CN106996894A - 一种材料低温力学性能测试装置 - Google Patents

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徐冬
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赵玉强
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Abstract

本发明涉及材料力学性能测试技术领域，尤其涉及一种材料低温力学性能测试装置。本发明提供了一种材料低温力学性能测试装置，以制冷机作为冷源，试样腔中的氦气做为传热介质，本身并不产生热量，氦气能够循环利用，因此氦气几乎不会损失，避免了氦气资源的大量浪费，并且在试样腔与储气罐之间还设有真空泵，可通过真空泵将试样腔内的氦气回收到储气罐中，由于单纯的使用制冷机不能够将试样腔内的温度降低至4.2K，因此通过真空泵降低试样腔内的压强来进一步降低试样腔内的温度，以满足温度的需求。

Description

一种材料低温力学性能测试装置
技术领域
本发明涉及材料力学性能测试技术领域，尤其涉及一种材料低温力学性能测试装置。
背景技术
目前随着我国氢能源、核聚变能、航空航天、应用超导、气体工业以及一些大科学工程等领域的发展，涉及到低温工程的项目越来越多。在工业和科研领域对低温材料的需求越来越大，对低温材料的性能数据要求越来越全面。材料在低温环境下工作，其低温物理性能通常不同于常温性能。其中，材料力学性能是工程中材料或工件的一个重要性能指标。测试材料在低温下的力学性能，对材料低温性能研究和优化改性具有重要的意义，对低温构件的设计和安全使用也至关重要。而要实现最低温度到4.2K的力学性能测试，必须具有可到4.2K温度的冷源。目前国内材料低温力学性能测试装置均采用低温液体(液氮77K或液氦4.2K)作为冷源；工作时将低温液体容器中的低温液体(液氮77K或液氦4.2K)输入到真空夹层杜瓦中，低温液体将低温力学支架和待测样品冷却，再通过温控器和低温液体蒸发器配合使用控制低温力学支架和待测样品的温度。随后低温液体变成气体从出气口中排出。因此，该测试装置在工作中会消耗大量的液氮或液氦；每次进行77K以下温区材料力学性能测试都得消耗大量的液氦，如，进行一次4.2K温度环境拉伸性能测试需要消耗20升液氦，而4.2K压缩、弯曲性能测试则因夹具复杂而消耗的液氦为30升以上。氦气是地球上宝贵的不可再生资源，因此需要提供一种能降低液氮或液氦消耗材料低温力学性能测试装置。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：现有的材料低温力学性能测试装置大量的使用液氮或液氦资源、成本高、操作复杂，造成氦气资源的浪费。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种材料低温力学性能测试装置，包括万能材料试验机、制冷机、储气罐、试样腔、真空泵、真空保温桶和设于真空保温桶内的防热辐射桶，所述万能材料试验机包括底座和设于底座上的支撑架，所述真空保温桶设于所述底座上，所述支撑架上设有用于与待测试样刚性连接的力学支架，所述力学支架位于封闭的所述试样腔内，且所述力学支架能够上下移动；所述试样腔的一端位于所述防热辐射桶内，所述制冷机的冷头伸入密闭防热辐射桶内与试样腔的外壁相连，所述储气罐的通过进气管与试样腔连通，所述真空泵的一端与储气罐连通，另一端与试样腔连通。
优选地，所述支撑架包括垂直设于所述底座上的平行设置的两根支撑杆，所述支撑杆的下端与底座相连，两根所述支撑杆之间还设有至少一个横梁，所述横梁的两端分别于所述两根所述支撑杆相连，所述力学支架与位于最下侧的横梁刚性连接，且所述横梁能够两在个支撑杆之间上下滑动。
优选地，所述横梁的两端设有滑槽，两根所述支撑杆上对应设有与所述滑槽配合的滑轨。
优选地，所述储气罐上设有压力表。
优选地，还包括力学传感器、位移传感器和设于试样腔内的温控器，所述力学和位移传感器将待测试样的力学信号和位移信号传递给万能材料试验机，所述温控器用于检测试样腔内的温度，并将检测到的温度信号传递给控制器，所述控制器用于控制试样腔内的温度。
优选地，所述温控器为环状温控器。
优选地，所述制冷机设有多台，多台所述制冷机并联。
优选地，所述制冷机为G-M制冷机、脉冲管制冷机或斯特林制冷机。
优选地，所述冷头包括一级冷头和二级冷头，所述一级冷头与防热辐射桶上的金属法兰相连，所述二级冷头通过导热热桥与所述试样腔的外壁相连。
优选地，所述真空泵为干泵。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种材料低温力学性能测试装置，以制冷机作为冷源，试样腔中的氦气做为传热介质，本身不产生冷量，氦气能够循环利用，因此氦气几乎不会损失，避免了氦气资源的大量浪费，并且在试样腔与储气罐之间还设有真空泵，可通过真空泵将试样腔内的氦气回收到储气罐中，由于单纯的使用制冷机不能够将试样腔内的温度降低至4.2K，因此通过真空泵降低试样腔内的压强来进一步降低试样腔内的温度，以满足温度的需求。
附图说明
本发明上述和/或附加方面的优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明实施例所述低温力学性能测试装置处于测试状态的结构示意图；
图2是本发明实施例所述的低温力学性能测试装置处于未测试时的结构示意图。
其中图1和图2中附图标记与部件名称之间的对应关系为：
1、支撑架，11、支撑杆，12、横梁，13、力学支架，2、底座，21、真空保温桶，22、防热辐射桶，3、制冷机，31、一级冷头，32、二级冷头，4、试样腔，5、储气罐，51、进气管，52、干泵，53、出气管，6、待测试样，7、温控器，8、压力表。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
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的一部分实施例，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的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。
如图1和图2所示，本发明提供了一种材料低温力学性能测试装置，包括万能材料试验机、制冷机、储气罐、试样腔、真空泵、真空保温桶和设于真空保温桶内的防热辐射桶，所述万能材料试验机包括底座和设于底座上的支撑架，所述真空保温桶设于所述底座上，所述支撑架上设有用于与待测试样刚性连接的力学支架，所述力学支架位于封闭的所述试样腔内，且所述力学支架能够上下移动；所述试样腔的一端位于所述防热辐射桶内，所述制冷机的冷头伸入密闭防热辐射桶内与试样腔的外壁相连，所述储气罐的通过进气管与试样腔连通，所述真空泵的一端与储气罐连通，另一端与试样腔连通。
本发明提供的材料低温力学性能测试装置，使用制冷机做冷源，试样腔中的氦气做为传热介质，本身不会产生冷量，氦气几乎不会消耗，氦气能够循环利用，因此氦气几乎不会损失，避免了氦气资源的大量浪费，并且在试样腔与储气罐之间还设有真空泵，可通过真空泵将试样腔内的氦气回收到储气罐中，由于单纯的使用制冷机不能够将试样腔内的温度降低至4.2K，因此通过真空泵降低试样腔内的压强来进一步降低试样腔内的温度，以满足温度的需求。
实施例一
如图1和图2所示，材料低温力学性能测试装置其包括：万能材料试验机、力学支架13、低温制冷机3、真空保温桶21、防热辐射桶22、试样腔4、温控器7；其中所述万能材料试验机为待测试样6提供力学动力源(即加载力)，万能材料试验机包括底座2和设于底座2上的支撑架1，所述真空保温桶21设于所述底座2上，所述支撑架1上设有用于与待测试样6刚性连接的力学支架13，其中所述支撑架1包括垂直设于所述底座2上的平行设置的两根支撑杆11，所述支撑杆11的下端与底座2相连，两根所述支撑杆11之间还设有至少一个横梁12，其作用是支撑待测试样6，并传递试样测试过程的作用力，将作用力从室温传递到低温环境中，作用于待测试样6上；具体地，低温力学支架13将万能材料试验机的力学动力源传递给待测试样6，待测试样6装在低温力学支架13的测量夹具中，低温力学支架13所带的可以是不同的测量夹具，以安装例如静态拉伸、静态压缩、静态弯曲、静态剪切、拉压疲劳、拉伸疲劳、压缩疲劳、弯曲疲劳或断裂力学(Kic、Jic)测试样品。
所述横梁12的两端分别于所述两根所述支撑杆11相连，所述力学支架13与位于最下侧的横梁12刚性连接，且所述横梁12能够两在个支撑杆11之间上下滑动；优选地，所述横梁12的两端设有滑槽，两根所述支撑杆11上对应设有与所述滑槽配合的滑轨，这样横梁12在支撑杆11之间的滑动更加容易；并且在力学支架13上还设有力学传感器和位移传感器，可选地，所述力学传感器和位移传感器设于在待测试样6上，力学传感器用以测量施加给待测试样6加载力大小，位移传感器用以测量待测试样6的形变位移；
所述力学支架13位于封闭的所述试样腔4内，且所述力学支架13能够上下移动；所述试样腔4的一端位于所述防热辐射桶22内，所述制冷机3的冷头伸入密闭防热辐射桶22内与试样腔4的外壁相连，所述储气罐5的通过进气管51与试样腔4连通，所述真空泵的一端与储气罐5连通，另一端与试样腔4连通。
其中，真空保温桶21设在固定不动的底座2上，所述防热辐射桶22设于真空保温桶21内，待测试样6位于试样腔4内，同时试样腔4的一端伸入防热辐射桶22内，且有一部分位于真空保温桶21内，真空保温桶21的上盖设有供所述试样腔4穿过的开口，所述试样腔4的外壁面上设有法兰，在试样腔4设至于预定位置后，可通过法兰密封真空保温桶21，使真空保温桶21形成一个密闭的真空环境，制冷机3的一级冷头31插入真空桶内，并与防热辐射筒的金属法兰连接，将冷量传递给防热辐射筒，制冷机3二级冷头32通过导热热桥与试样腔4的外壁相连，将冷量传递给试样腔4，其中所述导热热桥为导热金属片，优选地，所述导热金属片为铜片；当然，所述导热金属片也可以是由铁、合金、银等其他导热材料制成，同样也能够实现本申请的目的。
当力学支架13向下移动准备测试时，力学支架13的法兰可与试样腔4形成密封，从而为力学支架13、温控器7、待测试样6提供密封的传热环境，其中所述温控器7设于试样腔4内用于检测并监控待测试样6周围的环境温度，并将检测到的温度信号传递给外部的控制器，优选地所述控制器为计算机；计算机接收到温控器7检测到的信号，操作人员可通过外部计算机实现对样品周围的环境温度的实时监控；另外，所述试样腔4的外侧还绕射有一圈电加热丝，通过程序反馈调节制冷机和加热丝，不断地整定来控制试样腔内的温度，实现在温度区间(4.2-300K)某一温度值下保持恒温，以满足材料能够在各个稳定的温区进行力学性能测试。其中在本实施例中采用设置在试样腔4周围的环状温控器7，当然所述温控器7的形状并仅仅局限于上述形状，也可采用其他形状的温控器7，例如棒状温控器7等。
其中储气罐5用于存储氦气或氮气(由于试样腔4内能够降低的最低温度是由试样腔4内的导热介质来决定的，因此需要根据试样腔4内的温度来确定采用哪种气体)，其设置在万能材料试验机外部，储气罐5通过进气管51与试样腔4连通，向试样腔4内输入导热介质，同时真空泵的两端分别于储气罐5和试样腔4连通，可通过真空泵将试样腔4内的气体会收回储气罐5内，以降低试样腔4内的压强，由于单纯使用制冷机3并不能够达到4.2k的温度，因此需要求降低试样腔4内的压强来进一步降低试样腔4内的温度，以满足温度需求。优选地，所述真空泵为干泵52，干泵52腔内无任何润滑油，使用干泵52能够避免对回收的氦气造成污染；所述干泵52上还设有压力表8，所述压力表8用于通过记录罐内气体压力的变化计算输入氦气的体积，进而保证试样腔4中氦气的量，在抽气降压降温过程中使试样腔4维持低温下的时间足够长。
需要说明的是，本申请中所述制冷机3可以设置一台，也可以设置多台，多台所述制冷机3并联，以满足更大制冷量的需求。
下面结合附图来具体说明本发明提供的材料力学性能测试装置的工作过程：
首先将待测试样6安装在低温力学支架13上，将万能材料试验机横梁12连同低温力学支架13升起，将带有制冷机3和试样腔4的真空保温桶21放置在所述底座2上，将万能材料试验机横梁12连同力学支架13降落，使力学支架13处于试样腔4中(如图1所示)，可用螺栓将试样腔4与低温力学支架13固定，使低温力学支架13下面部分密封于试样腔4中，将进气管51一端连接储气罐5，在降温时，储气罐5中的氦气通过进气管51自动输送至试样腔4中，在降压降温及升温时，经过出气管53将试样腔4中的氦气通过干泵52抽回至储气罐5。开启制冷机3，将冷量传递至试样腔46再通过试样腔4中的气体将冷量传递至低温力学支架13和待测试样6上。通过计算机控制温控器7，控制样品及样品周围的环境温度，当达到预定温度并稳定后，开启万能材料试验机，进行力学性能测试。
由此可见，本发明的制冷机3做冷源，氦气循环利用的材料低温力学性能测试装置以万能材料试验机为基础，利用制冷机3作冷源与温控器7配合，实现低温环境(4.2～300K)下材料力学性能数据测量。因此，本发明主要用于在低温(4.2～300K)环境下对待测试样6(材料试样或工件)进行力学性能测量，与传统的力学性能测量装置相比，本发明的制冷机3做冷源，氦气循环利用的材料力学性能测试装置具有，不需要消耗液氦或液氮，可测量4.2～300K温区内任意温度环境的材料试样或工件力学性能的特点，并且温控准确，结构简单、可靠性高、操作简单、效率高。
综上所述，本发明提供了一种材料低温力学性能测试装置，使用制冷机做冷源，试样腔中的氦气做为传热介质，本身并不产生热量，氦气能够循环利用，因此氦气几乎不会损失，避免了氦气资源的大量浪费，并且在试样腔与储气罐之间还设有真空泵，可通过真空泵将试样腔内的氦气回收到储气罐中，由于单纯的使用制冷机不能够将试样腔内的温度降低至4.2K，因此通过真空泵降低试样腔内的压强来进一步降低试样腔内的温度，以满足温度的需求。
最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (10)

1.一种材料低温力学性能测试装置，其特征在于：包括万能材料试验机、制冷机、储气罐、试样腔、真空泵、真空保温桶和设于真空保温桶内的防热辐射桶，所述万能材料试验机包括底座和设于底座上的支撑架，所述真空保温桶设于所述底座上，所述支撑架上设有用于与待测试样刚性连接的力学支架，所述力学支架位于封闭的所述试样腔内，且所述力学支架能够上下移动；所述试样腔的一端位于所述防热辐射桶内，所述制冷机的冷头伸入密闭防热辐射桶内与试样腔的外壁相连，所述储气罐的通过进气管与试样腔连通，所述真空泵的一端与储气罐连通，另一端与试样腔连通。
2.根据权利要求1所述的材料低温力学性能测试装置，其特征在于：所述支撑架包括垂直设于所述底座上的平行设置的两根支撑杆，所述支撑杆的下端与底座相连，两根所述支撑杆之间还设有至少一个横梁，所述横梁的两端分别于所述两根所述支撑杆相连，所述力学支架与位于最下侧的横梁刚性连接，且所述横梁能够两在个支撑杆之间上下滑动。
3.根据权利要求2所述的材料低温力学性能测试装置，其特征在于：所述横梁的两端设有滑槽，两根所述支撑杆上对应设有与所述滑槽配合的滑轨。
4.根据权利要求1所述的材料低温力学性能测试装置，其特征在于：所述储气罐上设有压力表。
5.根据权利要求1所述的材料低温力学性能测试装置，其特征在于：还包括力学传感器、位移传感器和设于试样腔内的温控器，所述力学和位移传感器将待测试样的力学信号和位移信号传递给万能材料试验机，所述温控器用于检测试样腔内的温度，并将检测到的温度信号传递给控制器，所述控制器用于控制试样腔内的温度。
6.根据权利要求5所述的材料低温力学性能测试装置，其特征在于：所述温控器为环状温控器。
7.根据权利要求1所述的材料低温力学性能测试装置，其特征在于：所述制冷机设有多台，多台所述制冷机并联。
8.根据权利要求1所述的材料低温力学性能测试装置，其特征在于：所述制冷机为G-M制冷机、脉冲管制冷机或斯特林制冷机。
9.根据权利要求1所述的材料低温力学性能测试装置，其特征在于：所述冷头包括一级冷头和二级冷头，所述一级冷头与防热辐射桶上的金属法兰相连，所述二级冷头通过导热热桥与所述试样腔的外壁相连。
10.根据权利要求1所述的材料低温力学性能测试装置，其特征在于：所述真空泵为干泵。
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