的顶端和陶瓷坩埚13内，热电偶9测量发热体4芯部的温度，热电偶10测量熔点温度，将电讯号通过换能器17（或18），变成振动讯号，经接受振动讯号的声导杆1（或2）传递给其顶端的试样15，当试样15产生共振时，其共振频率由另一根声导杆2（或1）传给换能器18（或17）转换成电讯号输入测量仪表，测出试样15的共振频率利用下列公式，即可算出弹性模量。

E＝ρd²f²/K²

式中，ρ是试样15的密度;d是试样15的直径，f是试样的共振频率，K是相应参数。

继续升温时，炉内温度达到陶瓷坩埚13里的试样熔化温度时，利用波纹管8将热电偶10提出熔化材料的液面，以免降温后热电偶10被凝固在试样15中，利用热电偶10和与装置相连的测量仪表可以测出该试样15的熔点。

同样可以测量固体材料的切变模量、泊松比及熔点或热差。当测量固体材料热差时，将热电偶10换成示差热电偶28，在陶瓷坩埚13中装入标准样品29和测试样品30，它们中间用一绝缘片31隔开，在升温过程中，利用示差热电偶28和与装置相连的测量仪表即可测出测试样品30和标准样品29的热差。

本发明所提供的测量装置，测量温度范围为293K至2273K，对于直径为20mm、厚为1～4mm的圆片试样，测量误差对于弹性模量≤2%，泊松比≤3%，熔点≤2℃，热差≤±2℃，对于长为24～26mm，宽为3.2～6mm的矩形靶试样，测量弹性模量误差≤1.5%。

Claims (2)

1、一种测量固体材料机械物理性能的装置包括炉壳体19、炉内的热电偶9、10或28，声导杆1和2、连接在声导杆1和2下端的换能器17和18、发热体4、辐射屏5以及与炉壳体19连通的进水管22、24、26、出水管21、23和25，其特征在于炉壳体19的正面设有与其连接可开启的炉门3、辐射屏5至少设两层，每层辐射屏5由两个形状相同的半圆管和上、下圆片组成，其中一个半圆管固定在炉门3上，另一个半圆管和上、下圆片分别固定在炉壳体19内壁上，位于辐射屏5内的发热体呈圆筒状，由两个形状相同，用钨片材料制成的半圆管对合而成，对合处留有间隙，其中一个半圆管发热体4与辐射屏5的一个半圆管和炉门3固定连接，并与炉门3上的一组电极27相连，另一个半圆管发热体4与另一个辐射屏5半圆管固定连接，并与炉门3上的另一组电极27相连，两根声导杆1和2的顶端呈Y形，构成试样的四点支承方式，换能器17和18采用P(ZT)-S压电陶瓷材料制成，发热体4内设有陶瓷坩埚13，陶瓷坩埚13通过其底部的支承杆12支承在辐射屏5内层的下圆片11上，炉壳体19的顶部设有波纹管8，热电偶9、10或28固定在波纹管8的下端。

2、根据权利要求1所说的测量固体材料机械物理性能的装置，其特征在于炉门3上设有一根带阀门20的通气管6，炉壳体19的侧面设有与炉壳体19内腔相通的抽气管16，炉壳体19顶部设有压力传感器7，在炉壳体19背部设有由总进水管32、水槽33、连接管34、水压表35、报警器36与进水管22、24、26组成的水压报警系统，总进水管32一端经水槽33与进水管22、24、26连通，总进水管32经连接管34与水压表35旁通，报警器36与水压表35相连。

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