CN201828465U - 一种高温霍普金森拉伸实验装置 - Google Patents

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张方举
何鹏
胡文军
徐艾民
王薇
吴庆海
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Abstract

本实用新型公开了一种高温霍普金森拉伸实验装置，其特点是包括一套电流加热及控制系统，所述的电流加热及控制系统含有电流快速加热器、温控仪、加热夹头、通断器和热电偶。加热夹头夹持于试件实验段两端，并分别通过铜导线与电流快速加热器相连；热电偶固定连接于试件实验段，并与温控仪相连；温控仪通过通断器与电流快速加热器相连，控制其加热过程。本实用新型适用于金属试件，利用其导电特性，使之在电流作用下发热，实现自加热。应用本实用新型进行实验，加温迅速，波导杆的温升很小，可以忽略加温对波导杆的影响，对试件无冲击，试件上的温度分布均匀，能达到的最高温度也有较大的提高。

Description

一种高温霍普金森拉伸实验装置
技术领域
 本实用新型属于材料高温动态力学性能实验技术领域，具体涉及一种用于金属材料高温动态力学性能测试的霍普金森拉伸实验装置。
背景技术
材料在高温高应变率下的力学性能与常温低应变率下的力学性能不同，分离式霍普金森（Hopkinson）拉杆是进行材料动态拉伸力学性能研究最常用最有效的实验设备。由于分离式霍普金森（Hopkinson）拉杆在进行实验时试件与波导杆必须连接为一体，进行高温实验时加热对波导杆的影响是难以避免的，从而影响实验结果的准确性和有效性。采用合理的加热方式，降低波导杆中的温度梯度对实验结果的影响是霍普金森拉伸实验中关注的焦点之一。名称为“温度和应变率对拉伸载荷下高温铝合金本构关系影响的研究”的文章（佟景伟等，实验力学，1999，14(4)：498～504）采用电炉将试件及部分波导杆同时加热，然后对波导杆进行温度梯度修正的方式，其缺点是数据处理比较复杂。名称为“高温冲击拉伸实验中的快速接触加温技术”的文章(昝祥等，实验力学，2005，20(3):321～327)采用大热容量热惯性温升的快速接触加热技术，其加热器与试件的接触过程可能对试件产生横向冲击，达到的最高温度也受到一定的限制。
发明内容
为了克服已有技术中数据处理比较复杂，加热器与试件的接触过程对试件产生横向冲击，达到的最高温度受到限制等弱点，本实用新型提供了一种用于金属材料高温动态力学性能测试的霍普金森拉伸实验装置，应用本实用新型进行实验，加温迅速，可以忽略加温对波导杆的影响，对试件无冲击，能达到的最高温度也有较大的提高。
本实用新型采取的技术方案是：利用金属材料的导电特性，对试样施加电流，使金属试件在电流作用下发热，实现自加热。本实用新型的一种高温霍普金森拉伸实验装置，包括入射杆、透射杆、试件、测试系统，其特点是：还包括一套电流加热及控制系统。所述的电流加热及控制系统包括电流快速加热器、温控仪、加热夹头、通断器和热电偶。加热夹头由夹持于试件实验段两端的加热夹头Ⅰ和加热夹头Ⅱ组成，并分别通过铜导线与电流快速加热器相连；热电偶固定连接于试件实验段，并与温控仪相连作为其输入信号；温控仪的输出端与通断器相连，而通断器的另一端与电流快速加热器相连。
电流快速加热器输出电流所转换的热能主要由三部分组成：加热器内阻上产生的热能、编织铜导线电阻产生的热能和试件电阻产生的热能。加热器的内阻很小可忽略不计；一般金属材料的电阻率远高于铜的电阻率，且快速电加热器引出的编织铜导线截面积远大于试件本身的截面积，根据电阻的大小与材料的电阻率成正比而与材料的截面积成反比的原理，试件的电阻远高于编织铜导线的电阻，而电流相同，故加热器输出电流产生的热能主要集中在试件上，试件的温升远大于铜导线上的温升。
温控仪通过以下方式对加热过程进行控制：当热电偶测得的试件温度低于实验设定温度时，温控仪给出信号使电流快速加热器输出电流，使试件在电流作用下实现自加热，温度上升；当热电偶测得的试件温度达到实验设定温度后，温控仪给出信号控制电流快速电加热器停止电流输出，从而停止对试件加热，试件保温。
本实用新型中的试件、加热夹头和热电偶在安装完成后由石棉包覆，达到保温作用同时也与周围环境进行隔离。
本实用新型的实验过程为：按实验要求安装相应的试件，将加热夹头Ⅰ和加热夹头Ⅱ分别夹持于试件实验段的两端，将热电偶固接于试件的实验段，然后用石棉将上述部分包裹，并完成它们与温控仪、通断器、电流快速加热器的连接；开启实验测试系统，运行加载系统，当加载系统进入稳定运行等候击发时，开启电流快速加热系统，对试件加热；当试件温度达到实验要求时，击发加载系统，入射杆1中产生的应力波对试件进行拉伸加载，完成实验，同时加载系统截断通断器，电流快速加热器不再对试件进行加热。
本实用新型的有益效果是：试件上的温度分布均匀，其偏差小于2%；自加热局限于试件的有效通电区域，试件其余部位及波导杆仅有热传导引起的温升，由于加温迅速，加热过程极短，且试件与波导杆的粘接采用耐高温结构胶，其为热的不良导体，故波导杆的温升很小，在实验温度为950°C时其近试件端端面处的温升小于100°C，数据处理可以忽略加温对波导杆的影响而无需修正；实验过程对试件无冲击，试件能达到的最高温度也有较大的提高，可达1200°C。
附图说明
图1为本实用新型的一种高温霍普金森拉伸实验装置的总体结构示意图。
图2为本实用新型的一种高温霍普金森拉伸实验装置的实施例1的加热夹头与试件连接示意图。
图3为本实用新型的一种高温霍普金森拉伸实验装置的实施例2的加热夹头与试件连接示意图。
图中：1.入射杆     2.透射杆     3.固定支座     4.试件     5.柱状试件    11.加热夹头Ⅰ     12.加热夹头Ⅱ     13.热电偶     14.温控仪     16.通断器     21. 电流快速加热器     22.铜导线Ⅰ     23.铜导线Ⅱ     24.应变片Ⅰ     31.应变片Ⅱ     32.测试系统     41. 夹板Ⅰ     42. 夹板Ⅱ     43. 螺栓Ⅰ     44. 螺栓Ⅱ     45. 螺帽Ⅰ     46.螺帽Ⅱ     47.铜导线     49.铜导线头Ⅰ     50.铜导线头Ⅱ     51. 圆弧夹板Ⅰ     52. 圆弧夹板Ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。
实施例1
图1为本实用新型的一种高温霍普金森拉伸实验装置的总体结构示意图。从图1可以看出，本实用新型的一种高温霍普金森拉伸实验装置，包括入射杆1、透射杆2、试件4、测试系统33，其特点是：还包括一套电流加热及控制系统。所述的电流加热及控制系统包括电流快速加热器21、温控仪14、加热夹头、通断器16和热电偶13。加热夹头由夹持于试件4实验段两端的加热夹头Ⅰ11和加热夹头Ⅱ12组成，并分别通过铜导线Ⅰ22和铜导线Ⅱ23与电流快速加热器21相连；热电偶13固定连接于试件4的实验段，并与温控仪14相连作为其输入信号；温控仪14的输出端与通断器16相连，而通断器16的另一端与电流快速加热器21相连。
透射杆2与固定支座3紧固相连，限制透射杆2向左运动。试件4与入射杆1和透射杆2的连接采用耐高温结构胶，其为热的不良导体，可以减小加热过程中波导杆的温升。入射杆1和透射杆2上分别粘贴应变片Ⅰ31和应变片Ⅱ32，并与测试系统33相连，共同完成实验测试工作。
本实施例的试件为板状试件。图2为本实施例中加热夹头与试件的连接示意图。加热夹头包括夹板Ⅰ41和夹板Ⅱ42，两块夹板将试件4夹在中间，由螺栓Ⅰ43和螺帽Ⅰ45、螺栓Ⅱ44和螺帽Ⅱ46将两块夹板夹紧，同时实现铜导线头Ⅰ49及铜导线头Ⅱ50与加热夹头的紧密连接，而铜导线头Ⅰ49和铜导线头Ⅱ50都与铜导线47相连。
本实用新型中的试件4、加热夹头和热电偶13在安装完成后由石棉包覆，达到保温作用同时也与周围环境进行隔离。
本实施例的实验过程为：按实验要求安装相应的试件4，将加热夹头Ⅰ11和加热夹头Ⅱ12分别夹持于试件4实验段的两端，将热电偶13固接于试件4的实验段，然后用石棉将上述部分包裹，并完成它们与温控仪14、通断器16、电流快速加热器21的连接；开启实验测试系统33，运行加载系统，当加载系统进入稳定运行等候击发时，开启电流快速加热系统给试件4通电，使试件4在电流作用下实现自加热；当试件4温度达到实验要求时，击发加载系统，入射杆1中产生的应力波对试件4进行拉伸加载，完成实验，同时加载系统截断通断器16，电流快速加热器21不再对试件进行加热。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于试件为柱状试件，与之配套的加热夹头的夹板为圆弧状。图3为本实施例中加热夹头与试件的连接示意图。加热夹头包括圆弧夹板Ⅰ51和圆弧夹板Ⅱ52，两块夹板将柱状试件5夹在中间，由螺栓Ⅰ43和螺帽Ⅰ45、螺栓Ⅱ44和螺帽Ⅱ46将两块夹板夹紧，同时实现铜导线头Ⅰ49及铜导线头Ⅱ50与加热夹头的紧密连接，而铜导线头Ⅰ49和铜导线头Ⅱ50都与铜导线47相连。
本实施例的其他部分及实验过程与实施例1相同。
本实用新型所述的加热夹头为铜质。
本实用新型所述的铜导线为编织铜导线。

Claims (4)

1.一种高温霍普金森拉伸实验装置，所述的实验装置包括入射杆、透射杆、试件、测试系统，其特征在于：所述的实验装置还包括一套电流加热及控制系统，所述的电流加热及控制系统含有电流快速加热器（21）、温控仪（14）、加热夹头、通断器（16）和热电偶（13）；加热夹头由夹持于试件（4）实验段两端的加热夹头Ⅰ（11）和加热夹头Ⅱ（12）组成，并分别通过铜导线Ⅰ（22）和铜导线Ⅱ（23）与电流快速加热器（21）相连；热电偶（13）固定连接于试件（4）的实验段，并与温控仪（14）相连作为其输入信号；温控仪（14）的输出端与通断器（16）相连，而通断器（16）的另一端与电流快速加热器（21）相连。
2.根据权利要求1所述的一种高温霍普金森拉伸实验装置，其特征在于：所述的加热夹头为铜质板状夹板。
3.根据权利要求1所述的一种高温霍普金森拉伸实验装置，其特征在于：所述的加热夹头为铜质圆弧状夹板。
4.根据权利要求1所述的一种高温霍普金森拉伸实验装置，其特征在于：所述的铜导线为编织铜导线。
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