CN110044722A - 超高温高频材料力学性能测试仪器及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超高温高频材料力学性能测试仪器及方法，属于精密仪器测试领域。预拉伸加载模块由铅直方向两个伺服电机驱动，实现十字形试件铅直方向拉伸预荷载的加载；高频疲劳加载模块基于超声疲劳实验原理，实现试件的高频疲劳材料力学性能测试；拉伸/压缩加载模块由两个水平放置的电动作动缸驱动，实现十字形试拉伸/压缩复杂载荷的加载；超高温加载模块配备了低中频感应对开式加热炉，实现试件测试区域的超高温局部加载，最高加载温度可达1600℃。优点在于：在对试件进行拉伸/压缩测试的同时，增设了高频疲劳测试以及超高温加载环境，使材料的拉伸/压缩测试与高频疲劳测试更加接近真实服役环境，提高了测试结果的可靠性和准确性。
Description
技术领域
本发明涉及精密仪器测试领域，特别涉及一种超高温高频材料力学性能测试仪器及方法。本发明能够在真空、惰性气体或是局部氧化的氛围下为超高温高频材料提供拉/压复杂荷载的加载，同时在上述复杂载荷和环境下利用超声疲劳试验技术开展材料的高频疲劳试验，实现特定工况下材料服役性能的测试。
背景技术
在航空航天领域，关键零部件都服役在高温高压、高速旋转、多重应力以及复杂荷载等极端环境下。尽管有大量的科研工作者致力于研究极端环境下材料失效模式/机理的研究，但对于材料的失效模式/机理仍然知之甚少，最重要的原因是缺乏模拟航空航天领域所涉及的极端环境的试验仪器，无法通过试验验证所提出的各种理论模型的正确性。因此，面向关键材料复杂载荷下失效模式/机理的研究需要，开展高温/复杂载荷下测试仪器的研制，以评估进而保障关键材料服役性能，将为服务国家重大战略需求提供重要的技术支撑。
获取航空航天材料服役在极端环境下力学性能的数据，不仅有益于该类材料失效模式/机理的研究，减少甚至消除因材料失效导致的严重事故的发生；而且助于改善该领域零部件的制造工艺以提高材料的使用性能。因此，研制开发针对航空航天领域服役在高温、高频以及承受复杂荷载下材料的测试仪器意义重大并且拥有十分广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超高温高频材料力学性能测试仪器及方法，解决现有技术存在的复杂荷载难以加载、常规疲劳测试周期长、极端环境难以模拟的问题。本发明除可实现对材料拉伸/压缩复杂荷载加载、超生疲劳加载外，还能够模拟高温/真空氛围，实现对航空航天领域高温高频材料力学性能的测试；若结合双比色测温仪、数字散斑技术等，可实现对材料实时观测的原位测试。
本发明用于对各种高温、高频材料力学性能测试，探究其在实际服役过程中的失效机理，获取材料的力学性能数据。本发明集拉伸/压缩加载模块、超声疲劳加载单元、超高温加载模块于一体，双轴拉伸/压缩测试能够模拟多种平面应力状态，本发明利用拉伸/压缩加载模块来模拟材料所承受的复杂荷载；超声疲劳试验技术是一种共振式的高频疲劳试验方法，由于其测试频率可达20kHz，完成一组1010周次疲劳试验仅需14小时，可以极大的缩短疲劳试验时间，本发明利用超声疲劳加载模块对试件展开高频疲劳测试；航空航天领域关键材料大都服役于超高温、真空环境，本发明利用超高温加载模块对试件进行加热并模拟试件的真空氛围。基于以上所述，本发明可以实现超高温高频材料力学性能测试仪器平台的搭建并完成相关力学性能的测试。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
超高温高频材料力学性能测试仪器，包括拉伸/压缩加载模块1、高频疲劳加载模块7、预拉伸加载模块5、超高温加载模块及机架6，所述机架6的机架支撑腿Ⅰ~Ⅳ通过螺钉紧固在隔震台上；所述拉伸/压缩加载模块1通过电动缸101的法兰、法兰连接架2与机架6的机架支撑块Ⅰ603螺纹固定连接，拉伸/压缩加载模块1水平对称布置实现复杂荷载的加载；预拉伸加载模块5通过伺服电机501的法兰、法兰连接板502、导向支撑块4与机架6的机架支撑块Ⅱ608螺纹固定连接，实现试件预拉伸的加载；所述高频疲劳加载模块7通过超声连接器702的法兰、波纹管304螺纹固定在超高温加载模块的加热炉炉体302上，实现高频材料的超声疲劳加载；加热炉炉体302通过波纹管与拉伸/压缩加载模块1、预拉伸加载模块5螺纹连接，并固定在机架6上；炉体支撑块306安装于加热炉体302中下部，其作用是加固加热炉体302并防止加热炉体因高温而变形过大；抽真空系统与对开式中频感应加热炉3上的真空泵接口307螺纹连接，实现在真空、惰性气体或局部氧化的氛围中对试件进行超高温加载。
所述的预拉伸加载模块5是：伺服电机501的法兰、法兰连接板502与导向支撑块4螺纹连接，所述导向支撑块4与机架支撑块Ⅱ608螺纹连接将伺服电机固定于机架6；伺服电机501输出轴通过联轴器与滚珠丝杠503连接，丝杠螺母504安装于滚珠丝杠503上，丝杠螺母504、螺母固定块505、连接板Ⅰ506、拉压力传感器510、连接板Ⅱ507依序通过螺纹连接；导向杆511通过螺栓连接贯穿导向支撑块4、连接板Ⅱ507和导向支撑块4的盲孔；连接板Ⅱ507、预拉伸加载杆509固定在预拉伸连接块508上，实现十字形试件9的预拉伸加载。
所述的拉伸/压缩加载模块1电动缸101通过法兰连接架2固定在机架6上，电动缸输出轴101、连接轴102、拉压力传感器103依次通过螺纹连接，隔热板104安装在力传感器103与过渡轴Ⅰ105之间，所述过渡轴Ⅰ105与过渡轴Ⅱ106通过法兰螺纹连接，过渡轴Ⅱ106里有进水管接头108和出水管接头107，进水管接头108和出水管接头107贯穿于过渡轴Ⅲ109，并与高温夹具体110对应的孔位相通，过渡轴Ⅱ106、过渡轴Ⅲ109与高温夹具体110通过螺纹连接，高温夹具体110上涂覆夹具隔热层111，拉伸/压缩加载模块1水平对称布置安装在机架的机架支撑块Ⅰ603上，从而实现对试件进行拉-拉、拉-压复杂荷载的加载。
所述的高频疲劳加载模块7包括依次螺纹连接的超声换能器704、超声发生器703、超声连接器702、变幅杆701，超声连接器702上的法兰与波纹管304螺纹连接并固定于加热炉炉体302上，变幅杆701端部的凸台与十字形试件9螺纹连接。
所述的超高温环境加载模块包括对开式中频感应加热炉3、中频感应加热装置8两部分，加热炉后盖301采用低频加热电源利用加热，加热炉前盖305采用高频加热电源加热，感应加热电源的中频、高频交流电流通过立条801传入感应线圈805中对石墨体进行加热，中频感应加热装置8通过加热炉支撑体802螺纹安装在加热炉前盖301和加热炉后盖305的内壁上，感应线圈805安装于保温石墨毡Ⅱ809中，保温石墨毡Ⅱ809、石墨加热体806、保温石墨毡Ⅰ808依次装配到加热体支撑套804中，在加热体支撑套804内有耐高温卡紧件807，加热体支撑套804通过加热炉支撑体802的挡销803和耐高温卡紧件807紧密的装配在一起，外部抽真空系统通过真空泵接口307对密封腔进行真空环境的营造，对感应线圈805通电从而对石墨加热体806加热，石墨加热体806通过热传导对标距区的十字形试件加热到测试温度，保温石墨毡Ⅱ809和保温石墨毡Ⅰ808对石墨加热体806保温，在真空、惰性气体或局部氧化的氛围下实现十字形试件9超高温加载，其中超高温的局部氧化温度最高为1600℃。
所述的机架6由机架支撑腿Ⅰ~Ⅳ（604、605、606、607）、机架前支撑板602、机架支撑块Ⅰ~Ⅳ（603、608、611、614）、机架连接架Ⅰ~Ⅳ（609、610、613、612）及机架后支撑板601组成，机架前支撑板602与机架后支撑板601通过机架支撑块Ⅰ~Ⅳ（603、608、611、614）和机架连接架Ⅰ~Ⅳ（609、610、613、612）通过螺钉组装在一起，构成仪器的主体框架。
本发明的另一目的在于提供一种高温氛围下的材料拉伸/压缩试验方法和一种高温氛围下的材料拉伸/压缩试验方法，步骤如下：
步骤1、在测试前对十字形试件9进行装夹，利用快速拧紧机构303拧紧加热炉前盖305和加热炉后盖301；
步骤2、启动设备，首先对加热炉炉体302密封腔进行真空处理，待真空度达到要求后向中频感应加热装置8中通入中频电流实现对石墨加热体806的加热，通过双比色测温仪检测十字形试件9的温度，待标距区的测试温度达到预设温度（例如：1400℃，最高温度为1600℃）时，保持温度；同时，控制拉伸/压缩加载模块1的电动缸101，对十字形试件9进行拉伸/压缩试验，收集传感器数据并实时处理，获得十字形试件9的材料在预设温度下（例如：1400℃，最高温度为1600℃）的拉伸/压缩性能曲线。
一种高温氛围下的材料拉伸/压缩试验方法，步骤如下：
步骤1、在测试前对十字形试件9进行装夹，利用快速拧紧机构303拧紧加热炉前盖305和加热炉后盖301；
步骤2、启动设备，首先对加热炉炉体302密封腔进行真空处理，待真空度达到要求后向中频感应加热装置8中通入中频电流实现对石墨加热体806的加热，通过双比色测温仪检测十字形试件9的温度，待标距区的测试温度达到预设温度（例如：1400℃，最高温度为1600℃）时，控制预拉伸加载模块5对十字形试件9进行预拉伸，通过拉伸/压缩加载模块1保持十字形试件9水平方向拉伸，启动高频疲劳加载模块7并控制疲劳加载的频率为20kHz，对十字形试件9进行高频疲劳测试，利用数字散斑技术通过加热炉前盖305的透视窗对测试过程进行实时观测，完成十字形试件9在1600℃下的疲劳测试。
本发明的有益效果在于：
1、本发明与现有仪器相比，在双轴拉伸试验中针对航空航天领域高温高频材料制成的十字形试件不仅可实现拉伸/压缩复杂荷载的加载，还增设了超高温/真空氛围加载和大幅度较少疲劳测试时间的超声疲劳加载，使材料的服役条件十分接近实际工况，提高了测试结果的准确性和可靠性。
2、通过本发明进行试验可以获得航空航天领域超高温高频材料在拉伸/压缩复合荷载、超高温、超声疲劳作用下更为精确的力学性能参数，不仅可为相关科研人员研究上述材料在复杂荷载、超高温、高频作用下失效机理时提供相应的力学参数，而且可以对相关科研人员提出的失效机理理论模型进行试验验证，对于预防上述材料因失效而导致的重大事故的发生具有重大意义。
3、本发明对原位测试设备具有兼容性。本仪器在试验过程中可结合数字散斑技术、双比色测温仪等可以实现材料力学性能的实时观测，以便观察材料失效的演化过程和研究材料的失效机理。
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为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明机架的结构示意图；
图3为本发明机架的半剖视图；
图4为本发明拉伸/压缩加载模块的结构示意图；
图5为本发明拉伸/压缩加载模块夹具体冷却结构剖面图；
图6为本发明拉伸/压缩加载模块对称布置的结构示意图；
图7为本发明对开式中频感应加热炉结构示意图；
图8为本发明中频感应加热装置的立体结构示意图；
图9为本发明中频感应加热装置的侧视示意图；
图10为图9的A-A剖面图；
图11为本发明预拉伸加载模块和超声疲劳加载模块布置的结构示意图；
图12为本发明预拉伸加载模块和超声疲劳加载模块的结构示意图；
图13为本发明超声高频疲劳试验装置原理图。
图中：1、拉伸/压缩加载模块；2、法兰连接架；3、对开式中频感应加热炉；4、导向支撑块；5、预拉伸加载模块；6、机架；7、高频疲劳加载模块；8、中频感应加热装置；9、十字形试件；10、工业控制计算机；11、超声波功率发生器；101、电动缸；102、连接轴；103、拉压传感器；104、隔热板；105、过渡轴Ⅰ；106、过渡轴Ⅱ；107、出水管接头；108、进水管接头；109、过渡轴Ⅲ；110、高温夹具体；111、夹具隔热层；301、加热炉后盖；302、加热炉炉体；303、快速拧紧机构；304、波纹管；305、加热炉前盖；306、炉体支撑块；307、真空泵接口；501、伺服电机；502、法兰连接板；503、滚珠丝杠；504、螺母；505、螺母固定块；506、连接板Ⅰ；507、连接板Ⅱ；508、预拉伸连接块；509、预拉伸加载杆；510、拉压力传感器；511、导向杆；601、机架后支撑板；602、机架前支撑板；603、机架支撑块Ⅰ；604、机架支撑腿Ⅰ；605、机架支撑腿Ⅱ；606、机架支撑腿Ⅳ；607、机架支撑腿Ⅲ；608、机架支撑块Ⅱ；609、机架连接板Ⅰ；610、机架连接板Ⅱ；611、机架支撑块Ⅲ；612、机架连接板Ⅳ；613、机架连接板Ⅲ；614、机架支撑块Ⅳ；701、变幅杆；702、超声连接器；703、超声发生器；704、超声换能器； 801、立条；802、加热炉支撑体；803、挡销；804、加热体支撑套；805、感应线圈；806、石墨加热体；807、耐高温卡紧件；808、保温石墨毡Ⅰ；809、保温石墨毡Ⅱ。
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13所示，本发明的超高温高频材料力学性能测试仪器及方法，仪器包括预拉伸加载模块、高频疲劳加载模块、拉伸/压缩加载模块、超高温环境加载模块及主体框架。预拉伸加载模块由铅直方向两个伺服电机驱动，实现十字形试件铅直方向拉伸预荷载的加载；高频疲劳加载模块基于超声疲劳实验原理，实现试件的高频疲劳材料力学性能测试；拉伸/压缩加载模块由两个水平放置的电动作动缸驱动，实现十字形试件拉伸/压缩复杂载荷的加载；超高温加载模块配备了低中频感应对开式加热炉，实现试件测试区域的超高温局部加载，最高加载温度可达1600℃。在对试件进行拉伸/压缩测试的同时，增设了高频疲劳测试以及超高温加载环境，使材料的拉伸/压缩测试与高频疲劳测试更加接近真实服役环境，提高了测试结果的可靠性和准确性。
参见图1至图12所示，本发明的超高温高频材料力学性能测试仪器包括，拉伸/压缩加载模块1、高频疲劳加载模块7、预拉伸加载模块5、超高温加载模块及机架6，所述机架6的机架支撑腿Ⅰ~Ⅳ通过螺钉紧固在定制的预留螺纹孔的隔震台上；所述拉伸/压缩加载模块1通过电动缸101的法兰、法兰连接架2与机架6的机架支撑块Ⅰ603螺纹固定连接，拉伸/压缩加载模块1水平对称布置可实现拉-拉、拉-压、压-压等复杂荷载的加载；预拉伸加载模块5通过伺服电机501的法兰、法兰连接板502、导向支撑块4与机架6的机架支撑块Ⅱ608螺纹固定连接，实现试件预拉伸的加载。所述高频疲劳加载模块7通过超声连接器702的法兰、波纹管304螺纹固定在超高温加载模块的加热炉炉体302上，实现高频材料的超声疲劳加载；加热炉炉体302通过波纹管与拉伸/压缩加载模块1、预拉伸加载模块5螺纹连接，并固定在机架6上；炉体支撑块306安装于加热炉体302中下部，其作用是加固加热炉体302并防止加热炉体因高温而变形过大；抽真空系统与对开式中频感应加热炉3上的真空泵接口307螺纹连接，实现在真空、惰性气体或局部氧化的氛围中对试件进行超高温加载。
参见图2、图3所示，本发明所述的机架6由机架支撑腿Ⅰ~Ⅳ（604、605、606、607）、机架前支撑板602、机架支撑块Ⅰ~Ⅳ（603、608、611、614）、机架连接架Ⅰ~Ⅳ（609、610、613、612）及机架后支撑板601组成，机架前支撑板602与机架后支撑板601通过机架支撑块Ⅰ~Ⅳ（603、608、611、614）和机架连接架Ⅰ~Ⅳ（609、610、613、612）通过螺钉组装在一起，构成仪器的主体框架。
参见图4至图6所示，本发明所述的拉伸/压缩加载模块1主要由电动缸101、连接轴102、力传感器103、隔热板104、过渡轴Ⅰ105、过渡轴Ⅱ106、出水管接头107、进水管接头108、过渡轴Ⅲ109、高温夹具体110及夹具隔热涂层111组成，所述电动缸101通过法兰连接架2固定在机架6上，电动缸输出轴101、连接轴102、拉压力传感器103依次通过螺纹连接，隔热板104安装在力传感器103与过渡轴Ⅰ105之间并通过法兰螺纹连接，所述过渡轴Ⅰ105与过渡轴Ⅱ106通过法兰螺纹连接，过渡轴Ⅱ106上有进水管接头108和出水管接头107的圆孔，进水管接头108和出水管接头107贯穿于过渡轴Ⅲ109，并与高温夹具体110对应的孔位相通，过渡轴Ⅱ106、过渡轴Ⅲ109与高温夹具体110通过螺纹连接，高温夹具体110上涂覆夹具隔热层111，拉伸/压缩加载模块1水平对称布置安装在机架的机架支撑块Ⅰ603上，从而实现对试件进行拉-拉、拉-压复杂荷载的加载。
参见图7至图10所示，本发明所述的超高温环境加载模块包括对开式中频感应加热炉3、中频感应加热装置8两部分，加热炉后盖301采用低频加热电源加热，加热炉前盖305采用高频加热电源加热，感应加热电源的中频、高频交流电流通过立条801传入感应线圈805中对石墨体进行加热，中频感应加热装置8通过加热炉支撑体802螺纹安装在加热炉前盖301和加热炉后盖305的内壁上，感应线圈805安装于保温石墨毡Ⅱ809中，保温石墨毡Ⅱ809、石墨加热体806、保温石墨毡Ⅰ808依次装配到加热体支撑套804中，在加热体支撑套804内有耐高温卡紧件807，加热体支撑套804通过加热炉支撑体802的挡销803和耐高温卡紧件807紧密的装配在一起，外部抽真空系统通过真空泵接口307对密封腔进行真空环境的营造，对感应线圈805通电从而对石墨加热体806加热，石墨加热体806通过热传导对标距区的十字形试件加热到测试温度，保温石墨毡Ⅱ809和保温石墨毡Ⅰ808对石墨加热体806保温，依上所述可在真空、惰性气体或局部氧化的氛围下实现十字形试件9超高温加载，其中超高温的局部氧化温度最高为1600℃。
参见图11至图13所示，本发明所述的高频疲劳加载模块7包括依次螺纹连接的超声换能器704、超声发生器703、超声连接器702、变幅杆701，超声连接器702上的法兰与波纹管304螺纹连接并固定于加热炉炉体302上，变幅杆701端部的凸台与十字形试件9螺纹连接从而实现十字形试件9预拉伸的加载和超声疲劳加载；高频疲劳加载模块超声谐振力学系统由超声换能器704、中间的变幅杆701和下部的十字形试件9组成；试验时，首先通过扫频确定谐振频率，然后利用工业控制计算机10和超声波功率发生器11按谐振频率向超声换能器704提供交变电压，通过改变交变电压的幅值就可以改变时间端部的位移幅值，相应地改变十字形试件被试截面上的应力幅值，从而实现十字形试件9高频疲劳加载。
本发明所述的预拉伸加载模块5主要由伺服电机501、法兰连接板502、导向支撑块4、滚珠丝杠503、螺母504、螺母固定块505、连接板Ⅰ506、预拉伸加载块508、预拉伸加载杆509、拉压力传感器510、连接板Ⅱ507、导向杆512、导向支撑块4组成；所述伺服电机501的法兰、法兰连接板502与导向支撑块4螺纹连接，所述导向支撑块4与机架支撑块Ⅱ608螺纹连接将伺服电机固定于机架6；伺服电机501输出轴通过联轴器与滚珠丝杠503连接，螺母504与螺母固定块505螺纹连接，螺母固定块505、连接板Ⅰ506、拉压力传感器510、连接板Ⅱ507依序通过螺纹连接；导向杆511通过螺栓连接贯穿导向支撑块4、连接板Ⅱ507和导向支撑块4的盲孔；连接板Ⅱ507、预拉伸加载杆509通过螺钉连接被固定在预拉伸连接块508上，依据上述描述可以实现十字形试件9的预拉伸加载。
本发明可以提供超高温高频材料在高温/真空环境下“拉-拉、拉-压、压-压”复杂荷载的加载，同时结合超声疲劳测试技术可展开对所研究材料的高频疲劳试验。所述水平对称布置的拉伸/压缩加载模块1由电动缸101驱动、拉压力传感器103作为检测原件，可以实现力-位移-力的闭环控制，从而达到拉/压荷载的精密加载；竖直方向对称布置的预拉伸加载模块5由伺服电机501作为动力驱动滚珠丝杠503-螺母504机构实现对十字形试件预拉伸的加载，由拉压力传感器511作为检测原件，可实现对十字形试件预拉伸荷载的精密加载；所述的高频疲劳加载模块7由超声发生器703产生高频交变电信号传输至超声换能器704，进而通过变幅杆701激发包含十字形试件9在内的高频疲劳执行组件产生高频谐迫振动，从而实现十字形试件9的高频疲劳试验；所述超高温环境加载模块包括对开式中频感应加热炉3和中频感应加热装置8两部分，中频感应加热装置8通过加热炉支撑体802螺纹连接固定在加热炉炉体302上，抽真空系统通过真空泵接口307与加热炉炉体302相连实现加热炉炉体302真空氛围的营造，通过对中频感应加热装置8中感应线圈805通入特定频率的交流电对石墨加热体806加热，石墨加热体806通过热传导对十字形试件9进行加热，从而实现十字形试件9超高温/真空加载。
本发明的超高温高频材料力学性能测试方法进行拉伸/压缩试验，包括如下步骤：
步骤1、对十字形试件9进行装夹，利用快速拧紧机构303拧紧加热炉前盖305和加热炉后盖301；
步骤2、启动设备，首先对加热炉炉体302密封腔进行真空处理，待真空度达到要求后向中频感应加热装置8中通入中频电流实现对石墨加热体806的加热，通过双比色测温仪检测十字形试件9的温度，待标距区的测试温度达到1400℃时，保持温度；同时，控制拉伸/压缩加载模块1的电动缸101，对十字形试件9进行拉伸/压缩试验，收集传感器数据并实时处理，获得十字形试件9的材料在1400℃下的拉伸/压缩性能曲线。
本发明的超高温高频材料力学性能测试方法进行高频疲劳测试，包括如下步骤：
步骤1、对十字形试件9进行装夹，利用快速拧紧机构303拧紧加热炉前盖305和加热炉后盖301；
步骤2、启动设备，首先对加热炉炉体302密封腔进行真空处理，待真空度达到要求后向中频感应加热装置8中通入中频电流实现对石墨加热体806的加热，通过双比色测温仪检测十字形试件9的温度，待标距区的测试温度达到1400℃之后，控制预拉伸加载模块5对十字形试件9进行预拉伸，通过拉伸/压缩加载模块1保持十字形试件9水平方向拉伸，启动高频疲劳加载模块7并控制疲劳加载的频率为20kHz，对十字形试件9进行高频疲劳测试，利用数字散斑技术通过加热炉前盖305的透视窗对测试过程进行实时观测，完成十字形试件9在1600℃下的疲劳测试。
实施例1：
对C/C复合材料在1400℃下的拉伸/压缩性能进行测试。在测试前，对C/C复合材料制成的十字形试件9进行装夹、利用快速拧紧机构303拧紧加热炉前盖305和加热炉后盖301、对仪器进行校准、检查各模块密封性等前期准备工作；启动设备，首先对加热炉炉体302密封腔进行真空处理，待真空度达到要求后向中频感应加热装置8中通入中频电流实现对石墨加热体806的加热，通过双比色测温仪检测十字形试件9温度，待标距区的测试温度达到1400℃时，通过温控系统保持温度；同时，控制拉伸/压缩加载模块1的电动缸101，对十字形试件进行拉伸/压缩试验，收集传感器数据并实时处理，获得C/C复合材料在1400℃下的拉伸/压缩性能曲线。
实施例2：
对C/C复合材料在1400℃下进行高频疲劳测试。与实例1不同之处在于，待标距区达到测试温度1400℃之后，控制预拉伸加载模块对十字形试件9进行预拉伸，通过拉伸/压缩加载单元1对十字形试件保持水平方向拉伸，启动高频疲劳加载模块7并控制疲劳加载的频率为20kHz，对十字形试件9进行高频疲劳测试，利用数字散斑技术通过加热炉前盖的透视窗对测试过程进行实时观测，完成十字形试件9在温度为1600℃下的疲劳测试。
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 (8)
1.超高温高频材料力学性能测试仪器，其特征在于：包括拉伸/压缩加载模块（1）、高频疲劳加载模块（7）、预拉伸加载模块（5）、超高温加载模块及机架（6），所述机架（6）的机架支撑腿Ⅰ~Ⅳ通过螺钉紧固在隔震台上；所述拉伸/压缩加载模块（1）通过电动缸（101）的法兰、法兰连接架（2）与机架（6）的机架支撑块Ⅰ（603）螺纹固定连接，拉伸/压缩加载模块（1）水平对称布置实现复杂荷载的加载；预拉伸加载模块（5）通过伺服电机（501）的法兰、法兰连接板（502）、导向支撑块（4）与机架（6）的机架支撑块Ⅱ（608）螺纹固定连接，实现试件预拉伸的加载；所述高频疲劳加载模块（7）通过超声连接器（702）的法兰、波纹管（304）螺纹固定在超高温加载模块的加热炉炉体（302）上，实现高频材料的超声疲劳加载；加热炉炉体（302）通过波纹管与拉伸/压缩加载模块（1）、预拉伸加载模块（5）螺纹连接，并固定在机架（6）上；炉体支撑块（306）安装于加热炉体（302）中下部；抽真空系统与对开式中频感应加热炉（3）上的真空泵接口（307）螺纹连接，实现在真空、惰性气体或局部氧化的氛围中对试件进行超高温加载。
2.根据权利要求1所述的超高温高频材料力学性能测试仪器，其特征在于：所述的预拉伸加载模块（5）是：伺服电机（501）的法兰、法兰连接板（502）与导向支撑块（4）螺纹连接，所述导向支撑块（4）与机架支撑块Ⅱ（608）螺纹连接将伺服电机固定于机架（6）；伺服电机（501）输出轴通过联轴器与滚珠丝杠（503）连接，丝杠螺母（504）安装于滚珠丝杠（503）上，丝杠螺母（504）、螺母固定块（505）、连接板Ⅰ（506）、拉压力传感器（510）、连接板Ⅱ（507）依序通过螺纹连接；导向杆（511）通过螺栓连接贯穿导向支撑块（4）、连接板Ⅱ（507）和导向支撑块（4）的盲孔；连接板Ⅱ（507）、预拉伸加载杆（509）固定在预拉伸连接块（508）上，实现十字形试件（9）的预拉伸加载。
3.根据权利要求1所述的超高温高频材料力学性能测试仪器，其特征在于：所述的拉伸/压缩加载模块（1）是：电动缸（101）通过法兰连接架（2）固定在机架（6）上，电动缸输出轴（101）、连接轴（102）、拉压力传感器（103）依次通过螺纹连接，隔热板（104）安装在力传感器（103）与过渡轴Ⅰ（105）之间，所述过渡轴Ⅰ（105）与过渡轴Ⅱ（106）通过法兰螺纹连接，过渡轴Ⅱ（106）里有进水管接头（108）和出水管接头（107），进水管接头（108）和出水管接头（107）贯穿于过渡轴Ⅲ（109），并与高温夹具体（110）对应的孔位相通，过渡轴Ⅱ（106）、过渡轴Ⅲ（109）与高温夹具体（110）通过螺纹连接，高温夹具体（110）上涂覆夹具隔热层（111），拉伸/压缩加载模块（1）水平对称布置安装在机架的机架支撑块Ⅰ（603）上，从而实现对试件进行拉-拉、拉-压复杂荷载的加载。
4.根据权利要求1所述的超高温高频材料力学性能测试仪器，其特征在于：所述的高频疲劳加载模块（7）包括依次螺纹连接的超声换能器（704）、超声发生器（703）、超声连接器（702）、变幅杆（701），超声连接器（702）上的法兰与波纹管（304）螺纹连接并固定于加热炉炉体（302）上，变幅杆（701）端部的凸台与十字形试件（9）螺纹连接。
5.根据权利要求1所述的超高温高频材料力学性能测试仪器，其特征在于：所述的超高温环境加载模块包括对开式中频感应加热炉（3）、中频感应加热装置（8）两部分，加热炉后盖（301）采用低频加热电源利用加热，加热炉前盖（305）采用高频加热电源加热，感应加热电源的中频、高频交流电流通过立条（801）传入感应线圈（805）中对石墨体进行加热，中频感应加热装置（8）通过加热炉支撑体（802）螺纹安装在加热炉前盖（301）和加热炉后盖（305）的内壁上，感应线圈（805）安装于保温石墨毡Ⅱ（809）中，保温石墨毡Ⅱ（809）、石墨加热体（806）、保温石墨毡Ⅰ（808）依次装配到加热体支撑套（804）中，在加热体支撑套（804）内有耐高温卡紧件（807），加热体支撑套（804）通过加热炉支撑体（802）的挡销（803）和耐高温卡紧件（807）紧密的装配在一起，外部抽真空系统通过真空泵接口（307）对密封腔进行真空环境的营造，对感应线圈（805）通电从而对石墨加热体（806）加热，石墨加热体（806）通过热传导对标距区的十字形试件加热到测试温度，保温石墨毡Ⅱ（809）和保温石墨毡Ⅰ（808）对石墨加热体（806）保温，在真空、惰性气体或局部氧化的氛围下实现十字形试件（9）超高温加载，其中超高温的局部氧化温度最高为1600℃。
6.根据权利要求1所述的超高温高频材料力学性能测试仪器，其特征在于：所述的机架（6）由机架支撑腿Ⅰ~Ⅳ（604、605、606、607）、机架前支撑板（602）、机架支撑块Ⅰ~Ⅳ（603、608、611、614）、机架连接架Ⅰ~Ⅳ（609、610、613、612）及机架后支撑板（601）组成，机架前支撑板（602）与机架后支撑板（601）通过机架支撑块Ⅰ~Ⅳ（603、608、611、614）和机架连接架Ⅰ~Ⅳ（609、610、613、612）通过螺钉组装在一起，构成仪器的主体框架。
7.一种利用权利要求1-6任一项所述的超高温高频材料力学性能测试仪器实现的测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、对十字形试件（9）进行装夹，利用快速拧紧机构（303）拧紧加热炉前盖（305）和加热炉后盖（301）；
步骤2、启动设备，首先对加热炉炉体（302）密封腔进行真空处理，待真空度达到要求后向中频感应加热装置（8）中通入中频电流实现对石墨加热体（806）的加热，通过双比色测温仪检测十字形试件（9）的温度，待标距区的测试温度达到预设温度时，保持温度；同时，控制拉伸/压缩加载模块（1）的电动缸（101），对十字形试件（9）进行拉伸/压缩试验，收集传感器数据并实时处理，获得十字形试件（9）的材料在预设温度下的拉伸/压缩性能曲线。
8.一种利用权利要求1-6任一项所述的超高温高频材料力学性能测试仪器实现的测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、对十字形试件（9）进行装夹，利用快速拧紧机构（303）拧紧加热炉前盖（305）和加热炉后盖（301）；
步骤2、启动设备，首先对加热炉炉体（302）密封腔进行真空处理，待真空度达到要求后向中频感应加热装置（8）中通入中频电流实现对石墨加热体（806）的加热，通过双比色测温仪检测十字形试件（9）的温度，待标距区的测试温度达到预设温度时，控制预拉伸加载模块（5）对十字形试件（9）进行预拉伸，通过拉伸/压缩加载模块（1）保持十字形试件（9）水平方向拉伸，启动高频疲劳加载模块（7）并控制疲劳加载的频率为20kHz，对十字形试件（9）进行高频疲劳测试，利用数字散斑技术通过加热炉前盖（305）的透视窗对测试过程进行实时观测，完成十字形试件（9）在最高为1600℃的疲劳测试。
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