CN104865137A - 测试导体材料高温环境下单轴拉伸力学性能的试验装置 - Google Patents
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Abstract
测试导体材料高温环境下单轴拉伸力学性能的试验装置，本发明属于材料力学性能测试的技术领域。它的感应线圈为铜管绕制而成；上绝缘拉力杆通过上绝缘垫片与上夹具的上端面连接；下绝缘拉力杆通过下绝缘垫片与下夹具的下端面连接；当被检测试件的上端卡夹在上夹具的下端上，被检测试件的下端卡夹在下夹具的上端上时，感应线圈间隙套在被检测试件外测，感应线圈的两端分别与感应加热系统控制器的两个高频驱动输出端连接；测温探头的侧温端远距离对被检测试件的温度进行检测，测温探头的温度信号输出端与测温控制器的温度信号输入端连接。本发明使用感应加热，感应线圈体积小，制作简单，通过螺栓与加热系统控制器相连，便于拆卸，升温较快。
Description
技术领域
本发明属于材料力学性能测试的技术领域。
背景技术
目前，在常温环境下，材料单轴拉伸的试验装置和试验方案已经相当成熟，对于金属材料，已经形成统一的国标《金属材料 室温拉伸试验方法》（国标号：GB/T 228-2002）；但在一些特殊的环境下，例如火箭发动机，高超声速飞行器表面，结构在这种环境下，往往经受长时间高温环境的考验。在这种环境下，材料的力学性能对结构的寿命和可靠性有着关键的作用。材料在高温环境下的单轴拉伸试验是表征材料高温力学性能的重要手段。因此，研究和设计试验装置测试材料高温环境下的力学性能对研究材料高温力学性能是必不可少的。
在专利《一种金属管材整体高温拉伸检测方法及其专用夹具》（专利公布号：CN103630447A）中，采用专用管材夹具夹持整体管材试验件，并通过连接杆将试验件装夹在试验机上，经加热和保温后，实施高温拉伸测试。这种夹具测试试样的温度低于金属的熔点，并不能测试耐高温材料（例如，陶瓷）在高于金属熔点以上温度的力学性能；并且这种夹具采用挤压夹持，容易对脆性材料造成损伤，影响后续的测试。
陈栋，郑承平提出了一种万能试验机的改造方案（万能试验机高温拉伸装置的改造升级[J].理化检验-物理分册，2010，46：650-652），在其论文中，加热装置采用对开式电阻加热炉进行辐射加热，通过控制加热装置的发热功率，实现温度的控制，这种加热方式的优点是加热炉内温度梯度较小。但是存在以下不足，采用辐射加热的方式加热试样，试验前升温和试验后降温较慢，特别对于温度高于1000度时，在测试试样较多时，效率比较低；在加热试样的同时，发热电阻首先要升到较高的温度，长时间的使用，容易照成加热电阻的老化，对温度的调节不够精准，反应不够灵敏；仪器控温是通过测试炉内环境温度实现反馈，并没有直接通过测试试样的温度，而试样温度和炉内环境的温度有偏差，这样导致对环境参数调节的不准确，存在试样误差。
徐永国也提出了一种测试金属管的高温拉伸试验方法（金属管高温拉伸试验方法的研究[J].上海钢研，1998,4:24-27），在这篇论文中，同样采用加热炉的辐射加热，优点和不足同上。
发明内容
本发明的目的是提供一种测试导体材料高温环境下单轴拉伸力学性能的试验装置，是为了解决现有高温金属材料单轴拉伸的试验装置所带来的温度测量不准确及加热温度低和加热速度太慢的问题。
所述的目的是通过以下方案实现的：所述的一种测试导体材料高温环境下单轴拉伸力学性能的试验装置，它包括上绝缘拉力杆1、上定位销2、上绝缘垫片3、上夹具4、测温控制器5、下绝缘拉力杆6、下定位销7、下绝缘垫片8、下夹具9、测温探头10、感应线圈11、感应加热系统控制器12；
所述上夹具4为内部设置有循环水冷却水道的夹具，并在其上设置有冷却水进口4-1和冷却水出口4-2；下夹具9为内部设置有循环水冷却水道的夹具，并在其上设置有冷却水进口9-1和冷却水出口9-2；感应线圈11为铜管绕制而成，并在其管内设置有冷却水；上绝缘拉力杆1通过上绝缘垫片3与上夹具4的上端面连接；下绝缘拉力杆6通过下绝缘垫片8与下夹具9的下端面连接；当被检测试件13的上端卡夹在上夹具4的下端上，被检测试件13的下端卡夹在下夹具9的上端上时，感应线圈11间隙套在被检测试件13外测，感应线圈11的轴心线与被检测试件13的轴心线重合；上绝缘拉力杆1的轴心线与上绝缘垫片3的轴心线、上夹具4的轴心线、下绝缘拉力杆6的轴心线、下绝缘垫片8的轴心线、下夹具9的轴心线互相重合；上定位销2插在上绝缘拉力杆1上的定位销孔内，用于将上绝缘拉力杆1与拉伸机的上加力杆相连；下定位销7插在下绝缘拉力杆6上的定位销孔内，用于将下绝缘拉力杆6与拉伸机的下加力杆相连；感应线圈11的两端分别与感应加热系统控制器12的两个高频驱动输出端连接；测温探头10的侧温端远距离对被检测试件13的温度进行检测，测温探头10的温度信号输出端与测温控制器5的温度信号输入端连接。
本发明使用感应加热，感应线圈体积小，制作简单，通过螺栓与加热系统控制器相连，便于拆卸，且反应灵敏，升温较快，便于对温度的控制；在测温上，改进了传统的热电偶测温，使用非接触式测温系统，基于辐射测温原理，对试样的温度实时监测，测量准确，没有加热试样产生的电磁干扰，且不会影响到试样的测试环境。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1所示，它包括上绝缘拉力杆1、上定位销2、上绝缘垫片3、上夹具4、测温控制器5、下绝缘拉力杆6、下定位销7、下绝缘垫片8、下夹具9、测温探头10、感应线圈11、感应加热系统控制器12；
所述上夹具4为内部设置有循环水冷却水道的夹具，并在其上设置有冷却水进口4-1和冷却水出口4-2；下夹具9为内部设置有循环水冷却水道的夹具，并在其上设置有冷却水进口9-1和冷却水出口9-2；感应线圈11为铜管绕制而成，并在其管内设置有冷却水；上绝缘拉力杆1通过上绝缘垫片3与上夹具4的上端面连接；下绝缘拉力杆6通过下绝缘垫片8与下夹具9的下端面连接；当被检测试件13的上端卡夹在上夹具4的下端上，被检测试件13的下端卡夹在下夹具9的上端上时，感应线圈11间隙套在被检测试件13外测，感应线圈11的轴心线与被检测试件13的轴心线重合；上绝缘拉力杆1的轴心线与上绝缘垫片3的轴心线、上夹具4的轴心线、下绝缘拉力杆6的轴心线、下绝缘垫片8的轴心线、下夹具9的轴心线互相重合；上定位销2插在上绝缘拉力杆1上的定位销孔内，用于将上绝缘拉力杆1与拉伸机的上加力杆相连；下定位销7插在下绝缘拉力杆6上的定位销孔内，用于将下绝缘拉力杆6与拉伸机的下加力杆相连；感应线圈11的两端分别与感应加热系统控制器12的两个高频驱动输出端连接；测温探头10的侧温端远距离对被检测试件13的温度进行检测，测温探头10的温度信号输出端与测温控制器5的温度信号输入端连接。
所述感应加热系统控制器为双比色测温仪，通过测温探头10接受试样的高温辐射，处理后得到温度。双比色测温，能够不受试样表面发射率变化的影响，测量准确。所述上夹具4和下夹具9分别与被检测试件13两端的卡夹方式采用现有常规卡夹方式。
工作原理：
（1）制定试验方案，确定试验环境的温度，测量试样截面的宽度W和厚度B，标距段的长度L，记录数据并对试样编号；
（2）将试样放置在夹具中，保持试样轴线、感应线圈轴线和拉伸轴的中心线三线重合，调整上、下夹具之间的距离，保持对试样有个微小的拉力（<10N）；
（3）打开双比色测温仪，调节测温探头与试样之间合适的距离（25cm左右），通过探头发出的一束细红光，调整探头角度和位置，使探头正对试样；
（4）打开水冷系统，确保水循环畅通；
（5）开启超音频感应加热设备，缓慢增大功率，同时观察双比色测温仪上显示的温度，当温度接近目标温度时，应减小调节功率的速度，直到温度稳定在目标温度附近；
（6）设置单轴拉伸时的加载速率，开始测试，直到试样断裂；
（7）保存拉伸机的载荷-位移数据及双比色测温仪的温度历程数据。
实施实例1
Si-ZrBr2陶瓷的高温单轴拉伸试验
首先，测量试件的尺寸。使用电子游标卡尺测量试件的宽度，分别测量标距段的两端和中间的宽度，然后取平均值作为试件标距段的宽度；试件高度的测量使用相同的方法。试件的横截面积等于标距段的平均宽度和平均厚度的乘积。
然后放置试件，调整感应线圈、试件的位置，保证试件的中心轴线、感应线圈的轴线和拉伸杆的轴线三线重合。
打开双比色测温系统，调整测温探头位置和距离，使探头正对试件中心，且两者间的距离在25cm左右。
打开水冷系统，检查水循环管道，确保水循环正常。
开启超音频感应加热设备，开始时，应缓慢增大电流，同时开始开启采集温度历程数据，观察双比色测温仪的示数，待温度稳定后，再接着增大电流，直到达到目标温度。
设置加载速率，对测力软件清零，开始拉伸试验，采集力和位移的数据，直到试件断裂。
停止温度历程数据的采集，关闭超音频感应加热设备和水冷系统。保存温度历程数据和力-位移数据。记录最大力值，按照公式 ，计算强度值。
按照此步骤，对Si-ZrBr2陶瓷试样做了三个温度点的试验。结果为：
1号件的横截面积为14.36mm2，目标温度800℃，最大载荷2276.8 N，拉伸强度138.6MPa；
2号件的横截面积为14.37mm2，目标温度1000℃，最大载荷987.4 N，拉伸强度68.7MPa；
3号件的横截面积为14.58mm2，目标温度1200℃，最大载荷1122.5 N，拉伸强度76.9MPa；
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.测试导体材料高温环境下单轴拉伸力学性能的试验装置，其特征在于它包括上绝缘拉力杆（1）、上定位销（2）、上绝缘垫片（3）、上夹具（4）、测温控制器（5）、下绝缘拉力杆（6）、下定位销（7）、下绝缘垫片（8）、下夹具（9）、测温探头（10）、感应线圈（11）、感应加热系统控制器（12）；
所述上夹具（4）为内部设置有循环水冷却水道的夹具，并在其上设置有冷却水进口（4-1）和冷却水出口（4-2）；下夹具（9）为内部设置有循环水冷却水道的夹具，并在其上设置有冷却水进口（9-1）和冷却水出口（9-2）；感应线圈（11）为铜管绕制而成，并在其管内设置有冷却水；上绝缘拉力杆（1）通过上绝缘垫片（3）与上夹具（4）的上端面连接；下绝缘拉力杆（6）通过下绝缘垫片（8）与下夹具（9）的下端面连接；当被检测试件（13）的上端卡夹在上夹具（4）的下端上，被检测试件（13）的下端卡夹在下夹具（9）的上端上时，感应线圈（11）间隙套在被检测试件（13）外测，感应线圈（11）的轴心线与被检测试件（13）的轴心线重合；上绝缘拉力杆（1）的轴心线与上绝缘垫片（3）的轴心线、上夹具（4）的轴心线、下绝缘拉力杆（6）的轴心线、下绝缘垫片（8）的轴心线、下夹具（9）的轴心线互相重合；上定位销（2）插在上绝缘拉力杆（1）上的定位销孔内，用于将上绝缘拉力杆（1）与拉伸机的上加力杆相连；下定位销（7）插在下绝缘拉力杆（6）上的定位销孔内，用于将下绝缘拉力杆（6）与拉伸机的下加力杆相连；感应线圈（11）的两端分别与感应加热系统控制器（12）的两个高频驱动输出端连接；测温探头（10）的侧温端远距离对被检测试件（13）的温度进行检测，测温探头（10）的温度信号输出端与测温控制器（5）的温度信号输入端连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150826 |