测量材料超高温弯曲弹性模量及断裂应变的装置及方法
【专利摘要】本发明公开了测量材料超高温弯曲弹性模量及断裂应变的装置，包括载荷传递结构、变形传递结构和变形传感器，本发明解决了1500℃以上超高温测试环境下，传统变形传感器所处环境超出服役温度而无法进行测量的问题，通过在热端下压杆上连接水冷保护套，可有效阻挡外界对变形传感器的热传导和热辐射，有利于降低变形传感器的温度，使其处于50℃以下，进而使变形传感器能够在超高温环境下测量材料的弯曲弹性模量及断裂应变。
【专利说明】
测量材料超高温弯曲弹性模量及断裂应变的装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种测量材料超高温弯曲模量及断裂应变的装置及方法，属于材料力 学性能测试领域。
【背景技术】
[0002] 随着临近空间高超声速飞行器领域的快速发展，飞行器以高超声速(>5Ma)在大气 层中飞行，头锥、翼前缘等热端部件承受严重的气动加热，严酷部位温度可达1800°C以上， 对该温度段能够服役的材料提出了很高的要求，推动了碳/碳、陶瓷基复合材料、超高温陶 瓷材料及难熔金属材料的发展。因此，在飞行器设计及新材料研制中，超高温条件下的力学 性能测试是急需解决的关键问题，获得材料在超高温条件下的力学性能数据是保证飞行器 设计正确性和服役安全性必不可少的基本要求。
[0003] 目前，国内外对高温弯曲性能的测试方法只有弯曲强度这一个测试项目，尚无弯 曲弹性模量及断裂应变这两个关键项目。主要原因是在超高温条件下，很多1500°C以上的 试验大都在真空(惰气)炉内进行，没有风冷等散热条件，而引伸计在真空(惰气)炉内工作， 超高温测试环境下辐射、热传导带来的高温超出了现有应变片式、电感式、电容式引伸计的 最高服役温度，因此无法进行弯曲弹性模量及断裂应变等参数的测量。
[0004] 发明专利CN 105092372A中公开了"一种实时监测高温高压环境中金属试样应变 的系统及方法"，但上述方法存在以下不足:第一，上述应变测量方法适用于金属拉伸试验， 而不适用于脆性材料的弯曲试验。第二，上述应变测量方法，将试样的变形引出至高温炉 外，连接部位较多，变形损失较大，针对大应变的金属试样，其精度尚可满足要求，但针对超 高温服役环境的陶瓷基、碳/碳、超高温陶瓷试样，其弹性模量较高，断裂应变低，对变形测 量精度要求高，上述公开的专利不适用于超高温环境的材料弯曲应变测量。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题:为克服现有技术的不足，提供了一种测量材料超高 温弯曲模量及断裂应变的装置及方法。
[0006] 本发明的技术解决方案：
[0007] 测量材料超高温弯曲弹性模量及断裂应变的装置，包括载荷传递结构、变形传递 结构和变形传感器，
[0008] 所述载荷传递结构包括上压头、下压头、热端下压杆和水冷保护套，下压头中心设 有通孔，下压头上放置弯曲试样，上压头位于弯曲试样中心上方，水冷保护套为中空水冷工 字型结构，包括上、下横梁和中间立柱，用于阻断热端下压杆传导的热量，水冷保护套中心 具有通孔，热端下压杆中心具有通孔，热端下压杆一端与水冷保护套上端连接，使热端下压 杆与水冷保护套的通孔相通，热端下压杆另一端与下压头底面连接，使热端下压杆的通孔 与下压头的通孔相通；
[0009] 变形传递结构包括变形传递杆、固定夹和移动夹，变形传递杆置于水冷保护套、热 端下压杆的通孔中，并穿过下压头的通孔与弯曲试样的底面中心接触，固定夹固定在水冷 保护套中间立柱上，移动夹与变形传递杆连接，二者可沿水冷保护套中间立柱同步轴向滑 动，弹簧置于水冷保护套通孔中，弹簧一端与变形传递杆连接，另一端与水冷保护套底端连 接，确保变形传递杆与弯曲试样的底面中心接触。
[0010] 变形传递杆与下压头的通孔、热端下压杆和水冷保护套的通孔间隙配合。
[0011] 变形传递杆与下压头的通孔、热端下压杆和水冷保护套的通孔的配合间隙为0~ 0.5mm〇
[0012] 上压头、下压头、热端下压杆的材质为能够耐受1500°C以上超高温材料。
[0013] 耐受1500°C以上超高温材料为石墨、陶瓷或难熔金属。
[0014] 变形传感器装配后的径向尺寸小于水冷保护套上横梁径向尺寸。
[0015]上横梁用于阻挡外界对变形传感器的热传导和热辐射，使变形传感器温度为50°C 以下。
[0016] 水冷保护套(8)中间立柱上左、右两侧均设置有固定夹、移动夹。
[0017] 测量材料超高温弯曲弹性模量及断裂应变的方法，利用上述测量材料超高温弯曲 模量及断裂应变的装置，具体步骤为：
[0018] 步骤1:将载荷传递结构、变形传递结构和变形传感器进行装配，使上压头、弯曲试 样、下压头、变形传递杆、热端下压杆放置于真空炉的加热腔室内，变形传感器与数据采集 系统连接，变形传感器将弯曲试样在加载过程中的变形数据传输到数据采集系统；
[0019] 步骤2:将真空炉温度升至试验温度，将弯曲试样在试验温度保温15分钟以上；
[0020] 步骤3:上压头对弯曲试样施加弯曲载荷，数据采集系统采集到由变形传感器传递 的变形数据，计算弯曲弹性模量：
[0022]式中：Ef为弯曲弹性模量，1为跨距，AF为载荷-变形曲线上初始直线段的载荷增 量，b为试样宽度，h为试样厚度，AS为与载荷增量AF对应的跨距中点处的变形增量；
[0023]计算断裂应变：
[0025] 式中：ef为断裂应变，S为载荷-变形曲线上与最大载荷相对应的总变形量。
[0026] 所述真空炉为钨合金或石墨真空炉。
[0027] 本发明与现有技术相比的有益效果：
[0028] (1)本发明解决了 1500 °C以上超高温测试环境下，传统变形传感器所处环境超出 服役温度而无法进行测量的问题，通过在热端下压杆上连接水冷保护套，可有效阻挡外界 对变形传感器的热传导和热辐射，有利于降低变形传感器的温度，使其处于50°C以下，进而 使变形传感器能够在超高温环境下测量材料的弯曲弹性模量及断裂应变；
[0029] (2)本发明上压头、下压头、热端下压杆的材质选择耐受1500°C以上超高温材料的 石墨、陶瓷或难熔金属，使将其置于在超高温条件下，顺利对弯曲弹性模量及断裂应变等参 数的测量。
【附图说明】
[0030] 图1为本发明结构不意图；
[0031] 图2为本发明超高温陶瓷复合材料1800°C弯曲应力应变曲线。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
[0033] 测量材料超高温弯曲弹性模量及断裂应变的装置，如图1所示，包括载荷传递结 构、变形传递结构和变形传感器11，
[0034] 所述载荷传递结构包括上压头3、下压头6、热端下压杆7和水冷保护套8,下压头6 中心设有通孔，下压头6上放置弯曲试样4，上压头3位于弯曲试样4中心上方，水冷保护套8 为中空水冷工字型结构，包括上、下横梁和中间立柱，用于阻断热端下压杆7传导的热量，水 冷保护套8中心具有通孔，热端下压杆7中心具有通孔，热端下压杆7-端与水冷保护套8上 端连接，使热端下压杆7与水冷保护套8的通孔相通，热端下压杆7另一端与下压头6底面连 接，使热端下压杆7的通孔与下压头6的通孔相通；
[0035] 上压头3、下压头6、热端下压杆7的材质为能够耐受1500°C以上超高温材料，材料 可选择石墨、陶瓷或难熔金属中的一种或几种。
[0036] 变形传递结构包括变形传递杆5、固定夹10和移动夹13,变形传递杆5置于水冷保 护套8、热端下压杆7的通孔中，并穿过下压头6的通孔与弯曲试样4的底面中心接触，固定夹 1 〇固定在水冷保护套8中间立柱上，移动夹13与变形传递杆5连接，二者可沿水冷保护套8中 间立柱同步轴向滑动，弹簧14置于水冷保护套8通孔中，弹簧14一端与变形传递杆5连接，另 一端与水冷保护套8底端连接，确保变形传递杆5与弯曲试样4的底面中心接触。变形传感器 11装配后的径向尺寸小于水冷保护套8上横梁径向尺寸，可以使上横梁阻挡外界对变形传 感器的热传导和热辐射，有利于降低变形传感器的温度，使其处于50°C以下。
[0037] 变形传递杆5与下压头6的通孔、热端下压杆7和水冷保护套8的通孔间隙配合，配 合间隙为〇~〇.5mm。
[0038] 测量材料超高温弯曲弹性模量及断裂应变的方法，除利用上述测量材料超高温弯 曲模量及断裂应变的装置，另外还包括真空炉1、加热腔室2及数据采集系统16,真空炉1可 选择钨合金或石墨真空炉，具体步骤为：
[0039] 步骤1:将载荷传递结构、变形传递结构和变形传感器11进行装配，使上压头3、弯 曲试样4、下压头6、变形传递杆5、热端下压杆7放置于真空炉1的加热腔室2内，变形传感器 11与数据采集系统15连接，变形传感器11将弯曲试样4在加载过程中的变形数据传输到数 据采集系统（15);
[0040] 步骤2:将真空炉1温度升至试验温度，将弯曲试样4在试验温度保温15分钟以上； [0041 ]步骤3:上压头3对弯曲试样4施加弯曲载荷，数据采集系统16采集到由变形传感器 11传递的变形数据，计算弯曲弹性模量：
[0043]式中：Ef为弯曲弹性模量(GPa)，l为跨距(mm)，AF为载荷-变形曲线上初始直线段 的载荷增量(N)，b为试样宽度(mm)，h为试样厚度(mm)，AS为与载荷增量AF对应的跨距中 点处的变形增量(mm);
[0044] 计算断裂应变：
[0046]式中：ef为断裂应变（％ )，S为载荷一变形曲线上与最大载荷相对应的总变形量 (mm) 〇
[0047]实际试验中，具体地:将上压头3的上端与真空炉1通过波纹管密封连接，并与电子 万能试验机的载荷传感器连接，上压头3与下压头6之间放置弯曲试样4,下压头6放置在热 端下压杆7上，热端下压杆7与水冷保护套8螺纹连接，水冷保护套8的下端与真空炉1的下端 螺纹连接。
[0048] 测试前通过水冷保护套8上的冷却水进水口和冷却水出水口对水冷保护套8进行 冷却，将变形传感器11安装至固定夹10和移动夹13之间，在抽真空或充惰气保护条件下，升 温至1600°C，电子万能试验机通过上压头3对放置在下压头6上的弯曲试样4施加载荷直至 断裂，变形传递杆5将试样弯曲变形传递给移动夹13,变形传感器11分别测量左、右两侧移 动夹13与固定夹10之间的距离变化，计算机通过数据采集系统15采集弯曲试样4加载过程 中的载荷与变形信息，将两个变形传感器11的变形信息求平均，消除变形传递杆5可能的弯 曲造成的测量误差，根据样品尺寸和载荷变形曲线，根据上述公式，计算试样在超高温环境 下的弯曲弹性模量和断裂应变。
[0049] 测得的超高温陶瓷复合材料1800 °C弯曲应力应变曲线如图2所示。弯曲强度 41.2MPa，弯曲弹性模量45.2GPa，断裂应变0.24%。实施例结果表面，本发明可以精确测量 材料超高温弯曲模量及断裂应变，测试结果可靠。
[0050] 本发明未公开内容为本领域技术人员公知常识。
【主权项】
1. 测量材料超高温弯曲弹性模量及断裂应变的装置，其特征在于，包括载荷传递结构、 变形传递结构和变形传感器(11)， 所述载荷传递结构包括上压头(3)、下压头(6)、热端下压杆(7)和水冷保护套(8)，下压 头(6)中心设有通孔，下压头(6)上放置弯曲试样(4)，上压头（3)位于弯曲试样(4)中心上 方，水冷保护套(8)为中空水冷工字型结构，包括上、下横梁和中间立柱，用于阻断热端下压 杆(7)传导的热量，水冷保护套(8)中心具有通孔，热端下压杆(7)中心具有通孔，热端下压 杆(7)-端与水冷保护套(8)上端连接，使热端下压杆(7)与水冷保护套(8)的通孔相通，热 端下压杆(7)另一端与下压头(6)底面连接，使热端下压杆(7)的通孔与下压头(6)的通孔相 通； 变形传递结构包括变形传递杆(5)、固定夹（10)和移动夹（13)，变形传递杆(5)置于水 冷保护套(8)、热端下压杆(7)的通孔中，并穿过下压头(6)的通孔与弯曲试样(4)的底面中 心接触，固定夹（10)固定在水冷保护套(8)中间立柱上，移动夹（13)与变形传递杆(5)连接， 二者可沿水冷保护套(8)中间立柱同步轴向滑动，弹簧（14)置于水冷保护套(8)通孔中，弹 簧(14) 一端与变形传递杆(5)连接，另一端与水冷保护套(8)底端连接，确保变形传递杆(5) 与弯曲试样(4)的底面中心接触。2. 如权利要求1所述的测量材料超高温弯曲弹性模量及断裂应变的装置，其特征在于， 变形传递杆(5)与下压头(6)的通孔、热端下压杆(7)和水冷保护套(8)的通孔间隙配合。3. 如权利要求2所述的测量材料超高温弯曲弹性模量及断裂应变的装置，其特征在于， 变形传递杆(5)与下压头(6)的通孔、热端下压杆(7)和水冷保护套(8)的通孔的配合间隙为 0~0?5mm〇4. 如权利要求1所述的测量材料超高温弯曲弹性模量及断裂应变的装置，其特征在于， 上压头(3)、下压头(6)、热端下压杆(7)的材质为能够耐受1500°C以上超高温材料。5. 如权利要求4所述的测量材料超高温弯曲弹性模量及断裂应变的装置，其特征在于， 所述耐受1500°C以上超高温材料为石墨、陶瓷或难熔金属。6. 如权利要求1所述的测量材料超高温弯曲弹性模量及断裂应变的装置，其特征在于， 变形传感器(11)装配后的径向尺寸小于水冷保护套(8)上横梁径向尺寸。7. 如权利要求1所述的测量材料超高温弯曲弹性模量及断裂应变的装置，其特征在于， 上横梁用于阻挡外界对变形传感器（11)的热传导和热辐射，使变形传感器（11)温度为50°C 以下。8. 如权利要求1所述的测量材料超高温弯曲弹性模量及断裂应变的装置，其特征在于， 水冷保护套(8)中间立柱上左、右两侧均设置有固定夹(10)、移动夹(13)。9. 测量材料超高温弯曲弹性模量及断裂应变的方法，其特征在于:利用权利要求1所述 的测量材料超高温弯曲模量及断裂应变的装置，具体步骤为： 步骤1:将载荷传递结构、变形传递结构和变形传感器（11)进行装配，使上压头(3)、弯 曲试样(4)、下压头(6)、变形传递杆(5)、热端下压杆(7)放置于真空炉（1)的加热腔室（2) 内，变形传感器(11)与数据采集系统（15)连接，变形传感器(11)将弯曲试样(4)在加载过程 中的变形数据传输到数据采集系统（15); 步骤2:将真空炉（1)温度升至试验温度，将弯曲试样(4)在试验温度保温15分钟以上； 步骤3:上压头(3)对弯曲试样(4)施加弯曲载荷，数据采集系统（16)采集到由变形传感 器(11)传递的变形数据，计算弯曲弹性模量：式中:Ef为弯曲弹性模量，1为跨距，AF为载荷-变形曲线上初始直线段的载荷增量，b为 试样宽度，h为试样厚度，AS为与载荷增量AF对应的跨距中点处的变形增量； 计算断裂应变：式中：ef为断裂应变，S为载荷-变形曲线上与最大载荷相对应的总变形量。10.如权利要求9所述的测量材料超高温弯曲弹性模量及断裂应变的方法，其特征在 于，所述真空炉（1)为钨合金或石墨真空炉。
【文档编号】G01N3/20GK106053250SQ201610377535
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】卢克非, 章妮, 李西颜, 张涛, 王晓薇
【申请人】航天材料及工艺研究所, 中国运载火箭技术研究院