CN110940570A - 一种基于激光辐照的材料可控高温试验装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料科学、高温实验力学、固体力学等领域，涉及一种基于激光辐照的材料可控高温试验装置与方法。该装置包括：材料试验机系统、试验件夹持装置、试验件加热装置、试验件温度测度装置、试验件应变测量装置。本发明满足各类材料在高温下的力学性能测试与标定，解决现阶段材料高温实验温度控制精度低、效率低、对夹持装置要求高等技术问题。

Description

一种基于激光辐照的材料可控高温试验装置与方法
技术领域
本发明属于材料科学、高温实验力学、固体力学等领域，涉及一种基于激光辐照的材料可控高温试验装置与方法。
背景技术
在航天航空、兵器、船舶等工业领域中，部分结构(如涡轮叶片、膛口)常常面临高温环境，其在高温环境下的变形损伤特性是评估其寿命的重要指标。需要了解相应材料在高温环境下的力学特性。
目前针对高温下材料的力学性能测试，主要通过高温箱或加热炉对试验件进行加热处理，结合材料试验机获得试验件的力学特性。但是上述使用高温箱或加热炉需要将加持装置包含其中，每次实验对夹持装置等进行加温，温度控制精度低，对夹持装置等提出了很高的要求，并大大缩短夹持装置等的使用寿命，且高温夹持装置等对实验人员存在烧伤风险；同时，该方法中仅能通过观察窗口观察试验件，极大限制了非接触应变测量和试验件失效观察角度。
因此，亟需一种对温度控制精度高、夹持装置要求低、实验效率高、方便观察试验件变化等的材料高温实验方法。
发明内容
本发明的目的是：提供一种基于激光辐照的材料可控高温试验装置与方法，满足各类材料在高温下的力学性能测试与标定，解决现阶段材料高温实验温度控制精度低、效率低、对夹持装置要求高等技术问题。
本发明的技术方案是：
本发明提出一种基于激光辐照的材料可控高温试验装置，包括：材料试验机系统、试验件夹持装置、试验件加热装置、试验件温度测度装置、试验件应变测量装置；
所述的材料试验机系统包括材料试验机1(包括满足材料准静态、中低应变率试验)、力传感器7、第一计算机8；所述第一计算机8与材料试验机1通过数据线连接，力传感器7位于材料试验机底座6下方；
所述试验件夹持装置包括上夹具3、下夹具5；下夹具5下端与试验机底座6连接，上夹具3上端与试验机运动轴2连接，下夹具5和上夹具3夹持待测试验件4；
所述试验件加热装置与试验件温度测度装置通过支架安装在试验件一侧，试验件加热装置中心与试验件标距段中心在同一水平面；
所述试验件应变测量装置通过支架安装在试验件另外一侧，非接触应变测量装置中心与试验件标距段中心在同一水平面。
进一步的，所述试验件加热装置包括激光器设备11；所述激光器设备包括连续激光器、脉冲激光器、脉冲-连续复合激光器，以及配套所需的冷却、电源。
进一步的，所述试验件温度测度装置包括非接触温度测量装置10、第二计算机9；所述非接触温度测量装置10需给出温度场变化。
进一步的，试验件应变测量装置包括非接触应变测量装置13、冷光源12、第三计算机14。
本发明提供一种基于激光辐照的材料可控高温试验方法，包括：
将试验件通过夹持装置安装在材料试验机上；
在试验件喷有漆斑一侧搭建非接触应变测量装置、冷光源，非接触应变测量装置中心与试验件标距段中心在同一水平面；
在试验件光滑表面一侧搭建激光器设备、非接触温度测量装置，其中激光器激光束与试验件标距段中心在同一水平面；
打开激光器设备，使激光束辐照试验件表面，调整激光束直径；
打开非接触温度测量装置，测量试验件温度场，并调整激光器功率，重复温度测量，至试验件温度满足实验需求；
关闭非接触温度测量装置，打开冷光源并设置非接触应变测量装置，保证应变测量方法准确；
开始实验，测量试验件载荷、应变场等数据；
实验结束，关闭激光器设备、冷光源、非接触应变测量装置。
进一步的，在试验件安装前，在试验件一侧表面喷上黑白相间的高温漆斑，或者可以通过非接触测量装置测量的斑点。
进一步的，在调整激光束角度步骤中，禁止激光束辐照非接触应变测量装置和冷光源。
进一步的，在调整激光束直径步骤中，将试验件标距段全部处于激光束辐照范围内。
进一步的，在调整激光束功率步骤中，缓慢逐步调整，根据试验要求控制试验件温度误差。
本发明的优点是：本发明主要针对材料在高温下的力学性能测试与标定，实现了高温材料实验对温度控制精度高、夹持装置要求低、实验效率高、方便观察试验件变化等技术问题，为材料高温试验方法的发展引入新的思路，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是基于激光辐照的材料可控高温试验装置的示意图；
图2是基于激光辐照的材料可控高温试验装置的局部的示意图；
其中，料试验机；2-试验机运动轴；3-上夹具；4-待测试验件；5-下夹具；6-材料试验机底座；7-力传感器；8-第一计算机；9-第二计算机；10-非接触温度测量装置；11-激光器设备；12-冷光源；13-非接触应变测量装置；14-第三计算机。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体结构、工作过程和实施方式，但不应以此限制本发明的保护范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
图1是一种基于激光辐照的材料可控高温试验装置的整体结构原理示意图，图2是局部示意图。该装置包括材料试验机系统、试验件夹持装置、试验件加热装置、试验件温度测度装置、试验件应变测量装置。
试验机系统包括材料试验机1(包括满足材料准静态、中低应变率试验)、力传感器7、第一计算机8；第一计算机8与材料试验机1通过数据线连接，力传感器7位于材料试验机底座6下方；试验件夹持装置包括上夹具3、下夹具5；下夹具下端5与试验机底座6连接，上夹具上端3与试验机运动轴2连接，下夹具5上端和上夹具3下端与待测试验件4连接；试验件加热装置包括激光器设备11；试验件温度测度装置包括非接触温度测量装置10、第二计算机9；试验件应变测量装置包括非接触应变测量装置13、冷光源12、第三计算机14。
试验件加热装置与试验件温度测度装置通过支架等方式安装在试验件一侧，试验件加热装置中心与试验件标距段中心在同一水平面；
试验件应变测量装置通过支架等方式安装在试验件另外一侧，非接触应变测量装置中心与试验件标距段中心在同一水平面。
根据本发明实施例提供一种基于激光辐照的材料可控高温试验方法，该方法主要应用于各类材料(金属、复合材料等)在高温下的力学性能测试与标定，包括如下步骤：
1)在试验件一侧表面喷上黑白相间的高温漆斑，或者可以通过非接触测量装置测量的斑点；
2)将试验件通过夹持装置安装在材料试验机上；
3)在试验件喷有漆斑一侧搭建所需实验装置，包括非接触应变测量装置、冷光源，非接触应变测量装置中心与试验件标距段中心在同一水平面；
4)在试验件光滑表面一侧搭建所需实验装置，该装置包括激光器设备、非接触温度测量装置，其中激光器激光束与试验件标距段中心在同一水平面，调整激光束入射角度，禁止激光束辐照非接触应变测量装置和冷光源；
5)打开激光器设备，使激光束辐照试验件表面，调整激光束直径，保证试验件标距段全部处于激光束范围内，对试验件进行加温；
6)打开非接触温度测量装置，测量试验件温度场，并判断是否满足实验温度需求；
7)调整激光器功率，重复5)和6)操作，至试验件温度满足实验需求；
8)关闭非接触温度测量装置，打开冷光源并设置非接触应变测量装置，保证应变测量方法准确；
9)开始实验，测量试验件载荷、应变场等数据；
10)实验结束，关闭激光器设备、冷光源、非接触应变测量装置。
本发明基于激光对材料的热效应，结合非接触温度测量装置，发明材料可控高温试验方法，对材料高温试验方法的发展引入新的思路。
本发明基于电子万能试验机、高速伺服液压试验机等可以开展材料准静态、中低应变率力学性能研究的常规材料试验机，通过适当位置安装激光器设备11，调节激光器辐照功率和激光束半径大小，当激光束辐照在材料试验件4标距段上，试验件标距段温度开始上升，同时通过非接触温度测量装置10测量标距段温度变化，保证标距段温度均匀且恒定不变，通过材料试验机自带的载荷传感器以及非接触应变测量装置13获得该高温下的材料的力学性能。本发明充分利用了激光的热效应，温度控制精度高，易于操作和实现，实验效率高，对夹持装置无特殊要求，方便观察试验件变化，可应用于各类材料的高温力学性能测试，具有广阔的应用前景。

Claims (9)

1.一种基于激光辐照的材料可控高温试验装置，其特征在于，包括：材料试验机系统、试验件夹持装置、试验件加热装置、试验件温度测度装置、试验件应变测量装置；
所述的材料试验机系统包括满足材料准静态、中低应变率试验的材料试验机、力传感器、第一计算机；第一计算机与材料试验机通过数据线连接，力传感器位于材料试验机底座下方；
试验件夹持装置包括上夹具、下夹具；下夹具下端与试验机底座连接，上夹具上端与试验机运动轴连接，下夹具上端和上夹3下端夹持待测试验件；
所述试验件加热装置包括激光器设备；
所述试验件温度测度装置包括非接触温度测量装置、第二计算机；
所述试验件应变测量装置包括非接触应变测量装置、光源、第三计算机；
所述试验件加热装置与试验件温度测度装置通过支架安装在试验件一侧，试验件加热装置中心与试验件标距段中心在同一水平面；
所述试验件应变测量装置通过支架安装在试验件另外一侧，非接触应变测量装置中心与试验件标距段中心在同一水平面。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：激光器设备包括连续激光器、脉冲激光器、脉冲-连续复合激光器设备，以及配套所需的冷却、电源。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：非接触温度测量装置给出温度场动态变化或某一定在某一时刻的温度值，包涵绝对值或相对值。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：光源为冷光源。
5.一种基于激光辐照的材料可控高温试验方法，其特征在于，包括：
将试验件通过夹持装置安装在材料试验机上；
在试验件喷有漆斑一侧搭建非接触应变测量装置、冷光源，非接触应变测量装置中心与试验件标距段中心在同一水平面；
在试验件光滑表面一侧搭建激光器设备、非接触温度测量装置，其中激光器激光束与试验件标距段中心在同一水平面；
打开激光器设备，使激光束辐照试验件表面，调整激光束直径；
打开非接触温度测量装置，测量试验件温度场，并调整激光器功率，重复温度测量，至试验件温度满足实验需求；
关闭非接触温度测量装置，打开冷光源并设置非接触应变测量装置，保证应变测量方法准确；
开始实验，测量试验件载荷、应变场数据；
实验结束，关闭激光器设备、冷光源、非接触应变测量装置。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在试验件安装前，在试验件一侧表面喷上黑白相间的高温漆斑，或者可以通过非接触测量装置测量的斑点。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在调整激光束角度步骤中，禁止激光束辐照非接触应变测量装置和冷光源。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在调整激光束直径步骤中，将试验件标距段全部处于激光束辐照范围内。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在调整激光束功率步骤中，缓慢逐步调整，根据试验要求控制试验件温度误差。
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