CN106769429A - 一种热膨胀相变仪高温拉伸试样存在温度梯度的改进方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热膨胀相变仪高温拉伸试样存在温度梯度的改进方法，其特征在于，在拉伸试验过程中采用如下方法中的一种进行改进：采用奥氏体不锈钢制备夹具，替换现有夹具进行试验；或者在试样夹持端与夹具相接触的部分设置U型隔热套和固定螺钉隔热圈，通过所述U型隔热套及固定螺钉隔热圈使夹具、固定螺钉与拉伸试样完全隔离，并采用奥氏体不锈钢制备夹具，替换现有夹具进行试验。本发明采用奥氏体不锈钢作为夹具制备材料及采用陶瓷纤维片作为隔热套及隔热圈，有效抑制高温物体和低温物体的热辐射和热传导，易于操作便于试样拆装，保证材料稳定性。

Description

一种热膨胀相变仪高温拉伸试样存在温度梯度的改进方法

技术领域

本发明属于拉伸力学性能测试技术领域，尤其涉及一种热膨胀相变仪高温拉伸试样存在温度梯度的改进方法。

背景技术

钢铁材料在加热、保温和冷却的过程中会发生相变，相变导致其体积发生膨胀或者收缩。变形热膨胀相变仪是通过检测材料相变引起的长度方向的变化，并结合已知的固态相变知识确定相变实际发生温度及时间的设备。该设备对于设计材料、测量材料各项性能指标，以及模拟热处理工艺和后续产品工艺的开发，有重要的指导意义。

变形热膨胀相变仪的拉伸模块，通常采用金属夹具，因为拉伸过程中，需要夹具具有一定的耐高温性和较高强度，保证拉伸过程中，夹具不变形，同时在反复使用过程中，夹具应当具有一定的疲劳性能。

金属夹具有导热快的特点，现有变形热膨胀相变仪夹具普遍采用普通碳钢材料制备，以变形热膨胀相变仪所采用的普碳钢夹具为例，导热系数一般在50W/(M*K)左右，在与试样接触的过程中，金属间由于存在导热，因此在热电偶附近温度均匀的情况下，无法保证远离热电偶的拉伸未变形区附近和拉伸变形区中心温度保持一致。

在试验过程中，发现在高温段保温过程中，试样沿长度方向上从拉伸变形区中心向外，存在一定温度梯度，并且随着保温时间的延长，温度梯度不会消失。仅试样拉伸变形区中心部分——控温热电偶附近的一小片区域(～3mm)与实际设计温度相同。通过进一步的实验发现，试样拉伸变形区中心与边部温差在30℃左右。导致试样沿长度方向上温度不均匀的主要原因是，试样夹持端是通过固定螺钉与拉伸夹具固定在一起的，试样两端被夹持部分与拉伸夹具及试样固定螺钉都有接触，存在热交换，拉伸试样与夹具及固定螺钉接触部分持续发生热量传导，使得拉伸变形区中心与边部存在一定温度梯度。

温度梯度，指的是在温度没有均衡前，试样局部出现的温度分布不均匀现象。比如，在高温拉伸加热过程中，由于试样的变形区处于感应线圈内，升温速率快，加热过程中无热量散失，而试样的未变形区(夹持端)离感应线圈有一定的距离，且夹持端要被固定螺钉固定在夹具内，试样与夹具、固定螺钉之间产生了热量的传导散失，那势必会造成试样变形区温度达到目标温度，而未变形区(夹持端)温度仍低于目标温度；另外，测量温度的热电偶位于试样中间部分，因此在实际实验过程中，设备系统接收到的温度信息仅仅是试样中间段的温度，整个拉伸试样沿着长度方向上就存在温度梯度。在冷却阶段，高温拉伸模块冷却方式为氮气或氦气吹扫冷却，冷却气体是通过感应线圈内侧密集排列的小孔直接吹到样品表面进行冷却，而裸露在感应线圈外部的试样表面则没有气体吹扫，这也使得拉伸试样沿长度方向存在很大的温度梯度。

温度梯度的存在，对于温度敏感的金属材料，在进行高温拉伸实验的过程中，会因为试样沿长度方向存在温度差而导致材料组织性能发生改变，从而影响拉伸实验结果的准确性。例如在进行快速冷却拉伸获得马氏体组织实验中，倘若存在温度梯度，可能会导致试样心部有少量的铁素体、渗碳体、贝氏体形成；而夹持端的冷却速度低于心部，组织成分明显与中间段不同，造成了拉伸样品的组织不均匀问题。而在完全奥氏体化高温拉伸试验中，因为拉伸试样夹持端和心部存在温差，可能导致试样夹持端因为温度低，产生细小晶粒组织，而心部温度高，晶粒尺寸较大，导致材料的组织不均匀。如果实验设定在两相区等温一定时间，因为存在温度梯度，则温度低的区域，铁素体体积分数会增加，这些结果都直接对材料的最终性能产生了影响，并直接影响后期数据分析及生产工艺的制定。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种热膨胀相变仪高温拉伸试样存在温度梯度的改进方法。本发明主要采用奥氏体不锈钢作为夹具制备材料及采用陶瓷纤维片作为隔热套及隔热圈，有效抑制高温物体和低温物体的热辐射和热传导，易于操作便于试样拆装，保证材料稳定性。

本发明采用的技术手段如下：

一种热膨胀相变仪高温拉伸试样存在温度梯度的改进方法，其特征在于，在拉伸试验过程中采用如下方法中的一种进行改进：

方法一：采用奥氏体不锈钢制备夹具，替换现有夹具进行试验；

方法二：在试样夹持端与夹具相接触的部分设置U型隔热套和固定螺钉隔热圈，通过所述U型隔热套及固定螺钉隔热圈使夹具、固定螺钉与拉伸试样完全隔离，并采用奥氏体不锈钢制备夹具，替换现有夹具进行试验。

较现有技术相比，材质不同，奥氏体不锈钢夹具导热系数远远低于普碳钢；将原夹具夹头(圆柱状)改为U型夹头，用于增加空间插入U型隔热套，将原有的直接接触改为间接接触。

进一步地，在方法二中，所述夹具的两侧尾端通过内六角螺钉将法兰型直线轴承与夹头座固定在外接试验机上；所述夹具的夹头为U型夹头，所述夹头尾部为圆柱状，圆柱状中心设有圆孔，所述夹头通过圆孔内螺纹旋转与穿过所述法兰型直线轴承座的螺母旋转轴连接固定，所述夹头设有与所述U型隔热套尺寸相匹配的夹头槽，所述夹头的两侧壁上设有用于嵌入所述固定螺钉隔热圈下端延伸部的圆孔Ⅰ。

进一步地，所述U型隔热套的内腔用于插入拉伸试样的端部，所述U型隔热套的上下表面设有尺寸与所述拉伸试验表面的固定孔相匹配的圆孔Ⅱ，所述U型隔热套的凸出前端用于插入所述夹头内固定，同时将圆孔Ⅰ和圆孔Ⅱ与所述拉伸试样表面的固定孔对中，将固定螺钉隔热圈下端延伸部嵌入在所述圆孔Ⅰ内，将固定螺钉依次穿过所述固定螺钉隔热圈、所述夹头、所述U型隔热套及拉伸试样，所述固定螺钉的尾端通过螺母固定，将所述拉伸试样固定在所述夹具内，起到隔绝拉伸试样与夹头及固定螺钉之间的热传导的作用。

进一步地，所述固定螺钉隔热圈的中心孔的尺寸与所述拉伸试样上的固定孔相匹配，固定螺钉隔热圈目的在于防止实验过程中部分热量会通过试样未变形区与螺钉的直接接触而导致热量散失。

进一步地，所述U型隔热套与所述固定螺钉隔热圈的材质为陶瓷纤维，陶瓷纤维导热系数为0.05～0.35W/(M*K)。

进一步地，所述奥氏体不锈钢为304奥氏体不锈钢，所述奥氏体不锈钢导热系数为14.7～15.2W/(M*K)。

进一步地，在方法二中，采用奥氏体不锈钢制备奥氏体不锈钢保护套，将奥氏体不锈钢保护套套在夹具座处，所述奥氏体不锈钢保护套尺寸以覆盖未变形区，进行拉伸试验。

进一步地，所述奥氏体不锈钢保护套表面设有若干用于部分散热的透气孔，所述奥氏体不锈钢保护套通过马蹄形铁箍固定在所述夹具座上，透气孔的设置可防止拉伸试样过快降温时，在保护套表面产生冷凝现象。

根据拉伸试样材料强度范围的不同，试样的拉伸变形段厚度及宽度根据拉伸试验的实际需要进行选取。

本发明提供的陶瓷纤维，是当今国际工业发达国家普遍使用的工业原料，该产品具有重量轻、耐高温、热稳定性好、导热系数低、比热小、抗拉强度大、弹性好及耐机械震动等优点，使用寿命长，无毒的工业制品，专门用于各种高温，高压，易磨损的环境中，耐腐蚀以及抗疲劳性能显著高于钢、铝。是取代石棉的新型材料，广泛用于冶金、电力、机械、化工的热能设备上的保温。

较现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明采用陶瓷纤维垫片，一方面抑制高温物体和低温物体的热辐射和传导热，对于高温物体可以保持90％的热量不损失，另一方面易于操作，便于试样的拆装；

(2)本发明采用304奥氏体不锈钢作为夹具制备材料，导热系数为原有低碳钢的三分之一左右，与试样之间热交换小，使实验过程中，试样温度保持均匀稳定性，同时，304奥氏体不锈钢的刚性强，不易变形，能够在反复实验过程中，能够保证材料的稳定性；

(3)本发明采用304奥氏体不锈钢制备保护套，在加热的过程中，热量散失通过保护套，折射回到拉伸试样表面，起到一定的保温作用，利于拉伸试样沿长度方向的温度均匀。

基于上述理由本发明可在拉伸力学性能测试等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明采用的奥氏体不锈钢夹具的结构示意图。

图2为图1的剖视图。

图3为本发明采用的奥氏体不锈钢夹具的夹头的结构示意图。

图4为本发明采用的奥氏体不锈钢夹具的U型隔热套的结构示意图。

图5为本发明采用的奥氏体不锈钢夹具的固定螺钉隔热圈的结构示意图。

图6为本发明采用的奥氏体不锈钢夹具的固定螺钉的结构示意图。

图7为本发明采用的奥氏体不锈钢保护套的结构示意图。

图8为本发明采用的奥氏体不锈钢夹具带有保护套的示意图。

图9为本发明拉伸试样的高温拉伸原理示意图。

图10为对拉伸试样在未变形区的相同位置焊接热电偶测量实拍图及加U型隔热套和固定螺钉隔热圈的前后温差图，其中，(a)加U型隔热套和固定螺钉隔热圈前实拍图，(b)加U型隔热套和固定螺钉隔热圈后实拍图，(c)二者温差图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种热膨胀相变仪高温拉伸试样存在温度梯度的改进方法，在拉伸试验过程中采用如下方法中的一种进行改进：

方法一：采用奥氏体不锈钢制备夹具，替换现有夹具进行试验；

方法二：如图1、图2所示，在试样夹持端与夹具相接触的部分设置U型隔热套6和固定螺钉隔热圈9，通过所述U型隔热套6及固定螺钉隔热圈9使夹具、固定螺钉8与拉伸试样7完全隔离，并采用奥氏体不锈钢制备夹具，替换现有夹具进行试验。

所述夹具的两侧尾端通过内六角螺钉19、20将法兰型直线轴承2与夹头座1(通过夹头座1上的定位孔)固定在外接试验机上；如图3-图5所示，所述夹具的夹头4为U型夹头，所述夹头尾部5为圆柱状，圆柱状中心设有圆孔，所述夹头4通过圆孔内螺纹旋转与穿过所述法兰型直线轴承座2的螺母旋转轴3连接固定，所述夹头4设有与所述U型隔热套6尺寸相匹配的夹头槽12，所述夹头4的两侧壁上设有用于嵌入所述固定螺钉隔热圈9下端延伸部16的圆孔Ⅰ11。

如图4所示，所述U型隔热套的内腔13用于插入拉伸试样7的端部，所述U型隔热套6的上下表面设有尺寸与所述拉伸试验7表面的固定孔相匹配的圆孔Ⅱ14，所述U型隔热套6的凸出前端15用于插入所述夹头4内固定，同时将圆孔Ⅰ11和圆孔Ⅱ14与所述拉伸试样7表面的固定孔对中，将固定螺钉隔热圈9下端延伸部16嵌入在所述圆孔Ⅰ11内，将固定螺钉8依次穿过所述固定螺钉隔热圈9、所述夹头4、所述U型隔热套6及拉伸试样7，所述固定螺钉的尾端17(如图6所示)通过螺母18固定，将所述拉伸试样7固定在所述夹具内。

所述固定螺钉隔热圈9的中心孔的尺寸与所述拉伸试样7上的固定孔相匹配。

所述U型隔热套6与所述固定螺钉隔热圈9的材质为陶瓷纤维，陶瓷纤维导热系数为0.05～0.35W/(M*K)。

所述奥氏体不锈钢为304奥氏体不锈钢，所述奥氏体不锈钢导热系数为14.7～15.2W/(M*K)。

具体地，所述U型隔热套6上下表面壁厚为1cm-2cm；所述固定螺钉隔热圈9的厚度为1cm-2cm；所述夹头4的U型口厚度即夹头槽12的开口宽度为7mm-9mm，所述夹头4的两侧壁的壁厚为3mm-4mm；所述圆孔Ⅰ11的直径为7mm；所述夹头尾部5的圆柱长度为10mm，直径为14mm，圆柱中心圆孔直径为7mm。

在方法二中，如图7、图8所示，还可采用奥氏体不锈钢制备奥氏体不锈钢保护套21，将奥氏体不锈钢保护套21套在夹具座处，所述奥氏体不锈钢保护套21尺寸以覆盖未变形区，进行拉伸试验。所述奥氏体不锈钢保护套21表面设有若干用于部分散热的透气孔22，所述奥氏体不锈钢保护套21通过马蹄形铁箍(来源于市购)固定在所述夹具座上。奥氏体不锈钢保护套21的直径可选用40mm。

实施例

采用变形热膨胀相变仪型号为DIL805A/D，采用的拉伸试样尺寸与抗拉强度完全相同，拉伸变形区厚度为2mm，拉伸试样拉伸强度σt(MPa)范围为：1000≤σt＜1667；实际试验中，采用上述夹具结构，根据拉伸试样材料强度范围的不同，试样的拉伸变形区厚度及宽度根据拉伸试验的实际需要进行选取，选取方式如表1所示。

DIL805A/D变形热膨胀相变仪最大拉伸力为10kN，DIL805A/D变形热膨胀相变仪主要结构包括样品仓、位移传感器和与拉伸试样直接接触的顶杆，其中顶杆为相变仪的主要测量系统，用于测量材料在高温条件下的膨胀量，顶杆的材质一般为石英或者刚玉。

表1不同强度范围的拉伸试样拉伸变形区尺寸

试样宽度越宽，拉伸时试样拉断所需要的拉力越大，因此，在高温拉伸实验中，首先通过拉伸试样拉伸强度范围，来确定拉伸试样变形区宽度，具体拉伸试样拉伸强度范围与所对应的拉伸试样变形区宽度区间如表1所示。确定了拉伸试样的变形区宽度后，就可以结合高温拉伸变形温度及实验程序开展实验。表1为针对不同强度范围的拉伸试样拉伸变形区尺寸要求，旨在满足实验需求，保证试样的大强度范围拉伸过程中受冲击的顶杆不会破坏；

DIL805A/D变形热膨胀相变仪测量变形的原理：随着拉伸试样两端拉力的加载，顶杆1随左侧拉伸试样受力变形而向左侧移动，顶杆2随着右侧拉伸试样受力变形而向右侧移动，系统通过顶杆1和顶杆2上的传动机构计量样品在拉伸过程中的发生的位移(如图9所示)。在高温时，通过在试样图9所示未变形区与加隔热套及隔热圈减缓导热，保证温度均匀性。图10所示为对试样在未变形区的相同位置焊接热电偶测量实际温度实拍图，其中(a)为未加U型隔热套和固定螺钉隔热圈实拍图，(b)为加U型隔热套和固定螺钉隔热圈后实拍图，如图10(c)所示，加U型隔热套和固定螺钉隔热圈后，所测试样相同区域位置温度与设置温度基本保持一致，且较未加U型隔热套和固定螺钉隔热圈试样相同位置高20℃左右，由此可见本发明的方法能有效的保证试样温度均匀性。最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种热膨胀相变仪高温拉伸试样存在温度梯度的改进方法，其特征在于，在拉伸试验过程中采用如下方法中的一种进行改进：

方法一：采用奥氏体不锈钢制备夹具，替换现有夹具进行试验；

方法二：在试样夹持端与夹具相接触的部分设置U型隔热套和固定螺钉隔热圈，通过所述U型隔热套及固定螺钉隔热圈使夹具、固定螺钉与拉伸试样完全隔离，并采用奥氏体不锈钢制备夹具，替换现有夹具进行试验。

2.根据权利要求1所述的热膨胀相变仪高温拉伸试样存在温度梯度的改进方法，其特征在于，在方法二中，所述夹具的两侧尾端通过内六角螺钉将法兰型直线轴承与夹头座固定在外接试验机上；所述夹具的夹头为U型夹头，所述夹头尾部为圆柱状，圆柱状中心设有圆孔，所述夹头通过圆孔内螺纹旋转与穿过所述法兰型直线轴承座的螺母旋转轴连接固定，所述夹头设有与所述U型隔热套尺寸相匹配的夹头槽，所述夹头的两侧壁上设有用于嵌入所述固定螺钉隔热圈下端延伸部的圆孔Ⅰ。

3.根据权利要求2所述的热膨胀相变仪高温拉伸试样存在温度梯度的改进方法，其特征在于，所述U型隔热套的内腔用于插入拉伸试样的端部，所述U型隔热套的上下表面设有尺寸与所述拉伸试验表面的固定孔相匹配的圆孔Ⅱ，所述U型隔热套的凸出前端用于插入所述夹头内固定，同时将圆孔Ⅰ和圆孔Ⅱ与所述拉伸试样表面的固定孔对中，将固定螺钉隔热圈下端延伸部嵌入在所述圆孔Ⅰ内，将固定螺钉依次穿过所述固定螺钉隔热圈、所述夹头、所述U型隔热套及拉伸试样，所述固定螺钉的尾端通过螺母固定，将所述拉伸试样固定在所述夹具内。

4.根据权利要求3所述的热膨胀相变仪高温拉伸试样存在温度梯度的改进方法，其特征在于，所述固定螺钉隔热圈的中心孔的尺寸与所述拉伸试样上的固定孔相匹配。

5.根据权利要求4所述的热膨胀相变仪高温拉伸试样存在温度梯度的改进方法，其特征在于，所述U型隔热套与所述固定螺钉隔热圈的材质为陶瓷纤维，陶瓷纤维导热系数为0.05～0.35W/(M*K)。

6.根据权利要求1所述的热膨胀相变仪高温拉伸试样存在温度梯度的改进方法，其特征在于，所述奥氏体不锈钢为304奥氏体不锈钢，所述奥氏体不锈钢导热系数为14.7～15.2W/(M*K)。

7.根据权利要求6所述的热膨胀相变仪高温拉伸试样存在温度梯度的改进方法，其特征在于，在方法二中，采用奥氏体不锈钢制备奥氏体不锈钢保护套，将奥氏体不锈钢保护套套在夹具座处，所述奥氏体不锈钢保护套尺寸以覆盖未变形区，进行拉伸试验。

8.根据权利要求7所述的热膨胀相变仪高温拉伸试样存在温度梯度的改进方法，其特征在于，所述奥氏体不锈钢保护套表面设有若干用于部分散热的透气孔，所述奥氏体不锈钢保护套通过马蹄形铁箍固定在所述夹具座上。