CN106546630A - 一种用于极高温裂纹扩展性能测试的环境模拟装置 - Google Patents

Abstract

一种用于极高温裂纹扩展性能测试的环境模拟装置，由耐高温的多台阶圆轴转换接头、温控冷水机、耐高温的五孔槽型夹具、定位销钉与螺栓、陶瓷粉、带摄像头的对开箱式高温炉、石棉和智能温度控制器等组成。其连接关系为：多台阶转换接头通过进、出水管与冷水机相连，五孔槽型夹具一端安装在转换接头上，另一端通过定位销钉和螺栓连接试样，陶瓷粉涂抹于夹具销钉孔上，高温炉将夹具及夹持试样密封包裹，摄像头实时观测、记录裂纹扩展状况，石棉塞堵在高温炉与夹具的连接缝隙处，温度控制器与高温炉相连。本发明通过各子系统间精巧配合和连接，简便、实用、高效、精确地实现裂纹扩展性能试验环境的模拟，为极高温裂纹扩展性能测试提供技术手段。

Description

一种用于极高温裂纹扩展性能测试的环境模拟装置

技术领域

本发明涉及一种用于极高温裂纹扩展性能测试的环境模拟装置，属于试验测试技术领域。

背景技术

工程材料与结构在使用过程中，会承受交变载荷而产生疲劳裂纹，当损伤累积超过容许限度时发生破坏，对材料的安全性造成影响。工程材料特别是发动机材料，也常常在极高温环境下使用，极高温环境会对材料的裂纹扩展性能造成影响，因此，为了保障安全性，需要测定极高温环境下的裂纹扩展性能。极高温裂纹扩展性能测试技术的难点在于环境模拟和裂纹观测，目前，国内外的高温裂纹扩展环境模拟主要是针对350℃至650℃，而对于1000℃以上的极高温环境，尚缺乏有效的满足裂纹扩展性能测试需求的环境模拟技术，此外，国内外主要借助放大镜和人工记录方法实现裂纹扩展的实时观测，这样，测试精度低、效率差，并且难以应用于极高温环境。为此，发明了一种用于极高温裂纹扩展性能测试的环境模拟装置，由耐高温的多台阶圆轴转换接头、温控冷水机、耐高温的五孔槽型夹具、定位销钉与螺栓、陶瓷粉、带摄像头的对开箱式高温炉、石棉和智能温度控制器等组成，可简便、实用、高效、精确地实现裂纹扩展性能试验环境的模拟，为极高温裂纹扩展性能测试提供技术手段。

发明内容

1、目的：本发明的目的在于提供一种用于极高温裂纹扩展性能测试的环境模拟装置，用于极高温环境下的裂纹扩展性能测试。

2、技术方案：本发明一种用于极高温裂纹扩展性能测试的环境模拟装置，由耐高温的多台阶圆轴转换接头、温控冷水机、耐高温的五孔槽型夹具、定位销钉与螺栓、陶瓷粉、带摄像头的对开箱式高温炉、石棉和智能温度控制器等组成。它们之间的连接关系如下：(1)耐高温的多台阶圆轴转换接头通过进、出水管与温控冷水机相连接，以实现极高温环境下转换接头的冷却；(2)耐高温的五孔槽型夹具一端安装在耐高温的多台阶圆轴转换接头上，另一端通过定位销钉与定位孔对试样定位，并通过带螺纹螺栓与试样固定连接；(3)陶瓷粉均匀涂抹于槽型夹具的销钉孔上，有效防止极高温环境下试样与夹具的粘连；(4)带摄像头的对开箱式高温炉将槽型夹具及其夹持试样密封包裹，摄像头透过高温炉上的特种玻璃窗口，实时观测和记录试验中的裂纹扩展状况；(5)石棉均匀塞堵在高温炉与槽型夹具的连接缝隙处，实现极高温环境的密闭和保温；(6)智能温度控制器与对开箱式高温炉相连接，采用智能恒流控温技术实现极高温环境。

所述的温控冷水机通过塑料导管连接耐高温的多台阶圆轴转换接头，形成进、出水循环，实现制冷，其冷却方式简单、冷却效率高。

所述的耐高温的多台阶圆轴转换接头穿过高温炉的顶部或底部开口后，一端通过螺纹与疲劳试验机固定连接，另一端再通过螺纹与五孔槽型夹具固定连接，这样，试验夹具和试样就置于高温炉内部，且转换接头穿过高温炉的开口小，便于密封和保温，试样装卸简便。选取耐高温抗变形的优质合金钢制造转换接头，转换接头上加工有冷却孔，通过导管与温控冷水机相连，利用进、出水循环，实现降温，可阻隔高温扩散至试验机接头，有效避免高温对试验机传感器的影响，保证试验载荷施加精度。

所述的耐高温的五孔槽型夹具的中央孔为定位孔，通过带台肩的圆轴状定位销钉穿过定位孔，对试样进行定位，保证试样安装的同轴度；其余四个螺纹孔上下、左右对称分布在定位孔的四周，通过螺栓夹持试样，如此的夹持方式稳固、夹持力均匀，保证试验载荷施加的精度。此外，耐高温的五孔槽型夹具仅通过螺栓与螺纹孔固定试样，无需螺母等配件，试样装卸简便，提高了试样装卸效率。

所述的陶瓷粉均匀涂抹于五孔槽型夹具与试样连接的销钉孔上，有效防止极高温环境下试样与夹具的粘连，在试样拆卸时，更容易，提高了试样装卸效率。

所述的带摄像头的对开箱式高温炉是金属箱体结构，采用优质不锈钢制造炉壳，炉壳表面对称加工有耐高温的球形实木把手，炉壳边缘处采用圆角过渡，方便高温炉的闭合及试样装卸。高温炉采用细密无机纤维材料构筑隔热炉膛，其抗热震性强，反红外热辐射和耐腐蚀性好，保证极高温环境的密封和保温。隔热炉膛内均匀排布有上、中、下三段电阻丝进行加热，每段电阻丝还配有合金电阻传感器测定环境温度，之后，连接智能温度控制器，分别由一路微机化数字调节仪进行控制，实现指定的极高温环境。此外，高温炉的一侧还设有耐高温的特种玻璃窗口，玻璃窗口正前方架设高分辨率的电子摄像头，并通过三角框架结构固定于高温炉上，从而，电子摄像头透过高温炉上的特种玻璃窗口，可以实时有效地观察和记录试验中的裂纹扩展状况。

所述的石棉均匀塞堵在高温炉与五孔槽型夹具的连接缝隙处，实现极高温环境的密闭和保温，保证试验测试的准确性。

所述的智能温度控制器与对开箱式高温炉相连接，基于PID理论协调控制高温炉的加热功率，能够形成达1200±1℃的稳定极高温度场。温度控制器采用智能恒流控温技术实现多段可编程的升温、恒温和降温，具备温度自动修正和上、下限保护功能，设定参数均可数显。智能温度控制器的升温速率快，温度波动小，控制精度高，可以降低加热成本。

3、优点及功效：本发明的环境模拟装置通过各子系统间的合理与精巧配合和连接，可简便、实用、高效、精确地实现裂纹扩展性能试验环境的模拟，为极高温裂纹扩展性能测试提供技术手段。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明进一步说明：

图1是温控冷水机示意图。

图2是耐高温的多台阶轴状转换接头示意图。

图3是耐高温的五孔带槽试样夹具示意图。

图4是定位销钉示意图。

图5是裂纹扩展试样示意图。

图6是带摄像头的对开箱式高温炉示意图，在图6中：部件1为炉壳边缘处圆角过渡，部件2为耐高温的球形实木把手，部件3为由无机纤维材料隔热炉膛，部件4为上、中、下三段加热电阻丝，部件5为耐高温的特种玻璃窗口，部件6为三角框架，部件7为高分辨率电子摄像头。

图7是用于极高温裂纹扩展性能测试的环境模拟装置示意图，在图7中：部件1为温控冷水机，部件2为耐高温的多台阶轴状转换接头，部件3为耐高温的五孔带槽试样夹具，部件4为带摄像头的对开箱式高温炉，部件5为石棉，部件6为智能温度控制器，部件7为定位销钉与螺栓，部件8为裂纹扩展试样，部件9为陶瓷粉。

具体实施方式

结合图1至图7说明本发明的具体实施方式：

本发明为一种用于极高温裂纹扩展性能测试的环境模拟装置，由耐高温的多台阶圆轴转换接头、温控冷水机、耐高温的五孔槽型夹具、定位销钉与螺栓、陶瓷粉、带摄像头的对开箱式高温炉、石棉和智能温度控制器等组成。在图7中，耐高温的多台阶圆轴转换接头2通过进、出水管与温控冷水机1相连接，以实现极高温环境下转换接头的冷却；耐高温的五孔槽型夹具3一端安装在转换接头2上，另一端通过定位销钉7与定位孔对试样定位，并通过带螺纹螺栓与试样8固定连接；陶瓷粉9均匀涂抹于槽型夹具3的销钉孔上，有效防止极高温环境下试样与夹具的粘连；带摄像头的对开箱式高温炉4将槽型夹具3及其夹持试样8密封包裹，摄像头透过高温炉上的特种玻璃窗口，实时观察和记录试验中裂纹扩展状况；石棉5均匀塞堵在高温炉与槽型夹具的连接缝隙处，实现极高温环境的密闭和保温；智能温度控制器6与对开箱式高温炉4相连接，采用智能恒流控温技术实现极高温环境。

温控冷水机如图1所示，通过塑料导管连接耐高温的多台阶圆轴转换接头，形成进、出水循环，实现制冷。耐高温的多台阶圆轴转换接头如图2所示，转换接头穿过高温炉的顶部或底部开口后，一端通过螺纹与疲劳试验机固定连接，另一端再通过螺纹与五孔槽型夹具固定连接，转换接头上加工有冷却孔，通过导管与温控冷水机相连，利用进、出水循环，实现降温。耐高温的五孔槽型夹具如图3所示，其中央孔为定位孔，通过带台肩的圆轴状定位销钉穿过定位孔，对试样进行定位，其余四个螺纹孔上下、左右对称分布在定位孔的四周，通过螺栓夹持试样。定位销钉如图4所示，为一个带台肩的圆轴件。裂纹扩展试样如图5所示，为两端开孔的标准M(T)试样。带摄像头的对开箱式高温炉如图6所示，是金属箱体结构，炉壳表面对称加工有耐高温的球形实木把手，炉壳边缘处采用圆角过渡，高温炉采用细密无机纤维材料构筑隔热炉膛，炉膛内均匀排布有上、中、下三段电阻丝进行加热，高温炉一侧还设有耐高温的特种玻璃窗口，窗口正前方架设高分辨率的电子摄像头，并通过三角框架结构固定，从而可以实时有效地观察和记录试验中的裂纹扩展状况。所有部件按照图7示出的位置关系进行配合和连接，环境模拟装置调试完毕后，便可根据具体试验要求进行极高温裂纹扩展性能测试。

Claims (1)

1.一种用于极高温裂纹扩展性能测试的环境模拟装置，其特征在于：由耐高温的多台阶圆轴转换接头、温控冷水机、耐高温的五孔槽型夹具、定位销钉与螺栓、陶瓷粉、带摄像头的对开箱式高温炉、石棉和智能温度控制器等组成。它们之间的连接关系如下：(1)耐高温的多台阶圆轴转换接头通过进、出水管与温控冷水机相连接，以实现极高温环境下转换接头的冷却；(2)耐高温的五孔槽型夹具一端安装在耐高温的多台阶圆轴转换接头上，另一端通过定位销钉与定位孔对试样定位，并通过带螺纹螺栓与试样固定连接；(3)陶瓷粉均匀涂抹于槽型夹具的销钉孔上，有效防止极高温环境下试样与夹具的粘连；(4)带摄像头的对开箱式高温炉将槽型夹具及其夹持试样密封包裹，摄像头透过高温炉上的特种玻璃窗口，实时观测和记录试验中的裂纹扩展状况；(5)石棉均匀塞堵在高温炉与槽型夹具的连接缝隙处，实现极高温环境的密闭和保温；(6)智能温度控制器与对开箱式高温炉相连接，采用智能恒流控温技术实现极高温环境。

所述的温控冷水机通过塑料导管连接耐高温的多台阶圆轴转换接头，形成进、出水循环，实现制冷，其冷却方式简单、冷却效率高。

所述的耐高温的多台阶圆轴转换接头穿过高温炉的顶部或底部开口后，一端通过螺纹与疲劳试验机固定连接，另一端再通过螺纹与五孔槽型夹具固定连接，这样，试验夹具和试样就置于高温炉内部，且转换接头穿过高温炉的开口小，便于密封和保温，试样装卸简便。选取耐高温抗变形的优质合金钢制造转换接头，转换接头上加工有冷却孔，通过导管与温控冷水机相连，利用进、出水循环，实现降温，可阻隔高温扩散至试验机接头，有效避免高温对试验机传感器的影响，保证试验载荷施加精度。

所述的耐高温的五孔槽型夹具的中央孔为定位孔，通过带台肩的圆轴状定位销钉穿过定位孔，对试样进行定位，保证试样安装的同轴度；其余四个螺纹孔上下、左右对称分布在定位孔的四周，通过螺栓夹持试样，如此的夹持方式稳固、夹持力均匀，保证试验载荷施加的精度。此外，耐高温的五孔槽型夹具仅通过螺栓与螺纹孔固定试样，无需螺母等配件，试样装卸简便，提高了试样装卸效率。

所述的陶瓷粉均匀涂抹于五孔槽型夹具与试样连接的销钉孔上，有效防止极高温环境下试样与夹具的粘连，在试样拆卸时，更容易，提高了试样装卸效率。

所述的带摄像头的对开箱式高温炉是金属箱体结构，采用优质不锈钢制造炉壳，炉壳表面对称加工有耐高温的球形实木把手，炉壳边缘处采用圆角过渡，方便高温炉的闭合及试样装卸。高温炉采用细密无机纤维材料构筑隔热炉膛，其抗热震性强，反红外热辐射和耐腐蚀性好，保证极高温环境的密封和保温。隔热炉膛内均匀排布有上、中、下三段电阻丝进行加热，每段电阻丝还配有合金电阻传感器测定环境温度，之后，连接智能温度控制器，分别由一路微机化数字调节仪进行控制，实现指定的极高温环境。此外，高温炉的一侧还设有耐高温的特种玻璃窗口，玻璃窗口正前方架设高分辨率的电子摄像头，并通过三角框架结构固定于高温炉上，从而，电子摄像头透过高温炉上的特种玻璃窗口，可以实时有效地观察和记录试验中的裂纹扩展状况。

所述的石棉均匀塞堵在高温炉与五孔槽型夹具的连接缝隙处，实现极高温环境的密闭和保温，保证试验测试的准确性。

所述的智能温度控制器与对开箱式高温炉相连接，基于PID理论协调控制高温炉的加热功率，能够形成达1200±1℃的稳定极高温度场。温度控制器采用智能恒流控温技术实现多段可编程的升温、恒温和降温，具备温度自动修正和上、下限保护功能，设定参数均可数显。智能温度控制器的升温速率快，温度波动小，控制精度高，可以降低加热成本。

本发明的环境模拟装置通过各子系统间的合理与精巧配合和连接，实现了试验环境的密闭保温和裂纹扩展的实时观测，可以简便、实用、高效、精确模拟极高温环境，为极高温裂纹扩展性能测试提供技术手段。