一种实现样件均匀加热的高温拉伸实验装置及方法与流程

本发明涉及高温材料性能测试领域，尤其涉及一种实现样件均匀加热的高温拉伸实验装置及方法。

背景技术：

轻量化是当今交通运输装备的研究热点。高强度金属板材的应用可有效减轻装备重量，同时满足安全性的要求。然而，高强度板材在室温下韧性差，在成形过程中易发生破裂、起皱等问题，同时，成形件的回弹问题也比较严重，因此，高强度金属板材室温成形很难满足成形件的质量要求。

热冲压成形技术可有效改善高强度金属板材的成形性，有助于复杂零部件的冲压成形。在热成形过程中，高强度板材首先被加热至某一温度，随后快速转运至模具中进行冲压成形并保压淬火。在此期间，板材与模具之间会发生剧烈的热交换。因此，热冲压成形是一个板材温度连续变化的过程。温度的变化会对材料的力学性能产生显著地影响。

在现代工业生产中，有限元仿真模拟是一个不可或缺的技术环节。其可对某一工艺下，板料的成形性能进行有效预测评价，有助于工程师对成形工艺的优化。而有限元模拟的准确性强烈依赖于材料的本构关系，因此，准确获得高强度板材在高温下的应力-应变数据是保证热成形有限元仿真准确性的必要条件。另一方面，材料的高温拉伸数据也可作为评价材料性能的重要依据。

为获得材料的高温拉伸数据并对其高温力学性能进行研究，申请号为201410140121.6的中国专利公开了一种通电热拉伸试验装置及拉伸试验方法。该专利通过红外测温感应器对拉伸试件进行温度监测并反馈给温度比较器，温度比较器将温度差值转化为电信号输出给功率调节器，以实现拉伸试件温度的恒定。然后，单纯采用通电加热的方式，样件温度沿拉伸方向必然存在较大的温度梯度，其一般规律为中间温度高，两侧温度逐渐降低。因此，所获拉伸数据是不准确的。申请号为201611113306.3的中国专利公开了一种高温拉伸实验装置。该专利将电磁感应线圈套在试样的周围以实现加热，该方式虽然能模拟真实的生产环境，但套在试样周围的感应线圈会阻碍高温引伸计等变形测量装置的安装，以至于不能准确获取试样的应力-应变曲线。

技术实现要素：

根据上述提出的高温拉伸时样件温度恒定较难控制、材料拉伸数据不准确等影响热成形有限元分析的技术问题，而提供一种实现样件均匀加热的高温拉伸实验装置及方法。本发明主要通过对样件进行快速均匀的加热，并能够实现保温功能；同时，根据工艺的需求，也可对样件进行快速冷却处理，从而实现实验结果可有效支撑有限元仿真以及材料性能评价。

本发明采用的技术手段如下：

一种实现样件均匀加热的高温拉伸实验装置，其特征在于，该实验装置以卧式电子万能拉伸机为主体，包括：

拉伸机构，由左拉伸杆和右拉伸杆通过螺栓分别与所述卧式电子万能拉伸机的活动横梁和右固定横梁相连接；

圆柱形铜电极，分别为左圆柱形铜电极和右圆柱形铜电极，在所述圆柱形铜电极内部嵌有耐高温销，所述耐高温销的上部裸露端具有螺纹，所述耐高温销通过与所述左拉伸杆和所述右拉伸杆的配合实现对拉伸样件的夹持，并构成电流通路，通过通电实现高温下所述拉伸样件的保温；

高频感应线圈，置于所述拉伸样件的后方且与所述拉伸样件位于同一高度，工作时，用于快速均匀的将所述拉伸样件加热到预设温度；

CCD相机，置于所述拉伸样件的前方，用于拍摄所述拉伸样件在高温拉伸过程中的变形；

红外测温仪，置于所述拉伸样件的前方，用于检测和反馈所述拉伸样件的即时温度；

高压空气喷头，置于所述拉伸样件的后方且与所述拉伸样件位于同一高度，用于对特定材料的急冷处理；

温度控制装置，用于控制实验温度，调节高频感应输出功率和电流输出的大小。

进一步地，所述高频感应线圈与所述拉伸样件的尺寸相匹配，可根据所述拉伸样件的尺寸进行形状和尺寸的调整，以保证拉伸样件温度的均匀性。

进一步地，所述左拉伸杆和所述右拉伸杆与所述拉伸样件的接触端设有用于有效阻隔所述拉伸样件与拉伸机构之间热交换的热障涂层，以保证拉伸样件温度的均匀性。

本发明还公开了一种应用上述的实验装置实现样件均匀加热高温拉伸的方法，其特征在于包括如下步骤：

S1、将表面喷有黑白耐高温散斑的拉伸样件分别通过左圆柱形铜电极和右圆柱形铜电极内设置的耐高温销与所述左拉伸杆和所述右拉伸杆配合实现对所述拉伸样件的夹持，并与卧式电子万能拉伸机构成电流通路；

S2、采用高频感应线圈将所述拉伸样件快速均匀的加热到预设的奥氏体温度，随后采用通电的方式实现所述拉伸样件温度的恒定，实现所述拉伸样件奥氏体组织的均匀化；

S3、在步骤S2进行的同时，采用红外热像仪对所述拉伸样件进行检测和反馈所述拉伸样件的即时温度；

S4、采用位于所述拉伸样件后方的高压空气喷头将奥氏体态样件快速冷却至预设的测试温度；通过温度控制装置控制实验温度，调节高频感应输出功率和电流输出的大小；

S5、采用CCD相机对所述拉伸样件的变形进行拍摄记录，随后通过图像分析软件实现应变的计算，该方法适用于不同标距尺寸的拉伸样件；通过与所述卧式电子万能拉伸机采集的力数据相结合，计算得到所述拉伸样件的高温应力-应变数据。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明将高频感应线圈置于拉伸样件后方，一方面可实现对拉伸样件的快速均匀加热，另一方面不会对应变测量产生影响；

2)本发明在拉伸样件与左右拉伸杆的接触端覆有热障涂层，可有效减少高温拉伸样件与左右拉伸杆间的热交换，保证样件温度的均匀性；

3)本发明采用电极通电的方式对高温拉伸样件实现保温处理，可保证等温拉伸的实验条件；

4)本发明设有高压空气喷头，可对高温拉伸样件进行快速冷却处理，以实现对不同成形工艺的模拟。

综上，本发明可实现对导磁性样件的快速加热并保温，同时可有效减小拉伸样件标距内的温度梯度，保证拉伸样件温度的均匀性，从而提高实验数据的精确性，为有限元数值仿真模拟和材料性能评价提供有效可靠的数据支撑。

基于上述理由本发明可在高温材料性能测试领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例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做以简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明高温拉伸实验装置的示意图。

图2为本发明左拉伸杆的结构示意图，(a)为主视图，(b)为右视图。

图3为本发明右拉伸杆的结构示意图，(a)为主视图，(b)为左视图。

图4为本发明圆柱形铜电极的结构示意图，(a)为主视图，(b)为俯视图。

图5为本发明实施例中高频感应线圈的结构示意图。

图6为本发明实施例中拉伸样件的结构示意图。

图中：1、左拉伸杆；2、右拉伸杆；3、高频感应线圈；4、左圆柱形铜电极；5、右圆柱形铜电极；6、高压空气喷头；7、CCD相机Ⅰ；8、CCD相机Ⅱ；9、红外测温仪；10、热障涂层；11、拉伸样件；12、螺母；13、温度控制装置；14、卧式电子万能拉伸机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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做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。

如图1所示，一种实现样件均匀加热的高温拉伸实验装置，本实施例拉伸样件11(如图6所示)为表面喷有黑白散斑的高强度钢板，根据实际热冲压工艺，拉伸样件11须从高温奥氏体态被快速冷却到测试温度。

该实验装置以卧式电子万能拉伸机14为主体，包括：

拉伸机构，由左拉伸杆1(如图2所示，根据实际需要设置成前端具有阶梯台式结构)和右拉伸杆2(如图3所示，与左拉伸杆1不同的是两者的尾端与卧式电子万能拉伸机14相连的部分)通过螺栓分别与所述卧式电子万能拉伸机14的活动横梁和右固定横梁相连接；所述左拉伸杆1和所述右拉伸杆2与所述拉伸样件11的接触端设有热障涂层10，可以有效阻隔所述拉伸样件11与拉伸机构之间热交换。

圆柱形铜电极(如图4所示)，分别为左圆柱形铜电极4和右圆柱形铜电极5，在所述圆柱形铜电极内部嵌有耐高温销，所述耐高温销的上部裸露端具有螺纹，实验时，所述左圆柱形铜电极4和右圆柱形铜电极5上的耐高温销通过与所述左拉伸杆1和所述右拉伸杆2的配合，组成样件夹具，将耐高温销依次插入拉伸样件11两端和左右拉伸杆端部的圆孔，并通过螺母12进行固定，实现对拉伸样件11的夹紧，并构成电流通路；

高频感应线圈3(如图5所示)，为蚊香盘式并置于所述拉伸样件11的后方，工作时，将拉伸样件11快速均匀的加热到奥氏体温度，进一步，通过通电实现高温下所述拉伸样件11的保温，以实现样件奥氏体组织的均匀化；所述高频感应线圈3与所述拉伸样件11的尺寸相匹配，根据所述拉伸样件11的尺寸进行形状和尺寸的调整。

红外测温仪9，置于所述拉伸样件11的前方，用于检测和反馈所述拉伸样件11的即时温度；

高压空气喷头6，置于所述拉伸样件11的后方，将奥氏体态样件快速冷却至测试温度；

实验时左拉伸杆1向左移动，右拉伸杆2固定不动以实现对拉伸样件11的拉伸；温度控制装置13，用于控制实验温度，调节高频感应输出功率和电流输出的大小；

设置左右两台CCD相机，即CCD相机Ⅰ7和CCD相机Ⅱ8，镜头前安装有滤光片并置于所述拉伸样件11的前方，用于拍摄所述拉伸样件11在高温拉伸过程中的变形，随后通过图像分析软件实现应变的计算。最后，通过与拉伸机采集的力数据相结合，计算得到高强度钢板样件的高温应力-应变数据。

本发明还公开了一种应用权利上述的实验装置实现样件均匀加热高温拉伸的方法，包括如下步骤：

S1、将拉伸样件11分别通过左圆柱形铜电极4和右圆柱形铜电极5内设置的耐高温销与所述左拉伸杆1和所述右拉伸杆2配合实现对所述拉伸样件11的夹持，并与卧式电子万能拉伸机14构成电流通路；

S2、采用高频感应线圈3将所述拉伸样件11快速均匀的加热到预设的奥氏体温度，随后采用通电的方式实现所述拉伸样件11温度的恒定，实现所述拉伸样件11奥氏体组织的均匀化；

S3、在步骤S2进行的同时，采用红外热像仪9对所述拉伸样件11进行温度检测和反馈所述拉伸样件11的即时温度；

S4、采用位于所述拉伸样件11后方的高压空气喷头6将奥氏体态样件快速冷却至预设的测试温度；通过温度控制装置13控制实验温度，调节高频感应输出功率和电流输出的大小；

S5、采用CCD相机Ⅰ7和CCD相机Ⅱ8对所述拉伸样件11的变形进行拍摄记录，随后通过图像分析软件实现应变的计算；通过与所述卧式电子万能拉伸机14采集的力数据相结合，计算得到所述拉伸样件11的高温应力-应变数据。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。