CN113820203B - 一种用于双面温差拉伸测试的装置及测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种用于双面温差拉伸测试的装置及测试方法，该装置包括力学试验机(1)和安装在力学试验机(1)上、下端用于连接固定试样(5)的上夹具和下夹具，所述试样(5)为片状或棒状，其特征在于：在试样(5)的一侧或两侧设置有环境温度调节箱(3)，环境温度调节箱(3)上设置有一侧出风口与隔热套(4)的一端连接，隔热套(4)的另一端开口与片状的试样(5)的测试段形状一致并贴紧在其上，环境温度调节箱(3)内设置有红外灯、喷淋枪用于加热并控制试样(5)表面的温度；本发明技术方案中的测试方法能够针对高分子材料、复合材料的双面温差拉伸测试，经过实验表明，该测试方法能够准确、可靠地测量材料的拉伸强度、拉伸模量、断裂伸长率等，数据的重复性较好，具有很高的使用价值。

Description

一种用于双面温差拉伸测试的装置及测试方法
技术领域
本发明是一种用于双面温差拉伸测试的装置及测试方法，属于材料力学性能实验技术领域。
背景技术
随着我国国防战略地位的不断提升以及武器装备的不断发展，未来战斗机飞行马赫数越来越高，机身外侧往往承受因高速飞行产生的高温；此外，未来战斗机为适应多用途作战需求，作战环境往往是极端气候条件，机身外侧环境温度较低。无论哪种服役情况，机身材料内外表面均存在较大温度差，单纯考察材料在单一高温或低温环境下的力学性能不能完全反映出实际情况，从结构设计和材料选择等方面考虑，都需要获得材料在双面温差下的力学性能。
目前，国内外关于材料双面温差力学性能的研究较少，大多数研究仍集中于考察材料在单一环境下的力学性能，其原因可能是夹具体积较大，夹持试样后不便安装隔热风道，传热效率较低，无法到达设定温度。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术状况而设计提供了一种用于双面温差拉伸测试的装置及测试方法，其目的在于填补高分子材料和复合材料双面温差拉伸性能测试技术的空白。
为实现上述目的是，本发明提出了以下技术解决方案：
本发明技术方案提出了一种用于双面温差拉伸测试的装置，该装置包括力学试验机1和安装在力学试验机1上、下端用于连接固定试样5的上夹具和下夹具，所述试样5为片状或棒状，在试样5的一侧或两侧设置有环境温度调节箱3，环境温度调节箱3上设置有一侧出风口与隔热套4的一端连接，隔热套4的另一端开口与片状的试样5的测试段形状一致并贴紧在其上，环境温度调节箱3内设置有红外灯、喷淋枪用于加热并控制试样5表面的温度；
另外，在试样5两侧粘贴温度热电偶7以监测温度，在试样5上安装引伸计6以测量拉伸模量。
在一种实施中，所述上夹具和下夹具为相同结构的勾型夹具2，该勾型夹具2由夹具板和连接杆21两部分组成，夹具板由夹持段22和增强段23组成，增强段23的厚度大于夹持段22的厚度，是为了减小夹具体积的同时保证夹具的刚性，提高夹具耐用度，夹持段22上开有缺口24用于连接试样5的夹持端，缺口24形状与试样5夹持端形状相同能够减小夹具体积的同时保证能够夹紧试样，防止试样滑脱。缺口24的两侧加工有螺纹孔25用于安装压板26。连接杆21包含连接杆本体27、紧固螺丝28和销孔29。
进一步，所述夹持段22的厚度与试样5的厚度相同。该项技术措施是为了保证最大程度地减小夹具体积，防止拉伸实验前或者实验中与隔热风道造成干涉，导致夹具在拉伸方向上受到阻碍，或者与温度控制装置间密封不严，导致控温精度不高。
在一种实施中，所述隔热套4采用具有隔热作用的陶瓷或玻璃棉制成。该项技术措施是为了防止热量损失，保证从环境温度箱到试样表面的传热效率，提高控温精度。
本发明技术方案还针对上述装置提出一种测试方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、将上夹具和下夹具分别安装于力学试验机1的上、下夹头内；
步骤二、在上夹具上的缺口24的一个侧面安装压板26，之后将试样5的上端嵌入该缺口24内，在缺口24的另一个侧面安装另一个压板26，完成将试样5的上夹持端固定于上夹具内的操作；
步骤三、将上夹具调整到合适的高度，参照步骤二的操作将试样5的下夹持端固定在下夹具上；
步骤四、在环境温度调节箱3一侧的出风口上安装隔热套4，并将隔热套4的另一端开口紧贴在试样5的测试段的周围；
若试样为棒材，隔热套4靠近试样5的出风口形状为圆弧形，其直径和长度与试样测试段相同；若试样5为板材，隔热套4出风口形状为矩形，其长度和宽度与试样测试段相同。这是为了保证隔热风道出风口与试样的紧密程度，能够使得隔热风道紧贴在试样表面，保证试样表面温度的准确性；
步骤五、采用红外灯照射或喷淋的方式对试样5的两侧面温度进行动态调节，达到设定温度值后，保持2～5min后开始进行双面温差拉伸测试，实验过程中连续采集载荷、位移、应力、应变数据；
步骤六、实验完成后，拆除上、下夹具一侧的压板26，取出试样5。
在实施时，步骤四中，在隔热套4的外表面粘贴一层隔热棉。
在实施时，在试样5的两侧面设置环境温度调节箱3后，在试样5的测试段的表面贴应变片进行数据采集。对于试样两侧对称放置环境箱的情况，可采用试样表面贴应变片的方式代替引伸计测试材料的模量等性能参数。
在实施时，在试样5的两侧面进行加热的温度选择范围为-150℃～600℃。该温度范围基本覆盖了高分子材料或复合材料在武器装备的实际工况中两侧的温度条件。
本发明技术方案在测试时，为了实现试样两侧不同温度控制，首先令试样一侧温度到达目标温度，由于热传导，材料的另一侧温度也会有所变化，因此需要进行调温：若是此时温度较低，需要用红外灯进行补温；若此时温度较高，需要用喷淋方式降温。考虑到动态调温过程对环境箱侧温度的影响，因此选择温差控制在±2℃。保温时间不宜过长或过短，时间太短或太长都会导致试样表面温度不稳定
本发明技术方案实现了材料双面温差拉伸性能测试，与现有技术相比，本发明技术方案中所述夹具在保证其本体的强度和刚度的同时与标准的环境温度调节箱3适配，无需对环境箱进行较大改造。同时加入的隔热套4解决了环境箱直接与试样接触会产生较大缝隙导致传热效率过低的问题。并且该夹具结构简单，拆装方便，不会对试样产生应力集中。本发明技术方案中的测试方法能够针对高分子材料、复合材料的双面温差拉伸测试，经过实验表明，该测试方法能够准确、可靠地测量材料的拉伸强度、拉伸模量、断裂伸长率等，数据的重复性较好，具有很高的使用价值。
附图说明
图1是本发明所述装置的结构示意图
图2是图1中上、下夹具的结构示意图；其中：左侧为上夹具，右侧为下夹具
图3为图2中左侧的上夹具的侧视图
图4是图1中压板的结构示意图
图5是图1中隔热套4的结构示意图；
图6是实施例1中测试得到的试样双面温差拉伸应力-应变曲线；
图7是实施例2中在试样5两侧均安装环境温度调节箱3的结构示意图
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
实施例1
参见附图1至4所示，该种用于双面温差拉伸测试的装置包括力学试验机1和安装在力学试验机1上、下端用于连接固定试样5的上夹具和下夹具，所述试样5为片状，在试样5的一侧设置有环境温度调节箱3，环境温度调节箱3上设置有一侧出风口与隔热套4的一端连接，隔热套4的另一端开口与片状的试样5的测试段形状一致并贴紧在其上，隔热套4呈梯形，环境温度调节箱3内设置有红外灯、喷淋枪用于加热并控制试样5表面的温度；
另外，隔热套4采用具有隔热作用的陶瓷或玻璃棉制成，在试样5两侧粘贴温度热电偶7以监测温度，在试样5上安装引伸计6以测量拉伸模量。
所述上夹具和下夹具为相同结构的勾型夹具2，该勾型夹具2由夹具板和连接杆21两部分组成，夹具板由夹持段22和增强段23组成，增强段23的厚度大于夹持段22的厚度，夹持段22的厚度与试样5的厚度相同，夹持段22上开有缺口24用于连接试样5的夹持端，缺口24形状与试样5端部形状一致，缺口24的两侧加工有螺纹孔25用于安装压板26，压板26上也有安装孔，位置与螺纹孔25对应，固定试样5时不会滑脱。连接杆21包含连接杆本体27、紧固螺丝28和销孔29，用于连接力学试验机1。
采用上述装置进行双面温差拉伸测试的步骤如下：
步骤一、将上夹具和下夹具分别安装于力学试验机1的上、下夹头内；
步骤二、在上夹具上的缺口24的一个侧面安装压板26，之后将试样5的上端嵌入该缺口24内，在缺口24的另一个侧面安装另一个压板26，完成将试样5的上夹持端固定于上夹具内的操作；
拉伸试样5尺寸符合GB/T 1040.2-2006要求，测试条件为：双面环境温度是135℃/35℃，模量段拉伸速度为1mm/min，强度段拉伸速度为50mm/min；
步骤三、将上夹具调整到合适的高度，参照步骤二的操作将试样5的下夹持端固定在下夹具上；
步骤四、在环境温度调节箱3一侧的出风口上安装隔热套4，在隔热套4的外表面粘贴一层隔热棉，将隔热套4的另一端开口紧贴在试样5的测试段的周围；
步骤五、采用红外灯照射或喷淋的方式对试样5的两侧面温度进行动态调节，当试样加热侧到达135℃后，由于热传导和热扩散效应，试样另一侧温度也会逐渐升高，通过喷淋方法将水喷在试样表面降温，使其降到35±2℃，当试样两侧温度为135℃和36℃时，保持5min，点击试验机开始程序，按拉伸实验设定参数开始实验，实验过程中连续采集载荷、位移、应力、应变等数据；
步骤六、实验完成后，拆除上、下夹具一侧的压板26，取出试样5。
图5是本实施例测试得到的试样双面温差拉伸应力-应变曲线。
实施例2
参见附图6所示，本实施例2装置与实施例1相同，区别为在试样5两侧均安装环境温度调节箱3，本实施例2不安装引伸计6，而是在试样5表面贴应变片；采用上述装置进行双面温差拉伸测试的步骤如下：
步骤一、将上夹具和下夹具分别安装于力学试验机1的上、下夹头内；
步骤二、在上夹具上的缺口24的一个侧面安装压板26，之后将试样5的上端嵌入该缺口24内，在缺口24的另一个侧面安装另一个压板26，完成将试样5的上夹持端固定于上夹具内的操作；
其中试样5材料为有机玻璃，拉伸试样尺寸符合ASTM D638要求，测试条件为：双面环境温度是-20℃/0℃，强度段拉伸速度为10mm/min；
步骤三、将上夹具调整到合适的高度，参照步骤二的操作将试样5的下夹持端固定在下夹具上；
步骤四、在环境温度调节箱3一侧的出风口上安装隔热套4，在隔热套4的外表面粘贴一层隔热棉，将隔热套4的另一端开口紧贴在试样5的测试段的周围；
步骤五、设定左侧环境箱温度为-20℃，右侧环境箱温度0℃，开始降温；通过热电偶7实时读取试样两侧的温度，当一侧温度达到-20℃，另一侧温度达到0℃时，保持5min，点击试验机1开始程序，按拉伸实验设定参数开始实验，实验过程中连续采集载荷、位移、应力、应变等数据。
步骤六、试验机1按10mm/min速度拉伸直至试样断裂，实验完成后，拆除上、下夹具一侧的压板26，取出试样5。

Claims (5)

1.一种用于双面温差拉伸测试的方法，该方法所用装置包括力学试验机（1）和安装在力学试验机（1）上、下端用于连接固定试样（5）的上夹具和下夹具，所述试样（5）为片状或棒状，其特征在于：在试样（5）的一侧或两侧设置有环境温度调节箱（3），环境温度调节箱（3）上设置有一侧出风口与隔热套（4）的一端连接，隔热套（4）的另一端开口与片状的试样（5）的测试段形状一致并贴紧在其上，环境温度调节箱（3）内设置有红外灯、喷淋枪用于加热并控制试样（5）表面的温度；
另外，在试样（5）两侧粘贴温度热电偶（7）以监测温度，在试样（5）上安装引伸计（6）以测量拉伸模量；
所述上夹具和下夹具为相同结构的勾型夹具（2），该勾型夹具（2）由夹具板和连接杆（21）两部分组成，夹具板由夹持段（22）和增强段（23）组成，增强段（23）的厚度大于夹持段（22）的厚度，夹持段（22）的厚度与试样（5）的厚度相同，夹持段（22）上开有缺口（24）用于连接试样（5）的夹持端，缺口（24）的两侧加工有螺纹孔（25）用于安装压板（26）；
该种用于双面温差拉伸测试的方法的步骤如下：
步骤一、将上夹具和下夹具分别安装于力学试验机（1）的上、下夹头内；
步骤二、在上夹具上的缺口（24）的一个侧面安装压板（26），之后将试样（5）的上端嵌入该缺口（24）内，在缺口（24）的另一个侧面安装另一个压板（26），完成将试样（5）的上夹持端固定于上夹具内的操作；
步骤三、将上夹具调整到合适的高度，参照步骤二的操作将试样（5）的下夹持端固定在下夹具上；
步骤四、在环境温度调节箱（3）一侧的出风口上安装隔热套（4），并将隔热套（4）的另一端开口紧贴在试样（5）的测试段的周围；
步骤五、采用红外灯照射或喷淋的方式对试样（5）的两侧面温度进行动态调节，达到设定温度值后，保持2~5min后开始进行双面温差拉伸测试，实验过程中连续采集载荷、位移、应力、应变数据；
步骤六、实验完成后，拆除上、下夹具一侧的压板（26），取出试样（5）。
2.根据权利要求1所述的用于双面温差拉伸测试的方法，其特征在于：所述隔热套（4）采用具有隔热作用的陶瓷或玻璃棉制成。
3.根据权利要求1所述的用于双面温差拉伸测试的方法，其特征在于：步骤四中，在隔热套（4）的外表面粘贴一层隔热棉。
4.根据权利要求1所述的用于双面温差拉伸测试的方法，其特征在于：在试样（5）的两侧面设置环境温度调节箱（3）后，在试样（5）的测试段的表面贴应变片进行数据采集。
5.根据权利要求1所述的用于双面温差拉伸测试的方法，其特征在于：在试样（5）的两侧面进行加热的温度选择范围为-150℃～600℃。
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