CN116124604B - 材料高温力学性能测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种材料高温力学性能测试件及测试方法，本测试件的连接部通过圆弧过渡连接主体圆盘的两侧，主体圆盘与连接部位于同一轴线，连接部圆弧与主体圆盘外圆相交的两点沿轴线对称，主体圆盘表面通过激光刻蚀高温散斑。本方法利用高温环境下测试件在有效测试区域内的非接触全场位移测试结果，获得材料高温力学特性的值，通过非接触光学测量得到主体圆盘在高温拉伸状态下的全场位移，结合主体圆盘全场位移的解析解与测量所得的位移数据，实现材料高温力学性能的求解以及高温力学特性的表征。本测试件结构简单，测试方法无需进行大量试验，单次实验即能获得大量测试数据，提高了材料高温力学性能测试的精度和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及力学特性测试技术领域，尤其涉及一种材料高温力学性能测试方法。
背景技术
材料的使用环境愈为严苛，材料所需承受的温度越来越高，温度对材料物理性能的影响将不可忽略。尤其是先进耐高温复合材料的广泛应用，该类新型耐高温材料的出现，也为材料的高温力学特性测试设备、测试方法带来迫切的需求。传统的测试标准件(如哑铃型试件)和测试方法存在测试效率低和横向变形测试数据少的缺点。因此研究新型、高效的材料高温力学性能测试件和测试方法显得尤为重要。
在材料高温力学性能测试中，材料力学性能测试件是力学试验中常见的一种试验工具，被广泛用于各种力学特性的测量。传统国家标准试件适用性广，实用性强，并且易于获得，能确保不同的实验室出具的数据具有对比性和重现性。但是对于高温条件下各向同性以及各向异性复合材料的力学性能测试，由于测试环境和测试方法的影响，传统的标准测试件(如哑铃型等)和测试方法由于受高温和非接触光学测试的影响，存在着一些局限性：主要包括：(1)现有高温测试标准件由于横向尺寸小，非接触光学测试很难精确的获得横向的变形；(2)复合材料高温力学特性参数多，高温力学特性测试实现困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种材料高温力学性能测试件及测试方法，本测试件及测试方法克服传统材料高温力学性能测试的缺陷，本测试件结构简单，易于得到，操作方便。本方法无需进行大量试验，计算方便，单次实验即能获得大量测试数据，且试验精度高，提高了材料高温力学性能测试的精度和可靠性。
为解决上述技术问题，本发明材料高温力学性能测试件包括主体圆盘和连接部，所述连接部通过圆弧过渡连接所述主体圆盘的两侧，并且主体圆盘与连接部位于同一轴线，连接部圆弧与主体圆盘外圆相交的两点沿轴线对称，所述主体圆盘表面通过激光刻蚀高温散斑。
进一步，所述连接部圆弧与主体圆盘外圆相交两点与主体圆盘圆心连线的夹角为10°～20°。
进一步，所述连接部设有与夹具联接的通孔。
一种基于上述测试件的材料高温力学性能测试方法包括如下步骤：
步骤一、将测试件在高温拉伸试验机中进行拉伸试验，通过主体圆盘表面的高温散斑采用非接触光学测量得到主体圆盘的全场位移数据；
步骤二、推导出径向均布载荷作用下主体圆盘全场位移的解析解；
其中，ur为主体圆盘径向位移，R为主体圆盘半径，T*为无量纲温度函数，其表达式为T为温度，△T为温度变化量，T0为绝对参考温度，α为连接部圆弧与主体圆盘外圆相交两点与主体圆盘圆心连线夹角的1/2，p为测试件在高温拉伸过程中连接部对主体圆盘施加的径向均布载荷；
ρ、θ、Φ定义表达式如下：
其中，x和y分别为主体圆盘的横向和纵向坐标，θ的方向为y偏向x，顺时针为正；
步骤三、结合主体圆盘全场位移的解析解和测量得到主体圆盘的全场位移数据，计算得到材料等效弹性模量E(T*)和等效泊松比v(T*)。
由于本发明材料高温力学性能测试件及测试方法采用了上述技术方案，即本测试件的连接部通过圆弧过渡连接主体圆盘的两侧，并且主体圆盘与连接部位于同一轴线，连接部圆弧与主体圆盘外圆相交的两点沿轴线对称，主体圆盘表面通过激光刻蚀高温散斑。本方法利用高温环境下测试件在有效测试区域内的非接触全场位移测试结果，将材料高温力学性能的表征问题转化为优化问题，获得材料高温力学特性的值，通过非接触光学测量得到主体圆盘在高温拉伸状态下的全场位移，结合主体圆盘全场位移的解析解与测量所得的位移数据，实现材料高温力学性能的求解以及高温力学特性的表征。本测试件结构简单，易于得到，操作方便。本方法无需进行大量试验，计算方便，单次实验即能获得大量测试数据，且试验精度高，提高了材料高温力学性能测试的精度和可靠性。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
图1为本发明材料高温力学性能测试件结构示意图；
图2为本方法中主体圆盘拉伸试验受力示意图；
图3为应用本方法得到的材料等效弹性模量曲线示意图；
图4为应用本方法得到的材料等效泊松比曲线示意图。
具体实施方式
实施例如图1所示，本发明材料高温力学性能测试件包括主体圆盘1和连接部2，所述连接部2通过圆弧过渡连接所述主体圆盘1的两侧，并且主体圆盘1与连接部2位于同一轴线，连接部2圆弧与主体圆盘1外圆相交的两点沿轴线对称，所述主体圆盘1表面通过激光刻蚀高温散斑。
优选的，所述连接部2圆弧与主体圆盘1外圆相交两点与主体圆盘1圆心连线的夹角为10°～20°。
优选的，所述连接部2设有与夹具联接的通孔21。
一种基于上述测试件的材料高温力学性能测试方法包括如下步骤：
步骤一、将测试件在高温拉伸试验机中进行拉伸试验，通过主体圆盘表面的高温散斑采用非接触光学测量得到主体圆盘的全场位移数据；
步骤二、推导出径向均布载荷作用下主体圆盘全场位移的解析解；
其中，ur为主体圆盘径向位移，R为主体圆盘半径，T*为无量纲温度函数，其表达式为T为温度，△T为温度变化量，T0为绝对参考温度，α为连接部圆弧与主体圆盘外圆相交两点与主体圆盘圆心连线夹角的1/2，p为测试件在高温拉伸过程中连接部对主体圆盘施加的径向均布载荷；
ρ、θ、Φ定义表达式如下：
其中，x和y分别为主体圆盘的横向和纵向坐标，θ的方向为y偏向x，顺时针为正；
步骤三、结合主体圆盘全场位移的解析解和测量得到主体圆盘的全场位移数据，计算得到材料等效弹性模量E(T*)和等效泊松比v(T*)。
本方法实际应用时，以TC4钛合金材料制作测试件，进行TC4钛合金材料的高温力学性能参数测量。选择测试件的主体圆盘直径60mm、测试件总长190mm、连接部圆弧与主体圆盘外圆相交两点的夹角2α＝10°；测试件通过连接部的通孔与高温拉伸试验机的夹具联结，在高温拉伸试验机中进行拉伸试验，主体圆盘在拉伸过程的的受力如图2所示，即主体圆盘与连接部在连接过渡处2α范围内，连接部对主体圆盘施加的载荷p，图中，σr为径向正应力分量，σθ为环向正应力分量，τrθ为切应力分量。通过非接触光学测量可以得到主体圆盘的全场位移。试验数据采集采用数字图像相关法，试验环境为高温真空拉伸试验机。选择该全场位移中的数据较好的区域，选用径向位移ur数据，根据位移解析解计算出材料的相关力学性能弹性模量、泊松比。测量得到不同温度力学性能参数如下表所示：
在上表的基础上，结合热耦合本构，如图3和图4所示，构建出材料等效力学性能随无量纲温度变化的等效弹性模量曲线和等效泊松比曲线。
Claims (3)
1.一种材料高温力学性能测试方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、将测试件在高温拉伸试验机中进行拉伸试验，其中，测试件包括主体圆盘和连接部，所述连接部通过圆弧过渡连接所述主体圆盘的两侧，并且主体圆盘与连接部位于同一轴线，连接部圆弧与主体圆盘外圆相交的两点沿轴线对称，所述主体圆盘表面通过激光刻蚀高温散斑，通过主体圆盘表面的高温散斑采用非接触光学测量得到主体圆盘的全场位移数据；
步骤二、推导出径向均布载荷作用下主体圆盘全场位移的解析解，
其中，ur为主体圆盘径向位移，R为主体圆盘半径，T*为无量纲温度函数，其表达式为T为温度，△T为温度变化量，T0为绝对参考温度，α为连接部圆弧与主体圆盘外圆相交两点与主体圆盘圆心连线夹角的1/2，p为测试件在高温拉伸过程中连接部对主体圆盘施加的径向均布载荷；
ρ、θ、Φ定义表达式如下：
其中，x和y分别为主体圆盘的横向和纵向坐标，θ的方向为y偏向x，顺时针为正；
步骤三、结合主体圆盘全场位移的解析解和测量得到主体圆盘的全场位移数据，计算得到材料等效弹性模量E(T*)和等效泊松比v(T*)。
2.根据权利要求1所述的材料高温力学性能测试方法，其特征在于：所述连接部圆弧与主体圆盘外圆相交两点与主体圆盘圆心连线的夹角为10°～20°。
3.根据权利要求1所述的材料高温力学性能测试方法，其特征在于：所述连接部设有与夹具联接的通孔。
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|---|---|
| CN (1) | CN116124604B (zh) |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1696647A (zh) * | 2005-06-03 | 2005-11-16 | 西南交通大学 | 采用圆柱劈裂试样测试脆性材料抗拉强度的改进方法 |
| CN102128754A (zh) * | 2010-12-04 | 2011-07-20 | 中南大学 | 在shpb劈裂拉伸试验中测定脆性材料拉伸弹模的方法 |
| CN104034601A (zh) * | 2014-07-03 | 2014-09-10 | 哈尔滨工业大学 | 一种使用数字图像相关技术精确确定防热材料高温力学性能参数的方法 |
| CN105486564A (zh) * | 2016-01-28 | 2016-04-13 | 上海理工大学 | 一种变形测量的散斑制作方法 |
| RU2016130449A (ru) * | 2016-07-26 | 2018-01-31 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-исследовательский испытательный центр подготовки космонавтов имени Ю.А. Гагарина" | Способ и устройство измерения угла наклона |
| KR20180021573A (ko) * | 2016-08-22 | 2018-03-05 | 충남대학교산학협력단 | 공시체에 대한 목표 균열폭의 균열 유발장치 및 균열 유발방법 |
| CN110174308A (zh) * | 2019-06-10 | 2019-08-27 | 交通运输部公路科学研究所 | 一种沥青混合料动态拉伸、压缩模量及泊松比的同步测试方法 |
| CN213422768U (zh) * | 2020-08-24 | 2021-06-11 | 南京理工大学 | 一种用于岩石巴西圆盘劈裂的试验装置 |
| CN114544391A (zh) * | 2022-01-21 | 2022-05-27 | 深圳大学 | 高温环境固体材料动态拉剪力学特性测试装置及测试方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7149634B2 (en) * | 2004-01-14 | 2006-12-12 | The Hong Kong Polytechnic University | Method of determining elastic modulus |
| JPWO2020065815A1 (ja) * | 2018-09-27 | 2021-08-30 | 株式会社島津製作所 | 材料試験機 |
-
2023
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Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1696647A (zh) * | 2005-06-03 | 2005-11-16 | 西南交通大学 | 采用圆柱劈裂试样测试脆性材料抗拉强度的改进方法 |
| CN102128754A (zh) * | 2010-12-04 | 2011-07-20 | 中南大学 | 在shpb劈裂拉伸试验中测定脆性材料拉伸弹模的方法 |
| CN104034601A (zh) * | 2014-07-03 | 2014-09-10 | 哈尔滨工业大学 | 一种使用数字图像相关技术精确确定防热材料高温力学性能参数的方法 |
| CN105486564A (zh) * | 2016-01-28 | 2016-04-13 | 上海理工大学 | 一种变形测量的散斑制作方法 |
| RU2016130449A (ru) * | 2016-07-26 | 2018-01-31 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-исследовательский испытательный центр подготовки космонавтов имени Ю.А. Гагарина" | Способ и устройство измерения угла наклона |
| KR20180021573A (ko) * | 2016-08-22 | 2018-03-05 | 충남대학교산학협력단 | 공시체에 대한 목표 균열폭의 균열 유발장치 및 균열 유발방법 |
| CN110174308A (zh) * | 2019-06-10 | 2019-08-27 | 交通运输部公路科学研究所 | 一种沥青混合料动态拉伸、压缩模量及泊松比的同步测试方法 |
| CN213422768U (zh) * | 2020-08-24 | 2021-06-11 | 南京理工大学 | 一种用于岩石巴西圆盘劈裂的试验装置 |
| CN114544391A (zh) * | 2022-01-21 | 2022-05-27 | 深圳大学 | 高温环境固体材料动态拉剪力学特性测试装置及测试方法 |
Non-Patent Citations (9)
| Title |
|---|
| 65Mn钢圆锯片回火过程的有限元模拟及加热方法改进;朱坚民 等;机械科学与技术;20131231;第32卷(第11期);全文 * |
| Evaluation of Bi‑modular Behavior of Rocks Subjected to Uniaxial Compression and Brazilian Tensile Testing;Diyuan Li et al;Rock Mechanics and Rock Engineering;20210430(第54期);全文 * |
| Theoretical Analysis and Experimental Identification of Contact Pressure in Brazilian Disc;Junhong Yu et al;Rock Mechanics and Rock Engineering;20211103(第55期);全文 * |
| Thermally coupled constitutive relations of thermoelastic materials and determination of their material constants based on digital image correlation with a laser engraved speckle pattern;Yujia Hu 等;Mechanics of Materials;20180214;第10-20页 * |
| 基于三维数字图像相关法和贝叶斯运行模态分析的损伤识别研究;郭卫宫;CNKI优秀硕士学位论文全文库 工程科技Ⅱ辑;20200415;全文 * |
| 基于数字图像相关法的材料低温下断裂特性及超导带材失超实验研究;王淑丹;CNKI优秀硕士学位论文全文库 基础科学;20181115;全文 * |
| 基于数字散斑相关法的材料高温性能测试;胡育佳 等;应用激光;20160215;第36卷(第01期);全文 * |
| 无网格方法在平面粘弹性力学问题中的应用;朱媛媛 等;力学季刊;20060930;第27卷(第03期);全文 * |
| 激光散斑法测量热变形;朱家训 等;光电子.激光;19830415;第3卷(第04期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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