一种高温断裂强度拉伸试验中的动态温度测量装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种高温断裂强度拉伸试验中的动态温度测量装置，包括圆柱形拉伸试验件、拉伸试验机卡头、红外辐射阵列、测温热电偶丝、热电偶端部测温点、耐高温绝缘套管、拉力弹簧、双槽定滑轮、计算机、大功率移相电压控制器和轻质高温隔热板。该装置能够应用在高温断裂强度拉伸试验中，当圆柱形试验件直径不断减小甚至产生径缩大变形的过程中，也能够可靠地记录圆柱形拉伸试验件表面温度的动态变化，获得航空航天材料在快速时变热环境下的强度极限等关键表征参数，为确定航空航天材料在快速动态热环境下的承载能力提供重要试验依据。
【专利说明】一种高温断裂强度拉伸试验中的动态温度测量装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高温断裂强度拉伸试验中的动态温度测量装置，属于金属材料高 温特性试验领域，该装置在金属材料高温拉伸试验中，当圆柱形试验件直径不断减小甚至 产生径缩大变形的过程中，也能够可靠地记录下试验件表面温度的动态变化，为获得航空 航天材料在快速时变热环境下的强度极限等关键参数提供重要的试验手段。
【背景技术】
[0002] 目前导弹等高速飞行器的速度越来越快，机动性能越来越强。为了突破反导系统， 高速飞行器会突然爬升、转向或采取"蛇"形机动方式，达到规避反导武器打击的目的；为了 反拦截，高速飞行器还会进行高机动变轨，使弹道变得不可预测。同时高速飞行时的气动加 热现象非常严重，导致了高速飞行器表面的热环境历程十分复杂，变化速度非常快。
[0003] 因此为了保证高速飞行器的安全可靠性，必须对航空航天材料进行热强度试验。 而在通过拉伸试验（中华人民共和国国家标准GB/T4338-2006,金属材料高温拉伸试验方 法）确定航空航天材料的高温断裂强度时，需要模拟飞行过程中的快速变化的加热环境， 同时施加拉伸载荷，以获得材料在高速时变热环境下的强度极限等关键表征参数，该项工 作对于航空航天材料的可靠性评定、寿命预测以及高速飞行器的安全设计具有非常重要的 意义。
[0004] 在进行金属材料高温拉伸试验（中华人民共和国国家标准GB/T4338-2006,金属 材料高温拉伸试验方法）时，材料试验机对圆柱形试验件施加轴向拉伸载荷，从拉伸开始 至试验件被拉断的过程如图1所示。当拉伸载荷不断增加，试验件中部的直径不断减小，最 后发生断裂，由断裂点的载荷参数可以获得圆柱形试验件的断裂强度参数。
[0005] 为了获得材料的热强度参数，在加热和加载同时进行的热/载联合试验环境中， 必须将圆柱形试验件中部的表面温度准确测量出来。但是，由于加载后试验件中部的直径 不断减小（如图1所示），试验件纵向和径向都将产生非常大的的变形，在试验件断裂前还 会出现颈缩现象，此时试验件的变形更为严重，而在试验件表面产生大变形的情况下能将 其表面温度的动态变化准确地测量出来的工作非常困难。一般温度测量方法主要有"非接 触式"测量和"接触式"测量。
[0006] "非接触式"激光测温方法可远离对高温物体表面进行温度测量，但是由于本发明 所述的试验件近旁有密集排列的加热阵列给试验件加热，试验件表面的温度变化信息受到 加热阵列发出的强光的阻隔和遮蔽，外部激光束无法直接照射到试验件的热表面，因此使 用非接触式激光测温方法不能够获得由强光所包围的试验件表面的温度信号。
[0007] "接触式"温度测量方法一般将测温传感器通过粘接、焊接或压接的方法固定在 试验件的外表面上，通过测温传感器与试验件表面的紧密接触来获取试验件表面的温度信 息。若将测温传感器粘接在拉伸试验件表面，由于拉伸试验件的直径不断减小，粘接处在高 温大变形的情况下，会出现开胶现象，造成测量失败；若将测温热电偶的端部点焊在圆柱形 试验件中部的表面上，虽然在试验开始时可以很好地测得试验件的表面温度，但是当试验 件中部出现颈缩大变形时，其直径减少到仅为原直径的几分之一（见图1(C))，且试验件中 部在长度方向的变形也很大，因此测温热电偶端部的焊接点处在大变形下常常会出现焊点 开焊脱离现象，造成测量失败；如果采用压接方法将测温热电偶端部紧压在圆柱形试验件 中部的表面上（该方法在对于平面试验件的温度测量十分有效），但是对圆柱形拉伸试验 件而言，表面呈园弧状，靠压紧力将测温热电偶端部的圆形焊点稳定地压接在曲面上的工 作非常困难，稍有偏差将会出现测温传感器端部滑动错位，由于试验中圆柱形试验件的直 径在不断地产生变形，直径不断减小，曲率增大，一旦产生滑动将会引起接触不良，造成测 量失败。
[0008] 金属热电偶作为测温传感器12使用时，其两根测温热电偶丝12A、12B的端部需要 焊接在一起，传统的方法如图2所示先将A热电偶丝12A和B热电偶丝12B绞绕在一起， 且A热电偶丝12A与B热电偶丝12B的测温端焊接在一起，使其端部形成圆珠形状的圆点 12C。之后再将未焊部分的两根热电偶丝反向旋开，留下带有两根拖尾形的热电偶测温传感 器。但是，将使用传统方法制成的热电偶套装圆柱形拉伸试验件1上时，其热电偶端部测温 点5与圆柱形拉伸试验件1的结合处如图2所示会产生缝隙，由于贴合不紧将会引起测温 误差。
[0009] 因此，必须设计一种高温断裂强度拉伸试验中的动态温度测量装置，使测温传感 器在圆柱形拉伸试验件直径不断减小甚至产生径缩大变形的过程中，也能使测温传感器端 部与圆柱形试验件表面可靠地接触，准确记录下试验件表面温度的动态变化。该温度测量 装置对于获得航空航天材料在快速变化的热环境下的强度极限等关键参数，以及航空航天 材料的可靠性评定、寿命预测和高速飞行器的安全设计具有非常重要实际工程应用价值。
【发明内容】
[0010] 本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种高温断裂强度拉伸 试验中的动态温度测量装置，能够在进行高温拉伸试验时，当试验件受力后试验件中部的 截面积不断变小，断裂处附近产生极大的径缩变形的恶劣情况下，其它表面温度测量方法 难于准确地获得圆柱形拉伸试验件表面的温度时，可靠地记录下处于剧烈变形中的圆柱形 拉伸试验件表面温度的动态变化，获得圆柱形拉伸试验件在热时变环境下的强度极限等关 键设计参数，为研究航空航天材料和结构在快速时变热环境下的承载能力和可靠性设计提 供重要依据。
[0011] 本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种高温断裂强度拉伸试验中的动 态温度测量装置，包括：圆柱形拉伸试验件、拉伸试验机卡头、红外辐射阵列、测温热电偶 丝、热电偶端部测温点、耐高温绝缘套管、拉力弹簧、双槽定滑轮、计算机、大功率移相电压 控制器、轻质高温隔热板；所述圆柱形拉伸试验件被卡装在两个拉伸试验机卡头之间，两排 红外辐射热源阵列对称安装在圆柱形拉伸试验件的中部区域，按照试验要求温度对圆柱形 拉伸试验件进行加热，两根测温热电偶丝的顶端被压成楔形，并通过点焊形成热电偶端部 测温点，两根测温热电偶丝被套装在圆柱形拉伸试验件的轴向的中部，由拉力弹簧产生拉 紧力，将测温热电偶丝的感温部绕紧固定在圆柱形拉伸试验件的表面上，通过双槽定滑轮 使测温热电偶丝转变方向，测温热电偶丝与计算机连接，对热强度试验过程中圆柱形拉伸 试验件的表面温度进行动态测量，计算机根据所获得的圆柱形拉伸试验件的表面温度，通 过大功率移相电压控制器调整红外辐射阵列上的电压和加热功率，实时模拟导弹飞行中的 动态热环境。
[0012] 将两根热电偶丝的前端压成对称契合的斜截面形状，通过压焊形成直径均一的热 电偶端部测温点，由于没有凸起部分和直径一致，使热电偶丝的前端部测温点处能够与圆 柱形拉伸试验件紧密接触。避免了传统的将两根热电偶丝的前端丝绞绕在一起，采用点焊 使其端部形成圆珠形状之后反向旋开的方法，会出现的测温热电偶前端与圆柱形拉伸试验 件结合部产生的缝隙，而引起的的测温误差。从而能够在试验中准确可靠地获得高温拉伸 过程中圆柱形拉伸试验件表面温度的动态变化。
[0013] 进一步的，为了能在圆柱形拉伸试验件直径不断变化的恶劣情况下保证试验件表 面温度测量的可靠性，所述高温断裂强度拉伸试验中的动态温度测量装置安装一对拉力弹 簧以产生对称的拉紧力，将测温热电偶丝的感温部拉紧固定在圆柱形拉伸试验件的表面 上，因此不论在拉伸加载试验中当圆柱形拉伸试验件的直径如何减少变化，测温热电偶丝 前端的感温部都会由于拉力弹簧产生的拉紧力与圆柱形拉伸试验件的表面紧密接触，使测 温热电偶丝前端的感温部测量得到用其它方法难于测得的圆柱形拉伸试验件的表面温度 的动态变化，甚至在圆柱形拉伸试验件产生轴向和径向的大变形时，也能够可靠地记录下 试验件表面温度的动态变化。
[0014] 进一步的，所述测温热电偶丝采用直径为0.2?0.3mm的金属热电偶丝测温，避免 测温热电偶丝的直径太粗了不易弯曲，直径太细了容易出现断裂的问题。
[0015] 进一步的，所述斜截面契合热电偶温度传感器（4)的切口倾角α为15°?25°。 [0016] 进一步的，所述高温断裂强度拉伸试验中的动态温度测量装置中对称安装的两排 红外福射阵列之间的距离为60mm?80mm，红外福射阵列的垂直宽度为120mm?140mm，通 电后形成一个包围圆柱形拉伸试验件中部区域的热场。
[0017] 进一步的，为了减小试验装置的横向空间，通过双槽定滑轮分别对两根测温热电 偶丝改变方向，使试验装置更加紧凑。
[0018] 本发明的原理：为解决在加热和加载同时进行的热/载联合试验中，当圆柱形试 验件中部的纵向和径向产生极大变形时，实时测量试验件表面温度动态变化测量的难题， 将两根热电偶丝的前端压成斜截面契合形状，再通过压焊形成直径均一的热电偶套装在圆 柱形拉伸试验件轴向的中部，由拉力弹簧产生拉紧力，将测温热电偶丝的感温部固定在圆 柱形拉伸试验件的表面上，因此不论在拉伸加载试验中当圆柱形拉伸试验件的直径如何减 少变化，测温热电偶丝前端的感温部都会由拉力弹簧产生的拉紧力与圆柱形拉伸试验件的 表面紧密接触，使测温热电偶丝前端的感温部能够测量得到用其它方法难于测得的圆柱形 拉伸试验件的表面温度的动态变化，获得航空航天材料在快速变化的热环境下的强度极限 等关键表征参数，为研究航空航天材料在1?速热冲击环境下的承载能力提供重要依据。
[0019] 本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0020] (1)传统的非接触式激光测温方法虽然可以远离高温物体来对表面温度进行测 量，但是对于试验件近旁有密集排列的高温热源，试验件表面温度信息受到加热阵列发出 的强光的阻隔与遮蔽，外部激光束无法直接照射到试验件的热面时，非接触式激光测温方 法不能够适用。另外，由于从拉伸开始到断裂过程中拉伸试验件直径不断减小，试验件表面 的纵向和横向变形非常剧烈，若采用传统的粘接或焊接的方法会引起粘接点或焊接点处脱 开的现象，造成测量失败。若采用将测温热电偶端部压在圆柱形试验件表面上的压接方法 时，由于圆柱形拉伸试验件表面呈园弧状，靠压力将测温热电偶端部的圆形焊点稳定地压 接在曲面上极为困难，并且试验中圆柱形试验件的直径不断减小，曲率增大，圆柱形试验件 的纵向和横向都呈现一种不稳定的动态变化状态，而压接点处稍有移动将会出现测温传感 器端部脱离稳定点，在曲面上滑动，造成测量失败。
[0021] 因此必须寻找新的实现方法来解决这一难题，为此本发明使用斜截面契合热电偶 温度传感器4,斜截面契合热电偶温度传感器4中的两根热电偶丝的测温端被压成斜截面 形状并通过压焊形成直径相等的的测温热电偶丝，套装在圆柱形拉伸试验件轴向的中部， 并由一对拉力弹簧产生对称的拉紧力，将测温热电偶丝的感温部拉紧固定在圆柱形拉伸试 验件的表面上，因此不论在拉伸加载试验中当圆柱形拉伸试验件的直径如何减少变化，测 温热电偶丝前端的感温部都会由拉力弹簧产生的拉紧力与圆柱形拉伸试验件的表面紧密 接触，使测温热电偶丝前端的感温部测量得到用其它方法难于测得的圆柱形拉伸试验件的 表面温度的动态变化，甚至在圆柱形拉伸试验件产生径缩大变形时，也能够可靠地记录下 圆柱形拉伸试验件的表面温度。因此避免了由于试验件表面温度信息受到加热阵列发出的 强光的阻隔与遮蔽，使用非接触式激光测温方法不能够获得高温热环境中的由强光所包围 的试验件表面温度的缺点。同时也克服了采用粘接或点焊传感器的方法时，当圆柱形拉伸 试验件中部的直径不断减小，纵向和径向变形非常大的情况下，出现的测温点脱胶和开焊 引起的测量失败。
[0022] (2)传统的测温热电偶制作方法如图2所示将两根热电偶丝的前端丝绞绕在一 起，采用点焊使其端部形成圆珠形状，之后再将未焊部分的两根热电偶丝反向旋开，留下带 有两根拖尾形的热电偶测温传感器。但是若将按传统方法制成的热电偶套装圆柱形拉伸试 验件上时，其端部与圆柱形拉伸试验件结合处会产生缝隙，贴合不紧将引起测温误差。本发 明设计的斜截面契合热电偶温度传感器4是将两根热电偶丝的前端压成斜截面契合形状， 再通过压焊形成直径均一的热电偶端部测温点，由于本发明中的测温热电偶丝的前端测温 点处与热电偶丝其它部分的直径相同，没有突起的部分，因此测温点处能够与圆柱形拉伸 试验件紧密接触，克服了传统方法制作的测温热电偶前端测温部由于有缝隙和突起所引起 的测量误差，因此能够在试验中准确可靠地获得高温拉伸过程中圆柱形拉伸试验件表面温 度的动态变化。
[0023] (3)将本发明设计的预紧力测温部分安装在现有拉伸试验机上，使得预紧力测温 部分结构简洁、可靠性好，且占用空间小，在结合现有拉伸试验机实现的功能上，解决了传 统测温失效的技术问题，为研究航空航天材料在快速动态热环境下的承载能力提供了重要 的试验测试手段，对航空航天材料的可靠性评定、寿命预测和安全设计具有非常重要应用 价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 图1是高温断裂强度拉伸试验中圆柱形拉伸试验件的形貌变化示意图。
[0025] 图2是传统热电偶温度传感器的生成和使用示意图。
[0026] 图3是本发明高温断裂强度拉伸试验中的动态温度测量装置示意图。
[0027] 图3A是在本发明高温断裂强度拉伸试验中斜截面契合热电偶温度传感器与圆柱 形拉伸试验件、红外辐射阵列之间的安装放大示意图。
[0028] 图3B是本发明斜截面契合热电偶温度传感器中两根热电偶丝的端面剖示图。
[0029] 图3C是本发明斜截面契合热电偶温度传感器中两根热电偶丝斜截面契合后的结 构图。
[0030] 图3D是本发明斜截面契合热电偶温度传感器与圆柱形拉伸试验件紧密贴合的结 构图。
[0031] 图3E是在高温断裂强度拉伸试验中本发明斜截面契合热电偶温度传感器与圆柱 形拉伸试验件的形貌变化示意图。
[0032] 图4是本发明中双槽定滑轮的结构图。
[0033] 图5为不同快速加热温度下拉伸试验件表面的预设曲线和热控结果。
[0034] 图6为硬铝合金材料在快速加热温度下的拉伸载荷-位移曲线。
[0035] 图7为高温断裂强度拉伸试验件在不同温度下的断口照片。
[0036]
【权利要求】
1. 一种高温断裂强度拉伸试验中的动态温度测量装置，所述高温断裂强度拉伸试验是 在拉伸试验机上完成的；其特征在于包括：圆柱形拉伸试验件（1)、拉伸试验机卡头（2)、红 外辐射阵列（3)、斜截面契合热电偶温度传感器（4)、热电偶端部测温点（5)、耐高温绝缘套 管（6A、6B)、拉力弹簧（7A、7B)、双槽定滑轮（8)、计算机（9)、大功率移相电压控制器（10) 和轻质高温隔热板（11);所述圆柱形拉伸试验件（1)被卡装在两个拉伸试验机卡头（2)之 间，两排红外辐射热源阵列（3)对称安装在圆柱形拉伸试验件（1)的中部区域，按照试验要 求温度对圆柱形拉伸试验件（1)进行加热，两根斜截面契合热电偶温度传感器（4)的顶端 被压成斜截面形状，并通过点焊形成热电偶端部测温点（5)，斜截面契合热电偶温度传感器 (4)上套有耐高温绝缘套管，两根斜截面契合热电偶温度传感器（4)被套装在圆柱形拉伸 试验件（1)的轴向的中部，由拉力弹簧产生拉紧力，将斜截面契合热电偶温度传感器（4)的 热电偶端部测温点（5)绕紧固定在圆柱形拉伸试验件（1)的表面上，通过双槽定滑轮（8) 使斜截面契合热电偶温度传感器（4)转变方向，斜截面契合热电偶温度传感器（4)与计算 机（9)连接，对热强度试验过程中圆柱形拉伸试验件（1)的表面温度进行实时测量，计算 机（9)根据所获得的圆柱形拉伸试验件（1)的表面实际温度，通过大功率移相电压控制器 (10)调整红外辐射阵列（3)上的电压和加热功率，实时跟踪模拟导弹飞行过程中的动态热 环境。将两根斜截面契合热电偶温度传感器（4)的前端压成对称契合的斜截面形状，通过 压焊形成直径均一的热电偶端部测温点（5)，使斜截面契合热电偶温度传感器（4)的前端 部测温点（5)处能够与圆柱形拉伸试验件（1)紧密接触。避免传统的将两根测温热电偶丝 (4)的前端丝绞绕在一起，采用点焊使其端部形成圆珠形状之后反向旋开的方法，会出现的 测温热电偶前端（5)与圆柱形拉伸试验件（1)结合部产生的缝隙从而引起的测温误差，以 保证试验中准确可靠地获得高温拉伸过程中圆柱形拉伸试验件（1)的表面温度动态变化。 为了能在圆柱形拉伸试验件（1)直径不断变化的恶劣情况下保证试验件表面温度测 量的可靠性，安装一对拉力弹簧，使其产生对称的拉紧力，将斜截面契合热电偶温度传感器 (4)的感温部拉紧固定在圆柱形拉伸试验件（1)的表面，因此不论在拉伸加载试验中当圆 柱形拉伸试验件（1)的直径如何减少变化，斜截面契合热电偶温度传感器（4)前端的感温 部都会由于拉力弹簧产生的拉紧力与圆柱形拉伸试验件（1)的表面紧密接触，使斜截面契 合热电偶温度传感器（4)前端的感温部能够测量得到用其它方法难于测得的圆柱形拉伸 试验件（1)的表面温度的动态变化，甚至在圆柱形拉伸试验件（1)产生轴向和径向的大变 形时，也能够可靠地记录下圆柱形拉伸试验件（1)表面的温度变化。 斜截面契合热电偶温度传感器（4)由C热电偶丝（4A)和D热电偶丝（4B)组成；其中，C 热电偶丝（4A)的测温端端面为A斜切端面（4A1)，D热电偶丝（4B)的测温端端面为B斜切 端面（4B1)，将C热电偶丝（4A)的A斜切端面（4A)与D热电偶丝（4B)的B斜切端面（4B) 对接契合，经焊接后形成斜截面契合部位（4C);所述的斜截面契合部位（4C)与C热电偶丝 (4A)和D热电偶丝（4B)共形为同直径； 双槽定滑轮（8)上设有A卡槽（8A)、B卡槽（8B)、连接柱（8C)，A卡槽（8A)用于放置 C热电偶丝（4A)，B卡槽（8B)用于放置D热电偶丝（4B)，通过连接柱（8C)的一端使双槽定 滑轮（8)安装在拉伸试验机的基座上； 先将A拉力弹簧（7A)和B拉力弹簧（7B)的另一端固定在拉伸试验机的基座上；再在 斜截面契合热电偶温度传感器（4)的C热电偶丝（4A)的另一端上套接A耐高温绝缘套管 (6A)，D热电偶丝（4B)的另一端上套接B耐高温绝缘套管（6B);再将A耐高温绝缘套管 (6A)置于A卡槽（8A)中，B耐高温绝缘套管（6B)置于B卡槽（8B)中；最后将C热电偶丝 (4A)另一端连接在计算机（9)和A拉力弹簧（7A)的一端上，D热电偶丝（4B)的另一端连 接在计算机（9)和B拉力弹簧（7B)的一端上。
2. 根据权利要求1所述的一种高温断裂强度拉伸试验中的动态温度测量装置，其特征 在于：斜截面契合热电偶温度传感器（4)采用直径为0. 2?0. 3_的金属热电偶丝，以克 服斜截面契合热电偶温度传感器（4)的直径过粗不易弯曲，斜截面契合热电偶温度传感器 (4)直径过细容易断裂的问题。
3. 根据权利要求1所述的一种高温断裂强度拉伸试验中的动态温度测量装置，其特征 在于：斜截面契合热电偶温度传感器（4)的切口倾角α为15°?25°。
4. 根据权利要求1所述的一种高温断裂强度拉伸试验中的动态温度测量装置，其特征 在于：为保证圆柱形拉伸试验件（1)中部区域温度场的一致性和均匀性，对称安装的两排 红外福射阵列（3)之间的距离d 3为60mm?80mm，红外福射阵列（3)的宽度h3为100mm? 120_，使红外辐射阵列（3)通电后形成一个包围圆柱形拉伸试验件（1)中部区域的热场。
5. 根据权利要求1所述的一种高温断裂强度拉伸试验中的动态温度测量装置，其特征 在于：为减少试验装置横向所占据的空间，通过双槽定滑轮（8)分别对两根测温热电偶丝 转变方向，使温度测量装置更加紧凑。
【文档编号】G01N3/06GK104280294SQ201410545978
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年10月15日 优先权日:2014年10月15日
【发明者】吴大方, 王岳武, 杨嘉陵, 高镇同, 吴爽, 麦汉超 申请人:北京航空航天大学