CN108760466A - 一种基于材料试验机的高温强度应变测试系统 - Google Patents

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张琦
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Abstract

本发明提供一种基于材料试验机的高温强度应变测试系统，包括测试系统、液压系统和加热装置，所述测试系统具有相对设置的且在所述液压系统的作用下可在轴向上相对运动的上压头和下压头，所述上压头的上表面设有压力传感器，所述上压头和所述下压头内设有冷却管，样品位于所述加热装置中，其上、下端分别被所述上压头和所述下压头抵顶，一控制系统与所述液压系统连接，所述控制系统与所述压力传感器连接，所述加热装置对样品采用辐射加热，所述控制系统与所述加热装置连接，以控制并记录所述加热装置的加热温度。本发明的有益效果：能完成高温下材料的强度及变形测试。

Description

一种基于材料试验机的高温强度应变测试系统
技术领域
本发明涉及材料在高温高压环境中强度测试技术领域，尤其涉及一种基于材料试验机的高温强度应变测试系统。
背景技术
随着新能源地热干热岩、航天等领域的飞速发展，材料的工作温度越来越高，高温下材料会发生变形，其强度也会发生变化。变形及强度影响着材料的正常使用。现有MTS(材料试验机)测试系统是由MTS液压系统，MTS单轴测试系统，MTS控制系统组成，现有MTS测试系统可以测试常温条件下材料单轴抗压强度及应变，所述MTS液压系统能够为MTS单轴测试系统提供0-1000KN轴向压力，所述MTS单轴测试系统能够测试圆柱状材料(直径50mm，高度100mm)，长方体材料(60mm×60mm×120mm)单轴抗压强度及应变，测试范围为轴向压力0-1000KN，轴向位移100mm，测试精度为轴向压力0.01KN，轴向位移0.1mm。
MTS控制系统通过屏蔽线给MTS单轴测试系统发送控制指令，同时MTS单轴测试系统将测试数据发送给MTS控制系统；MTS控制系统通过屏蔽线给MTS液压系统发送控制指令，同时MTS液压系统将压力数据发送给MTS控制系统。但是，现有MTS测试系统不能测试高温下材料的强度及应变，只能完成常温下材料的强度及变形测试。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种能完成高温下材料的强度及变形测试的基于材料试验机的高温强度应变测试系统。
本发明的实施例提供一种基于材料试验机的高温强度应变测试系统，包括测试系统、液压系统和筒状的且上下开口的加热装置，所述测试系统具有相对设置的且可在轴向上相对运动的上压头和下压头，所述上压头的上表面设有压力传感器，所述液压系统通过所述压力传感器与所述上压头连接，以通过所述压力传感器对所述上压头施加向下的压力，所述上压头和所述下压头内设有冷却管，样品位于所述加热装置的筒芯中，所述样品的上、下端分别被所述上压头和所述下压头抵顶，一控制系统与所述液压系统连接，以控制所述液压系统通过所述上压头对样品施加的压力的大小，所述控制系统与所述压力传感器连接，以接收并记录所述压力传感器采集的所述液压系统通过所述上压头对样品施加的压力的大小，所述加热装置对样品采用辐射加热，所述控制系统与所述加热装置连接，以控制并记录所述加热装置的加热温度。
进一步地，所述加热装置包括位于内侧的加热层和位于外侧的隔热层，一应力松弛结构设于所述加热层和所述隔热层之间，以协调所述隔热层和所述加热层的热变形。
进一步地，所述加热层为石墨烯加热层，所述隔热层采用ZS-1耐高温隔热保温涂料，所述隔热层较所述加热层厚，所述应力松弛结构由高温钛合金材料制成。
进一步地，所述加热层厚170±10μm。
进一步地，所述加热层中设有用于采集所述加热层温度的第一温度传感器，所述加热层通过一智能温度控制器与所述控制系统连接，所述控制系统通过控制所述智能温度控制器来控制所述加热层的温度，所述控制系统与所述第一温度传感器连接以获取并记录所述第一温度传感器采集的温度。
进一步地，所述下压头的上表面设有沿径向分布的径向温度传感器，所述第一温度传感器和所述径向温度传感器均通过DT数据采集器与所述控制系统连接，以通过所述DT数据采集器向所述控制系统发送其采集的温度。
进一步地，所述径向温度传感器为K型压簧式热电偶温度传感器，用于测量所述下压头表面的径向温度分布。
进一步地，所述加热装置的侧壁上开设有可视窗，所述可视窗采用4号料耐高温玻璃制成，透过所述可视窗可看到所述样品。
进一步地，所述加热装置的所述加热层上设有滑槽，所述滑槽中安装有滑轮，所述下压头向上伸入所述加热装置，所述上压头的下端向下伸入所述加热装置，所述滑轮可在所述上压头的侧壁上滚动。
进一步地，所述上压头和所述下压头内的所述冷却管通过与之对应的循环水管与盛有冷却液的冰水循环箱连接，所述冷却液通过所述循环水管在所述冷却管和所述冰水循环箱之间循环，以冷却所述上压头和所述下压头。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明所述的基于材料试验机的高温强度应变测试系统，(1)设置对样品进行加热的所述加热装置，使样品能够升至所需高温，并能保持该高温，然后对其进行强度及变形测试，弥补了现有测试的空白；(2)所述上压头和所述下压头内设有的所述冷却管，能够及时冷却所述上压头和所述下压头，防止高温通过所述上压头和所述下压头而毁坏强度应变测试系统上的其它元器件，如所述压力传感器等。
附图说明
图1是本发明基于材料试验机的高温强度应变测试系统的框体图；
图2是本发明基于材料试验机的高温强度应变测试系统的结构示意图；
图3是本发明基于材料试验机的高温强度应变测试系统的加热装置的展开图；
图4是图3的侧视图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了基于材料试验机的高温强度应变测试系统，用于测得高温状态下材料的强度和应力应变关系，包括：测试系统2、液压系统9、水冷循环系统3、加热装置4和控制系统1。所述控制系统1连接所述测试系统2、液压系统9、水冷循环系统3和加热装置4，起调控作用。
请参考图2，所述测试系统2为MTS测试系统，包括在轴向方向上相对设置的上压头22和下压头23，所述上压头22位于所述下压头23的正上方，所述下压头23设于下底盘24上，所述上压头22的上表面上安装有压力传感器21，样品5放置于所述上压头22和所述下压头23之间，其上、下端分别抵顶所述上压头22和所述下压头23。所述下压头23与所述下底盘24之间还可以根据需要增设若干垫片(未图示)，以克服所述样品5因轴向高度较低而不足以同时连接所述上压头22和所述下压头23的问题。
所述下压头23的上表面设有沿径向分布的径向温度传感器82，所述径向温度传感器82通过DT数据采集器6与所述控制系统1连接，以通过所述DT数据采集器6向所述控制系统1发送其采集的温度。所述径向温度传感器82为K型压簧式热电偶温度传感器，用于测量所述下压头23表面的径向温度分布，测试范围：0-1000℃。
请参考图2，所述水冷循环系统3包括冷却管、盛有冷却液的冰水循环箱39及连接所述冷却管和所述冰水循环箱39的使所述冷却液在所述冷却管和所述冰水循环箱39之间循环的循环水管，所述冷却管为蜿蜒曲折的蛇形管，包括第一冷却管31和第二冷却管34，所述第一冷却管31位于所述上压头22内用于冷却所述上压头22，所述第二冷却管34位于所述下压头23内用于冷却所述下压头23，所述循环水管还包括第一入水管支管32、第一出水支管33、第二入水支管35和第二出水支管36，同时还包括总出水管38、总入水管37和位于所述总入水管37末端的水泵371，所述第一冷却管31的入水口和出水口分别与所述第一入水支管32和所述第一出水支管33连接，所述第二冷却管34的入水口和出水口分别与所述第二入水支管35和所述第二出水支管36连接，所述第一入水管32和所述第二入水管35汇流于所述总入水管37，所述第一出水管33和所述第二出水管36汇流于所述总出水管38，所述水泵371位于所述冰水循环箱39的箱底，所述总出水管38的末端伸入所述冰水循环箱39且位于所述冰水循环箱39的箱口附近，所述冰水循环箱39的箱底设有第二温度传感器81。所述第二温度传感器81通过所述DT数据采集器6与所述控制系统1连接，以通过所述DT数据采集器6向所述控制系统1发送其采集的温度。所述冰水循环箱39与一智能温度控制器7连接，所述智能温度控制器7通过控制所述冰水循环箱39的温度来控制所述水冷循环系统3的温度，其温度控制范围为-55℃-125℃，控制精度±3℃，所述第二温度传感器81采集的温度范围为-55℃-125℃，采集精度0.1℃。所述冷水循环箱39的容积为100L，人为添加冷水，为所述冷水循环系统3的冷源。
请参考图2，所述加热装置4为圆筒状结构，其中芯为上下导通的空心且两端开口，所述加热装置4设于所述测试系统2，所述下压头23向上伸入所述空心中，且所述加热装置4被所述下底盘24或者所述垫片支撑，所述上压头22的至少其下端伸入所述空心，从而所述样品5位于所述空心内，被所述加热装置4完全包裹住。
请参考图3至图4，所述加热装置4包括位于内侧的加热层42和位于外侧的隔热层41，所述加热层42为石墨烯加热层，总厚度为170±10μm，半径为50mm，高度为12cm，加热温度可达1700℃。所述石墨烯加热层由二维原子晶体——石墨烯来发热。石墨烯具有优异的导热性(导热系数高达5300W/m.K)，由石墨烯制成的加热层与传统的加热方式相比，不仅加热速度快，电热辐射转换效率高(电热辐射转换效率达80％以上)，且是面状加热，温度均匀分布，可使样品均匀受热。
所述隔热层41采用ZS-1耐高温隔热保温涂料，ZS-1耐高温隔热保温涂料的导热系数只有0.03W/m.K，隔热保温抑制效率可达90％左右，可防止内部热量向外部空间的传递，所述隔热层41尺寸稍大于所述加热层42，并完全包裹所述加热层42，能够有效的防止热量散失。
一应力松弛结构46设于所述加热层42和所述隔热层41之间，以协调所述隔热层41和所述加热层42的热变形。优选，所述应力松弛结构46由高温钛合金材料制成。
所述加热层42中设有用于采集所述加热层42温度的第一温度传感器83，所述第一温度传感器83通过所述DT数据采集器6与所述控制系统1连接，以通过所述DT数据采集器6向所述控制系统1发送其采集的温度。
所述加热层42还通过所述智能温度控制器7与所述控制系统1连接，所述控制系统1用于设置所述加热层42的加热温度，然后将设置好的所述加热温度转化成命令发至所述智能温度控制器7，所述智能温度控制器7响应所述控制系统1的命令，通过调整通往所述加热装置4的电流来直接的调整所述加热层42的加热温度，直至所述加热层42达到预设的所述加热温度，然后由所述智能温度控制器7控制所述加热装置4保持所述加热温度。所述智能温度控制器7控制温度范围为0-1000℃，精度±3℃。
所述加热装置4的侧壁上开设有可视窗43，所述可视窗43采用4号料耐高温(1200℃)玻璃制成。此类玻璃可长时间处在1200℃高温环境下工作。所述可视窗43尺寸为5cm*8cm，用于观察样品在高温状态下的变形和破坏情况。
所述加热装置4的所述加热层42上设有滑槽44，所述滑槽44中安装有滑轮45，所述滑轮45可在所述上压头22的侧壁上滚动。所述滑轮45半径5mm，厚度5mm。所述滑槽44具有两个，位于所述加热层42相对的两侧，长2cm，宽6mm，深5mm，当所述液压系统9驱动所述上压头下移时，在所述滑轮45的作用下，所述加热装置4与所述上压头22相对滚动，防止所述加热装置4温度应变产生荷载，从而可防止所述加热装置4被压坏。
使用时：
(1)对样品5进行初步加工，加工后的样品尺寸为：直径50，高度100mm；将样品5表面打磨平整光滑。
(2)将样品5放入所述测试系统2的所述下压头23上，启动所述测试系统2，通过所述控制系统1设置所述液压系统9输出0.5KN轴力，通过所述液压系统9使所述上压头22与所述样品5接触。
(3)通过所述控制系统1使所述液压系统9通过所述压力传感器21对所述上压头22施加向下的轴压，达到预设轴压后，维持轴压恒定。
(4)启动所述水冷循环系统3，防止高温损坏系统。
(5)通过所述控制系统1，给所述样品5设定加热温度，所述加热装置4以额定功率Q给所述样品5加热并维持高温；在高温状态下进行样品5的应力应变试验或强度试验，通过所述可视窗43可以观察试样的破坏情况。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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 (10)

1.一种基于材料试验机的高温强度应变测试系统，其特征在于：包括测试系统、液压系统和筒状的且上下开口的加热装置，所述测试系统具有相对设置的且可在轴向上相对运动的上压头和下压头，所述上压头的上表面设有压力传感器，所述液压系统通过所述压力传感器与所述上压头连接，以通过所述压力传感器对所述上压头施加向下的压力，所述上压头和所述下压头内设有冷却管，样品位于所述加热装置的筒芯中，所述样品的上、下端分别被所述上压头和所述下压头抵顶，一控制系统与所述液压系统连接，以控制所述液压系统通过所述上压头对样品施加的压力的大小，所述控制系统与所述压力传感器连接，以接收并记录所述压力传感器采集的所述液压系统通过所述上压头对样品施加的压力的大小，所述加热装置对样品采用辐射加热，所述控制系统与所述加热装置连接，以控制并记录所述加热装置的加热温度。
2.如权利要求1所述的基于材料试验机的高温强度应变测试系统，其特征在于：所述加热装置包括位于内侧的加热层和位于外侧的隔热层，一应力松弛结构设于所述加热层和所述隔热层之间，以协调所述隔热层和所述加热层的热变形。
3.如权利要求2所述的基于材料试验机的高温强度应变测试系统，其特征在于：所述加热层为石墨烯加热层，所述隔热层采用ZS-1耐高温隔热保温涂料，所述隔热层较所述加热层厚，所述应力松弛结构由高温钛合金材料制成。
4.如权利要求3所述的基于材料试验机的高温强度应变测试系统，其特征在于：所述加热层厚170±10μm。
5.如权利要求2所述的基于材料试验机的高温强度应变测试系统，其特征在于：所述加热层中设有用于采集所述加热层温度的第一温度传感器，所述加热层通过一智能温度控制器与所述控制系统连接，所述控制系统通过控制所述智能温度控制器来控制所述加热层的温度，所述控制系统与所述第一温度传感器连接以获取并记录所述第一温度传感器采集的温度。
6.如权利要求5所述的基于材料试验机的高温强度应变测试系统，其特征在于：所述下压头的上表面设有沿径向分布的径向温度传感器，所述第一温度传感器和所述径向温度传感器均通过DT数据采集器与所述控制系统连接，以通过所述DT数据采集器向所述控制系统发送其采集的温度。
7.如权利要求6所述的基于材料试验机的高温强度应变测试系统，其特征在于：所述径向温度传感器为K型压簧式热电偶温度传感器，用于测量所述下压头表面的径向温度分布。
8.如权利要求2所述的基于材料试验机的高温强度应变测试系统，其特征在于：所述加热装置的侧壁上开设有可视窗，所述可视窗采用4号料耐高温玻璃制成，透过所述可视窗可看到所述样品。
9.如权利要求2所述的基于材料试验机的高温强度应变测试系统，其特征在于：所述加热装置的所述加热层上设有滑槽，所述滑槽中安装有滑轮，所述下压头向上伸入所述加热装置，所述上压头的下端向下伸入所述加热装置，所述滑轮可在所述上压头的侧壁上滚动。
10.如权利要求1所述的基于材料试验机的高温强度应变测试系统，其特征在于：所述上压头和所述下压头内的所述冷却管通过与之对应的循环水管与盛有冷却液的冰水循环箱连接，所述冷却液通过所述循环水管在所述冷却管和所述冰水循环箱之间循环，以冷却所述上压头和所述下压头。
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