CN112730093A - 一种基于散斑应变的高温拉或压试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于散斑应变的高温拉或压试验装置及试验方法，属于金属材料高温试验技术领域，解决了高温下大变形金属应变控制的拉或压试验难以实现，以及金属材料高温环境应力应变曲线与应变速率的关系难以准确获取的问题。本发明的基于散斑应变的高温拉或压试验装置，包括拉伸机、加热炉和摄像单元；加热炉和摄像单元设置在拉伸机上，加热炉能够加热试验件，拉伸机能够对试验件施加拉伸力或压缩力，摄像单元能够拍摄试验件的变形。本发明采用碳化钨粉作为散斑对象，使用摄像机记录散斑的位移，实现了高温下大变形金属拉/压试验过程中应变的实时控制和应力应变曲线与应变速率的关系的准确获取。

Description

一种基于散斑应变的高温拉或压试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及金属材料高温试验技术领域，尤其涉及一种基于散斑应变的高温拉或压试验装置及试验方法。

背景技术

当前基于高温环境的金属材料成形已经成为一种常规的制造手段，如热冲压、挤压和锻造等。高温下的金属材料具有明显不同于常温的力学性能且不同成形手段和成形状态下的金属展现出不同的应力状态，成形材料在拉/压应力状态下发生塑性变形。材料在制备中产生的缺陷需要通过掌握其高温下的应力应变关系来进行预测。

在高温环境中进行单向拉伸或压缩试验是检测金属材料力学性能研究的有效手段，尤其是金属材料在高温下的力学性能受应变速率影响很大，是当前材料研制阶段重点考虑的要素。传统的应变控制方法采用位移或引申计控制存在一定的局限和偏差，无论是高温应变片还是引申计都难以适应300℃以上的试验，且量程有限，无法适应大应变量的材料。另外，传统的光测方法，一般都要求激光作为光源，光路复杂，测量结果易受外界振动的影响，且高温下的光波带宽与激光发出的光波带宽相互重叠，很难通过滤光对二者进行剥离，限制了传统光学测量方法的应用。

发明内容

鉴于上述分析，本发明旨在提供一种基于散斑应变的高温拉或压试验装置及试验方法，以解决高温下大变形金属应变控制的拉或压试验难以实现，以及金属材料高温环境应力应变曲线与应变速率的关系难以准确获取的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种基于散斑应变的高温拉或压试验装置，包括拉伸机、加热炉和摄像单元；

加热炉和摄像单元设置在拉伸机上，加热炉能够加热试验件，拉伸机能够对试验件施加拉伸力或压缩力，摄像单元能够拍摄试验件的变形。

进一步地，还包括散斑对象喷涂装置，用于在试验件的测量区域均匀喷涂散斑对象。

进一步地，所述散斑对象为黑色碳化粉末，具体地，黑色碳化粉末为碳化钽、石墨或碳化钨粉。

进一步地，所述拉伸机包括工作台、导轨立柱和移动横梁；所述工作台和移动横梁通过导轨立柱连接。

进一步地，所述拉伸机还包括直线驱动机构，所述移动横梁能够在直线驱动机构的驱动下沿导轨立柱上下移动。

进一步地，所述拉伸机还包括转接杆，所述转接杆包括上转接杆和下转接杆；

所述上转接杆安装在所述移动横梁上，所述下转接杆安装在所述工作台上，所述转接杆能够固定试验件。

进一步地，所述移动横梁下部设有压力传感器，所述压力传感器能够测量所述拉伸机对试验件施加的载荷大小。

进一步地，所述加热炉为方形，所述加热炉包括左炉膛、右炉膛和后端框架，所述加热炉内设有加热碳棒。

进一步地，所述加热炉(13)中间从上至下设有通孔，所述转接杆能够从所述通孔穿入所述加热炉。

进一步地，所述加热炉还包括窗口，所述窗口为石英玻璃窗口。

进一步地，所述摄像单元包括摄像头、摄像头支架和摄像头支架杆，所述摄像头支架用于安装摄像头，所述摄像单元通过所述摄像头支架杆安装在所述拉伸机上。

一种基于散斑应变的高温拉或压试验方法，使用上述技术方案所述的试验装置；

所述试验方法包括以下步骤：

步骤1：试验前的准备；

步骤2：设置试验参数并开始试验；

步骤3：试验结束后，进行数据整理。

本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)本发明的试验装置采用方形炉，与圆形加热炉相比，方便设置观察窗口，便于摄像单元的拍摄，从而能够利用散斑来计算试验件的应变，能够适应高温(300℃)情况下的试验；且采用均匀内置碳棒的方形加热炉确保炉膛内温度准确均匀。

(2)本发明采用碳化钨粉作为散斑对象，具有工作温度高、持续时间长的优势；实现了高温下大变形金属拉/压试验过程中应变的实时控制和应力应变曲线与应变速率的关系的准确获取。

(3)本发明采用的带T型槽连接杆结构可适用于高温拉伸和压缩试验，装夹夹头和试验件过程操作方便，试验件装夹可在常温下进行；专用夹头可用于不同规格的板、棒材试验件，便于试验件的灵活设计。

(4)本发明的加热炉和摄像单元通过支架结构与拉伸机连接，使加热炉和摄像单元的相对位置即自主可调，又保证紧固后的多次试验相对位置一定，实验数据具有稳定性。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例的试验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的试验装置另一个方向的示意图；

图3为本发明实施例的试验装置的剖视图；

图4为本发明实施例的摄像单元的结构示意图；

图5为本发明实施例的加热炉的结构示意图；

图6为本发明实施例的加热炉的主视图；

图7为图6的A-A剖视图；

图8为本发明实施例的试验件固定装置示意图(试验件为板材)；

图9为图8的B-B剖视图；

图10为本发明实施例的试验件固定装置示意图(试验件为圆柱形)；

图11为图9的C-C剖视图；

图12为本发明实施例的转接杆与第一夹头的连接示意图。

附图标记：

1-试验件，2-夹头压板，3-试件压板，4A-第一夹头，4B-第二夹头，5-灯座，6-摄像头支架，7-摄像头支架杆，8-双头螺柱，9-压板，10-光源，11-摄像头，12-转接杆，13-加热炉，14-拉伸机，15-第一支架，16-导轨立柱，17-第二支架，18-加热碳棒，19-移动横梁，20-工作台，21-窗口。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

本发明的一个实施例，如图1至图12所示，公开了一种基于散斑应变的高温拉或压试验装置，包括拉伸机14、加热炉13和摄像单元，本发明的高温拉或压试验装置用于对金属材料进行高温环境下力学性能的测试。

拉伸机14用于对试验件提供拉/压力，同时为其他部件提供安装接口。拉伸机14包括工作台20、导轨立柱16和移动横梁19。工作台20和移动横梁19通过导轨立柱16连接，构成刚性框架，移动横梁19能够沿导轨立柱16上下移动。

拉伸机14还包括转接杆12，转接杆12包括上转接杆和下转接杆，上转接杆安装在移动横梁19上，下转接杆安装在工作台20上，上转接杆和下转接杆同心设置，转接杆12用于固定试验件1。

进一步地，移动横梁19下部设有压力传感器，用于测量拉伸机14对试验件1施加的载荷大小。

进一步地，拉伸机14还设有直线驱动机构(如，液压缸，图中未示出)，直线驱动机构能够驱动移动横梁19沿导轨立柱16上下移动，从而通过转接杆12对试验件1施加拉力或压力。

加热炉13和摄像单元安装在拉伸机上，加热炉13用于对试验件1进行加热，摄像单元用于拍摄试验过程中的试验件1。

本发明实施例中，加热炉13采用方形设计，加热炉13的前方设有窗口21，便于摄像单元的拍摄，方便从加热炉13的外部观察并测量试验件的变形，从而使得本发明实施例能够利用散斑来计算试验件的应变，能够适应高温(300℃)情况下的试验。

本发明实施例中，窗口21为石英玻璃窗口，使得窗口在便于观察的同时能够承受加热炉13的高温。

进一步地，加热炉13包括左炉膛、右炉膛和后端框架，加热炉13内部均匀排列多个加热碳棒18，加热碳棒18通电能够发热，从而对试验件加热。加热炉13中间从上至下开有通孔，用于安装转接杆12。试验件1位于加热炉13内，上转接杆和下转接杆分布夹持试验件的两端，试验件1在加热炉13内被加热的同时，承受转接杆12施加的拉力或压力，从而能够测试试验件1在高温下的力学性能。

进一步地，加热炉13炉膛四周和上下面均布有保温隔热区，从而保证加热炉13的加热效果。

进一步地，为了方便安装试验件，加热炉13的左炉膛和右炉膛采用对开式设计，左炉膛和右炉膛与加热炉13的后端框架铰接，使得左炉膛和右炉膛能够围绕后端框架的侧边旋转，以打开或闭合加热炉13。

本发明实施例中，拉伸机还包括第二支架17。第二支架17一端与导轨立柱16连接，另一端与加热炉13连接。具体地，加热炉13的后端框架通过螺栓与第二支架17连接，松动螺母后可调整加热炉13角度，以保证加热炉13的通孔与拉伸机14的加载方向同心。

进一步地，拉伸机14上还设有第一支架15，第一支架15一端与导轨立柱16连接，另一端与摄像头支架杆7连接，从而固定摄像单元。

本发明实施例中，摄像单元包括摄像头11、摄像头支架杆7和摄像头支架6，摄像头支架6用于安装摄像头11，摄像头支架6通过摄像头支架杆7与拉伸机14连接。

具体地，摄像头支架6包括水平板和多个竖直板，水平板与竖直板固定连接。多个竖直板相互平行排列，竖直板设有凹槽，用于放置摄像头11。

进一步地，为了固定摄像头11，摄像头支架6还设有压板9。具体地，压板9设在摄像头11顶部，压板9与水平板通过双头螺柱8连接。摄像头11位置调整完成后，压板9压在摄像头11上，并通过双头螺柱8将压板9与水平板固定，以固定摄像头11。

进一步地，摄像头11与相机、电源线和数据线连接，并和计算机相连，以将试验过程中采集的数据传输至计算机中。

进一步地，水平板上设有多个螺纹孔，水平板与摄像头支架杆7通过螺栓连接，通过调节与摄像头支架杆7连接所用的螺纹孔，从而能够调节摄像头支架6与加热炉13的位置关系。

进一步地，为了保证成像质量，水平板上位于摄像头11正下方的部位和压板9上设有灯座5，灯座5内设有光源10，优选地，光源10为LED灯，光源10朝向加热炉布置。通过调整灯座5的角度，确保灯座5内的光源10通过窗口21直接照射在加热炉13内的试验件1上。

进一步地，转接杆12的一端与拉伸机14通过螺纹连接，其中，上转接杆与移动横梁19连接，下转接杆与工作台20连接。转接杆12的另一端用来固定试验件1。

具体地，转接杆12上设有T形凹槽，带有T形凸台的夹头安装在凹槽内并通过夹头压板2与转接杆12固定。安装时，首先将试验件的两端固定在夹头上，然后将夹头的T形凸台安装在转接杆12的T形凹槽内，再用夹头压板2将夹头与转接杆12固定。使用带T形凹槽的转接杆固定试验件，安装方便，且定位精确。

本发明实施例中，针对不同形状的试验件1，可设计不同形状的压头，从而使得转接杆12能够适应不同的试验件。

具体地，对于圆柱形试验件，夹头为第一夹头4A，第一夹头4A一端设有T形凸台，用于与转接杆12连接，另一端设有螺纹孔，试验件1的两端设有螺纹，试验件1与第一夹头4A通过螺纹连接。对于板材试验件，夹头为第二夹头4B，第二夹头4B的一端设有T形凸台，用于与转接杆12连接，另一端设有凹槽，板材试验件通过试件压板3压在第二夹头4B的凹槽内。

试验件1通过上转接杆和下转接杆固定在拉伸机14上，且通过加热炉13的通孔穿入加热炉13内。

进一步地，本发明实施例的试验装置还包括散斑对象喷涂装置，用于在试验件的测量区域均匀喷涂散斑对象。

试验时，在试验件的测量区域均匀喷涂一层黑色碳化粉末作为散斑对象，黑色碳化粉末可以采用碳化钽、石墨或碳化钨粉等，在高温下不会被烘干，在实验过程中灰度值不变。优选的，本发明实施例中，采用碳化钨粉作为散斑对象。

本发明实施例的基于散斑应变的高温拉或压试验装置还包括控制系统，控制系统包括计算机，实验前，先在计算机内输入设定的应变速率，计算机能够根据试验过程中摄像单元拍摄的画面，找到试验件上每个粉点在每一帧画面当中的位移变化量，从而求得每个阶段试验件的应变量。计算机将计算得到的瞬时应变量与输入的应变速率进行对比，进而调整液压缸的液压阀开口的大小，以控制导轨立柱16的移动速度，进而控制拉伸机14拉伸/压缩的速度来达到控制应变速率的目的。

试验时，试验件1的上下两端被分别夹持在上转接杆和下转接杆上，从而将试验件1固定在加热炉13内。然后通过加热炉13对试验件1进行加热，使试验件1达到设定的加热温度；之后启动直线驱动机构，在直线驱动机构的驱动下，转接杆12向设定的方向做直线运动，伴随着试验的进行，压力传感器实时测量转接杆12对试验件1施加的力值；在试验过程中，光源10和摄像单元被布置在加热炉13的窗口21前方，光源10向加热炉13的内部提供照明，摄像单元则采集到试验件1中心区域的图像以对试验件1的应变情况进行解析，通过对输入的应变速率反馈的试验件变形速度进行比较进而控制液压阀开口和转接杆位移速度。本发明可以实现对金属试验件在高温环境下基于光学散斑应变的力学性能有效测试。

实施例2

本发明的一个实施例，公开了一种基于散斑应变的高温拉或压试验方法，使用实施例1的试验装置。

试验方法包括以下步骤：

步骤1：试验前的准备：

实验前的准备主要包括试验件的装夹、设备的调试，具体包括以下步骤：

步骤1.1：在试验件1的测量区域均匀喷涂一层黑色碳化粉末作为散斑计算点：

黑色碳化粉末可以采用碳化钽、石墨或碳化钨粉等，在高温下不会被烘干，试验过程中摄像单元记录试验过程的每一帧画面，由于碳化钨粉灰度值不变，因此通过拍摄试验画面，能够找到每个粉点在每一帧画面当中的位移变化量，从而求得每个阶段试验件的应变量。优选的，本发明实施例中，采用碳化钨粉作为散斑对象。

步骤1.2：将试验件1的两端分别装夹在夹头上：

根据试验件1的形状，选用相应地夹头，将试验件1的两端分别与夹头固定连接。

步骤1.3：将试验件1装在拉伸机14上：

启动拉伸机14，打开左炉膛和右炉膛以打开加热炉13炉门，调节拉伸机14上两个转接杆12的相对位置，将带有试验件1的夹头装夹在转接杆12上。

步骤1.4：关闭加热炉13炉门，控制加热炉的加热温度达到目标温度值：

关闭左炉膛和右炉膛以关闭加热炉13炉门，并将石英玻璃装在窗口21上，接通加热碳棒18的电源，控制加热炉13的加热温度达到目标温度值。

步骤1.5：调节摄像头11和光源10的位置：

通过调节摄像头支架6与摄像头支架杆7的相对位置，以调节摄像头11与加热炉的相对位置，同时，调节灯座5的角度以调节光源10的照射角度，使得光源10照射在加热炉内的试验件上。

步骤2：设置试验参数并开始试验：

在计算机上的控制程序中选择拉伸或压缩试验，并设定应变速率。然后点击控制程序中的开始选项，进行拉伸或压缩试验；同时，摄像单元启动，开始记录试验图像。

拉伸试验时，拉伸机14上的直线驱动机构驱动移动横梁19向上移动，压缩试验时，拉伸机14上的直线驱动机构驱动移动横梁19向下移动，试验件在拉力或压力的作用下发生变形，拉伸机14上的压力传感器记录下试验力值，摄像头11拍摄试验过程中的散斑图像并传输至计算机，计算机对散斑进行计算求解每个时间点上的应变量和变形速度，并与设定的应变速率进行比较，从而控制直线驱动机构，以控制移动横梁19的移动速度，进而控制试验速度。

步骤3：试验结束后，进行数据整理：

拉伸机14持续对试验件1施加拉力或压力，直至试验件破坏，试验结束，进行试验数据整理。具体包括以下步骤：

步骤3.1：关闭加热炉13：

断开加热碳棒18的电源，待加热炉13冷却至常温后取下窗口21的石英玻璃和摄像头11，将夹头和试验件从转接杆12上卸下。

步骤3.2：进行数据整理：

利用压力传感器实时采集的力值和试验件的尺寸计算得出试验件上应力随时间的变化规律；根据步骤2中得出的应变随时间的变化规律，进而推导出在目标温度值下试验件的应力与应变的关系。

步骤3.3：控制直线驱动机构回程并关闭电源：

控制直线驱动机构回程并关闭电源，试验结束。

综上所述，本发明实施例提供的一种基于散斑应变的高温拉或压试验装置及试验方法，与圆形加热炉相比，采用均匀内置碳棒的方形加热炉确保炉膛内温度准确均匀；采用碳化钨粉作为散斑对象具有工作温度高、持续时间长的优势；实现了高温下大变形金属拉/压试验过程中应变的实时控制和应力应变曲线与应变速率的关系的准确获取；采用的带T型槽连接杆结构可适用于高温拉伸和压缩试验，装夹夹头和试验件过程操作方便，试验件装夹可在常温下进行；专用夹头可用于不同规格的板、棒材试验件，便于试验件的灵活设计；加热炉和摄像单元通过支架结构与拉伸机连接，使加热炉和摄像单元相对位置即自主可调，又保证紧固后的多次试验相对位置一定，实验数据具有稳定性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于散斑应变的高温拉或压试验装置，其特征在于，包括拉伸机(14)、加热炉(13)和摄像单元；

加热炉(13)和摄像单元设置在拉伸机(14)上，加热炉(13)能够加热试验件(1)，拉伸机(14)能够对试验件(1)施加拉伸力或压缩力，摄像单元能够拍摄试验件(1)的变形。

2.根据权利要求1所述的基于散斑应变的高温拉或压试验装置，其特征在于，所述拉伸机(14)包括工作台(20)、导轨立柱(16)和移动横梁(19)；所述工作台(20)和移动横梁(19)通过导轨立柱(16)连接。

3.根据权利要求2所述的基于散斑应变的高温拉或压试验装置，其特征在于，所述拉伸机(14)还包括直线驱动机构，所述移动横梁(19)能够在直线驱动机构的驱动下沿导轨立柱(16)上下移动。

4.根据权利要求3所述的基于散斑应变的高温拉或压试验装置，其特征在于，所述拉伸机(14)还包括转接杆(12)，所述转接杆(12)包括上转接杆和下转接杆；

所述上转接杆安装在所述移动横梁(19)上，所述下转接杆安装在所述工作台(20)上，所述转接杆(12)能够固定试验件(1)。

5.根据权利要求4所述的基于散斑应变的高温拉或压试验装置，其特征在于，所述移动横梁(19)下部设有压力传感器，所述压力传感器能够测量所述拉伸机(14)对试验件(1)施加的载荷大小。

6.根据权利要求5所述的基于散斑应变的高温拉或压试验装置，其特征在于，所述加热炉(13)为方形，所述加热炉(13)包括左炉膛、右炉膛和后端框架，所述加热炉(13)内设有加热碳棒(18)。

7.根据权利要求6所述的基于散斑应变的高温拉或压试验装置，其特征在于，所述加热炉(13)中间从上至下设有通孔，所述转接杆(12)能够从所述通孔穿入所述加热炉(13)。

8.根据权利要求7所述的基于散斑应变的高温拉或压试验装置，其特征在于，所述加热炉(13)还包括窗口(21)，所述窗口(21)为石英玻璃窗口；所述摄像单元能够通过所述窗口拍摄试验件(1)。

9.根据权利要求8所述的基于散斑应变的高温拉或压试验装置，其特征在于，所述摄像单元包括摄像头(11)、摄像头支架(6)和摄像头支架杆(7)，所述摄像头支架(6)用于安装摄像头(11)，所述摄像单元通过所述摄像头支架杆(7)安装在所述拉伸机(14)上。

10.一种基于散斑应变的高温拉或压试验方法，其特征在于，使用权利要求1-9所述的试验装置；

所述试验方法包括以下步骤：

步骤1：试验前的准备；

步骤2：设置试验参数并开始试验；

步骤3：试验结束后，进行数据整理。

Images