CN115876603A - 用于材料性能测试的测试装置及测试系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及材料性能测试分析技术领域，特别涉及一种用于材料性能测试的测试装置及测试系统；其中，测试装置包括包括能够提供真空及密闭环境的测试环境箱、设于测试环境箱内能够通电加热且耐高温的试样夹具，及设于试样夹具两端的辅助加热模块，试样夹具用于对夹持固定的材料试样进行主体加热，辅助加热模块分别用于对材料试样的两端进行辅助加热，可以使得通过试样夹具对材料试样进行主要加热的同时，通过两端的辅助加热模块进一步对材料试样的两端进行加热，从材料试样的两端进行辅助加热，以使得材料试样被加热得更加均匀，如此使得该测试装置所测试材料的性能更加接近真实情况，从而提高该测试装置测试的真实性及准确性。

Description

用于材料性能测试的测试装置及测试系统

技术领域

本申请涉及材料性能测试分析技术领域，特别涉及一种用于材料性能测试的测试装置及测试系统。

背景技术

由于航天技术的不断发展，对于航空航天材料的要求也越来越高，因此，可以模拟材料在航天环境下的受热和受力情况的试验设备变得至关重要。

目前国内对于材料高温力学性能测试的装置主要分为两种：一是采用通电加热方式，加热效率最高，速度最快，且可获得较高的加热温度，但该方式仅限于导电材料，而非导电材料只能另寻他法。二是采用感应加热方式，可达到的加热温度受限，且加热效率较低，加热过程中易产生热量的流失。

现有技术对试样材料的测试，通常将试样材料放置测试箱中，通过加热测试箱的环境温度对试样材料进行测试，发明人发现，对测试箱环境加热的温度并不代表试样材料的温度，如此导致实际的测试性能不够准确，因而现有技术存在问题亟待解决。

发明内容

有鉴于此，本申请提供的用于材料性能测试的测试装置及测试系统，旨在解决包括以下至少一个问题：

现有用于材料性能测试的测试装置存在测试准确性的问题。

本申请第一方面提供一种用于材料性能测试的测试装置，其中，所述测试装置包括能够提供真空及密闭环境的测试环境箱、设于所述测试环境箱内能够通电加热且耐高温的试样夹具，及设于所述材料试样夹具两端的辅助加热模块，所述试样夹具用于对夹持固定的材料试样进行主体加热，所述辅助加热模块分别用于对所述材料试样的两端进行辅助加热。

可选地，所述试样夹具包括上夹头、下夹头，及设于所述上夹头和所述下夹头之间的加热连杆，所述加热连杆包括主加热模块，所述上夹头设有上水冷机构，所述下夹头设有下水冷机构，所述辅助加热模块包括第一上辅助加热模块、第二上辅助加热模块、第一下辅助加热模块及第二下辅助加热模块，所述第一上辅助加热模块和所述第二上辅助加热模块分别设于所述上水冷机构的两侧，所述第一下辅助加热模块和所述第二下辅助加热模块分别设于所述下水冷机构的两侧。

可选地，所述测试环境箱包括箱体，及分别密封设于所述箱体两侧的前门和后门，所述箱体、所述前门和所述后门均采用至少双层水冷结构，所述双层水冷结构采用不锈钢材料制造，所述前门和所述后门上均设有观察窗；所述箱体上还配置有能够与外部疲劳测试设备的上拉杆连接的上拉杆连接机构，及与所述外部疲劳测试设备的下拉杆连接的下拉杆连接机构。

可选地，所述上拉杆连接机构和所述下拉杆连接机构均为法兰组件，对应所述法兰组件分别能够与所述外部疲劳测试设备的上拉杆及下拉杆密封连接。

可选地，所述箱体上还开设有与所述夹具上的试样连通的变形测量室，所述变形测量室用于安装侧插引伸计，以使所述侧插引伸计测量所述材料试样在标距内的变形量；

所述变形测量室上还设有引伸计水冷引入口，以通过所述引伸计水冷引入口对所述侧插引伸计进行冷却。

可选地，所述箱体上设有多个均匀分布的水冷电极法兰，所述测试装置还包括水冷系统，所述水冷系统包括冷水机及与所述冷水机连接的分水器，所述分水器设有多路冷却水通道，每一路冷却水通道上设有对应的铜球阀，所述冷却水通道分别与对应的所述水冷电极法兰连接。

可选地，所述箱体上还设有抽真空口，所述抽真空口上还设有放气阀；

所述测试装置还包括真空抽气装置，所述真空抽气装置包括机械泵、真空管道、设于所述真空管道上的真空手动调节阀及真空测量仪表，所述真空管道为真空波纹管，所述真空波纹管的一端密封连接所述抽真空口，所述真空波纹管的另一端密封连接所述机械泵。

可选地，所述测试装置还包括充放气装置、安装于所述箱体上的电接点真空压力表，及设于所述电接点真空压力表上的第一高真空微调阀和设于所述真空管道上的第二高真空微调阀，其中：

所述充放气装置包括充气瓶，所述电接点真空压力表用于控制所述充气瓶的充气压力；

所述第一高真空微调阀与所述充气瓶上的自动放气电磁阀连接，

所述第二高真空微调阀和所述充气瓶上的减压阀连接。

可选地，所述测试装置还包括多个热电偶，所述箱体上还设有用于所述热电偶测温的热电偶连接通道，所述热电偶连接通道能够连通并靠近所述材料试样的位置，通过所述热电偶连接通道，对应所述热电偶能够测量所述箱体内的预设位置的实时环境温度；

和/或，所述测试装置还包括光电比色计和温控器，所述光电比色计用于测量所述材料试样的实时加热温度，并用于将所述实时加热温度反馈至所述温控器，所述温控器用于根据所述实时加热温度控制所述夹具的主加热模块的加热温度。

本申请第二方面提供一种测试系统，所述测试系统包括本申请第一方面任一项所述的测试装置。

本申请的用于材料性能测试的测试装置与现有技术相比，至少包括以下一个有益效果：

本申请中的测试装置，通过配置密闭和真空环境的测试环境箱，及在该测测试环境箱配置能耐高温且能固定并能加热材料试样的试样夹具，以及为试样夹持对应配置辅助加热模块，可以使得通过试样夹具对材料试样进行主要加热的同时，通过两端的辅助加热模块进一步对材料试样的两端进行加热，即采用了多段加热的方式分别从材料试样的轴向进行主加热，从材料试样的两端进行辅助加热，以使得材料试样被加热得更加均匀，即可使得试样标距段的温度更加均匀，如此使得该测试装置所测试材料的性能更加接近真实情况，从而提高该测试装置测试的真实性及准确性。

本申请实施例的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请实施例而了解。本申请实施例的目的和其他优点在说明书以及附图所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例提供的用于材料性能测试的测试装置的一个示意图；

图2是本发明实施例提供的用于材料性能测试的测试装置的另一个示意图；

图3是本发明实施例提供的用于材料性能测试的测试装置包括试样夹具的一个示意图；

图4是本发明实施例提供的用于材料性能测试的测试装置包括试样夹具的另一个示意图；

图5是本发明实施例提供的用于材料性能测试的测试装置包括试样夹具的另一个示意图。

其中，如下为附图标记说明：

1-前门；

2-观察窗；

3-第一高真空微调阀；

4-电接点真空压力表；

5-拉杆连接机构；

6-后门；

7-水冷电极法兰；

8-测试环境箱；

9-变形测量小室；

10-抽真空口；

11-放气阀；

12-试样夹具；121-下夹头；122-楔块；123-上夹头；124-陶瓷杆；125-辅助电极；126-弹簧；

13-接电电极；

14-材料试样。

具体实施方式

尽管在本申请的说明书文字及附图中已经对上述各实施例进行了描述，但并不能因此限制本申请的专利保护范围。凡是基于本申请的实质理念，利用本申请说明书文字及附图记载的内容所作的等效结构或等效流程替换或修改产生的技术方案，以及直接或间接地将以上实施例的技术方案实施于其他相关的技术领域等，均包括在本申请的专利保护范围之内。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

本申请第一方面提供一种用于材料性能测试的测试装置，如图1-图5所示，该用于材料性能测试的测试装置可以包括测试环境箱8、设于该测试环境箱8内的试样夹具12及设于试样夹具12两端的辅助加热模块，具体地，该测试环境箱8能够提供真空及密闭环境，该试样夹具12能够通电加热、耐高温及能够夹持材料试样14，试样夹具12用于对夹持固定的材料试样14进行主体加热，辅助加热模块分别用于对试样的两端进行辅助加热。

实际应用场景中，该测试环境箱8可以材料试样14的测试提供一个相对密闭、及实现真空(充气)的超高温环境，以确保材料试样14能在满足的条件下进行试验。其中，该材料试样14可以被构造成杆状试样，如图4和图5所示，材料试样14的两端可以做成哑铃状斜面，使得通过夹具组件对哑铃状斜面的材料试样14进行夹持，并还可以将材料试样14的两端加宽，且可以在两端加宽的位置增加圆弧过渡，以减小应力集中而使得材料试样14出现脆断的问题，从而使得试样夹具12更加适配该种结构的材料试样14。

上述实施例中的测试装置，通过配置密闭和真空环境的测试环境箱8，及在该测测试环境箱8配置能耐高温且能固定并能加热材料试样14的试样夹具12，以及为试样夹持对应配置辅助加热模块，可以使得通过试样夹具12对材料试样14进行主要加热的同时，通过两端的辅助加热模块进一步对材料试样14的两端进行加热，即采用了多段加热的方式分别从材料试样14的轴向进行主加热，从材料试样14的两端进行辅助加热，以使得材料试样14被加热得更加均匀，即可使得试样标距段的温度更加均匀，如此使得该测试装置所测试材料的性能更加接近真实情况，从而提高该测试装置测试的真实性及准确性。

在一个实施例中，上述实施例的试样夹具12，如图3-图5所示，试样夹具12具体可以包括上夹头123、下夹头121，及设于上夹头123和下夹头121之间的加热连杆，该加热连杆包括主加热模块，上夹头123设有上水冷机构，下夹头121设有下水冷机构，具体地，该加热连杆可以采用销轴结构连接头连接配置有水冷机构的夹头，如分别在对应夹头开设如直径Φ30mm通孔，以将材料试样14的两端装到对应上下夹头121Φ30mm的通孔中，而后再对应配置不足半圆的楔块122将材料试样14的两端进行固定。辅助加热模块包括第一上辅助加热模块、第二上辅助加热模块、第一下辅助加热模块及第二下辅助加热模块，第一上辅助加热模块和第二上辅助加热模块分别设于上水冷机构的两侧，第一下辅助加热模块和第二下辅助加热模块分别设于下水冷机构的两侧。其中，对应的辅助模块包括辅助电极125，并配置对应的陶瓷杆124进行绝缘及对应的接电电极13进行通电，对应的辅助电极125悬挂在对应的陶瓷杆124上，实际应用中，还在对应位置配置弹簧126将材料试样14的端部和辅助电极125进行压紧，以使得辅助电极125和试样能够紧密接触。

上述实施例中，通过对该试样夹具12配置对应的加热模块及水冷机构，可以使得能辅助加热材料试样14的同时，还可以实现对试样夹具12进行降温，以使得能实现对材料试样14加热较高温度，还使得能够实现及时降温，从而平衡试样夹具12的温度，以提高该试验夹具的测试时间及测试的稳定可靠性。

在一个实施例中，如图1所示，测试环境箱8可以包括箱体，及分别密封设于箱体两侧的前门1和后门6，该前门1和后门6为对开结构，其中，箱体、前门1和后门6均采用至少双层水冷结构，双层水冷结构采用不锈钢材料制造，并可以在如箱体两侧和/或前后门6对应的位置配置有水冷接口，以配合对应的冷却机构实现对测试环境箱8的散热。此外，还可以在前门1和后门6上均设有观察窗2，具体地，该观察窗2可以配置为如蓝光透明观察窗口；箱体上还配置有能够与外部疲劳测试设备的上拉杆连接的上拉杆连接机构5，及与外部疲劳测试设备的下拉杆连接的下拉杆连接机构5。

上述实施例中，通过对测试环境箱8的主体配置双层水冷结构，及采用不锈钢材料制造，可以使得该测试环境箱8能够满足提供超高温度的真空封闭环境，实践中该种结构至少能提供3000°的高温环境，通过在前门1和后门6分别配置的蓝光透明观察窗，可以使得通过前后双门的透明观察窗2均能看清测试环境箱8的内部情况，以及时了解测试状况。此外，通过在箱体上配置对应的拉杆连接机构5，可使得配置外部的疲劳测试设备进行额外的性能测试，该疲劳测试设备可以为拉伸测试或者压缩测试等，以进一步提高该测试装置的性能。

在一个实施例中，上述实施例提到的拉杆连接机构5均为法兰组件，即上拉杆连接机构和下拉杆连接机构均为法兰组件，对应法兰组件分别能够与外部疲劳测试设备的上拉杆及下拉杆密封连接。具体地，可以通过如焊接式的金属波纹管及真空橡皮密封圈实现将疲劳测试设备的拉杆与箱体上的拉杆连接机构5进行动密封连接，以提高测试装置的密封性能及测试性能。

在一个实施例中，如图1和图2所示，箱体上还开设有与夹具上的试样连通的变形测量室9，具体地，可以在箱体的两侧上分别开设该变形测量室9，变形测量室9用于安装侧插引伸计，以使侧插引伸计测量材料试样14在标距内的变形量，并计算平均值，从而根据对应的平均值确认材料试样14的性能。

具体地，该变形测量室9上还设有引伸计水冷引入口，以通过引伸计水冷引入口对侧插引伸计进行冷却，具体地，可以配合上面实施例提到的冷却装置进行实现，以使得通过该引伸计水冷引入口实现度高温引伸计的冷却。及采用了双侧侧插式高温引伸计测量试样变形的方式，可实现高温引伸计在高温、带电试样上的稳定使用。

在一个实施例中，如图1和图2所示，箱体上设有多个均匀分布的水冷电极法兰7，例如可以在箱体四周45°的位置共计布置8个水冷电极法兰7，测试装置还包括水冷系统，水冷系统包括冷水机及与冷水机连接的分水器，分水器设有多路冷却水通道，每一路冷却水通道上设有对应的铜球阀，冷却水通道分别与对应的水冷电极法兰7连接，以通过冷水机实现对箱体进行及时散热。进一步地，还可以配置共用冷却水通道，例如上述实施例上下夹头121对应配置的水冷机构及引伸计水冷引入口所需的冷却水可以由共用冷却水通道进行提供。

在一个实施例中，如图1和图2所示，箱体上还设有抽真空口10，抽真空口10上还设有放气阀11；具体地，该测试装置还包括真空抽气装置，真空抽气装置包括机械泵、真空管道、设于真空管道上的真空手动调节阀及真空测量仪表，真空管道为真空波纹管，真空波纹管的一端密封连接抽真空口10，真空波纹管的另一端密封连接机械泵。具体地，该真空波纹管用来实现箱体与外部真空抽气装置之间的软联接，对应设置的真空手动调节阀用来调节真空管道的关闭，该真空测量仪表可以采用复合式数显真空计。通过该实施例的真空抽气装置，可以使得测试装置的功能更加齐全。

在一个实施例中，如图1和图2所示，测试装置还包括充放气装置、安装于箱体上的电接点真空压力表4，及设于电接点真空压力表4上的第一高真空微调阀3和设于真空管道上的第二高真空微调阀(图中未示出)，其中：充放气装置包括充气瓶，电接点真空压力表4用于控制充气瓶的充气压力；第一高真空微调阀3与充气瓶上的自动放气电磁阀连接，第二高真空微调阀和充气瓶上的减压阀连接。该实施例中配置的充放气装置，及对应的压力表及微调阀，可以使得根据实时显示的气压情况进行充放气调整，对应配置的真空微调阀可以使得精确调节气阀，以提高测试装置的精确测试。

在一个实施例中，测试装置还可以包括多个热电偶，箱体上还设有用于热电偶测温的热电偶连接通道，热电偶连接通道能够连通并靠近材料试样14的位置，通过热电偶连接通道，对应热电偶能够测量箱体内的预设位置的实时环境温度；具体地，该热电偶连接通道可以配置在箱体的两侧，每个热电偶连接通道可以配置一个或者多个(比如三个)热电偶，例如可以配置标配的K型热电偶，该K型热电偶配置于监控箱内必要位置的实时环境温度，该必要位置可以根据实际需监控的位置进行具体配置。

和/或，在一个实施例中，该测试装置还可以包括光电比色计和温控器，光电比色计用于测量材料试样14的实时加热温度，并用于将实时加热温度反馈至温控器，温控器用于根据实时加热温度控制夹具的主加热模块的加热温度，例如根据实时加热温度控制对应加热模块的输入电流，以通过电流的控制实现不同的加热温度。

上述实施例中，通过配置对应的热电偶测温和/或光电比色计和温控器，可以使得通过单独的测试或者组合的测温方式，以提供多种测温组合的参考，及配置的温控器可实现试样环境温度的闭环控制。

基于上述实施例的说明，下面对本申请的测试装置进行总结，至少包括以下特点：

1.本申请的测试装置是一个综合能力体现的高温力学性能测试装置，分别由能够搭配的疲劳测试设备(材料机械载荷加载系统)、高温加载模块、真空度控制系统以及冷却、充气等辅助单元来实现某种材料的超高温力、热、真空(充气)的耦合材料性能测试；

2.本申请的测试装置采用多段加热的方式对材料试样进行加热，分别从材料试样的轴向进行主加热，材料试样的两段进行辅助加热，从而使试样温度均匀性得到了显著的提升；

3.本申请测试装置的辅助加热采用了弹性安装结构和过渡式温度梯度连接方法，如此可使得材料试样在高温工作时，辅助加热系统能够与材料试样有完整接触，并保持稳定的加热能力；

4.本申请测试装置的试样夹具采用了过渡式温度梯度夹持方法，通过高温材料和不锈钢水冷结构的设计，使得高温夹具在3000℃仍然具备长时工作能力；

5.本申请测试装置两端的连杆机构与外部疲劳测试设备采用了组合式连接的密封结构，达到高温夹具通电部分与外部疲劳测试设备绝缘的目的，并且能够保证外部疲劳测试设备的同轴度和加载强度。

本申请第二方面还提供一种测试系统，其中，该测试系统包括上述第一方面任一实施例中的用于材料性能测试的测试装置，该测试系统具体可以包括上述实施例提及的疲劳测试机，基于配置的测试装置，该测试系统进一步还可以包括疲劳测试机，该疲劳测试机可以配置有对应的拉伸机构或者压缩机构，该对应的拉伸机构或者压缩机构可以配置成对应的上拉杆和下拉杆，以使得通过对应的拉杆与测试环境箱的箱体预留的拉杆连接机构相连接。

可以理解，基于上述第一方面实施例中的用于材料性能测试的测试装置具有的诸多优点，该测试系统同样也具有诸多优点，为避免累赘，此次便不展开赘述。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于材料性能测试的测试装置，其特征在于，所述测试装置包括能够提供真空及密闭环境的测试环境箱、设于所述测试环境箱内能够通电加热且耐高温的试样夹具，及设于所述试样夹具两端的辅助加热模块，所述试样夹具用于对夹持固定的材料试样进行主体加热，所述辅助加热模块分别用于对所述材料试样的两端进行辅助加热。

2.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述试样夹具包括上夹头、下夹头，及设于所述上夹头和所述下夹头之间的加热连杆，所述加热连杆包括主加热模块，所述上夹头设有上水冷机构，所述下夹头设有下水冷机构，所述辅助加热模块包括第一上辅助加热模块、第二上辅助加热模块、第一下辅助加热模块及第二下辅助加热模块，所述第一上辅助加热模块和所述第二上辅助加热模块分别设于所述上水冷机构的两侧，所述第一下辅助加热模块和所述第二下辅助加热模块分别设于所述下水冷机构的两侧。

3.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述测试环境箱包括箱体，及分别密封设于所述箱体两侧的前门和后门，所述箱体、所述前门和所述后门均采用至少双层水冷结构，所述双层水冷结构采用不锈钢材料制造，所述前门和所述后门上均设有观察窗；所述箱体上还配置有能够与外部疲劳测试设备的上拉杆连接的上拉杆连接机构，及与所述外部疲劳测试设备的下拉杆连接的下拉杆连接机构。

4.如权利要求3所述的测试装置，其特征在于，所述上拉杆连接机构和所述下拉杆连接机构均为法兰组件，对应所述法兰组件分别能够与所述外部疲劳测试设备的上拉杆及下拉杆密封连接。

5.如权利要求3所述的测试装置，其特征在于，所述箱体上还开设有与所述夹具上的试样连通的变形测量室，所述变形测量室用于安装侧插引伸计，以使所述侧插引伸计测量所述材料试样在标距内的变形量；

所述变形测量室上还设有引伸计水冷引入口，以通过所述引伸计水冷引入口对所述侧插引伸计进行冷却。

6.如权利要求1-5任一项所述的测试装置，其特征在于，所述箱体上设有多个均匀分布的水冷电极法兰，所述测试装置还包括水冷系统，所述水冷系统包括冷水机及与所述冷水机连接的分水器，所述分水器设有多路冷却水通道，每一路冷却水通道上设有对应的铜球阀，所述冷却水通道分别与对应的所述水冷电极法兰连接。

7.如权利要求3-5任一项所述的测试装置，其特征在于，所述箱体上还设有抽真空口，所述抽真空口上还设有放气阀；

所述测试装置还包括真空抽气装置，所述真空抽气装置包括机械泵、真空管道、设于所述真空管道上的真空手动调节阀及真空测量仪表，所述真空管道为真空波纹管，所述真空波纹管的一端密封连接所述抽真空口，所述真空波纹管的另一端密封连接所述机械泵。

8.如权利要求7所述的测试装置，其特征在于，所述测试装置还包括充放气装置、安装于所述箱体上的电接点真空压力表，及设于所述电接点真空压力表上的第一高真空微调阀和设于所述真空管道上的第二高真空微调阀，其中：

所述充放气装置包括充气瓶，所述电接点真空压力表用于控制所述充气瓶的充气压力；

所述第一高真空微调阀与所述充气瓶上的自动放气电磁阀连接，

所述第二高真空微调阀和所述充气瓶上的减压阀连接。

9.如权利要求3-5任一项所述的测试装置，其特征在于，所述测试装置还包括多个热电偶，所述箱体上还设有用于所述热电偶测温的热电偶连接通道，所述热电偶连接通道能够连通并靠近所述材料试样的位置，通过所述热电偶连接通道，对应所述热电偶能够测量所述箱体内的预设位置的实时环境温度；

和/或，所述测试装置还包括光电比色计和温控器，所述光电比色计用于测量所述材料试样的实时加热温度，并用于将所述实时加热温度反馈至所述温控器，所述温控器用于根据所述实时加热温度控制所述夹具的主加热模块的加热温度。

10.一种测试系统，其特征在于，所述测试系统包括如权利要求1-9任一项所述的测试装置。

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