CN109883868A - 高温环境下冲击压痕测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高温环境下冲击压痕测试装置，属于精密仪器领域。子弹通过子弹发射装置发射并具有初速度，入射杆、入射管、轴衬及质量块通过左支撑轴套固定在支架上，压头通过压头支撑体紧密连接在入射杆上，左隔离板、左定位块安装在入射杆上；试件通过高温胶附着在试件支撑体上，试件支撑体安装在力传感器上，力传感器、右定位块、右隔离板通过右支撑轴套、轴向卡环和右端块固定在支架上。可提供在高温条件下的动态冲击压痕装置。同时具备位移和力的检测功能，可以得出压痕曲线，进而得出材料的动态特性。

Description

高温环境下冲击压痕测试装置

技术领域

本发明涉及精密仪器领域，特别涉及高温、高应变率下的材料性能研究领域，尤指一种高温环境下冲击压痕测试装置，用于在高温、高应变速率下进行冲击压痕实验。

背景技术

工程合金的发展，从概念到生产和最终投入使用，常常存在耗时较长和价格昂贵等诸多问题。这是因为与成分和加工路线等因素导致材料产生大量的微观结构，并且由于结构和性能之间的复杂相互作用，使得材料对不同方法得出的结构有着性能的不同。材料在加工过程中，往往承受着高温，高应变速率的冲击，使得材料内部和表面形成微裂纹，大大减少了其使用寿命。所以探究材料在高温，高应变速率下的特性尤为重要。

目前常用的高温、高应变速率材料测试方法是用霍普金森杆加上加热装置形成的一套测试装置。通过发射装置发射子弹撞击入射杆，将应力波传到试件和试件后的透射杆，同时，试件在加热装置下保持高温状态，通过测量装置得出材料在高温，高应变速率下的特性。但由于材料在加热装置的受热不均匀以及材料自身加工的缺陷，内部组织均一性不好，导致存在一定的实验误差。所以急需一套精度高及解决上述问题的测试装置来获取材料在高应变速率下的动态特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温环境下冲击压痕测试装置，解决了现有技术存在的上述问题。同时具有机电一体化、结构紧凑、测试精度高、刚度高的特点，可探究在高温、高应变速率下材料的特性，以及随着不同应变率下材料的率敏感性的不同，并探究材料在高温环境下是否会产生新现象，同时观测材料的微观形貌，损伤机理进行监测，为揭示材料的性能提供了方法。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

高温环境下冲击压痕测试装置，包括子弹发射装置2、入射杆26、压头37、压头支撑件38、加热炉8、观测窗12、高速相机15，子弹3通过子弹发射装置2发射并具有初速度，入射杆26、入射管24、轴衬4及质量块25通过左支撑轴套39固定在支架6上，压头37通过压头支撑体38紧密连接在入射杆上26，左隔离板27、左定位块28安装在入射杆26上；试件36通过高温胶附着在试件支撑体29上，试件支撑体29安装在力传感器35上，力传感器35、右定位块34、右隔离板30通过右支撑轴套31、轴向卡环32和右端块33固定在支架6上；

入气口40将氦气自下而上充入加热炉8的中心区域，并从出气口11排出，试件36所处的惰性气体保护区通过下隔离板51、上隔离板45、左隔离板27、右隔离板30存留在加热工作区域，冷却水从入水口1进入，从出水口13流出，惰性气体通过隔离机构49与冷却水实现分离。

加热炉8内部高温环境采用电磁线圈47进行加热，电磁线圈47通过通电口18与外界相连，并通过电磁挡板52进行隔离；

高速相机15连接在位移云台16上，位移云台16放置在位移平台20上，位移平台20通过滑块21在导轨22上进行宏观移动进行调焦。

整个高温冲击压痕实验中，通过左定位块28和右定位块34保证压头37、压头支撑体38、试件36全部处在电磁线圈47提供的核心高温区。

所述的加热炉8表面开设方形的观测窗12，高速相机15通过观测窗12，对实验过程进行观测。

通过两对电磁线圈47对加热工作区域进行加热，并从电磁线圈47外部引入电流，引线通过冷却区域处采用抗腐蚀防护套。

入射杆26的观测区划分网格，高速相机15对在入射杆观测区的网格变化进行实时采集得出位移随时间的变化数据。

本发明的有益效果在于：与现有技术相比，本发明可提供在高温条件下的动态冲击压痕装置。同时具备位移和力的检测功能，可以得出压痕曲线，进而得出材料的动态特性。通过传统的机械传动与电气控制结合在一起，形成机电一体化，这也是将来发展的趋势。目前在材料测试上，冲击压痕发展还不完善，并且材料在高温环境下动态新能鲜有人进行研究，相信以后必定能有所突破。综上所述，本发明对丰富原位和促进材料力学性能测试技术及装备具有重要的理论意义和良好的应用开发前途。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的整体外观结构示意图；

图2为本发明的核心工作区局部放大示意图；

图3为本发明的加热炉内部结构示意图；

图4为本发明的仰视结构示意图；

图5为本发明的磁体示意图。

图6为本发明的测试原理图。

图7为本发明的压头试件示意图

图中：1、入水口；2、子弹发射装置；3、子弹；4、轴衬；5、法兰紧定螺钉；6、支架；7、法兰；8、加热炉；9、加热炉门；10、隔热板Ⅰ；11、出气口；12、观测窗；13、出水口；14、把手；15、高速相机；16、位移云台；17、紧定螺钉；18、通电口；19、支撑板；20、位移平台；21、滑块；22、导轨；23、支撑平台；24、入射管；25、质量块；26、入射杆；27、左隔离板；28、左定位块；29、试件支撑体；30、右隔离板；31、右支撑轴套；32、轴向卡环；33、右端块；34、右定位块；35、力传感器；36、试件；37、压头；38、压头支撑体；39、左支撑轴套；40、入气口；41、下支撑轴套Ⅰ；42、隔板；43、炉内支撑体；44上定位块；45、上隔离板；46、下支撑轴套Ⅱ；47、电磁线圈；48、隔热板Ⅱ；49隔离机构；50、下定位块；51、下隔离板；52、电磁防护。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图5所示，本发明的高温环境下冲击压痕测试装置，将冲击压痕试验技术与高温霍普金森杆技术进行结合，制造出一套能测试材料在高温、高应变速率下的实验仪器。通过发射装置发射子弹，撞击入射杆，入射杆连接压头，在高温炉内完成冲击压痕实验，通过在长支座后的力传感器以及高速相机得出位移、力、应变率等数据。包括子弹发射装置2、入射杆26、压头37、压头支撑件38、加热炉8、观测窗12、高速相机15及各个隔离部件。子弹发射装置2将子弹3给予一定初速度，子弹撞击到连接在入射杆26上的轴衬4，将应力波传递给核心工作部件。压头37通过应力波作用到试件36上形成压痕，力传感器35测出力随时间的数据。质量块25和入射管24防止从轴衬4传来的应力波对试件36形成二次加载，这几个核心部件通过左支撑轴套39固定在支架6上，压头37通过压头支撑体38紧密连接在入射杆上26，试件36通过高温胶附着在试件支撑体29上。力传感器35、右隔离板30等部件通过右支撑轴套31固定在支架6上。支架6通过支撑板19固定在支撑平台23上。

加热炉8用紧定螺钉17固定为一体，加热炉门9表面设有把手14可以进行对加热炉门的开启，同时加热炉8与加热炉门9中间设有隔热板Ⅰ、Ⅱ10、48。加热炉8下部通过下支撑轴套Ⅰ41、下支撑轴套Ⅱ46连接到支架6下端圆孔，并用隔板42将炉体与支架接触面积扩大，防止压强过大压坏炉体。

入气口40将氦气自下而上充入加热炉8中心区域，并从出气口11排出，试件36所处惰性气体氛围由下隔离板51、上隔离板45、左隔离板27、右隔离板30保存在加热工作区域，入水口1和出水口13通入冷却水，惰性气体通过隔离机构49与冷却水实现分离。隔热板Ⅱ48对整个加热区实施隔热，防止热量分散速度太快。

加热炉8内部高温环境采用电磁线圈47进行加热。电磁线圈47通过通电口18及粗线缆与外界相连，并用电磁挡板52进行隔离。

高速相机15连接在位移云台16上，位移云台16可进行旋转进行视角的调节，位移云台16放置在宏观位移平台20，位移平台20可通过滑块21在导轨22上进行宏观移动进行调焦。

在整个高温冲击压痕实验中，通过左定位块28和右定位块34保证压头37、压头支撑体38、试件36等关键部件全部处在电磁线圈47提供的核心高温区。

对于中心气氛保护区与冷却区域通过隔离机构49、左隔离板27、右隔离板30、下隔离板51、上隔离板45等部件隔开。保证彼此之间的密封，实现各个区域互不影响。

所述的高温冲击压痕核心传动部件，如图二中的部件，通过右支撑轴套31、轴向卡环32定位在支架6右侧圆孔，左支撑轴套39以及法兰7固定在支架6左侧圆孔，法兰7通过法兰紧定螺钉5实现固定。

加热炉8表面开设观测窗12，观测窗采用抗高温材料，且透过隔热板Ⅱ，高速相机15通过观测窗12对实验过程进行观测。

加热炉8采用电磁加热，电磁线圈47对工作区域进行加热，电磁线圈充电形式为外部入电，所以将通过气氛保护区和冷却区，为了防止干扰，在通过冷却水的线圈部分设置隔离部件。

位移及应变率等数据将通过高速相机15进行采集，在入射杆观测区划分网格，当实验进行时，入射杆网格将向试件36方向移动，同时各个网格间的距离也将发生变化。通过设置高速相机15曝光时间，通过采集运算***得出位移和应变率等信息。

为了保证中心工作区处在观测最好的区域，通过炉内支撑体43、下定位块50和上定位块44进行支撑和定位。

实施例：

参见图1至图5所示，本发明提供了一种用于高温环境下冲击压痕测试装置，包括子弹发射装置2、入射杆26、压头37、压头支撑体38、加热炉8、观测窗12、高速相机15、及各个隔离部件。子弹发射装置2固定在支撑平台23上，通电后将子弹3给予一定初速度，子弹3撞击到连接在入射杆26上的轴衬4，碰撞将产生应力波，入射杆26传递应力波并传给核心工作部件。压头37通过应力波作用到试件36上形成压痕，力传感器35测出力随实验进行的数据，因为应力波持续时间很短，所以选取采样频率高的传感器和采集***。质量块25和入射杆26放置在轴衬4旁，防止从轴衬4传来的应力波对试件36形成二次加载，这几个核心部件通过左支撑轴套39固定在支架6上，压头37通过压头支撑体38紧密连接在入射杆26上，试件36通过高温胶附着在试件支撑体29上。力传感器35、右隔离板30等部件通过右支撑轴套31固定在支架6上。支架6通过支撑板19固定在支撑平台23上。

加热炉8用紧定螺钉17固定为一体，完成实验时可开启加热炉门9，手握加热炉门9表面设有的把手14进行试件的拿出和更换，加热炉8与加热炉门9中间设有隔热板Ⅰ、Ⅱ10、46。支架6在四周加工4个圆孔，目的是把加热炉8安放在其中，并实现定位和安装，加热炉8下部通过下支撑轴套Ⅰ41、下支撑轴套Ⅱ46连接到支架下端圆孔，并用隔板42将炉体与支架接触面积扩大，防止压强过大压坏炉体。

实验前先通入惰性气体，氦气从入气口40自下而上充入加热炉8中心区域，并从出气口11排出，持续10分钟后，保证核心工作区充满氮气后，打开入水口1和出水口13通冷却水，为保证惰性气体氛围和冷却氛围的密封，将由下隔离板51、上隔离板45、左隔离板27、右隔离板30来保证，惰性气体通过隔离机构49与冷却水实现分离。隔离板Ⅱ48对整个加热区实施隔热，防止热量分散速度太快。

当气体保护装置和冷却装置启动后打开电源，对电磁线圈47通电。电磁线圈通过粗线缆与外界相连，并用电磁挡板52进行隔离，当电磁线圈得电后将在工作区域产生热量，当达到1300℃时，切换为恒热模式。

为了测量位移和应变率等数据，将采用高速相机15进行数据采集，在入射杆26的观测区划分网格，当实验进行时，入射杆网格将向试件方向移动，同时各个网格间的距离也将发生变化。通过设置高速相机曝光时间，通过采集运算***得出位移和应变率等信息。高速相机15连接在位移云台16上，位移云台16可进行旋转进行视角的调节，位移云台16放置在宏观的位移平台20，位移平台20可通过滑块21在导轨22上进行宏观移动进行调焦。待观测清晰时，可以继续进行压痕实验。

参见图2所示，高温冲击压痕核心传动部件，通过右支撑轴套31、轴向卡环32定位在支架6的右侧圆孔，左支撑轴套39以及法兰7固定在支架6的左侧圆孔，法兰7通过法兰紧定螺钉5实现固定。

试验结束后，停止电磁线圈47的加热，继续通以冷却水，待温度恢复至室温，停止惰性气体的排入，快速打开加热炉门9，拿出试件，放置在已配置好的溶液中，为接下来的检测做准备。

在测试的整个过程中，被测试件压痕曲线将通过传感器和高速相机进行检测，试件的裂纹萌生、扩展及变形损伤情况将由实验结束后进行，同时通过电子显微镜得仪器进行观测，并可同时记录图像，结合上位机调试软件亦可实时获取表征材料力学性能的工程应力-应变曲线及抗弯强度、抗拉强度等重要力学参数。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高温环境下冲击压痕测试装置，其特征在于：包括子弹发射装置（2）、入射杆（26）、压头（37）、压头支撑件（38）、加热炉（8）、观测窗（12）、高速相机（15），子弹（3）通过子弹发射装置（2）发射并具有初速度，入射杆（26）、入射管（24）、轴衬（4）及质量块（25）通过左支撑轴套（39）固定在支架（6）上，压头（37）通过压头支撑体（38）紧密连接在入射杆上（26），左隔离板（27）、左定位块（28）安装在入射杆（26）上；试件（36）通过高温胶附着在试件支撑体（29）上，试件支撑体（29）安装在力传感器（35）上，力传感器（35）、右定位块（34）、右隔离板（30）通过右支撑轴套（31）、轴向卡环（32）和右端块（33）固定在支架（6）上；

入气口（40）将氦气自下而上充入加热炉（8）的中心区域，并从出气口（11）排出，试件（36）所处的惰性气体保护区通过下隔离板（51）、上隔离板（45）、左隔离板（27）、右隔离板（30）存留在加热工作区域，冷却水从入水口（1）进入，从出水口（13）流出，惰性气体通过隔离机构（49）与冷却水实现分离；

加热炉（8）内部高温环境采用电磁线圈（47）进行加热，电磁线圈（47）通过通电口（18）与外界相连，并通过电磁挡板（52）进行隔离；

高速相机（15）连接在位移云台（16）上，位移云台（16）放置在位移平台（20）上，位移平台（20）通过滑块（21）在导轨（22）上进行宏观移动进行调焦。

2.根据权利要求1所述的高温环境下冲击压痕测试装置，其特征在于：整个高温冲击压痕实验中，通过左定位块（28）和右定位块（34）保证压头（37）、压头支撑体（38）、试件（36）全部处在电磁线圈（47）提供的核心高温区。

3.根据权利要求1所述的高温环境下冲击压痕测试装置，其特征在于：所述的加热炉（8）表面开设方形的观测窗（12），高速相机（15）通过观测窗（12），对实验过程进行观测。

4.根据权利要求1所述的高温环境下冲击压痕测试装置，其特征在于：通过两对电磁线圈（47）对加热工作区域进行加热，并从电磁线圈（47）外部引入电流，引线通过冷却区域处采用抗腐蚀防护套。

5.根据权利要求1所述的高温环境下冲击压痕测试装置，其特征在于：入射杆（26）的观测区划分网格，高速相机（15）对在入射杆观测区的网格变化进行实时采集得出位移随时间的变化数据。