一种超高温或大温差环境下剪切强度测试的装置及方法
【专利摘要】本发明提供一种超高温或大温差环境下剪切强度测试的装置及方法，属于材料力学性能检测【技术领域】，目的在于提供一种在超高温或大温差环境下、氧化或非氧化气氛中，针对超高温材料或异种材料连接剪切强度测试的试验装置。该装置利用自生水冷高温合金拉杆与高温陶瓷压头配合加载，采用水冷控温方式，对超高温材料或异种材料连接接头进行高精度剪切试验，特别是大载荷的剪切试验。本发明操作具有耐高温、成本低、体积小、易操作、精度高、重复性强等优点，有着重要的实用价值。
【专利说明】一种超高温或大温差环境下剪切强度测试的装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及材料力学性能检测【技术领域】，特别是指一种超高温或大温差环境下剪 切强度测试的装置及方法。
【背景技术】
[0002] 随着新材料和航空技术的快速发展，针对国防装备建设中的高温材料与结构需要 承受复杂的热与力的耦合和复杂燃烧环境，超高温材料（Cf/SiC复合材料、高温合金、超高 温陶瓷等）以及由它们构成异种材料连接部件的高温力学性能对于结构部件的安全服役 具有重要意义，如航空或火箭发动机中喷管延伸段需承受来自燃烧室喷出的2000-3100°C 高温高速燃气机械冲刷，而与之连接的自生水冷钛合金短喷管的温度却保持在550°C以下， 这就要求喷管延伸段材料及连接接头具有较高的耐温能力。因此，对于同种或异种超高温 材料连接接头在超高温环境下强度和模量等基本力学性能的测定与了解是保障结构件安 全服役必不可少的基本要求。
[0003] 目前，国内外对于超高温材料特别是由其组成的异种材料连接接头高温氧化环境 下（多1200°C)的力学性能评价还没有有效的方法，也没有相关的标准和设备。中国建 筑材料研宄院的包亦望等人开发出采用氧乙炔热源局部加热的超高温力学性能测试，但该 方法尚不能直接在稳态的超高温氧化或非氧化环境下精准测量材料力学性能；北京大学的 包岱宁等人开发出采用超高温陶瓷拉杆传动加载的超高温氧化环境下的力学性能测试，显 然，由于陶瓷本身性能较脆，难以施加大载荷满足性能测试。此外，现在尚没有关于在稳态 超高温氧化或非氧化环境中直接测量异种材料连接接头的剪切强度性能测试装置，宄其原 因，主要有以下几点：第一，异种材料的服役温度不同，而目前设备结构难以同时提供不同 温度场；第二，现有夹具材料和结构难以实现超高温工作环境下大载荷加载。
[0004] 因此，急需开发一种超高温或大温差环境下材料的力学性能的评价技术及装置， 用以解决超高温环境下大载荷的加载与控制，温度、载荷等多参量实验信息的精确提取，满 足异种材料不同服役温度要求，达到超高性能测试技术要求，为航天航空等领域的材料与 结构的优化设计、材料工艺选择、服役可靠性等方面提供理论依据与指导，对保证国家航天 航空器件的可靠性与安全设计具有举足轻重的意义。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种用于超高温或大温差环境下剪切强度的测 试装置，能够实现针对不同工作温度要求的超高温材料或异种材料结构件0-1700°C的超高 温氧化或非氧化剪切强度性能的精确测试。
[0006] 该装置的具体结构包括炉体、高精度可调金属架台、压力感应器、测温系统、水冷 循环系统、控制电柜和显示分析系统，炉体又装有加热体、陶瓷固定座、保温材料一、保温材 料二、自生水冷高温合金拉杆、脊梁、惰性气体通道和高温陶瓷压头，测温系统包括B型铂 铑热电偶和非接触式遥感红外系统测温系统，水冷循环系统包括冷却水进水口和冷却水出 水口；
[0007] 其中，炉体放置在高精度可调金属架台的水平轴线轨道上，能够水平轴向运动或 固定，高精度可调金属架台直接安装在普通电子万能试验机上，高温试验时通过普通电子 万能试验机导轨来完成炉体垂直方向运动及固定，炉体上留有不同尺寸的孔隙用于安装加 热体、B型铂铑热电偶、非接触式遥感红外系统测温系统、自生水冷高温合金拉杆、惰性气体 通道和冷却水进水口、冷却水出水口，炉体中线两侧50_位置安装脊梁，保温材料一铺在 炉体内壁上；压力感应器与自生水冷高温合金拉杆顶端连接，并与显示分析系统通过信号 线连接，控制电柜对测温系统和水冷循环系统进行控制。
[0008] 加热体为高温陶瓷加热棒，穿过炉体左右侧壁上小孔并由陶瓷固定座固定，数量 为4-6根。
[0009] 高精度可调金属架台中心轴线位置存在一个长150_、深8_的轨道，高精度可调 金属架台表面刻有标尺。
[0010] 高温试样被加工为立方体小块，低温试样加工为中间为长方体、两侧为圆柱体，内 部通孔，可实现与4-8个高温试样连接。
[0011] 自生水冷高温合金拉杆上端1/4位置为冷却水进水口和冷却水出水口，自生水冷 高温合金拉杆下端与高温陶瓷压头连接。
[0012] 脊梁分上下左右四个，脊梁的凹槽中放置试样，并由上下脊梁卡紧固定，试样与冷 却系统相连，右端为冷却水进水口，左侧为冷却水出水口，脊梁与炉体中间有保温材料二。
[0013] 采用上述装置进行超高温或大温差环境下剪切强度测试的方法如下：
[0014] 1)将待测试试样件放置在炉体中心位置并由上下脊梁卡紧固定，低温试样与水冷 循环系统连接，高温试样与高温陶瓷压头和自生水冷高温合金拉杆连接；
[0015] 2)通过控制电柜上的操作面板控制加热体的加热速率，对炉体均匀快速加热，通 过非接触式遥感红外系统测温系统和B型铂铑热电偶对试样表面及炉体内部温度进行检 测，待加热至目标温度后，保温5-10min;
[0016] 3)普通电子万能试验机通过自生水冷高温合金拉杆和高温陶瓷压头对试样进行 施力加载，直到待测试样断裂，通过压力传感器记录试样断裂时对应的临界载荷数值并传 输给显示分析系统；
[0017] 4)显示分析系统根据待测试样的尺寸和断裂时临界载荷数值按式计算，得出测量 项的数值并显示，
[0018] 式（1)
【权利要求】
1. 一种超高温或大温差环境下剪切强度测试的装置，其特征在于：该装置包括炉体 (1)、高精度可调金属架台（3)、压力感应器（4)、测温系统、水冷循环系统、控制电柜（5)和 显示分析系统（6)，炉体（1)又装有加热体（101)、陶瓷固定座（102)、保温材料一（103)、 保温材料二（112)、自生水冷高温合金拉杆（104)、脊梁（105)、惰性气体通道（107)和高温 陶瓷压头（110)，测温系统包括B型铂铑热电偶（106)和非接触式遥感红外系统测温系统 (111)，水冷循环系统包括冷却水进水口（108)和冷却水出水口（109); 其中，炉体（1)放置在高精度可调金属架台（3)的水平轴线轨道上，能够水平轴向运动 或固定，高精度可调金属架台（3)直接安装在普通电子万能试验机（2)上，高温试验时通过 普通电子万能试验机（2)导轨来完成炉体（1)垂直方向运动及固定，炉体（1)上留有不同 尺寸的孔隙用于安装加热体（101)、B型铂铑热电偶（106)、非接触式遥感红外系统测温系 统（111)、自生水冷高温合金拉杆（104)、惰性气体通道（107)和冷却水进水口（108)、冷却 水出水口（109)，炉体（1)中线两侧50mm位置安装脊梁（105)，保温材料一（103)铺在炉体 (1)内壁上；压力感应器（4)与自生水冷高温合金拉杆（104)顶端连接，并与显示分析系统 (6)通过信号线连接，控制电柜（5)对测温系统和水冷循环系统进行控制。
2. 根据权利要求1所述的一种超高温或大温差环境下剪切强度测试的装置，其特征在 于：所述加热体（101)为高温陶瓷加热棒，穿过炉体左右侧壁上小孔并由陶瓷固定座（102) 固定，数量为4-6根。
3. 根据权利要求1所述的一种超高温或大温差环境下剪切强度测试的装置，其特征在 于：所述高精度可调金属架台（3)中心轴线位置存在一个长150_、深8mm的轨道，高精度 可调金属架台（3)表面刻有标尺；高温试样为立方体小块，低温试样中间为长方体、两侧为 圆柱体，内部通孔，能够与4-8个高温试样连接。
4. 根据权利要求1所述的一种超高温或大温差环境下剪切强度测试的装置，其特征在 于：所述自生水冷高温合金拉杆（104)上端1/4位置为冷却水进水口（108)和冷却水出水 口（109)，自生水冷高温合金拉杆（104)下端与高温陶瓷压头（110)连接。
5. 根据权利要求1所述的一种超高温或大温差环境下剪切强度测试的装置，其特征在 于：所述脊梁（105)分上下左右四个，脊梁（5)的凹槽中放置试样，并由上下脊梁（105)卡 紧固定，试样与冷却系统相连，右端为冷却水进水口（108)，左侧为冷却水出水口（109)，脊 梁（105)与炉体⑴中间有保温材料二（112)。
6. 根据权利要求1所述的超高温或大温差环境下剪切强度测试装置所用的测试方法， 其特征在于：包括如下步骤： 1) 将待测试试样件放置在炉体（1)中心位置并由上下脊梁（5)卡紧固定，低温试样 与水冷循环系统连接，高温试样与高温陶瓷压头（110)和自生水冷高温合金拉杆（104)连 接； 2) 通过控制电柜（5)上的操作面板控制加热体（101)的加热速率，对炉体（1)均匀快 速加热，通过非接触式遥感红外系统测温系统（111)和B型铂铑热电偶（106)对试样表面 及炉体（1)内部温度进行检测，待加热至目标温度后，保温5-10min; 3) 普通电子万能试验机（2)通过自生水冷高温合金拉杆（104)和高温陶瓷压头（110) 对试样进行施力加载，直到待测试样断裂，通过压力传感器（4)记录试样断裂时对应的临 界载荷数值并传输给显示分析系统（6); 4)显示分析系统（6)根据待测试样的尺寸和断裂时临界载荷数值按式（1)计算，得出 测量项的数值并显示， 式（I) :G=|，其中，P。为临界载荷，w为试样宽度，L为试样长度，σ为剪切强度。
【文档编号】G01N19/04GK104458574SQ201410751401
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月9日 优先权日:2014年12月9日
【发明者】黄继华, 范东宇, 崔冰, 赵小朋, 陈树海, 赵兴科 申请人:北京科技大学