CN108132188A - 贴片通电加热式高温原位双轴测试仪器及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种贴片通电加热式高温原位双轴测试仪器及方法，属于材料力学性能测试领域。双轴加载测试单元对试件进行双轴加载，检测材料在复杂载荷作用下的力学性能；高温加载单元利用八个贴片电流加热体对十字形试件进行高温加热，为试件复杂载荷作用的力学性能测试提供高温环境，模拟试件材料的服役工况；信号检测单元包括拉压力传感器、高速相机、双比色测温仪等，用于高温双轴测试试验过程中各种信号的检测与处理；支撑单元在仪器中起到对仪器主体支撑固定的作用。优点在于：结构紧凑、一体化、大行程；卧式结构，外观造型美观大方，总体布局匀称协调；各部分兼容性好，可提供2000℃及以上高温双轴加载测试，实用性强。

Description

贴片通电加热式高温原位双轴测试仪器及方法
技术领域
本发明涉及材料原位力学性能测试领域，特别涉及材料在高温双轴载荷作用力学性能参数测试仪器与方法，尤指一种贴片通电加热式高温原位双轴测试仪器及方法。用于对各种耐高温材料进行高温负载载荷力学性能测试，探究其在力热耦合作用下的破坏失效机理，建立失效模型。
背景技术
随着科技的不断发展，人们对材料科学技术的要求也越来越严格。许多材料在实际服役条件下，不可避免地受到复杂载荷的作用，使材料的失效破坏机理变得复杂，有必要开发能够实现复杂载荷加载的材料测试仪器。通过对材料施加双轴复杂载荷，使试验条件更加接近于材料的实际受力方式，从而获得更加准确、可靠的试验数据，对材料优化、装备设计、可靠性评估等具有重要意义。
材料除了承受载荷的作用外，大部分材料还会承受电场、磁场、温度场等特殊物理场的作用，如压电材料、超导材料、高温合金等。这些物理场中，以温度场对材料性能的影响最为明显，尤其传统金属材料的力学性能会随着外界温度场的不同发生明显变化。在石油、化工、航空、航天以及国防等重要工业的发展过程中，高温材料的应用非常重要且普遍，如发动机、叶片、涡轮等关键零部件都是在高温条件下服役的。可见，研究并开发基于高温物理场的材料性能测试装置，根据高温材料的使用特点对材料进行测试，对于研究不同温度下材料的力学性能、评估材料在高温条件下的变形和损伤机制具有重要意义。对材料在高温环境中复杂载荷作用下的力学性能参数进行测定，获得耐高温材料在高温、复杂载荷作用下的失效模式和机理，为航空航天、国防建设的发展提供理论支撑。
发明内容
本发明的目的在于提供一种贴片通电加热式高温原位双轴测试仪器及方法，解决现有技术存在的上述问题，填补我国相关领域的技术空白。本发明是一种集双轴加载测试单元、高温加载单元、信号检测单元、支撑单元四部分于一体的力学性能测试仪器。其中，双轴加载测试单元对测试用试件进行双轴加载，检测材料在复杂载荷作用下的力学性能；高温加载单元利用粘贴于试件四臂上下两面八个贴片电流加热体对十字形试件进行高温加热，为试件复杂载荷作用的力学性能测试提供高温环境，模拟试件材料的服役工况；信号检测单元包括拉压力传感器、高速相机、双比色测温仪等，用于高温双轴测试试验过程中各种信号的检测与处理；支撑单元在仪器中起到对仪器主体支撑固定的作用。本发明以各种耐高温材料为研究对象，创新性提出的贴片通电加热式高温原位双轴测试仪器及方法为耐高温材料在高温多种载荷作用下的力学参数测定提供支撑，对相关产业的发展、填补我国相关领域的技术空白具有重要意义。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
贴片通电加热式高温原位双轴测试仪器，包括双轴加载测试单元、高温加载单元、信号检测单元、支撑单元四部分，其中，双轴加载测试单元、高温加载单元、信号检测单元分别安装在支撑单元上；所述双轴加载测试单元由四个电动缸17提供四个方向的加载动力，电动缸17通过电动缸法兰1固定在电动缸支座2上，加载过程中加载力由主轴方向上的拉压力传感器16进行测量；
所述高温加载单元包括电流加热模块、真空密封模块、水冷模块，通过粘贴于十字形试件22四臂上下两面的八个贴片电流加热体26对十字形试件22进行高温加载；真空密封模块与双轴加载单元之间通过波纹管5密封，保证仪器试验过程中的真空度；水冷模块包括主轴水冷模块和真空腔体水冷模块。
测试仪器整体布局为卧式结构，双轴加载测试单元通过电动缸支座2固定在支撑单元的支撑台18上；高温加载单元通过真空腔上支座12、真空腔支架6和真空腔下支座21固定在支撑台18上；真空腔上下设有观测窗口8，便于高速相机9对试验过程进行实时原位动态观测和高温环境下试件的应变测量以及利用双比色测温仪20对试件标距区的温度进行测量。
本发明的另一目的在于提供一种贴片通电加热式高温原位双轴测试方法，包括如下步骤：
步骤1. 准备十字形试件22，对试件中心标距区进行抛光处理，以便试验过程中对试件的微观组织形貌变化原位观测；在十字形试件22四臂非标距区涂抹耐高温无机绝缘胶，进行绝缘处理，将八个贴片电流加热体26贴于十字形试件四臂上下两面，构成双轴加载用试件，并将双轴加载用试件装夹在上绝缘夹具头24和下绝缘夹具头25之间，通过螺钉夹紧固定；
步骤2. 双轴加载测试试验开始前，将真空密封腔抽真空，并保持分子泵持续工作，保证试验过程中的真空度；
步骤3. 开启试件加热的电源装置23，向贴片电流加热体26通入直流电，利用安装在真空密封腔下方的测温仪支架19上的双比色测温仪20对双轴加载用试件中心标距区的温度实时测量，每隔1s采集一个温度数据，并不断加大电源电流值，使双轴加载用试件温度不断升高，待双轴加载用试件温度稳定在设定温度后，保持设定温度不变10分钟后开始施加双轴加载载荷，进行高温双轴加载测试试验；
步骤4. 高温双轴加载测试试验开始后，加载轴27对夹具体带动试件进行双轴加载，双比色测温仪20进行试件标距区温度测量，采集输出数据；高速相机9进行标距区应变测量并进行实时原位观测，采集输出数据；拉压力传感器16测量加载过程中的加载力，采集输出数据，直到试件中心标距区断裂破坏，关闭电源设备，试验结束。
通过贴片电流加热体26对试件非标距区进行接触热传导，使试件均匀受热。
所述的贴片电流加热体26置于十字形试件非标距区。
本发明的有益效果在于：结构紧凑、一体化、大行程；卧式结构，外观造型美观大方，总体布局匀称协调；各部分兼容性好，可提供2000℃及以上高温双轴加载测试，实用性强。可实现耐高温材料在高温复杂载荷作用下的力学性能测试，为材料的力学行为和服役行为提供有效的测试手段。本发明在材料科学、机械装备、国防军工和航空航天等领域具有重要的应用前景。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的测试仪器主视图；
图2为本发明的测试仪器俯视图；
图3为本发明的贴片通电加热式高温双轴加载示意图；
图4为本发明的贴片电流加热体十字形试件；
图5为本发明的上绝缘夹头；
图6为本发明的下绝缘夹头。
图中：1、电动缸法兰；2、电动缸支座；3、主轴；4、过渡水冷轴；5、波纹管；6、真空腔支撑架；7、真空腔主体；8、观测窗口；9、高速相机；10、相机支架；11、真空腔门；12、真空腔上支座；13、冷却水进水口；14、冷却水出水口；15、隔热板；16、拉压力传感器；17、电动缸；18、支撑台；19、测温仪支架；20、双比色测温仪；21、真空腔下支座；22、十字形试件；23、电源装置；24、上绝缘夹头；25、下绝缘夹头；26、贴片电流加热体；27、加载轴。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图6所示，本发明的贴片通电加热式高温原位双轴测试仪器，包括双轴加载测试单元、高温加载单元、信号检测单元、支撑单元四部分。其中，双轴加载测试单元由利用电动缸法兰1固定在电动缸支座2上的四个电动缸17提供四个方向的加载动力，通过法兰连接将加载动力传递给仪器主轴3，并利用连接在主轴上拉压力传感器16对加载力进行测量，将采集的力信号传给仪器控制系统，完成试件双轴加载，检测材料在复杂载荷作用下的力学性能；高温加载单元包括电流加热模块、真空密封模块、水冷模块等。利用粘贴于十字形试件22四臂上下两面八个贴片电流加热体26对十字形试件22进行高温加载。为防止高温加载过程中仪器关键零部件发生高温氧化现象的发生，为仪器设计真空密封模块，包括真空腔主体7、真空腔门11以及腔门上的观测窗口8等部分，真空腔主体7与双轴加载单元之间通过波纹管5密封，保证仪器试验过程中的真空度。同时，为了防止高温环境对拉压力传感器16等电子元器件的影响，仪器中设计了水冷模块，具体包括主轴水冷模块和真空腔体水冷模块：主轴水冷模块中过渡水冷轴4与拉压力传感器16之间安装隔热板15进行隔绝部分热量，防止对传感器等电子元件产生影响，同时过渡水冷轴4上安装冷却水进水口13和冷却水出水口14，通过冷却水流动带走夹具上的热量从而实现主轴水冷降温。真空腔体水冷模块为真空腔内部布置水冷管路将真空腔壁的热量水冷降温。水冷系统的设置保证试验的安全可靠性，从而为试件复杂载荷作用的力学性能测试提供高温环境，模拟试件材料的服役工况。
信号检测单元包括安装在主轴3的拉压力传感器16、安装在相机支架10上的高速相机9、安装在测温仪支架19上的双比色测温仪20等，用于高温双轴测试试验过程中各种信号的检测与处理。
支撑单元在仪器中起到对仪器主体支撑固定的作用，具体包括：高速相机9悬挂安放在相机支架10上，双轴加载模块通过螺栓固定在电动缸支座2上，真空腔体安放在真空腔上支座12，通过真空腔支架6、真空腔下支座21将真空腔体支撑起来，上述支撑结构均利用螺钉连接安装固定在支撑台18上。
参见图1及图2所示，所述的仪器整体布局为卧式结构，匀称协调，双轴加载测试单元通过电动缸支座2固定在支撑台18上；高温加载单元通过真空腔上支座12、真空腔支架6和真空腔下支座21安装固定在支撑台18上；真空腔上下开设观测窗口8，便于高速相机9对试验过程进行实时原位动态观测和高温环境下试件的应变测量以及利用双比色测温仪20对试件标距区的温度进行测量。
参见图3至图5所示，贴片通电加热式高温原位双轴测试方法，步骤如下：
步骤1. 准备十字形试件22，对试件中心标距区进行抛光处理，以便试验过程中对试件的微观组织形貌变化原位观测；在十字形试件22四臂非标距区涂抹耐高温无机绝缘胶，进行绝缘处理，将八个贴片电流加热体26贴于试件四臂上下两面，构成本发明仪器双轴加载用试件，并将试件装夹在上绝缘夹具头24和下绝缘夹具头25之间，利用螺钉夹紧固定。
步骤2. 双轴加载测试试验开始前，将真空密封腔抽真空，并保持分子泵持续工作，保证试验过程中的真空度。
步骤3. 开启试件加热电源装置23，对贴片电流加热体26通入直流电，利用安装在真空密封腔下方的测温仪支架19上的双比色测温仪20对试件中心标距区的温度实时测量，每隔1s采集一个温度数据，并不断加大电源装置23电流值，使试件温度不断升高，待试件温度稳定在设定温度后，保持设定温度不变10分钟后开始施加双轴加载载荷，进行高温双轴加载测试试验。
步骤4. 高温双轴加载测试试验开始后，加载轴27对夹具体带动试件进行双轴加载，双比色测温仪20进行试件标距区温度测量，采集输出数据；高速相机9进行标距区应变测量并进行实时原位观测，采集输出数据；拉压力传感器16测量加载过程中的加载力，采集输出数据，直到试件中心标距区断裂破坏，关闭电源装置23，试验结束。
参见图4所示，创新性提出利用贴片电流加热体26对试件非标距区进行接触热传导，使试件均匀受热，传热效率高。所选用的试件材料对其导电性和材料各向异性没有限制，适用于绝缘材料、各向异性材料等各种材料。
参见图4所示，贴片电流加热体26置于试件的非标距区，可以提高十字形试件22标距区处的应力水平，使试件的断裂破坏发生在标距区内，满足十字形试件的设计准则。同时，贴片电流加热体26在试验过程中发生微小变形，试验结束后恢复原状，可回收重复使用。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种贴片通电加热式高温原位双轴测试仪器，其特征在于：包括双轴加载测试单元、高温加载单元、信号检测单元、支撑单元四部分，其中，双轴加载测试单元、高温加载单元、信号检测单元分别安装在支撑单元上；所述双轴加载测试单元由四个电动缸（17）提供四个方向的加载动力，电动缸（17）通过电动缸法兰（1）固定在电动缸支座（2）上，加载过程中加载力由主轴方向上的拉压力传感器（16）进行测量；
所述高温加载单元包括电流加热模块、真空密封模块、水冷模块，通过粘贴于十字形试件（22）四臂上下两面的八个贴片电流加热体（26）对十字形试件（22）进行高温加载；真空密封模块与双轴加载单元之间通过波纹管（5）密封，保证仪器试验过程中的真空度；水冷模块包括主轴水冷模块和真空腔体水冷模块。
2.根据权利要求1所述的贴片通电加热式高温原位双轴测试仪器，其特征在于：测试仪器整体布局为卧式结构，双轴加载测试单元通过电动缸支座（2）固定在支撑单元的支撑台（18）上；高温加载单元通过真空腔上支座（12）、真空腔支架（6）和真空腔下支座（21）固定在支撑台（18）上；真空腔上下设有观测窗口（8），便于高速相机（9）对试验过程进行实时原位动态观测和高温环境下试件的应变测量以及利用双比色测温仪（20）对试件标距区的温度进行测量。
3.根据权利要求1或2所述的贴片通电加热式高温原位双轴测试仪器的测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1. 准备十字形试件（22），对试件中心标距区进行抛光处理，以便试验过程中对试件的微观组织形貌变化原位观测；在十字形试件（22）四臂非标距区涂抹耐高温无机绝缘胶，进行绝缘处理，将八个贴片电流加热体（26）贴于十字形试件四臂上下两面，构成双轴加载用试件，并将双轴加载用试件装夹在上绝缘夹具头（24）和下绝缘夹具头（25）之间，通过螺钉夹紧固定；
步骤2. 双轴加载测试试验开始前，将真空密封腔抽真空，并保持分子泵持续工作，保证试验过程中的真空度；
步骤3. 开启试件加热的电源装置（23），向贴片电流加热体（26）通入直流电，利用安装在真空密封腔下方的测温仪支架（19）上的双比色测温仪（20）对双轴加载用试件中心标距区的温度实时测量，每隔1s采集一个温度数据，并不断加大电源电流值，使双轴加载用试件温度不断升高，待双轴加载用试件温度稳定在设定温度后，保持设定温度不变10分钟后开始施加双轴加载载荷，进行高温双轴加载测试试验；
步骤4. 高温双轴加载测试试验开始后，加载轴（27）对夹具体带动试件进行双轴加载，双比色测温仪（20）进行试件标距区温度测量，采集输出数据；高速相机（9）进行标距区应变测量并进行实时原位观测，采集输出数据；拉压力传感器（16）测量加载过程中的加载力，采集输出数据，直到试件中心标距区断裂破坏，关闭电源设备，试验结束。
4.根据权利要求3所述的贴片通电加热式高温原位双轴测试仪器的测试方法，其特征在于：通过贴片电流加热体（26）对试件非标距区进行接触热传导，使试件均匀受热。
5.根据权利要求3或4所述的贴片通电加热式高温原位双轴测试仪器的测试方法，其特征在于：所述的贴片电流加热体（26）置于十字形试件非标距区。
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