CN104596863B - 多功能一体化结构的金属材料拉伸实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多功能一体化的金属材料高温拉伸实验系统，是在常规金属材料拉伸实验系统基础上增设一套气氛、加热和真空一体化的装置，从而满足金属材料不同环境条件下的高温拉伸力学性能测试。主要包括惰性气氛保护、多组分气氛环境和真空环境下的金属材料高温拉伸力学性能测试。试件温度的测量采用热电偶丝，其与试件的连接采用点焊方式，引申计置于一体化装置中，可以准确测量金属材料在高温或气氛环境下的弹性模量、拉伸强度等参数，满足特殊材料高温或不同环境气氛下拉伸力学性能的测试要求。

Description

多功能一体化结构的金属材料拉伸实验系统

技术领域

本发明属于材料高温力学性能研究领域，具体涉及一种多功能一体化结构金属材料拉伸实验系统。

背景技术

利用材料试验机进行材料高温力学性能研究一般是在材料试验上加装一高温炉，试样置于高温炉内并通过试样延长杆与试验机两端的夹头相连，当温度满足试验要求时进行拉伸试验，利用高温引伸计测量变形，可以计算获得材料的弹性模量等参数。为了获得更高温度下金属材料的拉伸性能，一般采用真空环境下的高温拉伸试验，将试样与延长杆相连并将延长杆部分的一置于真空箱中，另一部分与材料试验机的夹头连接，当温度满足试验要求时进行拉伸试验，利用试验机横粱测量变形，不能获得弹性模量的准确参数，其他材料参数需要进行修正。

部分材料的高温实验对实验环境具有特定的要求，如大多数金属在空气中进行高温实验都将产生较严重的氧化，氧化后的材料性能与原始材料具有较大的差别，而某些材料在高温下氧化甚至会产生有毒气体，对实验人员和环境造成较大伤害，因此这类实验对气氛保护具有明确需求。还有部分研究工作，需要测量材料在特殊气氛甚至混合气氛下的高温力学性能，以满足特定工程需求。但目前的金属材料高温拉伸实验系统不能提供符合特定要求的实验环境，相关的实验环境提供装置未见报道。

发明内容

为了克服已有技术中金属材料高温拉伸实验时不能提供符合特定要求的实验环境，导致实验材料发生高温氧化甚至释放有毒气体的不足或多组份气体环境下金属材料高温拉伸试验的要求，本发明提供了多功能一体化结构的金属材料拉伸实验系统。该实验系统不仅能够方便地进行常规空气中的高温拉伸实验，也能提供特定实验保护气氛或多组份气体环境下的金属材料拉伸试验，满足特殊材料对实验环境气氛的要求，也能进行真空环境下金属材料弹性模量的测试，其材料性能参数不需进行修正。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在常规材料实验系统基础上增设一套气氛保护或真空保护与加热一体化结构装置，整个系统由加载系统、加热系统、气氛保护（配气）或真空保护一体化装置组成。气氛保护或真空保护与加热一体化结构装置包括与之相连接的二级抽真空系统和保护气氛或多组分配气氛气系统、保护气体（含混合气氛）进气管路系统、废气排放口及管路、废气过滤装置、冷却液体进口及管路系统、冷却液体出口及管路系统、试验机拉伸夹头无摩擦密封结构、电缆穿墙密封结构、引伸计释放密封结构、观察窗密封结构、强制冷却结构、密封箱内的照明灯、引伸计X轴和Y轴方向调节及外部释放机构。加热系统包括三段式独立控制加热炉、监测炉膛温度的铠装热电偶、测量试件温度的热电偶丝，加热炉电源与加热控制系统的输出端相连。

本发明将整个加热炉、试件、引伸计、试样延长杆及试验机拉伸夹头置于气氛保护或真空保护与加热一体化结构装置中，所述的装置包括气氛保护或真空保护与加热一体化结构的防护箱，防护箱由金属板焊接组成半圆柱形结构，箱体前面为可拆卸的门及观察窗。箱门和箱体的连接可采用螺栓连接方式，也可采用合页扣等其他连接方式，箱门和箱体之间用耐高温橡胶垫隔开。加热炉与箱体采用局部焊接支撑方式联成一体，箱体采用独立支撑方式置于试样机机架内，试验机夹头与箱体采用无摩擦密封结构相连；加热炉与试样延长杆之间采用半密封方式进行局部密封，加热炉局部位置进行减薄和开槽设计，用于安装高温引伸计。

本发明在一体化装置箱体的底部设置一个进气口，顶部设置一个废气排放口。废气排放口与管道相连，将废气导引到安全区域，进入过滤装置进行过滤和吸收。真空保护箱内的保护气体减少了试件在高温时与氧气发生反应的可能性，同时即使有少量残留的氧气与试件接触，反应产生有毒气体，也可从废气排放口排出。

本发明在一体化装置箱体上下分别设置有多路冷却水进出口，用于冷却试验机夹头、引伸计以及向一体化装置箱内的强制冷却管路通入冷却水。

本发明在一体化装置箱体内安装测量拉伸变形的引伸计，用于测量材料在高温或气氛环境下的拉伸变形。引伸计的冷却水软管设计有加强保护套，并采用独立的支撑结构和特殊的安装方式，引伸计可以在支撑结构上进行上下和前后自由调节。

本发明在一体化装置箱体上设计有穿墙电缆密封结构，所有进出箱内的电缆均设有穿墙电缆密封结构。

本发明在一体化装置箱体上设计有引伸计手动释放机构，保证拉伸试验在接近引伸计量程时，释放引伸计。

本发明在一体化装置箱体的内加热炉上下各设计有半密封结构，半密封块为泡沫石棉或耐火砖。

在加热炉内设置两套测温热电偶，其中一套为热电偶丝，采用点焊的方式焊接在试件周边，用于测定试件的瞬时温度，并作为加温系统控制系统的输入温度，以准确控制加热过程和试件温度。另一套为三支铠装热电偶，置于炉膛的上、中、下位置，一方面与第一套进行对比监测和监测炉膛温度的均匀性，另一方面，当实验完成、热电偶丝与试件的焊接断裂后，继续对炉膛降温过程进行监测。

采用气氛保护实验时，由于实验过程中只有单一的惰性气体，可以通过增加气氛的流量将一体化装置箱体内氧气排空，或先抽真空，再通入惰性气体的方法对试样进行保护。当箱内的氧气排空后，再通入惰性气体，打开冷却系统和加热系统，加热到指定温度后，进行拉伸试验。试验机夹头与一体化装置之间采用无摩擦密封结构连接。

采用真空高温拉伸实验时，可以关闭所有的气体进出口阀门，直接抽真空。当真空度达到试验要求时，打开冷却系统和加热系统，加热到指定温度后，进行拉伸试验。

采用多组分气氛环境拉伸实验时，可以关闭真空系统。采用多路气体配气方式向一体化装置箱体内进行充气。当混合气氛达到试验要求时，打开冷却系统和加热系统，加热到指定温度后，进行拉伸试验。

本发明的冷却水进出口、气体进出口采用焊接方式连接，在外部采用阀门密封。

本发明的有益效果是，使用该实验系统不仅能够方便地进行常规空气中的高温拉伸实验，也能提供特定实验保护气氛，满足特殊材料对实验环境气氛的要求，降低和避免试件的氧化以及释放有毒气体，使实验结果更符合真实情况，也减少对实验人员和环境的伤害。也可以进行真空环境或多组分气体环境下高温试验。

附图说明

图1为本发明的多功能一体化结构金属材料拉伸实验系统示意图；

图2为本发明的无摩擦密封装置示意图；

图3为本发明的高温炉半密封装置示意图；

图4为本发明的电缆或信号线密封装置示意图；

图5为本发明的引伸计释放机构示意图；

图6为本发明的引伸计冷却水管增强保护示意图；

图7为本发明的强制冷却装置示意图；

图8为本发明的引伸计位置调节装置示意图。

图中：1、18.试验机上、下夹头（这里假定上夹头为拉伸方向，下夹头固定） 2、19.试验机夹头无摩擦密封装置 3、17. 试验机夹头冷却水进水管及出口 4. 引伸计冷却水进水管 5.引伸计信号线及电缆穿墙密封装置 6.气氛保护或真空保护与加热一体化结构的防护箱 7、26.试样上、下延 长杆 8.加热炉 9.试件 10.引伸计释放装置 11.引伸计位置调节装置 12.高温引伸计及测量杆 13.废气排放管道 14.废气过滤与吸收装置 15.引伸计冷却水排放管及出口 16.电缆线（与34相连） 20、30. 试验机夹头冷却水排水管及出口21.抽真空接口及管道（与31联接） 22.试样测温及控温热电偶（与34相连） 23. 灯 24. 强制冷却水蛇形管 25.观察窗 27. 高温炉半密封装置 28. 三段测温铠装热电偶（与34相连） 29.保护气氛（或混合气氛）进气管道（与32相连） 31.二级抽真空系统及阀门 32.含阀门、流量计和配气室的气源及配气系统 33. 含阀门、流量计的冷却水供应系统 34. 含测温和三路控温加热控制系统 2A.2D.软密封定位环 2B、2E.软密封结构(可采用波纹管或其他结构) 2C、2F. 软密封连接环 5A.高温密封垫 5B.电缆或信号线 5C.压紧螺栓 10A.可伸缩移动机构 10B.手柄 10C.弹簧 4A.引伸计冷却水管 4B.引伸计冷却水管保护套 11A.引伸计定位块 11B 引伸计前后位置导向槽 11C.引伸计上下位置导向槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

本实例需采用图1中的加载和测量系统、加热控制系统和真空系统。在真空环境下对试件进行加热，在达到试验要求温度时进行拉伸试验。加载系统包括试验机上夹头18、下夹头1及连接试样的上延长杆26、下延长杆7、上夹头的冷却水进、出口水管17和20、下夹头的冷却水进、出口水管3和30、引伸计12、引伸计位置调节装置11A、11B和11C、引伸计冷却水管4A、4B和出水管15、引伸计释放装置10A、10B和10C。加热系统包括加热炉8、高温炉半密封装置27、监测炉膛温度的铠装热电偶28、测量试件温度的热电偶丝22，加热炉电源16与加热控制系统34的输出端相连。真空系统包括气氛保护或真空保护与加热一体化结构的防护箱6、试验机夹头无摩擦密封装置2A～2F和19、一体化装置箱体内强制冷却装置24与箱体外的冷却水供应系统33相连，引伸计冷却水进水管4和出水管15与引伸计安装板11相连，其中4还与冷却水供应系统33相连；引伸计释放装置10与引伸计12相连、引伸计信号线通过穿墙密封结构5A～5C与材料试验机数据采集系统相连、抽真空出口及管路21与二级抽真空装置及阀门31连接。

本实施例将整个加热炉8、试件9、引伸计12、试样延长杆7和26及试验机夹下头1、上夹头18的一部分置于气氛保护或真空保护与加热一体化结构的防护箱6中，箱体前门可拆卸。前门和气氛保护或真空保护与加热一体化结构的防护箱6采用合页连接，两者之间耐高温真空橡胶垫隔开。加热炉8与气氛保护或真空保护与加热一体化结构的防护箱6底板通过可调节高度的螺栓接成一体，气氛保护或真空保护与加热一体化结构的防护箱6通过专用支架安装在试验机机架上。

将上述各部分连接和组装完成后，打开照明灯23，通过观察窗25确认引伸计12是否满足试验要求，若慢足可进入下一步操作，若不满足，需要在11B和11C方向上重新调整引伸计的位置。然后关闭气氛供应系统32与进气管路29的阀门以及废气排放管路13的阀门、强制冷却装置24的阀门；开启抽真空管路21的阀门，启动二级抽真空系统31，同时通过34设定试验温度。当真空度满足试验要求时，启动加热控制系统34，同时开启冷却水管3、4和17的阀门，对试验机上、下夹头和引伸计进行冷却。当温度达到设定温度时，按要求进行保温然后再进行拉伸，当拉伸位移接近引伸计的最大变形量时，通过10释放引伸计，改为试验机横梁测量试件的位移。试件拉断或拉伸至规定变形时，关闭加热系统34，开启动强制冷却装置24的阀门，当温度降到室温时，关闭真空系统31和冷却水供应系统33，打开一体化装置箱体前门，取出试件9，准备下一发试验。

实施例2

本实例需采用图1中的加载和测量系统、加热控制系统、真空系统和气氛保护系统。其中加载和测量系统、加热控制系统、真空系统同实施例1。气氛保护系统由排气管路13与废气过滤与吸收装置14相连，惰性气体进气管道30与气源及配气系统（含阀门、流量计和配气室）32相连。

完成上述各部分连接和组装完成后，打开照明灯23，通过观察窗确认引伸计12是否满足试验要求，若慢足可进入下一步操作，若不满足，需要重新在11B和11C方向调整引伸计的位置。然后关闭含阀门、流量计和配气室的气源及配气系统32与进气管路29的阀门以及废气排放管路13的阀门、强制冷却装置24的阀门；开启抽真空管路21的阀门，启动二级抽真空系统31，当真空度满足试验要求时，关闭真空管路21的阀门，启动含阀门、流量计和配气室的气源及配气系统32，开启其中一组阀门通过进气管路30向加热炉8内充入保护气体，通过流量计确定保护气体充满气氛保护或真空保护与加热一体化结构的防护箱6后，开启排气管路13的阀门，使多余的其体通过13进入废气过滤与吸收装置14，并调节气源及配气系统的阀门，观察流量计的流量，保证废气过滤与吸收装置14有较慢的气泡溢出即可，以后的过程一直保持这一状态；同时通过34设定试验温度。启动加热控制系统34，同时开启冷却水管3、4和17的阀门，对试验机上、下夹头和引伸计进行冷却。当温度达到设定温度时，按要求进行保温然后再进行拉伸，当拉伸位移接近引伸计的最大变形量时，通过10释放引伸计，改为试验机横梁测量试件的位移。试件拉断或拉伸至规定变形时，关闭加热系统34，开启动强制冷却装置24的阀门，当温度降到室温时，关闭冷却水供应系统31和气源及配气系统32，打开气氛保护或真空保护与加热一体化结构的防护箱6的前门，取出试件9，准备下一发试验。

实施例3

本实例需采用图1中的加载和测量系统、加热控制系统、真空系统和气氛保护系统。启动含阀门、流量计和配气室的气源及配气系统32时，需要根据试验环境要求，开启其中一组阀门或其他四组阀门，通过调节流量，先将各组份气体充入配气系统的配气室，并保持各组气体流量恒定，然后打开进气管路30的阀门向加温炉8内充入混合气体。其他操作与实施例2相同。

Claims (7)

1.一种多功能一体化结构金属材料拉伸实验系统，其特征在于：包括加载系统、加热系统、真空系统和气氛环境系统，以及一套气氛保护或真空保护与加热一体化结构装置；所述的装置包括气氛保护或真空保护与加热一体化结构的防护箱（6）、保护气体进气口管路（29）、废气排放管路（13）、废气过滤装置（14）、强制冷却装置（24）、无摩擦密封装置（2、19）、穿墙电缆密封装置（5）、引伸计脱落装置（10）；加热系统包括三段式加热炉（8）、测量和控制炉膛温度的铠装热电偶（28）、测量试件温度的热电偶丝（22）与加热控制系统（34）的输出端相连；真空系统包括与气氛保护或真空保护与加热一体化结构装置相连的管路（21）和二级抽真空装置（31）；单组份或多组份配气系统包括进气管路（29）与带流量控制的单一或多组份控制装置（32）相连；冷却系统包括对试验机上下夹头的冷却管路（3，17、20、30）、引伸计冷却保护管路（4、15）与带流量控制的冷却控系统（33）相连；

在气氛保护或真空保护与加热一体化结构装置中设置一组加快保护装置冷却速度的环型冷凝管和相应的冷却水进出口及相应的管路系统；在真空环境试件对金属材料进行高温拉伸试验时，气氛保护或真空保护装置一体化装置与试验机拉伸夹头采用无摩擦密封；在密闭环境中进行金属材料高温拉伸试验时，在气氛保护或真空保护与加热一体化结构装置中，设置了环形回路的强制冷却水进出管路系统。

2.根据权利要求1所述的多功能一体化结构金属材料拉伸实验系统，其特征在于：三段式加热炉（8）、试件和引伸计置于气氛保护或真空保护与加热一体化结构装置中。

3.根据权利要求1所述的多功能一体化结构金属材料拉伸实验系统，其特征在于：试件温度的测量采用热电偶丝，其与试件的连接采用点焊方式。

4.根据权利要求1所述的多功能一体化结构金属材料拉伸实验系统，其特征在于：通过外部控制装置将单一的保护气体通过进气口按设定的流量进入保护箱内。

5.根据权利要求2所述的多功能一体化结构金属材料拉伸实验系统，其特征在于：在密闭环境中进行金属材料高温拉伸试验时，采用引伸计直接测量拉伸试样的变形量。

6.根据权利要求1或2所述的多功能一体化结构金属材料拉伸实验系统，其特征在于：在密闭环境中进行金属材料高温拉伸试验时，引伸计用冷却水的橡胶软管进行表面增加处理。

7.根据权利要求4所述的多功能一体化结构金属材料拉伸实验系统，其特征在于：外部控制装置通过外部控制可将不同组份的气体按流量通过进气口进入保护箱内，满足不同气氛环境金属材料的高温力学性能测试的要求。