CN106769395A - 用于材料低温静态力学性能连续应变与图像记录测试*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于材料低温静态力学性能连续应变与图像记录测试***，包括带一可视化窗口的低温环境箱、制冷及控温***、除霜装置与高速应变记录***；所述低温环境箱是前表面带有一透明观测窗口长方体型保温箱体；所述制冷及控温***包括液氮罐、输液管、低温电磁阀、液氮雾化器、导流板及温度控制组件；所述温度控制组件包括温度计、温度控制器、加热器、风机和排气装置；除霜装置由防结霜气环、空压机组成；所述高速应变记录***包括高速应变测量及图像采集设备。本发明可以在300‑80K温区内实现的静态力学性能应力与可视化应变及图像实时记录测试，具有安装及测试方便、控温准确、试样受力变化与应变及受力变形图像实时采集的功能。
Description
技术领域
本发明属于材料低温力学性能测试领域，具体涉及一种用于材料静态低温力学性能连续可视化应变与图像记录测试***，特别涉及300-80K材料静态力学性能可视化应变与图像记录测试***。
背景技术
随着材料(包括金属材料、非金属材料、复合材料等)在低温环境下(室温-4K)的应用越来越广泛，相关的研究与设计对材料在低温环境下的力学性能、破坏行为，特别是实时破坏的应变和图像信息需求很迫切。在材料投入实际低温环境应用前，人们必须进行大量的低温力学试验，以获取材料在低温下的力学性能及破坏行为，为产品的设计、加工及应用提供必要的数据支持。传统上对于材料的破坏过程只能在测试结束后通过对所获得的结果进行分析、模拟，还原材料在受力过程中本身的变化行为。从事低温领域研究的工作者一直都希望低温下材料的受力变化情况像室温试验一样，能实时观察并记录材料每一时刻受力导致材料的外形变化及瞬间的破坏情况。在材料的低温力学测试过程中，若能实时观察试样受力时的应变变化与图像、断裂行为等，对进一步研究材料在低温下的力学行为有很大的帮助。例如高分子薄膜在低温环境中的力学性能测试，由于薄膜材料本身尺寸及柔韧性等原因，导致想要获得薄膜在低温环境下的应力-应变曲线及整个测试过程的图像信息变得十分困难。直接接触式测量薄膜在低温环境中的应变不容易实现，这就需要一种无接触式的同时又能准确测量薄膜材料在低温环境中受力变形的试验装置。
目前虽有报道在试验腔体保持真空的情况下，利用制冷源间接制冷试样，可以实现窗口观测。但是此种方式受制于制冷介质、制冷时间与温度梯度等因素的影响，很难实现不同种类材料、不同低温力学测试形式、不同试样尺寸特别是大尺寸试样的低温力学性能测试。传统的低温力学试验装置很难实现实时观察材料受力变形的图像信息，主要的原因在于传统上材料的低温力学性能(包括拉伸、压缩、弯曲、层间剪切等)测试需要在相对密闭的低温环境中或浸泡在相应的低温制冷介质中来实现，一旦破坏密闭的低温环境，大量的水蒸气或沸点较低的气体会液化成小液雾，充盈在整个空间，导致无法用肉眼或摄像设备来观察、记录。浸泡在制冷介质中的试样，由于光线的折射及液面上大量的小液雾，导致无法直接观测。因此研制一种低温环境下(300-80K)能实时记录材料应力与应变及图像信息的力学性能测试***，显得尤为重要。
发明内容
本发明一个目的在于提供一种用于300-80K材料静态力学性能连续可视化图像记录测试***，该***在实现材料低温环境中力学性能测试的同时，又能实时以应变及图像的形式记录材料受力变化的整个过程。该测试***具有宽泛的测试温区(300-80K)且控温精确；试样受力时应变及图像变化的记录与应力采集同步；适用于各种标准或非标准试样、不同静态力学测试类型在低温环境下的力学性能连续可视化图像记录测试；安装及测试方便。
本发明提供的用于300-80K材料静态力学性能连续可视化应变与图像记录测试***，包括一带有可视化窗口的低温环境箱、制冷及控温***、除霜装置与高速应变记录***，其特征在于：
所述低温环境箱为一保温环境箱，所述低温环境箱的前表面设置有带有透明的观测窗的门；所述环境箱的上侧面和下侧面各带有一密封保温板；所述低温环境箱的上侧面和下侧面的中心位置各有一承力轴；所述承力轴通过密封保温板上的穿孔，贯穿进入到环境箱内部；
所述制冷及控温***包括制冷装置和控温装置；
所述制冷装置包括液氮雾化器和导流板；所述导流板位于低温环境箱内后半部液氮雾化器的前面；
所述控温装置包括温度计、风机、加热器和排气装置；所述温度计位于低温环境箱的内部材料力学性能测试区域；所述风机的主机部分位于低温环境箱外部的后表面上，风机的扇叶穿过环境箱的后侧面位于环境箱的内部；所述扇叶位于液氮雾化器与导流板之间；所述风机电源线和信号线与温度控制器连接；所述排气装置的一端处于环境箱的外部，另一端位于低温环境箱内部的导流板上；
所述高速应变记录***包括一高速应变及图像采集设备；
所述处在环境箱外部的承力轴分别与材料静态力学试验机的横梁和基座连接，所述环境箱内部承力轴的端头上装卡不同类型的试验夹具。
优选的，所述制冷装置还包括液氮罐和液氮输液管，所述液氮输液管上设置有低温电磁阀。
优选的，所述制冷装置还包括加热器，所述加热器位于环境箱内部的导流板与液氮雾化装置之间。
作为上述技术方案的一个优选，所述观测窗由透明介质制成，所述透明介质为耐低温材料，所述观测窗的边缘设置有发热装置；所述门的内侧面观测窗的上方带有一照明电源。所述发热装置为本领域根据需要可以灵活选择的对象，如其可以为自发热装置。
作为上述技术方案的一个优选，所述控温装置还包括温度控制器，所述温度控制器包括温度显示装置、加热电源和电信号反馈模块，所述风机和所述加热装置与温度控制器相连接。
作为上述技术方案的一个优选，所述除霜装置包括空压机和防结霜气环；所述防结霜气环设置于所述观测窗的边缘和所述承力轴与低温环境箱上侧面、下侧面相连接处，且防结霜气环的内侧设置有气孔；所述空压机分别通过输气管与防结霜气环相连通。在通入高压气体时，所述防结霜气环可以在观测窗的外表面形成一个气膜。所述防结霜气环的内侧设置一定数量的气孔，气流可以穿过所述小孔并覆盖观测窗的整个表面，并结合气膜阻止透明观测窗和水蒸气的接触，防止观测窗结霜。作为本领域技术人员的基本技能，气孔的数量和孔径是可以根据工作温度以及气速而进行调整的对象。
作为上述技术方案的一个优选，所述低温环境箱内部与外部的壳层均为耐低温的不锈钢材质。
作为上述技术方案的一个优选，所述低温环境箱温度为300-80K，即所述制冷及控温***提供300-80K的低温环境箱温度。
作为上述技术方案的进一步优选，所述制冷及控温***提供150-80K的低温环境箱温度。
作为上述技术方案的进一步优选，所述制冷及控温***提供200-100K的低温环境箱温度。
作为上述技术方案的进一步优选，所述制冷及控温***提供300-150K的低温环境箱温度。
本发明适用于宽温区(300-80K)材料不同类型静态力学性能应力与可视化应变及图像的测试，可以实现材料所受应力与应变及材料受力变形图像的同步采集，适用于标准或非标准试样的低温静态力学性能可视化测试试验；且低温下环境箱内部的光线明亮、视场清晰、无结霜现象；设备安装方便，环境箱的控温、保温操作简单。
附图说明
图1为本发明用于300-80K材料静态力学性能连续可视化应变与图像记录测试***的结构示意图。
具体实施方式
如下为本发明的一个实施例，其仅用作对本发明的解释而并非限制。
参见图1所示的用于300-80K材料静态力学性能连续可视化应变与图像记录测试***，其包括一带有可视化窗口的低温环境箱、制冷及控温***、除霜装置与高速应变记录***；
所述可视化低温环境箱是一长方体型具有保温功能的环境箱1，其前表面101是环境箱体对外联通的门11，所述门11上带有一安装耐低温透明材料的观测窗12，观测窗12的边缘带有防结霜气环13；所述防结霜气环13是一带有若干排气孔洞的非金属环；所述门11的内侧面102观测窗口12的上方带有一照明电源21；所述环境箱1的上侧面103、下侧面104各带有一可插拔拆卸并带有穿孔的密封保温板14；环境箱上侧面103、下侧面104的中心位置各有一承力轴15；所述承力轴15通过密封保温板14上的穿孔，贯穿进入到环境箱1内部；所述承力轴15与环境箱1上侧面103、下侧面104相连接处各套有防结霜气环13；
所述制冷与控温***其包括制冷装置和控温装置；所述制冷装置包括液氮罐2、液氮输液管3、低温电磁阀4、液氮雾化器5和导流板6；所述液氮输液管3的一端与液氮罐2连接；所述低温电磁阀4位于环境箱1后侧面105的外部；低温电磁阀4通过液氮输液管3与位于环境箱1内部的液氮雾化器5相连接；低温电磁阀4另一端与外部的液氮输液管3相连接；所述低温电磁阀4的电信号与温度控制器8连接，低温电磁阀4通过温度控制器8反馈的温度信号控制进入到环境箱1内液氮的流量；所述导流板6位于环境箱1内后半部液氮雾化器5的前面；所述控温装置其由温度计7、温度控制器8、风机9、加热器10、排气装置16组成；所述温度计7位于环境箱1内部材料力学性能测试区域；所述温度控制器8由显示温度、加热电源、电信号反馈模块组成；所述风机9的主机部分位于环境箱1外部的后表面上，风机9的扇叶91穿过环境箱1的后侧面105位于环境箱1的内部；所述扇叶91位于液氮雾化器5与导流板6之间；所述风机9电源线和信号线与温度控制器8连接；所述加热器10固定在环境箱1的左、右侧面上，并位于环境箱1内部的导流板6与液氮雾化装置5之间；所述加热器10的电源线和信号线与温度控制器8连接；所述排气装置16是一中空的不锈钢管，其带一微压单向阀17的一端处于环境箱1的外部，另一端头的喇叭型开口位于环境箱1内部的导流板6上；
所述除霜装置其包括空压机18和防结霜气环13；所述空压机分别通过输气管22与观测窗12边缘的防结霜气环13及上、下承力轴15上的防结霜气环13相连通；
所述高速应变记录***包括一高速应变及图像采集设备19和计算机20。
所述处在环境箱1外部的承力轴15分别与材料静态力学试验机的横梁和基座连接，在环境箱1内部承力轴15的端头上装卡不同类型的试验夹具，可以实现材料在300-80K温区内的低温静态力学试验；所述高速应变及图像采集设备19的镜头与观测窗口12保持一定距离；高速应变及图像采集设备19的应变及图像采集与在低温力学应力采集同步，同步记录材料的受力情况及材料实时应变及变形情况的图像。
试验前，将本发明的长方体型低温环境箱1放置在试验机上，试验机的承力轴15分别穿过低温环境箱1上、下密封保温板14穿孔并连接上试验所需的夹具，在夹具上装卡好试样，关闭低温环境箱1的门11；温度计7与温度控制器8连接；加热器10、低温电磁阀4、风机9的电源和信号线分别与外部的温度控制器8相连接；液氮输液管3与液氮罐2连接；照明光源21与电源连接；高速应变及图像采集设备19与储存记录图像的电脑20连接；高速应变及图像采集设备19的镜头靠近环境箱门11上的观测窗12。
试验冷却前，先用氮气置换出低温环境箱1内的空气；开启空压机18，通过防结霜气环13，在透明观测窗12口的外表面形成一层气膜，观察窗边缘设有自发热装置，防止结霜影响观察；承力轴15上的防结霜气环13在承力轴15与密封保温板14的外部相交处形成气膜；通过温度控制器8设置试样的待测温度，具有自增压功能的液氮罐2把液氮通过输液管3流经低温电磁阀4输入到低温环境箱1内的液氮雾化器5内；具有一定压力的液氮通过液氮雾化器5雾化成液氮小液滴；雾化的液氮小液滴经电机9上的扇叶91转动鼓吹到具有小孔的导流板6上，并通过小孔进入到低温环境箱1内冷却测试区域及测试装置；冷却吸热汽化后的氮气通过排气管道16排出环境箱1；温度计7把测量到环境箱1内的温度信号反馈给温度控制器8，温度控制器8根据保温箱1内的温度信号来决定低温电磁阀4开关的打开与闭合，控制进入到环境箱1内液氮的流量；降温接近待测温度时，开启加热器10加热，温度控制器8根据温度计7反馈的温度信号控制加热器10的加热功率、控制低温电磁阀4的开闭、控制风机9的开闭，维持环境箱1内制冷与加热的动态平衡，减少环境箱1内的温度梯度差，实现环境箱1内试验测试区域的温度长时间保持稳定直至试验的完成。
试验时，开启试验机的测试软件、高速应变及图像采集设备19的测试软件及环境箱1内的照明电源21，保持力学测试数据与应变及图像信息的同步自动记录、采集，直至试样完全破坏。透明观测窗口12的外表面因有室温氮气气膜的阻隔，同时具有自发热的功能，避免了空气中的水蒸气在观测窗口12耐低温透明介质上的液化，确保了高速应变及图像采集设备19镜头的视场清晰。
通过在试验机承力轴15上转接不同的测试工装夹具，重复上述的试验过程，完成金属、非金属、复合材料等不同静态力学测试类型试样的应变与试样受力变形图像的可视化低温力学试验。
Claims (8)
1.一种用于材料低温静态力学性能连续应变与图像记录测试***，包括一带有可视化窗口的低温环境箱、制冷及控温***、除霜装置与高速应变记录***，其特征在于：
所述低温环境箱为一保温的环境箱，所述低温环境箱的前表面设置有带有透明的观测窗的门；所述环境箱的上侧面和下侧面各带有一密封保温板；所述低温环境箱的上侧面和下侧面的中心位置各有一承力轴；所述承力轴通过密封保温板上的穿孔，贯穿进入到环境箱内部；
所述制冷及控温***包括制冷装置和控温装置；
所述制冷装置包括液氮雾化器和导流板；所述导流板位于低温环境箱内后半部液氮雾化器的前面；
所述控温装置包括温度计、风机和排气装置；所述温度计位于低温环境箱的内部材料力学性能测试区域；所述风机的主机部分位于低温环境箱外部的后表面上，风机的扇叶穿过环境箱的后侧面位于环境箱的内部；所述扇叶位于液氮雾化器与导流板之间；所述风机电源线和信号线与温度控制器连接；所述排气装置的一端处于环境箱的外部，另一端位于低温环境箱内部的导流板上；
所述高速应变记录***包括高速应变及图像采集设备；
所述处在环境箱外部的承力轴分别与材料静态力学试验机的横梁和基座连接，所述环境箱内部承力轴的端头上装卡不同类型的试验夹具。
2.根据权利要求1所述的用于材料低温静态力学性能连续应变与图像记录测试***，其特征在于：所述观测窗由透明介质制成，所述观测窗的边缘有自发热装置；所述门的内侧面观测窗的上方带有一照明电源。
3.根据权利要求1所述的用于材料低温静态力学性能连续应变与图像记录测试***，其特征在于：所述控温装置还包括温度控制器，所述温度控制器包括温度显示装置、加热电源和电信号反馈模块，所述风机和所述加热器与温度控制器相连接。
4.根据权利要求1所述的用于材料低温静态力学性能连续应变与图像记录测试***，其特征在于：所述除霜装置包括空压机和防结霜气环；所述防结霜气环设置于所述观测窗的边缘和所述承力轴与低温环境箱上侧面、下侧面相连接处，且防结霜气环的内侧设置有气孔；所述空压机分别通过输气管与防结霜气环相连通。
5.根据权利要求1所述的用于材料低温静态力学性能连续应变与图像记录测试***，其特征在于：所述低温环境箱内部与外部的壳层均为耐低温的不锈钢材质。
6.根据权利要求1所述的用于材料低温静态力学性能连续应变与图像记录测试***，其特征在于：所述排气装置是一中空的不锈钢管，其一端设置有一微压单向阀，设置于导流板上的另一端具有喇叭型开口。
7.根据权利要求1所述的用于材料低温静态力学性能连续应变与图像记录测试***，其特征在于：所述制冷装置还包括加热器，所述加热器位于环境箱内部的导流板与液氮雾化装置之间。
8.根据权利要求1所述的用于材料低温静态力学性能连续应变与图像记录测试***，其特征在于：即所述制冷及控温***提供300-80K的低温环境箱温度。
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