CN110823713A - 一种材料高温力学性能的三点弯曲检测装置 - Google Patents

一种材料高温力学性能的三点弯曲检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种材料高温力学性能的三点弯曲检测装置，包括：加热系统(1)、加载系统(2)和DIC实时观察系统(3)；所述加热系统(1)用于盛放及加热待测样品；所述加载系统(2)用于对所述待测样品施加力作用；所述DIC实时观察系统(3)用于透过所述加热系统(1)观察所述待测样品各部分的应变。该设备通过加热系统(1)对待测样品进行加热，同时通过加载系统(2)对待测样品施加力的作用，再通过DIC实时观察系统(3)观测样品各点的应变，还可以观测样品弯曲下的真实挠度，甚至可实时的观察出哪个位置在哪个时刻出现了裂纹，免除了应用传统设备的复杂步骤，并且减少了实验耗材，节约了实验成本。

Description

一种材料高温力学性能的三点弯曲检测装置
技术领域
本发明涉及材料检测技术领域，尤其涉及一种材料高温力学性能的三点弯曲检测装置。
背景技术
热障涂层(Thermal Barrier Coatings)是一层陶瓷涂层，它沉积在耐高温金属或超合金的表面，热障涂层对于基底材料起到隔热作用，降低基底温度，使得用其制成的器件(如发动机涡轮叶片)能在高温下运行，并且可以提高器件(发动机等)热效率达到60％以上。
目前，热障涂层在我国航空发动机涡轮叶片上的应用研究已经开始并得到重视，已在某些涡轮叶片上喷涂出热障涂层，取得了阶段性成果。热障涂层技术的应用可以大幅提升发动机和地面燃气轮机的综合性能，延长其使用寿命，是高性能发动机和燃气轮机研制的关键技术之一，随着我国大飞机、地面燃气轮机、固体燃料发动机技术的不断进步，对热障涂层的需求将会越来越巨大，热障涂层将在航天、舰船、核工业、汽车等领域的热端部件上拥有广泛的应用前景。与此同时，热障涂层制造工艺及设备将得到不断改进，设计人员对带热障涂层的认识将更加全面，热障涂层工艺人员技术也将更加娴熟。
热障涂层制造工艺日渐完善，但是热障涂层的检测设备还是停留在非常落后的阶段，目前的检测设备还无法通过一次实验检测材料的高温力学性能。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是提供一种材料高温力学性能的三点弯曲检测装置以解决现有技术无法实时观察样品在高温环境中弯曲的应变和挠度。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种材料高温力学性能的三点弯曲检测装置，包括：加热系统、加载系统和DIC实时观察系统；所述加热系统用于盛放及加热待测样品；所述加载系统用于对所述待测样品施加力作用；所述DIC实时观察系统用于透过所述加热系统观察所述待测样品各部分的应变。
进一步地，所述加热系统包括：炉体和加热装置；所述炉体用于盛放及加热待测样品；所述加热装置用于对所述炉体加热，从而使炉体内部的加热腔升温。
进一步地，所述加热装置包括以下至少之一：电阻加热、感应加热、电弧加热、电子束加热、红外线加热和介质加热。
进一步地，所述加载系统包括：夹具、压杆、支杆及拉伸机系统；所述夹具用于夹持所述待测样品，并且置于所述炉体内部；所述压杆的一端与所述拉伸系统的第一加载端连接，且所述压杆贯穿所述炉体，所述压杆的另一端与所述夹具连接；所述支杆的一端与所述拉伸系统的第二加载端连接，且所述支杆贯穿所述炉体，所述压杆的另一端与所述夹具连接；所述压杆与所述支杆对所述夹具施加相反的作用力。
进一步地，所述夹具包括板状的第一夹持部和第二夹持部；所述第一夹持部的一面与所述压杆连接，所述第一夹持部的另一面设置有第一带状凸起；所述第二夹持部的一面与所述支杆连接，所述第二夹持部的另一面设置有第二带状凸起和第三带状凸起；所述第一带状凸起相对于所述第二带状凸起和所述第三带状凸起对所述待测样品施加相反的作用力，从而夹住所述待测样品。
进一步地，所述第一带状凸起、第二带状凸起和所述第三带状凸起平行设置。
进一步地，所述夹具、压杆和支杆的材料为SiC。
进一步地，所述DIC实时观察系统包括：相机和DIC系统；所述炉体设置有观察窗，所述相机通过所述观察孔采集所述炉体内部的待测样品的应力变化，并将该变化传送至所述DIC系统；所述DIC系统用于观察分析所述待测样品的应力变化。
进一步地，在所述相机镜头前设置有蓝滤光片；所述蓝滤光片用于消除高温中出现的红光对结果的影响，使结果更加准确。
进一步地，所述DIC实时观察系统还包括：补光灯；所述炉体还设置有补光孔，所述补光灯通过所述补光孔对所述炉体内部的待测样品进行补光，使成像更加清晰。
本发明旨在提供一种材料高温力学性能的三点弯曲检测装置，包括：加热系统、加载系统和DIC实时观察系统；加热系统用于盛放及加热待测样品；加载系统用于对待测样品施加力作用；DIC实时观察系统用于透过加热系统观察待测样品各部分的应变。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本发明通过加热系统对待测样品进行加热，同时通过加载系统对待测样品施加力的作用，再通过DIC实时观察系统观测样品各点的应变，还可以观测样品弯曲下的真实挠度，甚至可实时的观察出哪个位置在哪个时刻出现了裂纹，免除了应用传统设备的复杂步骤，并且减少了实验耗材，节约了实验成本。
附图说明
图1是根据本发明一具体实施方式的检测装置的结构示意图。
附图标记：
1：加热系统；2：加载系统；3：DIC实时观察系统；21：夹具；22：压杆；23：支杆；24：拉伸机系统；31：相机；32：DIC系统；33：蓝滤光片；34：补光灯。
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明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
DIC是Digital image correlation缩写，中文意思是数字图像相关(技术)。
在本发明实施例的第一方面，提供了一种材料高温力学性能的三点弯曲检测装置，包括：加热系统1、加载系统2和DIC实时观察系统3；所述加热系统1用于盛放及加热待测样品；所述加载系统2用于对所述待测样品施加力作用；所述DIC实时观察系统3用于透过所述加热系统1观察所述待测样品各部分的应变。
上述实施例通过加热系统1对待测样品进行加热，同时通过加载系统2对待测样品施加力的作用，再通过DIC实时观察系统3观测样品各点的应变，还可以观测样品弯曲下的真实挠度，甚至可实时的观察出哪个位置在哪个时刻出现了裂纹，免除了应用传统设备的复杂步骤，并且减少了实验耗材，节约了实验成本。加热系统1的加热温度范围为：室温-1200℃，其中，在700℃～1200℃属于高温环境，因为650℃时，待测样品的粘结层会脆韧转变，1200摄氏度时，待测样品受力会相变，所以介于这两温度之间的实验特别有意义。
可选的，所述加热系统1包括：炉体和加热装置；所述炉体用于盛放及加热待测样品；所述加热装置用于对所述炉体加热，从而使炉体内部的加热腔升温。
可选的，所述加热装置包括以下至少之一：电阻加热、感应加热、电弧加热、电子束加热、红外线加热和介质加热。
可选的，所述加载系统2包括：夹具21、压杆22、支杆23及拉伸机系统24；所述夹具21用于夹持所述待测样品，并且置于所述炉体内部；所述压杆22的一端与所述拉伸系统的第一加载端连接，且所述压杆22贯穿所述炉体，所述压杆22的另一端与所述夹具21连接；所述支杆23的一端与所述拉伸系统的第二加载端连接，且所述支杆23贯穿所述炉体，所述压杆22的另一端与所述夹具21连接；所述压杆22与所述支杆23对所述夹具21施加相反的作用力。
可选的，所述夹具21包括板状的第一夹持部和第二夹持部；所述第一夹持部的一面与所述压杆22连接，所述第一夹持部的另一面设置有第一带状凸起；所述第二夹持部的一面与所述支杆23连接，所述第二夹持部的另一面设置有第二带状凸起和第三带状凸起；所述第一带状凸起相对于所述第二带状凸起和所述第三带状凸起对所述待测样品施加相反的作用力，从而夹住所述待测样品。通过这个设备，可以得到样品在高温三点弯曲下的力学性能，诸如弹性模量，断裂韧性
可选的，所述第一带状凸起、第二带状凸起和所述第三带状凸起平行设置。
可选的，所述夹具21、压杆22和支杆23的材料为SiC。
可选的，所述DIC实时观察系统3包括：相机31和DIC系统32；所述炉体设置有观察窗，所述相机31通过所述观察孔采集所述炉体内部的待测样品的应力变化，并将该变化传送至所述DIC系统32；所述DIC系统32用于观察分析所述待测样品的应力变化。
可选的，在所述相机31镜头前设置有蓝滤光片33；所述蓝滤光片33用于消除高温中出现的红光对结果的影响，使结果更加准确。
可选的，所述DIC实时观察系统3还包括：补光灯34；所述炉体还设置有补光孔，所述补光灯34通过所述补光孔对所述炉体内部的待测样品进行补光，使成像更加清晰。
如图1所示，在本发明一具体实施例中，提供了一种材料高温力学性能的三点弯曲检测装置，包括：加热系统1、加载系统2和DIC实时观察系统3；加热系统1用于盛放及加热待测样品；加载系统2用于对待测样品施加力作用；DIC实时观察系统3用于透过加热系统1观察待测样品各部分的应变。具体的，加热系统1包括：炉体和加热装置；炉体用于盛放及加热待测样品；加热装置用于对炉体加热，从而使炉体内部的加热腔升温。具体的，加热装置包括以下至少之一：电阻加热、感应加热、电弧加热、电子束加热、红外线加热和介质加热。具体的，加载系统2包括：夹具21、压杆22、支杆23及拉伸机系统24；夹具21用于夹持待测样品，并且置于炉体内部；压杆22的一端与拉伸系统的第一加载端连接，且压杆22贯穿炉体，压杆22的另一端与夹具21连接；支杆23的一端与拉伸系统的第二加载端连接，且支杆23贯穿炉体，压杆22的另一端与夹具21连接；压杆22与支杆23对夹具21施加相反的作用力。具体的，夹具21包括板状的第一夹持部和第二夹持部；第一夹持部的一面与压杆22连接，第一夹持部的另一面设置有第一带状凸起；第二夹持部的一面与支杆23连接，第二夹持部的另一面设置有第二带状凸起和第三带状凸起；第一带状凸起相对于第二带状凸起和第三带状凸起对待测样品施加相反的作用力，从而夹住待测样品。通过这个设备，可以得到样品在高温三点弯曲下的力学性能，诸如弹性模量，断裂韧性。具体的，第一带状凸起、第二带状凸起和第三带状凸起平行设置。具体的，夹具21、压杆22和支杆23的材料为SiC。具体的，DIC实时观察系统3包括：相机31和DIC系统32；炉体设置有观察窗，相机31通过观察孔采集炉体内部的待测样品的应力变化，并将该变化传送至DIC系统32；DIC系统32用于观察分析待测样品的应力变化。具体的，在相机31镜头前设置有蓝滤光片33；蓝滤光片33用于消除高温中出现的红光对结果的影响，使结果更加准确。具体的，DIC实时观察系统3还包括：补光灯34；炉体还设置有补光孔，补光灯34通过补光孔对炉体内部的待测样品进行补光，使成像更加清晰。
具体实施例1
室温测量热障涂层陶瓷层弹性模量的测量结果：
实验温度 加热时间 试验机加载速率 陶瓷层厚度 基底厚度
室温 0min 0.4mm/min 1mm 1mm
使用DIC得到的挠度-时间关系数据与拉伸机得到的载荷-位移-时间关系数据，得到样品的载荷-挠度曲线，选取其中的弹性阶段作为计算弹性模量的数据。热障涂层中，因为基底与粘结层的弹性模量相近，故将其看作一个整体，模型成为一个双层复合梁结构，其弹性模量关系式如下：
Figure BDA0002264875430000071
Figure BDA0002264875430000072
Figure BDA0002264875430000073
Figure BDA0002264875430000074
A＝BH
A：截面面积；B：截面高度；H：截面高度；l：中性轴到界面的距离；p：载荷；d：挠度；ls/lc：基底/陶瓷层厚度；Es/Ec：基底/陶瓷层弹性模量；Is/Ic：基底/陶瓷层惯性矩；
使用maltb解上方程得出实验结果：
室温时热障涂层陶瓷层弹性模量：：21.2-19.3GPa。
具体实施例2
400℃测量热障涂层陶瓷层弹性模量的测量结果：
实验温度 加热时间 试验机加载速率 陶瓷层厚度 基底厚度
400℃ 15min 0.4mm/min 1mm 1mm
使用DIC得到的挠度-时间关系数据与拉伸机得到的载荷-位移-时间关系数据，得到样品的载荷-挠度曲线，选取其中的弹性阶段作为计算弹性模量的数据。热障涂层中，因为基底与粘结层的弹性模量相近，故将其看作一个整体，模型成为一个双层复合梁结构，其弹性模量关系式如下：
Figure BDA0002264875430000082
Figure BDA0002264875430000083
A＝BH
A：截面面积；B：截面高度；H：截面高度；l：中性轴到界面的距离；p：载荷；d：挠度；ls/lc：基底/陶瓷层厚度；Es/Ec：基底/陶瓷层弹性模量；Is/Ic：基底/陶瓷层惯性矩；
使用maltb解上方程得出实验结果：
400℃时热障涂层陶瓷层弹性模量：19.1-16.9GPa。
具体实施例3
800℃测量热障涂层陶瓷层弹性模量的测量结果：
实验温度 加热时间 试验机加载速率 陶瓷层厚度 基底厚度
800℃ 18min 0.4mm/min 1mm 1mm
使用DIC得到的挠度-时间关系数据与拉伸机得到的载荷-位移-时间关系数据，得到样品的载荷-挠度曲线，选取其中的弹性阶段作为计算弹性模量的数据。热障涂层中，因为基底与粘结层的弹性模量相近，故将其看作一个整体，模型成为一个双层复合梁结构，其弹性模量关系式如下：
Figure BDA0002264875430000091
Figure BDA0002264875430000092
Figure BDA0002264875430000093
A＝BH
A：截面面积；B：截面高度；H：截面高度；l：中性轴到界面的距离；p：载荷；d：挠度；ls/lc：基底/陶瓷层厚度；Es/Ec：基底/陶瓷层弹性模量；Is/Ic：基底/陶瓷层惯性矩；
使用maltb解上方程得出实验结果：
800℃时热障涂层陶瓷层弹性模量：14.3-11.9GPa。
具体实施例4
1200℃测量热障涂层陶瓷层弹性模量的测量结果：
实验温度 加热时间 试验机加载速率 陶瓷层厚度 基底厚度
1200℃ 20min 0.4mm/min 1mm 1mm
使用DIC得到的的挠度-时间关系数据与拉伸机得到的载荷-位移-时间关系数据，得到样品的载荷-挠度曲线，选取其中的弹性阶段作为计算弹性模量的数据。热障涂层中，因为基底与粘结层的弹性模量相近，故将其看作一个整体，模型成为一个双层复合梁结构，其弹性模量关系式如下：
Figure BDA0002264875430000101
Figure BDA0002264875430000102
Figure BDA0002264875430000103
Figure BDA0002264875430000104
A＝BH
A：截面面积；B：截面高度；H：截面高度；l：中性轴到界面的距离；p：载荷；d：挠度；ls/lc：基底/陶瓷层厚度；Es/Ec：基底/陶瓷层弹性模量；Is/Ic：基底/陶瓷层惯性矩；
使用maltb解上方程得出实验结果：
1200℃时热障涂层陶瓷层弹性模量：9.5-7.8GPa。
对比实施例
采用相同方法制备的单独的涂层材料的弹性模量(拉伸压缩)：10-35GPa。
具体是通过文章(Choi S R,Zhu D,Miller R A.Engineering FractureMechanics,2005,72(13):2144-2158.)提到的方法设备进行测量的。
有上述具体实施例及对比实施例的结果可知，通过本装置检测的结果与传统方法检测的结果误差在允许范围内，并且本装置还能检测高温环境热障涂层陶瓷层弹性模量。
本发明旨在保护一种材料高温力学性能的三点弯曲检测装置，包括：加热系统1、加载系统2和DIC实时观察系统3；所述加热系统1用于盛放及加热待测样品；所述加载系统2用于对所述待测样品施加力作用；所述DIC实时观察系统3用于透过所述加热系统1观察所述待测样品各部分的应变。该设备通过加热系统1对待测样品进行加热，同时通过加载系统2对待测样品施加力的作用，再通过DIC实时观察系统3观测样品各点的应变，还可以观测样品弯曲下的真实挠度，甚至可实时的观察出哪个位置在哪个时刻出现了裂纹，免除了应用传统设备的复杂步骤，并且减少了实验耗材，节约了实验成本。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种材料高温力学性能的三点弯曲检测装置，其特征在于，包括：加热系统(1)、加载系统(2)和DIC实时观察系统(3)；
所述加热系统(1)用于盛放及加热待测样品；
所述加载系统(2)用于对所述待测样品施加力作用；
所述DIC实时观察系统(3)用于透过所述加热系统(1)观察所述待测样品各部分的应变。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述加热系统(1)包括：炉体和加热装置；
所述炉体用于盛放及加热待测样品；
所述加热装置用于对所述炉体加热，从而使炉体内部的加热腔升温。
3.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述加热装置包括以下至少之一：
电阻加热、感应加热、电弧加热、电子束加热、红外线加热和介质加热。
4.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述加载系统(2)包括：夹具(21)、压杆(22)、支杆(23)及拉伸机系统(24)；
所述夹具(21)用于夹持所述待测样品，并且置于所述炉体内部；
所述压杆(22)的一端与所述拉伸系统的第一加载端连接，且所述压杆(22)贯穿所述炉体，所述压杆(22)的另一端与所述夹具(21)连接；
所述支杆(23)的一端与所述拉伸系统的第二加载端连接，且所述支杆(23)贯穿所述炉体，所述压杆(22)的另一端与所述夹具(21)连接；
所述压杆(22)与所述支杆(23)对所述夹具(21)施加相反的作用力。
5.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于，所述夹具(21)包括板状的第一夹持部和第二夹持部；
所述第一夹持部的一面与所述压杆(22)连接，所述第一夹持部的另一面设置有第一带状凸起；
所述第二夹持部的一面与所述支杆(23)连接，所述第二夹持部的另一面设置有第二带状凸起和第三带状凸起；
所述第一带状凸起相对于所述第二带状凸起和所述第三带状凸起对所述待测样品施加相反的作用力，从而夹住所述待测样品。
6.根据权利要求5所述的检测装置，其特征在于，所述第一带状凸起、第二带状凸起和所述第三带状凸起平行设置。
7.根据权利要求4-6任一项所述的检测装置，其特征在于，所述夹具(21)、压杆(22)和支杆(23)的材料为SiC。
8.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述DIC实时观察系统(3)包括：相机(31)和DIC系统(32)；
所述炉体设置有观察窗，所述相机(31)通过所述观察孔采集所述炉体内部的待测样品的应力变化，并将该变化传送至所述DIC系统(32)；
所述DIC系统(32)用于观察分析所述待测样品的应力变化。
9.根据权利要求8所述的检测装置，其特征在于，在所述相机(31)镜头前设置有蓝滤光片(33)；
所述蓝滤光片(33)用于消除高温中出现的红光对结果的影响，使结果更加准确。
10.根据权利要求8或9所述的检测装置，其特征在于，所述DIC实时观察系统(3)还包括：补光灯(34)；
所述炉体还设置有补光孔，所述补光灯(34)通过所述补光孔对所述炉体内部的待测样品进行补光，使成像更加清晰。
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