用于材料低温力学性能测试的辅助装置

1.本发明涉及材料力学性能测试技术领域，尤其涉及一种用于材料低温力学性能测试的辅助装置。


背景技术：

2.随着我国航空航天、核聚变能、氢能源、应用超导、气体工业以及一些大科学工程等领域的发展，涉及到低温工程的项目越来越多，这些领域对低温材料的需求越来越大，同时对低温材料的性能数据要求也越来越全面。
3.低温材料指适合零度以下至绝对零度使用的金属及其合金材料。材料在低温环境下工作，其各种力学性能与常温环境有很大区别。其中，材料力学性能是工程中材料或工件的一个重要性能指标，测试材料在低温下的力学性能，对材料低温性能研究和优化改性具有重要的意义，对低温构件的设计和安全使用也至关重要。
4.目前，常用的低温环境多采用液氮(
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196℃)制冷的方法获得。通过将低温力学支架和待测样品浸泡在液氮测试装置中进行测试，以获得材料的各项低温力学性能指标。然而现有测试装置由低温不锈钢材料制成，测试过程中无法直接观测材料测试的变化过程，如形变、分层、损伤扩展等，阻碍了材料低温性能的进一步研究。


技术实现要素：

5.本发明提供一种用于材料低温力学性能测试的辅助装置，用以解决现有技术中测试装置无法直接观察材料力学性能测试变化过程的缺陷。
6.本发明提供一种用于材料低温力学性能测试的辅助装置，包括：筒体，所述筒体的内壁与外壁之间形成真空夹层，所述筒体内填充有低温液体，材料试验机的夹持臂、材料试验机的力学支架和试样设置在所述筒体内；观察窗组件，安装在所述筒体，以对所述筒体内的所述试样的低温力学性能测试过程进行观察。
7.根据本发明提供的一种用于材料低温力学性能测试的辅助装置，所述筒体包括：内筒，填充有所述低温液体；外筒，套设在所述内筒的外部；密封法兰，所述密封法兰盖设在所述内筒和所述外筒的顶部，以将所述内筒和所述外筒之间的空间形成封闭空间；其中，所述密封法兰的中心形成有通孔，所述通孔与所述内筒的尺寸相匹配，以使所述内筒形成敞口。
8.根据本发明提供的一种用于材料低温力学性能测试的辅助装置，所述观察窗组件包括：第一观察窗组件，安装在所述内筒的外壁；第二观察窗组件，安装在所述外筒的外壁，并与所述第一观察窗组件同轴设置。
9.根据本发明提供的一种用于材料低温力学性能测试的辅助装置，所述第一观察窗组件包括：第一筒体，安装在所述内筒的外壁；第一石英玻璃，密封安装在所述第一筒体内；其中，所述第一筒体为可伐合金第一筒体，或所述第一筒体与所述第一石英玻璃通过可伐合金层密封连接。
10.根据本发明提供的一种用于材料低温力学性能测试的辅助装置，所述第二观察窗组件包括：第二筒体，安装在所述外筒的外壁，并与所述第一筒体同轴设置；第二石英玻璃，密封安装在所述第二筒体内。
11.根据本发明提供的一种用于材料低温力学性能测试的辅助装置，所述第二观察窗组件包括：第三筒体，安装在所述外筒的外壁，并与所述第一筒体同轴设置；自由法兰，与所述第三筒体连接；第三石英玻璃，设置在所述自由法兰内。
12.根据本发明提供的一种用于材料低温力学性能测试的辅助装置，还包括多个密封圈，所述第三筒体的侧壁形成有第一密封槽，所述自由法兰的侧壁形成有第二密封槽，多个所述密封圈分别设置在所述第一密封槽和所述第二密封槽中，并分别与所述第三石英玻璃的两个侧面相接触。
13.根据本发明提供的一种用于材料低温力学性能测试的辅助装置，还包括真空密封抽口，设置在所述外筒的外壁。
14.根据本发明提供的一种用于材料低温力学性能测试的辅助装置，还包括：回收通道，所述回收通道的第一端与所述内筒连接，且第二端延伸至所述外筒的外部；低温阀门，设置在所述回收通道的第二端。
15.根据本发明提供的一种用于材料低温力学性能测试的辅助装置，还包括深冷容器用高真空多层绝热材料，所述深冷容器用高真空多层绝热材料包覆在所述内筒的外壁和底面。
16.本发明提供的用于材料低温力学性能测试的辅助装置，通过设置观察窗组件，实现了材料低温力学性能测试过程的可视化；同时本发明提供的用于材料低温力学性能测试的辅助装置可通过使用不同的低温工质，实现不同低温温区的材料低温力学性能测试过程的可视化，为低温环境下材料力学性能的评价、材料损伤过程的研究以及材料工艺的优化控制提供技术支撑。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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的附图。
18.图1是本发明提供的用于材料低温力学性能测试的辅助装置的结构示意图；
19.图2是图1中示出的a处的局部放大图；
20.附图标记：
21.10：内筒；
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11：外筒；
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12：密封法兰；
22.13：真空密封抽口；
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14：回收通道；
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15：低温阀门；
23.16：把手；
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20：第一筒体；
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21：第一石英玻璃；
24.22：可伐合金层；
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30：第三筒体；
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31：自由法兰；
25.32：第三石英玻璃；
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33：密封圈。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.下面结合图1描述本发明的用于材料低温力学性能测试的辅助装置。
28.本发明实施例提供了一种用于材料低温力学性能测试的辅助装置，包括：筒体和观察窗组件。筒体的内壁与外壁之间形成真空空间，筒体内填充有低温液体，材料试验机的夹持臂、材料试验机的力学支架和试样设置在该筒体内，以对试样进行低温力学性能测试。观察窗组件安装在筒体的外壁，以对试样低温力学性能测试过程进行观察。
29.具体来说，将筒体内壁与外壁之间形成的夹层抽真空，使筒体的内壁与外壁之间形成密封的真空夹层，可以有效地减少漏热，减少筒体内低温液体的蒸发，为材料低温力学性能测试提供低温环境。进一步地，低温液体可以为液氮、也可以为液氦，以及其他低温液体。在本发明的一个实施例中，可选地，低温液体为液氮。进一步地，在本实施例中，材料的低温力学性能测试指材料在
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196℃的力学性能测试。
30.进一步地，筒体采用低温钢材质制成，能够适用于低温环境，且其内外表面抛光。低温钢还可称为深冷钢或超低温钢，指适用于在0℃以下的合金钢，并能在
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196℃使用。可选地，筒体的材质为18
‑
8型铬镍不锈耐酸钢。
31.在实际测试过程中，筒体内容纳液氮等低温液体，当筒体内的低温液体为液氮时，其内部工作环境温度为
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196℃。不同大小和种类的力学试验机的夹持臂和力学支架可在筒体内上下移动，测试前需将试样淹没在液氮中并使之降至液氮温度(或根据所需的温度，采用相应的制冷液以获得所需的低温环境)，当试样达到预定温度并稳定后，开启万能材料试验机，进行力学试验测试，实现液氮浸泡冷却下对试样施加拉伸、压缩、剪切、弯曲、疲劳等载荷。当筒体内液氮不足时可通过筒体上方的敞口方便地添加液氮。液氮为无色透明状液体，光线从筒体上方的敞口进入，方便实现可视化观察。将相机或ccd高速摄像机安装在观察窗组件的外侧，可通过观察窗组件的观察窗口观测、拍照、摄像、记录材料在低温环境下受力作用时所产生的变形、分层、损伤等行为。
32.在本发明的一个实施例中，可选地，观察窗组件包括第一观察窗组件和第二观察窗组件，第一观察窗组件安装在筒体的内壁，第二观察窗组件与第一观察窗组件同轴设置，并安装在筒体的外壁，透过第二观察窗组件和第一观察窗组件可对筒体内部的试样进行低温力学性能测试的过程进行观察。
33.进一步地，观察窗组件包括筒体法兰和石英玻璃。可选地，石英玻璃安装在筒体法兰的一端，两个筒体法兰的另一端分别安装在筒体的内壁和外壁，两个筒体法兰同轴设置，以对筒体内部的试样进行低温力学性能测试的过程进行观察。
34.进一步地，在本发明的一个实施例中，可选地，筒体法兰与筒体采用氩弧焊密封连接。
35.可以理解的是：本发明实施例提供的用于材料低温力学性能测试的辅助装置，可在筒体顶部设置密封盖或在筒体内设置保温隔热层，实现不同低温温区的材料低温力学性能测试过程的可视化观测、拍照、摄像以及记录。
36.本发明实施例提供的用于材料低温力学性能测试的辅助装置，通过设置观察窗组件，实现了材料低温力学性能测试过程的可视化；同时本发明实施例提供的用于材料低温力学性能测试的辅助装置可通过使用不同的低温工质，实现不同低温温区的材料低温力学性能测试过程的可视化，为低温环境下材料力学性能的评价、材料损伤过程的研究以及材料工艺的优化控制提供技术支撑。
37.如图1所示，在本发明的一个实施例中，筒体包括：内筒10、外筒11和密封法兰12。内筒10内填充有低温液体，材料试验机和试样设置在内筒10中，以使试样处于低温环境中。外筒11套设在内筒10的外部，且外筒11与内筒10之间有空隙。密封法兰12盖设在内筒10与外筒11的顶部，以将内筒10和外筒11之间的空隙形成封闭空间。进一步地，密封法兰12的中心形成有通孔，该通孔的尺寸与内筒10的尺寸相匹配，以使内筒10形成敞口，当内筒10内低温液体不足时可通过内筒10上方的敞口方便地添加低温液体。同时光线从内筒10上方的敞口进入，方便实现可视化观察。
38.进一步地，在本发明的一个实施例中，内筒10的侧壁采用薄壁结构，可减少通过热传导产生的漏热。可选地，在本发明的一个实施例中，壁厚为1.2毫米。
39.本发明实施例提供的用于材料低温力学性能测试的辅助装置，通过将内筒上方敞口设计，内筒内部空间较大，可设置不同力学试验机的各种夹具，光线可通过敞口照射入低温液体中，解决了可视化窗口观察时的打光问题，同时，在材料进行低温力学性能测试时，当发现低温液体不足，内筒内的低温环境温度高于设定温度时，便于补充低温液体。
40.进一步地，在本发明的一个实施例中，用于材料低温力学性能测试的辅助装置还包括真空密封抽口13，设置在外筒11的外壁，以对内筒10与外筒11之间的封闭空间进行抽真空处理。
41.具体来说，在对试样进行低温力学性能测试之前，先将真空密封抽口13与分子泵机组相连，开启分子泵机组，当内筒10与外筒11之间的封闭空间内的真空度达到高真空，即真空度＜10
‑3pa后，关闭真空密封抽口13，使内筒10与外筒11之间的封闭空间形成密封的真空夹层，可以有效减少空气对流引起的漏热，减少内筒10内的低温液体的蒸发，为材料低温力学性能测试提供低温环境。
42.进一步地，在本发明的一个实施例中，可选地，在该真空夹层中可放置具备吸附特性的活性炭，以吸附残余气体，更长久地保持真空夹层的真空度，减小空气对流换热。
43.可选地，可在内筒10的侧壁和底部的外表面包覆深冷容器用高真空多层绝热材料，以进一步减少辐射漏热，减少内筒10内低温液体的蒸发。具体来说，在深冷容器的高真空夹层空间内，由间隔材料和反射屏交替组合而形成的绝热方式。间隔材料包括：玻璃纤维纸、玻璃纤维布、化学纤维纸和合成纤维筛网。反射屏包括：铝箔和镀铝聚酯薄膜。在本发明的一个实施例中，深冷容器用高真空多层绝热材料可以为以上间隔材料和反射屏的任意组合。可选地，在本发明的一个实施例中，深冷容器用高真空多层绝热材料的层数为大于30层。
44.本发明实施例提供的用于材料低温力学性能测试的辅助装置，通过将内筒的侧壁设置为薄壁结构，可减小热传导；在真空夹层中设置活性炭，可减小空气对流换热；将内筒和外筒的内外表面抛光并在内筒的外表面包覆高真空多层绝热材料，可减小热辐射，减少了辅助装置与外界的漏热，从而减少了低温液体的蒸发，使试样能够长时间地保持在低温
环境中。
45.如图1和图2所示，在本发明的一个实施例中，观察窗组件包括：第一观察窗组件和第二观察窗组件。第一观察窗组件安装在内筒10的外壁，第二观察窗组件安装在外筒11的外壁，并与第一观察窗组件同轴设置。
46.具体来说，第一观察窗组件包括：第一筒体20和第一石英玻璃21。第一筒体20安装在内筒10的外壁，第一石英玻璃21密封安装在第一筒体20的内部。
47.具体地，由于第一观察窗组件直接与低温液体接触，在本实施例中，第一观察窗组件直接与温度为
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196℃的液氮接触，由于低温下石英玻璃的膨胀系数远小于不锈钢材质，因此在进行测试时，如将第一筒体20的材质选用低温不锈钢，其遇冷时收缩量较大，很容易将石英玻璃挤碎。进一步地，在本发明的一个实施例中，为防止第一筒体20遇冷收缩时造成第一石英玻璃21破坏，第一筒体20的材质可为可伐合金，即4j29合金，其热膨胀系数与石英玻璃的热膨胀系数相接近，且具有优良的焊接性能，并具有良好的低温组织稳定性，合金的氧化膜致密，能够很好地被石英玻璃浸润，封接性能优良，可与第一石英玻璃21密封连接，以防止液氮泄漏。
48.可选地，为防止第一筒体20遇冷收缩时造成第一石英玻璃21破坏，也可在第一筒体20和第一石英玻璃21之间设置可伐合金层22进行过渡焊接连接，减小第一筒体20遇冷收缩时对第一石英玻璃21造成的影响。进一步地，在本实施例中，第一筒体20的材质可为低温不锈钢。
49.可选地，第二观察窗组件包括：第二筒体和第二石英玻璃。第二筒体安装在外筒11的外壁，并与第一筒体20同轴设置，第二石英玻璃密封安装在第二筒体内。具体来说，第二筒体与第二石英玻璃可通过匹配封接；也可通过压力封接的方式连接在一起，即第二筒体和第二石英玻璃通过可伐合金过渡焊接在一起的方式连接。
50.可选地，第二观察窗组件包括：第三筒体30、自由法兰31和第三石英玻璃32。具体来说，第三筒体30的第一端安装在外筒11的外壁，并与第一筒体20同轴设置，第三筒体30的第二端形成有法兰，法兰的外表面加工有螺纹，自由法兰31的第一端的内表面也加工有螺纹，第三筒体30的法兰与自由法兰31的第一端螺纹连接。第三石英玻璃32设置在自由法兰31的第二端，以通过该第三石英玻璃32和第一石英玻璃21对内筒10中试样的测试过程进行观察。
51.进一步地，在本发明的一个实施例中，第三筒体30的法兰和自由法兰31也可采用螺栓连接方式进行连接。
52.进一步地，在本发明的一个实施例中，可选地，第一筒体20与内筒10的安装方式可以为氩弧焊焊接方式；第二筒体或第三筒体30与外筒11的安装方式也可以为氩弧焊焊接方式。
53.进一步地，在本发明的一个实施例中，用于材料低温力学性能测试的辅助装置还包括多个密封圈33，第三筒体30与第三石英玻璃32相接触的侧面形成有第一密封槽，自由法兰31与第三石英玻璃32相接触的侧面形成有第二密封槽，多个密封圈33分别设置在第一密封槽和第二密封槽中，并与第三石英玻璃32的两个侧面相接触，以对第三石英玻璃32形成保护，防止自由法兰31在与第三筒体30的法兰进行装配时，将第三石英玻璃32破坏。同时，防止空气从第二观察窗组件进入真空夹层中。
54.具体来说，在实际安装过程中，可先将密封圈33放置在第一密封槽中，然后将第三石英玻璃32压放在密封圈33上，然后再将自由法兰31与第三筒体30的法兰紧固，可以理解的是：在紧固前，先在自由法兰31的第二密封槽内放置密封圈33，再将自由法兰31与第三筒体30的法兰进行紧固。
55.进一步地，在本发明的一个实施例中，可选地，密封圈33可以为聚四氟乙烯环形垫片或橡胶o形密封圈。
56.如图1所示，在本发明的一个实施例中，用于材料低温力学性能测试的辅助装置还包括：回收通道14和低温阀门15。具体来说，回收通道14的第一端与内筒10连接，且第二端延伸至外筒11的外部，低温阀门15设置在回收通道14的第二端，用于将内筒10中的低温液体进行回收再利用。
57.如图1所示，在本发明的一个实施例中，用于材料低温力学性能测试的辅助装置还包括把手16，把手16安装在外筒11的外壁，以便于将辅助装置转移至不同种类的力学试验机中提供低温环境，以进行材料的低温力学性能测试。
58.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。