深冷環境材料力學性能檢測試驗裝置的製作方法
2023-05-16 04:15:31
專利名稱：深冷環境材料力學性能檢測試驗裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及材料力學性能測試領域，具體涉及一種深冷環境下材料力學性能的測
試試驗裝置。
背景技術：
深冷環境下材料的力學性能是航空航天、超導、化工以及能源儲運等行業領域關注的一個重點。深冷環境對材料力學性能的影響及其機理十分複雜，以低溫工程和承壓設備行業中常見的奧氏體不鏽鋼材料為例，低溫對於其強度、韌性以及疲勞等力學性能等都會產生影響，其影響的機理尚不明確，可能包括低溫下材料位錯運動激活能的降低以及堆垛層錯能等因素的影響。深冷材料試驗是獲取材料低溫力學性能數據的必要手段，這也對材料試驗裝置提出了更高要求。目前試驗設備實現低溫試驗能力的方式一般為通用拉伸試驗機的基礎上添加採用液氮氣化製冷的低溫環境箱的形式，控制方式分為橫梁位移控制和引伸計控制。也有部分試驗機可進行液氮環境下的試驗，但僅能使用橫梁位移控制，且試驗能力有限。另夕卜，低溫環境箱和試驗機的疲勞功能結合較為困難。因此，現有深冷材料試驗裝置在試驗溫度範圍、控制及檢測精度方面無法同時滿足深冷環境材料拉伸及疲勞試驗的要求。
發明內容
本發明要解決的技術問題是，克服現有試驗裝置存在的不足，提供一種可實現從常溫到液氮溫度、可全程實現引伸計控制的材料單軸拉伸及疲勞試驗裝置。為解決技術問題，本發明的技術方案是提供一種深冷環境材料力學性能檢測試驗裝置，包括試驗機控制系統、數據檢測系統、低溫恆溫系統以及試驗機主體，試驗機控制系統包括連接至計算機的電子伺服控制 器；所述試驗機主體由液壓源和雙柱機架組成；其中，雙柱機架包括固定設置於底座上的兩根立柱，裝有作動器的橫梁經兩個通孔套設於兩根立柱上；橫梁的兩端分別固定在豎向的提升筒上，提升筒下端抵在底座上；橫梁上與拉伸杆之間安裝有載荷傳感器，所述作動器和提升筒與液壓源相接；所述低溫恆溫系統有兩套且能相互切換使用，分別是液氮氣化製冷系統和液氮直接製冷系統，其中，液氮氣化製冷系統包括接於雙柱機架底座的環境箱、溫度控制器及熱電偶；環境箱頂部和底部均開孔，所述的拉伸杆從環境箱頂部開孔伸入環境箱內部，還有另一根拉伸杆從環境箱底部的開孔伸入環境箱內部，兩根拉伸杆相對設置且其端部均設有夾具；所述雙柱機架的底座上設導軌，所述液氮氣化製冷系統環境箱底部設有與該導軌相匹配的卡裝部件，環境箱通過導軌與底座實現連接且能沿導軌前後移動；環境箱內設兩個熱電偶，一個置於環境箱內部空間內並連接至溫度控制器用於環境箱溫度反饋控制，另一個緊貼試樣以準確獲得試樣溫度；
液氮直接製冷系統包括通過平臺置於雙柱機架底座上的環境箱，該環境箱是一個盛裝液氮或液氦的容器，其容器蓋上設有開孔；拉伸杆和兩根接於迷你機架的迷你機架反向杆分別經開孔伸入環境箱內部，迷你機架與環境箱的內壁不接觸；兩個相對設置的夾具分別安裝在拉伸杆一端和迷你機架上。本發明中，在所述液氮氣化製冷系統和液氮直接製冷系統的環境箱內設有能工作於深冷環境的引伸計。本發明中，所述液氮直接製冷系統包括用於向環境箱內通入液氮的金屬軟管，其底部設有能使液氮穩定流出的相分離器。本發明中，所述液氮直接製冷系統的環境箱置於電子秤之上，其容器蓋上設有用 於通過測量液位用刻度尺的開孔。本發明中，所述作動器位於橫梁的上方或下方；作動器位於橫梁的一側，而所述拉伸杆及環境箱則位於橫梁的另一側。本發明的有益效果是與其他現有裝置相比，該裝置可以實現從常溫到零下185°C以及液氮溫度下的材料拉伸及疲勞試驗，可方便地實現液氮氣化製冷和液氮直接製冷兩種方式的切換，具有試驗溫度範圍大，檢測精度高等優點。
圖I是深冷環境材料力學性能檢測試驗裝置構成示意圖。圖中實線箭頭表示控制信號的傳遞，虛線箭頭表示反饋信號的傳遞。圖2是採用液氮氣化製冷時機架及環境箱部分結構示意圖。圖中位移傳感器I、立柱2、作動器3、橫梁4、提升筒5,載荷傳感器6、環境箱(液氮氣化製冷)7、夾具8、拉伸杆9、導軌10、底座11、溫度控制器12、熱電偶a 13、引伸計14、熱電偶b 15。圖3是採用液氮直接製冷時機架及環境箱部分的結構示意圖。圖中迷你機架反向杆16、拉伸杆17、環境箱(液氮直接製冷)18、試樣19、夾具20、迷你機架21、電子秤22、鋁製平臺23。圖4是液氮直接製冷環境箱上蓋開孔示意圖。圖中低溫金屬軟管開孔24、迷你機架開孔25、刻度尺開孔26、引伸計導線開孔。圖5是液氮直接製冷環境箱內部布置示意圖。圖中刻度尺28、低溫金屬軟管29、相分離器30,環境箱上蓋31。
具體實施例方式本裝置可分為試驗機主體、試驗機控制系統、低溫恆溫系統以及數據檢測系統。試驗機主體包括雙柱機架和液壓源，液壓源為試驗機橫梁4移動和作動器3工作提供動力，機架為試驗進行的平臺，安置有低溫恆溫系統。低溫恆溫系統有兩套，且能相互切換使用，分別是液氮氣化製冷系統和液氮直接製冷系統。雙柱機架包括固定設置於底座11上的兩根立柱2，裝有作動器3的橫梁4經兩個通孔套設於兩根立柱2上；橫梁4的兩端分別固定在豎向的提升筒5上，提升筒5則抵在底座上11 ;橫梁4上還裝有與拉伸杆9、17相接的載荷傳感器6，所述作動器3和提升筒5與液壓源相接。試驗機控制系統包括電子伺服控制器和電腦以及相應的軟體，該控制系統可通過電腦實現對試驗全過程(除溫度外)各項參數的實時獲取和控制，並可對試驗結果進行加工處理和保存。數據監測系統包括位移傳感器I和載荷傳感器6，以及為了實現深冷環境下對應變的精確檢測與控制而引入的引伸計14。整個系統的構成與聯繫如圖I所示，操作人員通過計算機進行控制，計算機的數字控制信號經電子伺服控制器處理並轉化為模擬信號對液壓源進行控制。液壓源驅動雙柱 機架上的作動器，對試樣進行加載。試驗數據檢測由引伸計14以及位移傳感器I和載荷傳感器6進行檢測，檢測數據由電子伺服控制器轉換為數位訊號並交由計算機進行分析和記錄。低溫恆溫系統分為分為液氮氣化製冷和液氮直接製冷兩套子系統。液氮氣化製冷系統的環境箱7用於常溫到_185°C的試驗，採用液氮氣化製冷時機架的布置如圖2所示，環境箱7頂部和底部開有圓孔，一根拉伸杆9從環境箱7頂部開孔伸入環境箱7內部，還有另一根拉伸杆9從環境箱7底部的開孔伸入環境箱7內部，兩根拉伸杆9相對設置且其端部均設有夾具8。環境箱7內部有液氮氣化裝置。環境箱7內部溫度由一隻K型熱電偶15檢測，反饋到溫度控制器12進行溫度控制，使環境箱內溫度維持在設定溫度值的正負2°C範圍內。此外另有一隻K型熱電偶13負責檢測試樣溫度。環境箱7通過導軌10固定在底座11上，在不使用時可以沿導軌10移出，以便進行室溫試驗或騰出位置安放鋁製平臺23以放置液氮直接製冷系統的環境箱18。使用液氮氣化製冷系統進行試驗時，按圖2所示安裝好各部件後，首先打開溫度控制器12和環境箱7的電源開關，通過溫度控制器12設置試驗所需的環境溫度，開啟液氮罐閥門，並通過熱電偶13檢測試樣溫度，待試樣溫度穩定在設定值時開始試驗。液氮直接製冷系統的環境箱18用於液氮溫度(-196°C)下的試驗，採用液氮直接製冷時機架的布置如圖3所示。此時夾具20相對設置於迷你機架21和拉伸杆17上，環境箱上蓋31上分別設有用於通過引伸計14的導線開孔27、迷你機架21的開孔25、刻度尺28的開孔26以及低溫金屬軟管29的開孔24。迷你機架反向杆16和拉伸杆17穿過上蓋31，整個迷你機架21置於環境箱18之中且與其內壁不接觸。低溫金屬軟管29用於向環境箱18內通入液氮，其出口處有相分離器30，用於分離氣液兩相，使液氮可以平穩流出。刻度尺28用於手動測量液位，使用時將其通過開孔26垂直插入環境箱18內，直至其底部，片刻後取出，通過刻度尺28上的結霜情況獲得液位。電子秤22用於測量環境箱18重量，幫助實時監測其中液氮量的變化，但考慮到實驗進行時環境箱內不同高度截面積並不相等，準確的液氮液位仍需要使用刻度尺28測量。使用液氮直接製冷進行試驗時，安圖3及圖5所示安裝好各部件後，開啟液氮罐閥門，使液氮通過低溫金屬軟管29流入環境箱18內，定時使用刻度尺28測量液位，待液氮液位高於試樣19頂端一定高度(如5cm)後關閉液氮罐閥門，開始試驗。試驗中注意通過電子秤22 了解環境箱重量變化，並定時使用刻度尺28測量液氮液位，以便及時補充液氮。以上所述，僅是本發明的一個實施案例而已，並非對本發明做任何形式上的限制，雖然本發明已經以較佳實施案例揭示如上，然而並非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍內，當可利用上述揭示的結構及技術內容做出某些更動或修改而成為等同變化的等效實施案例。例如，本發明並不限定環境箱7、18必須要置於作動器3下方，可以根據實際需要安裝在作動器3上方。又例如，本發明並不限定恆溫箱冷卻介質為液氮，同樣適用於液氦等低溫液化氣體。凡是未脫離本技術方案的內容，根據本技術實質對以上實施案例所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本技術方案範圍內。
權利要求
1.一種深冷環境材料力學性能檢測試驗裝置，包括試驗機控制系統、數據檢測系統、低溫恆溫系統以及試驗機主體，試驗機控制系統包括連接至計算機的電子伺服控制器；其特徵在於 所述試驗機主體由液壓源和雙柱機架組成；其中，雙柱機架包括固定設置於底座上的兩根立柱，裝有作動器的橫梁經兩個通孔套設於兩根立柱上；橫梁的兩端分別固定在豎向的提升筒上，提升筒下端抵在底座上；橫梁上與拉伸杆之間安裝有載荷傳感器，所述作動器和提升筒與液壓源相接； 所述低溫恆溫系統有兩套且能相互切換使用，分別是液氮氣化製冷系統和液氮直接製冷系統，其中， 液氮氣化製冷系統包括接於雙柱機架底座的環境箱、溫度控制器及熱電偶；環境箱頂部和底部均開孔，所述的拉伸杆從環境箱頂部開孔伸入環境箱內部，還有另一根拉伸杆從環境箱底部的開孔伸入環境箱內部，兩根拉伸杆相對設置且其端部均設有夾具；所述雙柱機架的底座上設導軌，所述液氮氣化製冷系統環境箱底部設有與該導軌相匹配的卡裝部件，環境箱通過導軌與底座實現連接且能沿導軌前後移動；環境箱內設兩個熱電偶，一個置於環境箱內部空間內並連接至溫度控制器用於環境箱溫度反饋控制，另一個緊貼試樣以準確獲得試樣溫度； 液氮直接製冷系統包括通過平臺置於雙柱機架底座上的環境箱，該環境箱是一個盛裝液氮或液氦的容器，其容器蓋上設有開孔；拉伸杆和兩根接於迷你機架的迷你機架反向杆分別經開孔伸入環境箱內部，迷你機架與環境箱的內壁不接觸；兩個相對設置的夾具分別安裝在拉伸杆一端和迷你機架上。
2.根據權利要求I所述的裝置，其特徵在於，在所述液氮氣化製冷系統和液氮直接製冷系統的環境箱內設有能工作於深冷環境的引伸計。
3.根據權利要求I所述的裝置，其特徵在於，所述液氮直接製冷系統包括用於向環境箱內通入液氮的金屬軟管，其底部設有能使液氮穩定流出的相分離器。
4.根據權利要求I所述的裝置，其特徵在於，所述液氮直接製冷系統的環境箱置於電子秤之上，其容器蓋上設有用於通過測量液位用刻度尺的開孔。
5.根據權利要求I至4任意一項中所述的裝置，其特徵在於，所述作動器位於橫梁的上方或下方；作動器位於橫梁的一側，而所述拉伸杆及環境箱則位於橫梁的另一側。
全文摘要
本發明涉及材料力學性能測試領域，旨在提供一種深冷環境材料力學性能檢測試驗裝置。該裝置包括試驗機控制系統、數據檢測系統、低溫恆溫系統以及試驗機主體，試驗機控制系統包括連接至計算機的電子伺服控制器；試驗機主體由液壓源和雙柱機架組成；低溫恆溫系統有兩套且能相互切換使用，分別是液氮氣化製冷系統和液氮直接製冷系統。該裝置可以實現從常溫到零下185℃以及液氮溫度下的材料拉伸及疲勞試驗，可方便地實現液氮氣化製冷和液氮直接製冷兩種方式的切換，具有試驗溫度範圍大，檢測精度高等優點。
文檔編號G01N3/18GK102798573SQ201210291610
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月16日 優先權日2012年8月16日
發明者鄭津洋, 高曉哲, 繆存堅, 郭阿賓, 顧超華, 賀世正, 馬利, 黃澤 申請人:浙江大學