CN104142273A - 金属材料低温拉伸试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属材料低温拉伸试验装置,包括测温装置，低温箱,与低温箱相连通的低温箱制冷装置，与拉伸试验机连接的拉伸试验夹具，低温箱包括箱体、箱内工作空间和设置在箱体上的箱门，箱体由内壳、外壳、设置在内壳和外壳之间的保温层构成；拉伸试验夹具呈对称设置在箱体顶部和底部的上夹具和下夹具，上夹具和下夹具均伸入到箱内工作空间，上夹具和下夹具的轴线重合；箱体侧壁的中部设置有测温端伸入到箱内工作空间的测温装置；箱体上部设置调温剂注入口，箱体底部设置有与箱内工作空间相连通延伸到箱体外的调温剂排放管，箱体外的调温剂排放管上设置有调温剂排放管阀。本发明具有温度控制简单，温控效果好，测试结果准确、有效。

Description

金属材料低温拉伸试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及材料性能测试技术领域，具体涉及一种金属材料低温拉伸试验装置及试验方法。

背景技术

随着工业应用的发展，越来越多的设备，如船舶、桥梁、压力容器被应用到低温环境中。制成这些设备的金属材料，它们在高温环境下的力学性能和低温环境下的力学性能存在较大的差异，因此，需要对金属材料在低温状态下进行拉伸试验，也即低温拉伸试验。低温拉伸试验是指在指在规定的试验温度下对试样施加拉力，直至试样断裂，测定试样的一项或几项力学性能。低温拉伸试验是在低温箱中完成的，低温箱是指其工作空间温度为低于室温的某一特定温度的试验箱。

公知的低温拉伸试验装置是将普通拉伸试验机和低温箱组合起来使用。其包括用于测试试样力学性能的拉伸试验机，用于夹持试样的夹具，用于为试样提供低温工作环境的密封低温箱，用于实现低温箱低温的制冷装置，用于测试低温箱温度的测温装置。由于液氮降温很快，温度控制操作繁琐，温度控制操作难度大，控制低温拉伸试验装置的低温箱内工作空间的温度分布非常困难。为了有效控制低温箱工作空间的温度，需要具有较强温度控制能力的低温箱，但是这种低温箱结构复杂、操作繁琐，成本较高，而且需要对拉力试验机进行改造。

中华人民共和国国家知识产权局于2012年01月25日公开的公开号为CN102331374A的金属材料低温拉伸试验装置,CN102331374A针对已有的低温拉伸试验装置存在结构复杂、操作繁琐，成本较高的技术问题，公开了金属材料低温拉伸试验装置,其由一对夹具夹持试验试样的夹具，一个为试验试样提供密封空间的试样室，一个为试验试样冷却提供能量的制冷装置，一个监测试样室内温度的均匀性的测温装置，一个测量试验试样屈服强度的引伸装置组成。其中，制冷装置由液氮罐、导管、喷雾器组成，试样设置在试样室中，喷雾器通过导管与设置在试样室之外的液氮罐相连；试样室由外套、内套、保温层、上封盖、下封盖组成，外套、保温层、内套依次由外向内层层包裹形成桶状，所述上封盖、下封盖分别密封的盖在桶状的上端和下端。其通过试样室内放入喷雾器，盖好上封盖并密封，接好喷雾器的导管，装好千分表，打开液氮罐的开关，调控试样室的温度，当达到设定温度后，调整千分表，对拉伸机进行加载试验，通过以上液氮流量控制喷雾控制能有效简化低温拉伸试验装置的结构，但是由于液氮降温很快，将低温箱的温度维持在某一个较小的范围很难实现，试样室的温度维持在某一个较小的范围很难实现，工作空间的温度分布不均匀，严重影响到低温拉伸试验的可操作性和测试结果的准确性和有效性。

中华人民共和国国家知识产权局于2014年01月15日公开的公开号为CN203396654U的一种用于螺纹钢筋的低温拉伸试验系统,CN203396654U针对已有的低温拉伸试验装置由于温度的要求和设备相关条件的限制，很难对温度进行准确控制的技术问题，公开了一种用于螺纹钢筋的低温拉伸试验系统,该系统包括放置试样的箱体装置1、用于冷却的液氮装置系统2、控制试验温度的控温系统3和拉伸试验装置4，箱体装置1包括箱体11和设置在箱体11上端的箱盖12，箱体11包括内层111和外层113，以及设置在内层111与外层113中间的保温层112；拉伸试验装置4包括拉伸试验机和与拉伸试验机连接的连接杆41，用于加装试样的连接杆41设置在箱盖12和箱体11底部；液氮装置系统2包括液氮罐21、液氮导管22、内部液氮管23、气化网24和排液阀25，液氮罐21通过液氮导管22与内部液氮管23连接，内部液氮管23和气化网24设置在箱体11内，且连接杆41位于气化网24内侧，排液阀25设置在箱体11下部；控温系统3包括温度传感器31和温度控制调节系统32，温度传感器31连接于箱体11上，且温度传感器31的一端伸入到箱体11内部，另一端与温度控制调节系统32连接。液氮流入箱体后，通过内部液氮管23气化后，经气化网24使试样周围温度降低，经气化后试样附近温度均匀恒定，采用气雾冷却，防止液氮直接作用于试样，保证了冷却温度均匀性的要求。但由于能用于液氮气化的气化网24及内部液氮管23的制作成本较高，同时冷却温度均匀性受气化网24上气雾孔的开闭状态的影响较大，更重要的是这种螺纹钢筋的低温拉伸试验系统只能实现箱体11腔室内的温度均匀性，并不能保证拉伸试样温度的均匀性，影响到低温拉伸试验的可操作性，测试结果的准确性和有效性。

因此，需要一种温控效果好，操作简单，使用成本低，测试结果准确性高的金属材料低温拉伸试验装置及使用该装置进行金属材料低温拉伸试验的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种温控效果好的金属材料低温拉伸试验装置,从而进一步增强低温拉伸试验的可操作性，测试结果的准确性和有效性。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

金属材料低温拉伸试验装置,包括测温装置，低温箱,与低温箱相连通的低温箱制冷装置，与拉伸试验机连接的拉伸试验夹具，低温箱包括箱体、箱内工作空间和设置在箱体上的箱门，箱体由内壳、外壳、设置在内壳和外壳之间的保温层构成；拉伸试验夹具包括上夹具和下夹具，上夹具设置在箱体顶部并伸入到箱内工作空间，下夹具设置在箱体底部并伸入到箱内工作空间，上夹具和下夹具呈对称设置且轴线重合；测温装置的测温端伸入到箱内工作空间，测温装置的固定端设置在箱体侧壁的中部；箱体上部设置有用于向箱内工作空间注入调温剂的调温剂注入口，箱体底部设置有与箱内工作空间相连通的调温剂排放管，调温剂排放管延伸到箱体外，箱体外的调温剂排放管上设置有调温剂排放管阀。

作为本发明的进一步改进，金属材料低温拉伸试验装置，还包括调温剂存储器和调温剂循环利用装置，调温剂存储器与调温剂排放管相连通，调温剂循环利用装置包括调温剂注入管、调温剂抽取机、调温剂抽取管，调温剂注入管通过箱体上部与箱内工作空间相连通，调温剂注入管连接调温剂抽取机，调温剂抽取机通过调温剂抽取管与调温剂存储器相连通，调温剂抽取管伸入到调温剂存储器内的底部区域。

作为本发明的进一步改进，伸入到调温剂存储器内的调温剂抽取管上还设置有调温剂过滤装置。

作为本发明的进一步改进，测温装置为设置在箱体侧部上、中、下三段的三个热电偶。

作为本发明的进一步改进，箱门上还设置有观测窗。

作为本发明的进一步改进，低温箱制冷装置包括制冷剂注入管、制冷剂吸取装置、制冷剂存储器，制冷剂注入管通过箱体上部与箱内工作空间相连通，制冷剂注入管上还设置有制冷剂流量调节阀，制冷剂注入管连接制冷剂吸取装置，制冷剂吸取装置与制冷剂存储器相连通，制冷剂吸取装置伸入到制冷剂存储器内的底部区域。

作为本发明的进一步改进，制冷剂吸取装置上还设置有制冷剂吸取球。

作为本发明的进一步改进，金属材料低温拉伸试验装置，还包括试验架，试验架的底层空间设置有调温剂存储器，试验架的顶层空间设置有制冷剂存储器。

本发明所要解决的技术问题是还提供一种金属材料低温拉伸试验方法，从而进一步增强低温拉伸试验的可操作性，测试结果的准确性和有效性。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

金属材料低温拉伸试验方法，包括以下步骤：

步骤1、金属材料试样安装：将金属材料试样两端分别固定在拉伸试验夹具的上夹具和下夹具上；

步骤2、安装拉伸试验夹具：打开低温箱的箱门，将上夹具穿出箱体顶部固定在拉伸试验机上，下夹具穿出箱体底部固定在伸试验机上，关上箱门；

步骤3、注入调温剂：从调温剂注入口向箱内工作空间注入调温剂，当调温剂完全淹没金属材料试样后，停止注入调温剂；

步骤4、注入制冷剂：开启低温箱制冷装置，向箱内工作空间注入制冷剂，当测温装置测得的箱内工作空间温度接近金属材料试样拉伸实验温度时，降低制冷剂的注入流量，保持恒温一段时间；

步骤5、进行拉伸试验：开启拉伸试验机，进行金属材料试样拉伸试验，记录试验数据；

步骤6、回收保温剂：打开调温剂排放管阀，通过调温剂排放管将箱内工作空间的调温剂排放到调温剂回收容器中，直至箱内工作空间的调温剂完全排出。

作为本发明的进一步改进，金属材料低温拉伸试验方法所采用的调温剂为乙醇、丙酮、乙酸乙酯中的一种或者它们的组合。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的金属材料低温拉伸试验装置，由于采用密度和比热容均比空气大得多的有机溶剂代替空气作为箱内温度调节介质，有机溶剂调温剂能和制冷剂进行更多的热量交换，本发明在不需要额外温控设备的情况下就能实现保箱内工作空间温度的精确控制，本发明具有良好的温控能力，温度调节均匀平稳，温控精度高、波动小，温控效果好；由于采用包裹覆盖金属材料试样的调温剂代替空气冷却金属材料试样，金属材料试样温度和调温剂温度保持同步，调温剂对金属材料试样冷却效率高，降温快，降温均匀平稳，金属材料试样的温度波动小，温控精度高，温控效果好；由于本发明的金属材料低温拉伸试验装置本身及实施时，不需要额外增加温控装置来实现温度的辅助调节，结构简单，温控难度低，可操作性强，温控成本低，有利于提升试验效率，降低试验成本，减少试验工作量；由于能对金属材料试样温度进行精准控制，按照预定的温度进行拉伸试验，能精确测试出金属材料的多项低温性能；由于本发明的调温剂能循环利用多次，有效降低拉伸试验成本。本发明解决了现有技术存在液氮降温过快，箱内工作空间温度分布不均匀，温度波动大，温控精度差，调温装置结构复杂，操作繁琐，测试结果准确性和有效性差的技术问题，取得了能为金属材料拉伸试验提供精准的低温环境控制和精准试样温度控制的技术效果。

2、本发明的金属材料低温拉伸试验装置，由于采用自动注入调温剂的调温剂循环利用装置来实现向箱内工作空间注入调温剂，上述调温剂的回收或者注入方式，操作简单，调温剂循环利用率高，调温剂损耗小，从而进一步降低调温剂回收和注入的操作难度，提升调温剂的利用效率，降低调温剂的使用成本，提高拉伸试验的可操作性。

3、本发明的金属材料低温拉伸试验装置，由于可通过制冷剂流量调节阀来调节向箱内工作空间注入制冷剂的流量，控制温度调节过程，进一步提高本发明的温度调控能力和温度调控效率。由于通过动态测量三个优选测温点的温度，及时掌握箱内工作空间的温度动态分布，可以以测出的温度数据为依据，及时调整制冷剂的注入流量，进一步增强本发明的温度调控能力，提高测试结果的准确性和有效性。

3、本发明的金属材料低温拉伸试验装置，由于可通过制冷剂流量调节阀来调节向箱内工作空间注入制冷剂的流量，控制温度调节过程，进一步提高本发明的温度调控能力和温度调控效率。由于通过动态测量三个优选测温点的温度，及时掌握箱内工作空间的温度动态分布，可以以测出的温度数据为依据，及时调整制冷剂的注入流量，进一步增强本发明的温度调控能力，提高测试结果的准确性和有效性。

4、本发明的金属材料低温拉伸试验方法，由于本发明的金属材料低温拉伸试验方法以金属材料低温拉伸试验装置为实施硬件，因此本发明的金属材料低温拉伸试验方法可以获得为金属材料拉伸试验提供精准的低温环境控制和精准试样温度控制的技术效果，同时还提高金属材料低温拉伸试验装置的使用效率和使用质量，提高测试结果的准确性和有效性。

5、本发明的金属材料低温拉伸试验方法，由于能根据不同金属材料拉伸试验的低温温度调控需求，提供相适宜的温度调控方案，具有良好的经济性、实用性，进一步提高本发明的适用范围。

附图说明

图1为本发明的金属材料低温拉伸试验装置的剖视图。

图2为本发明的金属材料低温拉伸试验装置的前视图。

图3为本发明的金属材料低温拉伸试验方法的操作步骤流程图。

图4为CN203396654U公开的一种用于螺纹钢筋的低温拉伸试验系统的结构示意图。

图1、图2中的附图标记分别表示为：1-低温箱，2-低温箱制冷装置，3-测温装置，4-拉伸试验夹具，5-调温剂循环利用装置，6-试验架，7-金属材料试样,101-箱体，102-箱内工作空间，103-箱门，104-内壳，105-外壳，106-保温层，107-调温剂注入口，108-调温剂排放管，109-调温剂排放管阀，110-调温剂存储器，111-观测窗，112-箱门开关，201-制冷剂存储器，202-制冷剂吸取装置，203-制冷剂注入管，204-制冷剂流量调节阀，205-制冷剂吸取球，401-上夹具，402-下夹具，501-调温剂注入管，502-调温剂抽取机，503-调温剂抽取管，504-调温剂过滤装置。

图4中的附图标记分别表示为：1-箱体装置，2-液氮装置系统，3-控温系统，4-拉伸试验装置，11-箱体，111-内层，112-中间保温层，113-外层，12-箱盖，13-导管接口，14-把手，15-固定连接轴，21-液氮罐，22-液氮导管，23-内部液氮管，24-气化网，25-排液阀，31-温度传感器，32-温度控制调节系统，41-连接杆，42-固定轴，15-试验试样。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1、图2所示，本发明的金属材料低温拉伸试验装置,包括测温装置3，低温箱1,与低温箱1相连通的低温箱制冷装置2，与拉伸试验机连接的拉伸试验夹具4，低温箱1包括箱体101、箱内工作空间102和设置在箱体101上的箱门103，箱体101由内壳104、外壳105、设置在内壳104和外壳105之间的保温层106构成；拉伸试验夹具4包括上夹具401和下夹具402，上夹具401设置在箱体101顶部并伸入到箱内工作空间102，下夹具402设置在箱体101底部并伸入到箱内工作空间102，上夹具401和下夹具402呈对称设置且轴线重合；测温装置3的测温端伸入到箱内工作空间102，测温装置3的固定端设置在箱体101侧壁的中部；箱体101上部设置有用于向箱内工作空间102注入调温剂的调温剂注入口107，箱体101底部设置有与箱内工作空间102相连通的调温剂排放管108，调温剂排放管108延伸到箱体101外，箱体101外的调温剂排放管108上设置有调温剂排放管阀109。

当然，本发明的金属材料低温拉伸试验装置实施时还包括与测温装置3信号端相连接的公知的温控仪，与拉伸试验夹具4相连接的拉伸试验机，与调温剂排放管108可连通的调温剂回收容器，固定在上夹具401和下夹具402之间的金属材料试样7，设置在箱门103上的箱门开关112。

如图1所示，内壳104、保温材料制成的保温层106、外壳105依次设置构成具有保温功能的箱体101，箱体101将箱内工作空间102与箱体101外空间隔断成温度互不影响的两个区域。在箱体101上开设箱门103，箱门103上还设置有公知的箱门开关112，通过箱门开关112打开箱门103对低温箱1进行维护和修理；箱门103、箱内工作空间102、箱体101共同构成低温箱1。在箱体101顶部开设与上夹具401相适配的上夹具401安装孔，在上夹具401安装孔相对的箱体101底部开设与下夹具402相适配的下夹具402安装孔；上夹具401的拉伸试验机连接端穿过上夹具401安装孔固定在拉伸试验机上，上夹具401的金属材料试样7固定端伸入箱内工作空间102；下夹具402的拉伸试验机连接端穿过下夹具402安装孔固定在拉伸试验机上，下夹具402的金属材料试样7固定端伸入箱内工作空间102；上夹具401的金属材料试样7连接端和下夹具402的金属材料试样7连接端对应连接金属材料试样7的两个固定端，从而将金属材料试样7固定在拉伸试验机上；通过上述方式设置的上夹具401的轴线和下夹具402的轴线重合，轴线重合的上夹具401、下夹具402更能有效地将拉伸试验机的拉力按显示数据传递给金属材料试样7，确保测试数据的准确性。在箱体101的上部设置低温箱制冷装置2连接口，箱内工作空间102通过连接口与低温箱制冷装置2相连通，低温箱制冷装置2通过向箱内工作空间102注入制冷剂为箱内工作空间102提供低温环境。上述低温箱制冷装置2通常由带开关阀的制冷剂存储器201、与箱内工作空间102、制冷剂存储器201均连通的制冷剂注入管203构成，制冷剂注入管203延伸入箱内工作空间102中。为了提高箱内工作空间102降温的均匀性，第一优选方式是在伸入箱内工作空间102的制冷剂注入管203末端安装喷雾装置，第二优选方式是伸入箱内工作空间102的制冷剂注入管连接箱内工作空间102空间的制冷剂气化网。在箱体101上部，优选为箱体101顶部开设调温剂注入口107，通过调温剂注入口107向箱内工作空间102注入调温剂，箱内工作空间102的调温剂和制冷剂进行热交换，从而调节箱内工作空间102温度；在箱体101下部，优选为箱体101底部设置与箱内工作空间102相连通的调温剂排放管108，调温剂排放管108延伸到箱体101外，在箱体101外的调温剂排放管108上设置调温剂排放管阀109；当需要将箱内工作空间102内的调温剂排出时，将调温剂排放管108插入带开口的调温剂回收容器，打开调温剂排放管阀109，回收箱内工作空间102内的调温剂。在箱体101侧部，优选为箱体101侧部的中间位置开设测温装置3安装口，测温装置3的安装端通过安装口设置在箱体101上，测温装置3的测温端伸入到箱内工作空间102，优选方式是测温装置3的测温端靠近金属材料试样，测温装置3的信号端电连接设置在箱体101外的温控仪，从而通过温控仪实时了解箱内工作空间102的温度。调温剂注入口107、调温剂排放管108、调温剂排放管阀109、低温箱制冷装置2、测温装置3共同构成本发明的温度调节控制系统。

上述用于为箱内工作空间102提供低温环境的制冷剂为凝固点在零下80℃以下的低温气体或者液体，如液氮、液氦、干冰；上述用于调节箱内工作空间102的温度的调温剂为凝固点在零下20℃以下的液体有机溶剂，如凝固点温度为-84℃的乙酸乙酯，如凝固点温度为-114℃的乙醇，如凝固点温度为-160℃的异戊烷。

使用中，通过公知的箱门开关112开启箱门103，将金属材料试样7的两个固定端对应固定在上夹具401的试样连接端和下夹具402的试样连接端，通过公知的箱门开关112关闭箱门103。根据金属材料试样7的拉伸试验温度要求选择制冷剂和调温剂。如果金属材料试样7的拉伸试验温度在-80℃上，选择干冰作为制冷剂，乙酸乙酯为调温剂，如果金属材料试样7的拉伸试验温度在-80℃以下，选择液氮作为制冷剂，乙醇作为调温剂，本领域的技术人员可以根据实施要求和拉伸试验实际需要自由选择制冷剂和调温剂；关闭调温剂排放管阀109，通过调温剂注入口107向箱内工作空间102注入调温剂，箱内工作空间102的调温剂液面逐步上升包裹金属材料试样7。逐步侵入调温剂中的金属材料试样7的温度和调温剂温度保持一致；当调温剂淹没金属材料试样7后，停止注入调温剂，开启低温箱制冷装置2，向箱内工作空间102注入制冷剂。低温箱制冷装置2注入的制冷剂与箱内工作空间102的空气、调温剂均进行热交换，吸收调温剂和空气的热量，造成调温剂和空气的温度降低。由于调温剂的密度和比热容均比空气大得多，制冷剂从调温剂吸收更多的热量，箱内工作空间102的温度下降速度比单纯采用空气作为温度调节剂要均匀平稳，波动性小，显然采用有机溶剂代替空气作为温度调节剂，对箱内工作空间102的温度调节能力、温度调节调节效果、温度调节的波动性均要远远好于空气作为温度调节剂。浸没在调温剂中的金属材料试样7和调温剂进行热交换，金属材料试样7温度随着调温剂的温度下降而同步降低且保持一致，因此调温剂还起着金属材料试样7冷却剂的作用。调温剂本身的任何温度变化均会影响到金属材料试样7的温度，调温剂对金属材料试样7温度的控制能力、控制效率、控制效果、控制的均匀平稳性均优于采用空气作为金属材料试样7冷却剂温控装置，因此本发明的金属材料低温拉伸试验装置实施时，不需要采用额外的温控装参与调控箱内工作空间102或者金属材料试样7的温度，温度调控简单，可操作性强，温控成本低。通过与测温装置3相连的温控仪实时了解箱内工作空间102，随着温度的降低逐步降低制冷剂的注入流量，当温度达到金属材料试样7的拉伸试验温度时，制冷剂的注入流量仅够用于维持箱内工作空间102恒温。箱内工作空间102保持恒定一段时间后，开启拉伸试验机，进行金属材料试样7拉伸试验，记录试验数据。拉伸试验后，打开调温剂排放管阀109，通过调温剂排放管108将箱内工作空间102的调温剂排放到调温剂回收容器，以备下次使用。

以上是本发明的金属材料低温拉伸试验装置的基础实施方式。从上述实施过程可以看出，由于采用密度和比热容均比空气大得多的有机溶剂代替空气作为箱内温度调节介质，有机溶剂调温剂能和制冷剂进行更多的热量交换，显然，有机溶剂对箱内工作空间102的温度调节能力、温度调节调节效果、温度调节的波动性均要远远好于空气，其更能有效调节箱内工作空间102的温度；由于采用包裹覆盖金属材料试样7的调温剂代替空气冷却金属材料试样7，金属材料试样7温度和调温剂温度保持同步，显然，调温剂对金属材料试样7温度的控制能力、控制效率、控制效果、控制的均匀平稳性均优于空气，以及采用空气为热交换介质温控装置；由于本发明的金属材料低温拉伸试验装置实施时，不需要采用额外的温控装置参与调控箱内工作空间102或者金属材料试样7的温度，显然这样会大大降低温控难度，提高温控的可操作性，降低温控成本，同时也会降低本发明的金属材料低温拉伸试验装置的结构复杂度，降低日常维护的工作量，提升试验效率，降低试验成本；由于本发明的金属材料低温拉伸试验装置能对金属材料试样7温度进行精准控制，按照预定的温度进行拉伸试验，从而能通过低温拉伸试验精确测试出金属材料的多项低温性能；由于本发明的调温剂能循环利用多次，有效降低拉伸试验成本。综上所述，本发明的金属材料低温拉伸试验装置解决了现有技术存在液氮降温过快，箱内工作空间102温度分布不均匀，温度波动大，温控精度差，调温装置结构复杂，操作繁琐，测试结果准确性和有效性差的技术问题，取得了能为金属材料拉伸试验提供精准的低温环境控制和精准试样温度控制的技术效果。

在拉伸试验前，需要采用人工方式从调温剂注入口107向箱内工作空间102注入调温剂，在拉伸试验后，需要通过调温剂排放管108将箱内工作空间102的调温剂排放到开口的调温剂回收容器。调温剂注入口107和调温剂回收容器均为非密封结构，这样就会造成作为调温剂的有机溶剂的大量损耗；同时调温剂的回收和循环利用过程均采用人工方式，操作繁琐，工作量大，可控性差。

为了降低调温剂回收和循环利用过程中的损耗，提高调温剂的循环利用效率，降低调温剂的使用成本，提升操作的简单性和可控性，本发明在基础实施方式的基础上作进一步改进，如图1所示，本发明的金属材料低温拉伸试验装置的第一优选实施方式为，金属材料低温拉伸试验装置，还包括调温剂存储器110和调温剂循环利用装置5，调温剂存储器110与调温剂排放管108相连通，调温剂循环利用装置5包括调温剂注入管501、调温剂抽取机502、调温剂抽取管503，调温剂注入管501通过箱体101上部与箱内工作空间102相连通，调温剂注入管501连接调温剂抽取机502，调温剂抽取机502通过调温剂抽取管503与调温剂存储器110相连通，调温剂抽取管503伸入到调温剂存储器110内的底部区域。

如图1所示，在调温剂排放管108的下端设置与调温剂排放管108相连通的调温剂存储器110，用于回收箱内工作空间102内的调温剂。调温剂排放管108和调温剂存储器110的连接处采用密封连接，如焊接连接，螺纹连接加密封圈，防止由于调温剂挥发，溢出调温剂存储器110，造成损耗。在箱体101上部，优选为箱体101顶部，设置与箱内工作空间102连通的调温剂注入管501，调温剂注入管501连接调温剂抽取机502，调温剂抽取机502通常设置在低温箱1的顶部，调温剂抽取机502通过调温剂抽取管503与调温剂存储器110相连通；为了更利于温剂抽取机502的抽取调温剂，调温剂抽取管503伸入到调温剂存储器110内的底部区域。其中，调温剂注入管501、调温剂抽取管503通常采用公知的有机溶剂流通管，如塑料软管；调温剂存储器110采用公知的有机溶液容器，如塑料容器。

使用中，拉伸试验后，打开调温剂排放管阀109，通过调温剂排放管108将箱内工作空间102的调温剂排放到调温剂存储器110中。当需要向箱内工作空间102注入调温剂时，如果调温剂存储器110中的调温剂较少，可通过调温剂注入口107采用人工方式向箱内工作空间102注入调温剂，如果调温剂存储器110中的调温剂较多，可通过调温剂循环利用装置5自动向箱内工作空间102注入调温剂，当然也可以通过调温剂注入口107向箱内工作空间102注入调温剂。

以上是本发明的金属材料低温拉伸试验装置的第一优选实施方式。从上述实施过程可以看出，由于采用箱内工作空间102、调温剂排放管108、调温剂存储器110构成的密封结构来实现调温剂的回收，由于采用自动注入调温剂的调温剂循环利用装置5来实现向箱内工作空间102注入调温剂，显然，上述调温剂的回收或者注入方式，操作简单，调温剂循环利用率高，调温剂损耗小，从而进一步降低调温剂的使用成本，提高拉伸试验的可操作性。

经多次循环利用后，调温剂中存在较多质，调温剂的温度调节能力和冷却能力降低，直接影响到调温剂的温控效率和温控精度，影响到测试结果的准确性和有效性。

为了确保通过调温剂循环利用装置5注入箱内工作空间102的调温剂纯度，本发明在第一优选实施方式的基础上作进一步改进，如图1所示，本发明的金属材料低温拉伸试验装置的第二优选实施方式为，伸入到调温剂存储器110内的调温剂抽取管503上还设置有调温剂过滤装置504。

使用中，调温剂过滤装置504将调温剂中的固体颗粒杂质阻隔在调温剂存储器110中,经调温剂注入管501注入箱内工作空间102的调温剂，其所含有固体颗粒杂质较少，温度调节能力和冷却能力较好，从而进一步确保调温剂对金属材料试样7的温度调控能力，提高拉伸试验测试数据的准确性和有效性。

通过测温装置3得到的箱内工作空间102温度是进行拉伸试验和调整温度调控方案的依据，为了确保通过测温装置3得到的温度的准确性，本发明在基础实施方式，第一优选实施方式，第二优选实施方式中的任意一个实施方式的基础上作进一步改进，如图1所示，本发明的金属材料低温拉伸试验装置的第三优选实施方式为，测温装置3为设置在箱体101侧部上、中、下三段的三个热电偶。

使用中，设置在箱体101侧部上段的热电偶，用于测量箱内工作空间102上部空气的温度；设置在箱体101侧部下段的热电偶，用于测量箱内工作空间102下部调温剂的温度；设置在箱体101侧部中段的热电偶，用于测量箱内工作空间102中部与空气接触区域的调温剂温度。由于通过动态测量三个优选测温点的温度，及时掌握箱内工作空间102的温度动态分布，以测出的温度数据为依据，及时调整制冷剂的注入流量，从而进一步增强本发明的温度调控能力，确保拉伸试验温度的准确性，确保测试结果的准确性和有效性。

为了及时了解箱内工作空间102的情况，本发明在基础实施方式，第一至第三优选实施方式中的任意一个实施方式的基础上作进一步改进，如图1所示，本发明的金属材料低温拉伸试验装置的第四优选实施方式为，箱门103上还设置有观测窗111。

使用中，在调温剂注入阶段，通过观测窗111查看调温剂的注入情况，，当金属材料试样7完全淹没在调温剂中，停止注入调温剂；在制冷剂注入阶段，通过观测窗111查看制冷剂的注入情况，当制冷剂注入异常及时正制冷剂的注入流量；在拉伸试验阶段，通过观测窗111查看拉伸试验过程。由于能通过观测窗111实时查看箱内工作空间102的情况，以查看到的实际情况为依据，进行试验操作的调整，从而进一步提高异常情况的处理能力，累积试验经验。

通常，低温箱制冷装置2包括制冷剂存储器201、与箱内工作空间102、制冷剂存储器201均连通的制冷剂注入管203，与箱内工作空间102的制冷剂注入管203相连的雾化装置，通过雾化装置来控制箱内工作空间102温度下降的均匀平稳性。但由于这种低温箱制冷装置2不能合理控制制冷剂的注入量，温度调控，特别是试验温度附近的温度调控所需时间较长。

为了有效控制制冷剂的注入流量，本发明在基础实施方式，第一至第四优选实施方式中的任意一个实施方式的基础上作进一步改进，如图1所示，本发明的第五优选实施方式为，低温箱制冷装置2包括制冷剂注入管203、制冷剂吸取装置202、制冷剂存储器201，制冷剂注入管203通过箱体101上部与箱内工作空间102相连通，制冷剂注入管203上还设置有制冷剂流量调节阀204，制冷剂注入管203连接制冷剂吸取装置202，制冷剂吸取装置202与制冷剂存储器201相连通，制冷剂吸取装置202伸入到制冷剂存储器201内的底部区域。

使用中，在制冷剂注入初始阶段，需要注入大量的制冷剂以便快速降低箱内工作空间102的温度，采用将制冷剂流量调节阀204调到大流量档，向箱内工作空间102注入较多的制冷剂；随着箱内工作空间102温度降低，逐渐调小制冷剂流量调节阀204的流量档，降低制冷剂的注入流量，从而增强对箱内工作空间102温度的调控能力；当箱内工作空间102的温度达到拉伸试验温度时，将制冷剂流量调整到保持箱内工作空间102恒温所需流量。由于可通过制冷剂流量调节阀204来调节向箱内工作空间102注入制冷剂的流量，控制温度调节过程，从而进一步提高本发明的金属材料低温拉伸试验装置的温控能力。

当制冷剂存储器201中的气压不足时，制冷剂吸取装置202很难通过自动吸取的方式吸取制冷剂将其注入箱内工作空间102，为了提高制冷剂吸取装置202在气压不足情况下的制冷剂吸取能力，本发明在第五优选实施方式的基础上作进一步改进，如图1所示，本发明的金属材料低温拉伸试验装置的第六优选实施方式为，制冷剂吸取装置202上还设置有制冷剂吸取球205。

使用中，当制冷剂存储器201中的气压不足时，通过反复挤压设置在制冷剂吸取装置202上的吸取球205，将制冷剂注入箱内工作空间102。显然，本实施方式提高了制冷剂吸取装置202的制冷剂吸取能力，从而进一步提高本发明的温度调控能力。

为了便于制冷剂存储器201或者调温剂存储器110的管理，本发明在第二至第六优选实施方式中的任意一个实施方式的基础上作进一步改进，本发明的金属材料低温拉伸试验装置的第七优选实施方式为，金属材料低温拉伸试验装置，还包括试验架6，试验架6的底层空间设置有调温剂存储器110，试验架6的顶层空间设置有制冷剂存储器201。通常试验架6有两层，调温剂存储器110放置在底层空间，制冷剂存储器201放置在底层空间。试验架6可以设置移动装置，便于根据实际需要移动试验架6。显然，本实施方式进一步提高本发明的装置管理能力。

为了更好地使用本发明的金属材料低温拉伸试验装置，本发明还提供一种金属材料低温拉伸试验方法，如图3所示，包括以下步骤：

步骤1、金属材料试样安装：将金属材料试样7两端分别固定在拉伸试验夹具4的上夹具401和下夹具402上；

步骤2、安装拉伸试验夹具：打开低温箱1的箱门103，将上夹具401穿出箱体101顶部固定在拉伸试验机上，下夹具402穿出箱体101底部固定在伸试验机上，关上箱门103；

通过公知的箱门开关112开启箱门103，上夹具401的拉伸试验机连接端穿过上夹具401安装孔固定在拉伸试验机上，下夹具402的拉伸试验机连接端穿过下夹具402安装孔固定在拉伸试验机上，完成安装后，上夹具401的轴线和下夹具402的轴线重合，通过公知的箱门开关112关闭箱门103。

步骤3、注入调温剂：从调温剂注入口107向箱内工作空间102注入调温剂，当调温剂完全淹没金属材料试样7后，停止注入调温剂；

打开调温剂注入口107，采用人工的方式向通过调温剂注入口107向箱内工作空间102注入调温剂，箱内工作空间102的调温剂液面逐步上升包裹金属材料试样7，当调温剂淹没金属材料试样7后，停止注入调温剂，关闭调温剂注入口107。

步骤4、注入制冷剂：开启低温箱制冷装置2，向箱内工作空间102注入制冷剂，当测温装置3测得的箱内工作空间102温度接近金属材料试样7拉伸实验温度时，降低制冷剂的注入流量，保持恒温一段时间；

停止注入调温剂后，开启低温箱制冷装置2，向箱内工作空间102注入制冷剂，通过与测温装置3相连的温控仪实时了解箱内工作空间102，随着温度的降低逐步降低制冷剂的注入流量，当温度达到金属材料试样7的拉伸试验温度时，制冷剂的注入流量仅够用于维持箱内工作空间102恒温，保持恒温一段时间；

步骤5、进行拉伸试验：开启拉伸试验机，进行金属材料试样7拉伸试验，记录试验数据；

步骤6、回收保温剂：打开调温剂排放管阀109，通过调温剂排放管108将箱内工作空间102的调温剂排放到调温剂回收容器中，直至箱内工作空间102的调温剂完全排出。

以上是本发明的金属材料低温拉伸试验方法的基础实施方式。由于本发明的金属材料低温拉伸试验方法以金属材料低温拉伸试验装置为实施硬件，显然，本发明的金属材料低温拉伸试验方法可以为金属材料拉伸试验提供精准的低温环境控制和精准试样温度控制，提高金属材料低温拉伸试验装置的使用效率和使用质量，提高测试结果的准确性和有效性。

不同的金属材料应用的低温环境不一样，相应的低温拉伸试验温度也就有所不同，为了更好地满足不同金属材料试样7的不同低温温度调控需求，本发明的金属材料低温拉伸试验方法在基础实施方式的基础上作进一步改进，本发明的金属材料低温拉伸试验方法的第一优选实施方式为，调温剂为乙醇、丙酮、乙酸乙酯中的一种或者它们的组合。

使用中，乙醇，凝固点-114℃，毒性低，适合绝大多数金属材料试样7的低温温度调控要求；丙酮，凝固点-95℃，温度控制精度高，温度控制准确，适合低温温度调控精度要求较高的金属材料试样7；乙酸乙酯，凝固点-84℃，毒性低，使用成本低，适合对使用成本低要求较高的金属材料试样7；由于针对不同低温温度调控要求，均能提供相适宜的温度调控方案，显然，本实施方式具有良好的经济性、实用性，进一步提高本发明的适用范围。

以上是本发明的金属材料低温拉伸试验装置及试验方法的实施过程，从实施过程可以看出，本发明的实现在不需要额外温控装置的情况下，就能对箱内工作空间102的金属材料试样7温度进行精确控制，温控精度高，温控效果好；本发明还实现对调温剂的自动循环再利用，调温剂损耗小，使用成本低；本发明还实现根据不同的阶段采用不同的制冷剂注入方案；本发明还实现针对不同拉伸试验的温度需求选择合适的制冷剂和调温剂方案，从能确保能采用有针对性的温度控制方案。

Claims (10)

1.金属材料低温拉伸试验装置,包括测温装置(3)，低温箱(1),与低温箱(1)相连通的低温箱制冷装置(2)，与拉伸试验机连接的拉伸试验夹具(4)，所述低温箱(1)包括箱体(101)、箱内工作空间(102)和设置在箱体(101)上的箱门(103)，所述箱体(101)由内壳(104)、外壳(105)、设置在内壳(104)和外壳(105)之间的保温层(106)构成；所述拉伸试验夹具(4)包括上夹具(401)和下夹具(402)，所述上夹具(401)设置在箱体(101)顶部并伸入到箱内工作空间(102)，所述下夹具(402)设置在箱体(101)底部并伸入到箱内工作空间(102)，所述上夹具(401)和下夹具(402)呈对称设置且轴线重合；所述测温装置(3)的测温端伸入到箱内工作空间(102)，所述测温装置(3)的固定端设置在箱体(101)侧壁的中部；其特征在于，所述箱体(101)上部设置有用于向箱内工作空间(102)注入调温剂的调温剂注入口(107)，所述箱体(101)底部设置有与箱内工作空间(102)相连通的调温剂排放管(108)，所述调温剂排放管(108)延伸到箱体(101)外，箱体(101)外的调温剂排放管(108)上设置有调温剂排放管阀(109)。

2.根据权利要求1所述的金属材料低温拉伸试验装置，其特征在于，还包括调温剂存储器(110)和调温剂循环利用装置(5)，所述调温剂存储器(110)与调温剂排放管(108)相连通，所述调温剂循环利用装置(5)包括调温剂注入管(501)、调温剂抽取机(502)、调温剂抽取管(503)，所述调温剂注入管(501)通过箱体(101)上部与箱内工作空间(102)相连通，所述调温剂注入管(501)连接调温剂抽取机(502)，所述调温剂抽取机(502)通过调温剂抽取管(503)与调温剂存储器(110)相连通，所述调温剂抽取管(503)伸入到调温剂存储器(110)内的底部区域。

3.根据权利要求2所述的金属材料低温拉伸试验装置，其特征在于，伸入到调温剂存储器(110)内的调温剂抽取管(503)上还设置有调温剂过滤装置(504)。

4.根据权利要求1所述的金属材料低温拉伸试验装置，其特征在于，所述测温装置(3)为设置在箱体(101)侧部上、中、下三段的三个热电偶。

5.根据权利要求1至4中任意一项权利要求所述的金属材料低温拉伸试验装置，其特征在于，所述箱门(103)上还设置有观测窗(111)。

6.根据权利要求1至4中任意一项权利要求所述的金属材料低温拉伸试验装置，其特征在于，所述低温箱制冷装置(2)包括制冷剂注入管(203)、制冷剂吸取装置(202)、制冷剂存储器(201)，所述制冷剂注入管(203)通过箱体(101)上部与箱内工作空间(102)相连通，所述制冷剂注入管(203)上还设置有制冷剂流量调节阀(204)，所述制冷剂注入管(203)连接制冷剂吸取装置(202)，所述制冷剂吸取装置(202)与制冷剂存储器(201)相连通，所述制冷剂吸取装置(202)伸入到制冷剂存储器(201)内的底部区域。

7.根据权利要求7所述的金属材料低温拉伸试验装置，其特征在于，所述制冷剂吸取装置(202)上还设置有制冷剂吸取球(205)。

8.根据权利要求7所述的金属材料低温拉伸试验装置，其特征在于，还包括试验架(6)，所述试验架(6)的底层空间设置有调温剂存储器(110)，所述试验架(6)的顶层空间设置有制冷剂存储器(201)。

9.金属材料低温拉伸试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、金属材料试样安装：将金属材料试样两端分别固定在拉伸试验夹具(4)的上夹具(401)和下夹具(402)上；

步骤2、安装拉伸试验夹具：打开低温箱(1)的箱门(103)，将上夹具(401)穿出箱体(101)顶部固定在拉伸试验机上，下夹具(402)穿出箱体(101)底部固定在伸试验机上，关上箱门(103)；

步骤3、注入调温剂：从调温剂注入口(107)向箱内工作空间(102)注入调温剂，当调温剂完全淹没金属材料试样(7)后，停止注入调温剂；

步骤4、注入制冷剂：开启低温箱制冷装置(2)，向箱内工作空间(102)注入制冷剂，当测温装置(3)测得的箱内工作空间(102)温度接近金属材料试样(7)拉伸实验温度时，降低制冷剂的注入流量，保持恒温一段时间；

步骤5、进行拉伸试验：开启拉伸试验机，进行金属材料试样(7)拉伸试验，记录试验数据；

步骤6、回收保温剂：打开调温剂排放管阀(109)，通过调温剂排放管(108)将箱内工作空间(102)的调温剂排放到调温剂回收容器中，直至箱内工作空间(102)的调温剂完全排出。

10.根据权利要求9所述的金属材料低温拉伸试验方法，其特征在于，所述调温剂为乙醇、丙酮、乙酸乙酯中的一种或者它们的组合。