CN104458574A - 一种超高温或大温差环境下剪切强度测试的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超高温或大温差环境下剪切强度测试的装置及方法，属于材料力学性能检测技术领域，目的在于提供一种在超高温或大温差环境下、氧化或非氧化气氛中，针对超高温材料或异种材料连接剪切强度测试的试验装置。该装置利用自生水冷高温合金拉杆与高温陶瓷压头配合加载，采用水冷控温方式，对超高温材料或异种材料连接接头进行高精度剪切试验，特别是大载荷的剪切试验。本发明操作具有耐高温、成本低、体积小、易操作、精度高、重复性强等优点，有着重要的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及材料力学性能检测技术领域，特别是指一种超高温或大温差环境下剪切强度测试的装置及方法。
背景技术
随着新材料和航空技术的快速发展，针对国防装备建设中的高温材料与结构需要承受复杂的热与力的耦合和复杂燃烧环境，超高温材料(Cf/SiC复合材料、高温合金、超高温陶瓷等)以及由它们构成异种材料连接部件的高温力学性能对于结构部件的安全服役具有重要意义，如航空或火箭发动机中喷管延伸段需承受来自燃烧室喷出的2000-3100℃高温高速燃气机械冲刷，而与之连接的自生水冷钛合金短喷管的温度却保持在550℃以下，这就要求喷管延伸段材料及连接接头具有较高的耐温能力。因此，对于同种或异种超高温材料连接接头在超高温环境下强度和模量等基本力学性能的测定与了解是保障结构件安全服役必不可少的基本要求。
目前，国内外对于超高温材料特别是由其组成的异种材料连接接头高温氧化环境下(≥1200℃)的力学性能评价还没有有效的方法，也没有相关的标准和设备。中国建筑材料研究院的包亦望等人开发出采用氧乙炔热源局部加热的超高温力学性能测试，但该方法尚不能直接在稳态的超高温氧化或非氧化环境下精准测量材料力学性能；北京大学的包岱宁等人开发出采用超高温陶瓷拉杆传动加载的超高温氧化环境下的力学性能测试，显然，由于陶瓷本身性能较脆，难以施加大载荷满足性能测试。此外，现在尚没有关于在稳态超高温氧化或非氧化环境中直接测量异种材料连接接头的剪切强度性能测试装置，究其原因，主要有以下几点：第一，异种材料的服役温度不同，而目前设备结构难以同时提供不同温度场；第二，现有夹具材料和结构难以实现超高温工作环境下大载荷加载。
因此，急需开发一种超高温或大温差环境下材料的力学性能的评价技术及 装置，用以解决超高温环境下大载荷的加载与控制，温度、载荷等多参量实验信息的精确提取，满足异种材料不同服役温度要求，达到超高性能测试技术要求，为航天航空等领域的材料与结构的优化设计、材料工艺选择、服役可靠性等方面提供理论依据与指导，对保证国家航天航空器件的可靠性与安全设计具有举足轻重的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于超高温或大温差环境下剪切强度的测试装置，能够实现针对不同工作温度要求的超高温材料或异种材料结构件0-1700℃的超高温氧化或非氧化剪切强度性能的精确测试。
该装置的具体结构包括炉体、高精度可调金属架台、压力感应器、测温系统、水冷循环系统、控制电柜和显示分析系统，炉体又装有加热体、陶瓷固定座、保温材料一、保温材料二、自生水冷高温合金拉杆、脊梁、惰性气体通道和高温陶瓷压头，测温系统包括B型铂铑热电偶和非接触式遥感红外系统测温系统，水冷循环系统包括冷却水进水口和冷却水出水口；
其中，炉体放置在高精度可调金属架台的水平轴线轨道上，能够水平轴向运动或固定，高精度可调金属架台直接安装在普通电子万能试验机上，高温试验时通过普通电子万能试验机导轨来完成炉体垂直方向运动及固定，炉体上留有不同尺寸的孔隙用于安装加热体、B型铂铑热电偶、非接触式遥感红外系统测温系统、自生水冷高温合金拉杆、惰性气体通道和冷却水进水口、冷却水出水口，炉体中线两侧50mm位置安装脊梁，保温材料一铺在炉体内壁上；压力感应器与自生水冷高温合金拉杆顶端连接，并与显示分析系统通过信号线连接，控制电柜对测温系统和水冷循环系统进行控制。
加热体为高温陶瓷加热棒，穿过炉体左右侧壁上小孔并由陶瓷固定座固定，数量为4-6根。
高精度可调金属架台中心轴线位置存在一个长150mm、深8mm的轨道，高精度可调金属架台表面刻有标尺。
高温试样被加工为立方体小块，低温试样加工为中间为长方体、两侧为圆柱体，内部通孔，可实现与4-8个高温试样连接。
自生水冷高温合金拉杆上端1/4位置为冷却水进水口和冷却水出水口，自生水冷高温合金拉杆下端与高温陶瓷压头连接。
脊梁分上下左右四个，脊梁的凹槽中放置试样，并由上下脊梁卡紧固定，试样与冷却系统相连，右端为冷却水进水口，左侧为冷却水出水口，脊梁与炉体中间有保温材料二。
采用上述装置进行超高温或大温差环境下剪切强度测试的方法如下：
1)将待测试试样件放置在炉体中心位置并由上下脊梁卡紧固定，低温试样与水冷循环系统连接，高温试样与高温陶瓷压头和自生水冷高温合金拉杆连接；
2)通过控制电柜上的操作面板控制加热体的加热速率，对炉体均匀快速加热，通过非接触式遥感红外系统测温系统和B型铂铑热电偶对试样表面及炉体内部温度进行检测，待加热至目标温度后，保温5-10min；
3)普通电子万能试验机通过自生水冷高温合金拉杆和高温陶瓷压头对试样进行施力加载，直到待测试样断裂，通过压力传感器记录试样断裂时对应的临界载荷数值并传输给显示分析系统；
4)显示分析系统根据待测试样的尺寸和断裂时临界载荷数值按式计算，得出测量项的数值并显示，
式(1)：其中，Pc为临界载荷，w为试样宽度，L为试样长度，σ为剪切强度。
该装置的力学性能测试方法，采用热电偶和非接触式红外测温系统配合检测试样力学性能测试时的实时温度，通过高温合金水冷拉杆及高温陶瓷压头对试样施加压缩和剪切载荷，记录下相应的载荷值，采用通循环冷却水方法控制低温试样件工作温度；另外，根据检测试样的特点，可选择是否通入惰性气体，提供非氧化气氛环境，进行试样力学性能测试。
本发明针对超高温或大温差环境下、氧化或非氧化环境中、常规方法测试或测量范围较小和异种材料不同服役温度要求的问题，利用陶瓷加热体对炉体进行均匀加热，提出采用水冷控温方法，并利用自生水冷高温合金拉杆配合高温陶瓷压头对超高温材料或异种材料连接施加剪切载荷，直至样品断裂，从而获得复杂工作环境中尺寸复杂的材料在超高温氧化或非氧化环境中的剪切强 度的力学性能。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
采用本发明的技术方法，可以评价超高温材料，特别是异种材料连接接头，在超高温或大温差、氧化或非氧化环境下的剪切强度。实现了简单、方便、快捷、准确地评价材料在极端环境中力学性能的目的。
附图说明
图1为本发明的超高温或大温差环境下剪切强度测试装置的结构示意图；
图2为本发明的超高温或大温差环境下剪切强度测试装置的炉体内部结构示意图。
图中：
1-炉体；2-普通电子万能试验机；3-高精度可调金属架台；4-压力感应；5-控制电柜；6-显示分析系统；101-加热体；102-陶瓷固定座；103-保温材料一；104-自生水冷高温合金拉杆；105-脊梁；106-B型铂铑热电偶；107-惰性气体通道；108-冷却水进水口；109-冷却水出水口；110-高温陶瓷压头；111-非接触式遥感红外系统测温系统；112-保温材料二。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
如图1所示，为本发明的超高温或大温差环境下剪切强度测试装置的结构示意图，装置中，炉体1放置在高精度可调金属架台3的水平轴线轨道上，可实现水平轴向运动及固定，高温试验时通过普通电子万能试验机2导轨来实现炉体1垂直方向运动及固定，炉体1左右、前后、上下侧面均留有不同尺寸孔隙(用于安装加热体101、自生水冷高温合金拉杆104、B型铂铑热电偶106、试样水冷系统、惰性气体通道107，如图2炉体内部结构示意图所示)，通过炉体1中间排布的多根高温陶瓷加热体101实现炉体1内部温度均匀加载；
高精度可调金属架台3中心轴线位置存在一个长为150mm、深为8mm的轨道槽，与炉体1底面结构配合，轨道两侧150mm位置标有刻度，精度为 0.5mm，并设置炉体1固定组件；压力感应器4与自生水冷高温合金拉杆104顶端连接，并与显示分析系统6通过信号线连接；
加热体101为高温陶瓷管，根据不同工作温度可选用硅碳棒(≤1300℃)或硅钼棒(≤1700℃)，从炉体1左右侧壁上的小孔穿过并由陶瓷固定座102固定，加热体101的冷端通过导电金属连接至控制电柜5上；
样品固定系统主要由上下四个脊梁105构成，脊梁105上存在深为10mm的凹槽以固定试样，使其在剪切过程中不发生偏转或滑动，脊梁105与保温材料一103紧靠；
测温系统由两部分构成，一方面是安装在炉体1前后侧壁上的四支B型铂铑热电偶106，对炉体1内温度场进行检测，另一方面由非接触式遥感红外系统测温系统111对低温试样表面位置进行实时测温；
自生水冷高温合金拉杆104上端1/4位置为进、出水口，自生水冷高温合金拉杆104具有施加压缩和剪切载荷的基本功能，配合顶端压力感器4形成加载系统，自生水冷高温合金拉杆104下端与高温陶瓷压头110连接；
控制电柜5为测温系统和水冷循环系统控制，具有温控显示和水流速度调节功能，通过开关及反馈系统可开启或停止加热和水冷系统，通过温控系统可调节加热速率，通过调节阀可控制水冷流速；
显示分析系统6为计算机系统，其上装载运算式；加载系统与显示分析系统信号线连接，显示分析系统6接收来自加载系统传输的信号并依据运算式计算出各测量数值并显示；
其中，发热体101的数量为4-6根，均匀地分布炉体1内待测试样件周围区域；高温试样被加工为立方体小块，低温试样被加工成中间长方体、两侧圆柱体的形状，其内部通孔，可实现与4-8个高温试样进行连接；该装置中惰性气体通道107从炉体1底部进入，穿过保温层材料一103，在脊梁105中间位置伸出进入中心腔体，惰性气体根据工作环境要求决定是否通入，通入过程中受炉体1内部热源预热，其流量可由调节阀进行控制；脊梁105分上下左右四个，脊梁5的凹槽中放置试样，并由上下脊梁105卡紧固定，试样与冷却系统相连，右端为冷却水进水口108，左侧为冷却水出水口109，脊梁105与炉体1中间有保温材料二112。
采用该装置进行试样的剪切强度测试，主要是用于异种材料连接剪切强度测试装置结构：首选，将低温试样与高温试样连接，并放置于炉体1内部脊梁105的凹槽中，由上下脊梁105卡紧固定，低温试样内部通有循环冷却水，通过控制电柜控制5循环冷却水流量以调节低温试样温度，高温试样处于炉体1中心位置，高温陶瓷加热体101对炉体1内部均匀加热，自生水冷高温合金拉杆104与高温陶瓷压头110配合，对高温试样施加载荷，自生水冷高温合金拉杆104顶端与普通电子万能试验机2的压力传感器4连接，加载控制系统记录试样件断裂时对应的临界载荷数值并传输给显示分析系统6，并按式(1)计算，得出测量项的数值并显示，
式(1)：其中，Pc为临界载荷，w为试样宽度，L为试样长度，σ为剪切强度。
其中，试样低温部分可同时与多个高温部分连接，获得多个连接位置，这些连接位置处在同一轴线方向上并且间隔相同距离，记录下试样间隔距离，待第n个试样高温部分剪切载荷结束后，将炉体1沿高精度可调金属架台3轨道移动间隔距离，即可对第n+1个试样高温部分施加剪切载荷，进行剪切试验，直至全部高温试样断裂试验结束。
具体的测试过程如下：
将4块Cf/SiC复合材料和TC4钛合金采用真空钎焊连接在一起，制备成试样要求尺寸：Cf/SiC复合材料尺寸为5mm×5mm×7mm，间隔为10mm，TC4钛合金尺寸为30mm×30mm×100mm，其中Cf/SiC复合材料工作服役温度为1200℃以上，而TC4钛合金被强制冷却至400-550℃。实验试样放置在炉体脊梁105凹槽中，并由上下脊梁105紧固卡紧，将炉体1调整至普通电子万能试验机2测试中心位置，以25℃/min的升温速率对样品进行加温，同时将试样冷却循环水量调节为0.5L/s，将炉体1加热至1200℃，保温5min，经测量TC4钛合金温度为418℃。采用高温合金水冷拉杆和高温陶瓷压头对Cf/SiC复合材料施加剪切加载，加载速率为0.5mm/min，记录下样品断裂时所对应的临界载荷为1.753KN，界面面积为5mm×5mm。根据式(1)计算得界面剪切强度为70.12MPa。将炉体沿着轨道移动10mm，用相同条件(升温速率、冷却水流量、保温时间、加载速度)进行加载试验，记录下样品断裂时 所对应的临界载荷为1.633KN，界面面积为5mm×5mm。根据式(1)计算界面剪切强度为65.32MPa。同样，测得另外两个断裂时所对应的临界载荷为1.888KN和2.059KN，剪切强度为75.54MPa和82.33MPa。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种超高温或大温差环境下剪切强度测试的装置，其特征在于：该装置包括炉体(1)、高精度可调金属架台(3)、压力感应器(4)、测温系统、水冷循环系统、控制电柜(5)和显示分析系统(6)，炉体(1)又装有加热体(101)、陶瓷固定座(102)、保温材料一(103)、保温材料二(112)、自生水冷高温合金拉杆(104)、脊梁(105)、惰性气体通道(107)和高温陶瓷压头(110)，测温系统包括B型铂铑热电偶(106)和非接触式遥感红外系统测温系统(111)，水冷循环系统包括冷却水进水口(108)和冷却水出水口(109)；
其中，炉体(1)放置在高精度可调金属架台(3)的水平轴线轨道上，能够水平轴向运动或固定，高精度可调金属架台(3)直接安装在普通电子万能试验机(2)上，高温试验时通过普通电子万能试验机(2)导轨来完成炉体(1)垂直方向运动及固定，炉体(1)上留有不同尺寸的孔隙用于安装加热体(101)、B型铂铑热电偶(106)、非接触式遥感红外系统测温系统(111)、自生水冷高温合金拉杆(104)、惰性气体通道(107)和冷却水进水口(108)、冷却水出水口(109)，炉体(1)中线两侧50mm位置安装脊梁(105)，保温材料一(103)铺在炉体(1)内壁上；压力感应器(4)与自生水冷高温合金拉杆(104)顶端连接，并与显示分析系统(6)通过信号线连接，控制电柜(5)对测温系统和水冷循环系统进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种超高温或大温差环境下剪切强度测试的装置，其特征在于：所述加热体(101)为高温陶瓷加热棒，穿过炉体左右侧壁上小孔并由陶瓷固定座(102)固定，数量为4-6根。
3.根据权利要求1所述的一种超高温或大温差环境下剪切强度测试的装置，其特征在于：所述高精度可调金属架台(3)中心轴线位置存在一个长150mm、深8mm的轨道，高精度可调金属架台(3)表面刻有标尺；高温试样为立方体小块，低温试样中间为长方体、两侧为圆柱体，内部通孔，能够与4-8个高温试样连接。
4.根据权利要求1所述的一种超高温或大温差环境下剪切强度测试的装置，其特征在于：所述自生水冷高温合金拉杆(104)上端1/4位置为冷却水进水口(108)和冷却水出水口(109)，自生水冷高温合金拉杆(104)下端与高温陶瓷压头(110)连接。
5.根据权利要求1所述的一种超高温或大温差环境下剪切强度测试的装置，其特征在于：所述脊梁(105)分上下左右四个，脊梁(5)的凹槽中放置试样，并由上下脊梁(105)卡紧固定，试样与冷却系统相连，右端为冷却水进水口(108)，左侧为冷却水出水口(109)，脊梁(105)与炉体(1)中间有保温材料二(112)。
6.根据权利要求1所述的超高温或大温差环境下剪切强度测试装置所用的测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)将待测试试样件放置在炉体(1)中心位置并由上下脊梁(5)卡紧固定，低温试样与水冷循环系统连接，高温试样与高温陶瓷压头(110)和自生水冷高温合金拉杆(104)连接；
2)通过控制电柜(5)上的操作面板控制加热体(101)的加热速率，对炉体(1)均匀快速加热，通过非接触式遥感红外系统测温系统(111)和B型铂铑热电偶(106)对试样表面及炉体(1)内部温度进行检测，待加热至目标温度后，保温5-10min；
3)普通电子万能试验机(2)通过自生水冷高温合金拉杆(104)和高温陶瓷压头(110)对试样进行施力加载，直到待测试样断裂，通过压力传感器(4)记录试样断裂时对应的临界载荷数值并传输给显示分析系统(6)；
4)显示分析系统(6)根据待测试样的尺寸和断裂时临界载荷数值按式(1)计算，得出测量项的数值并显示，
式(1)：，其中，Pc为临界载荷，w为试样宽度，L为试样长度，σ为剪切强度。
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