專利名稱：深冷環(huán)境材料力學(xué)性能檢測試驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料力學(xué)性能測試領(lǐng)域，具體涉及一種深冷環(huán)境下材料力學(xué)性能的測
試試驗裝置。
背景技術(shù)：
深冷環(huán)境下材料的力學(xué)性能是航空航天、超導(dǎo)、化工以及能源儲運等行業(yè)領(lǐng)域關(guān)注的一個重點。深冷環(huán)境對材料力學(xué)性能的影響及其機理十分復(fù)雜，以低溫工程和承壓設(shè)備行業(yè)中常見的奧氏體不銹鋼材料為例，低溫對于其強度、韌性以及疲勞等力學(xué)性能等都會產(chǎn)生影響，其影響的機理尚不明確，可能包括低溫下材料位錯運動激活能的降低以及堆垛層錯能等因素的影響。深冷材料試驗是獲取材料低溫力學(xué)性能數(shù)據(jù)的必要手段，這也對材料試驗裝置提出了更高要求。目前試驗設(shè)備實現(xiàn)低溫試驗?zāi)芰Φ姆绞揭话銥橥ㄓ美煸囼灆C的基礎(chǔ)上添加采用液氮氣化制冷的低溫環(huán)境箱的形式，控制方式分為橫梁位移控制和引伸計控制。也有部分試驗機可進行液氮環(huán)境下的試驗，但僅能使用橫梁位移控制，且試驗?zāi)芰τ邢?。另夕卜，低溫環(huán)境箱和試驗機的疲勞功能結(jié)合較為困難。因此，現(xiàn)有深冷材料試驗裝置在試驗溫度范圍、控制及檢測精度方面無法同時滿足深冷環(huán)境材料拉伸及疲勞試驗的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有試驗裝置存在的不足，提供一種可實現(xiàn)從常溫到液氮溫度、可全程實現(xiàn)引伸計控制的材料單軸拉伸及疲勞試驗裝置。為解決技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種深冷環(huán)境材料力學(xué)性能檢測試驗裝置，包括試驗機控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)、低溫恒溫系統(tǒng)以及試驗機主體，試驗機控制系統(tǒng)包括連接至計算機的電子伺服控制 器；所述試驗機主體由液壓源和雙柱機架組成；其中，雙柱機架包括固定設(shè)置于底座上的兩根立柱，裝有作動器的橫梁經(jīng)兩個通孔套設(shè)于兩根立柱上；橫梁的兩端分別固定在豎向的提升筒上，提升筒下端抵在底座上；橫梁上與拉伸桿之間安裝有載荷傳感器，所述作動器和提升筒與液壓源相接；所述低溫恒溫系統(tǒng)有兩套且能相互切換使用，分別是液氮氣化制冷系統(tǒng)和液氮直接制冷系統(tǒng)，其中，液氮氣化制冷系統(tǒng)包括接于雙柱機架底座的環(huán)境箱、溫度控制器及熱電偶；環(huán)境箱頂部和底部均開孔，所述的拉伸桿從環(huán)境箱頂部開孔伸入環(huán)境箱內(nèi)部，還有另一根拉伸桿從環(huán)境箱底部的開孔伸入環(huán)境箱內(nèi)部，兩根拉伸桿相對設(shè)置且其端部均設(shè)有夾具；所述雙柱機架的底座上設(shè)導(dǎo)軌，所述液氮氣化制冷系統(tǒng)環(huán)境箱底部設(shè)有與該導(dǎo)軌相匹配的卡裝部件，環(huán)境箱通過導(dǎo)軌與底座實現(xiàn)連接且能沿導(dǎo)軌前后移動；環(huán)境箱內(nèi)設(shè)兩個熱電偶，一個置于環(huán)境箱內(nèi)部空間內(nèi)并連接至溫度控制器用于環(huán)境箱溫度反饋控制，另一個緊貼試樣以準(zhǔn)確獲得試樣溫度；
液氮直接制冷系統(tǒng)包括通過平臺置于雙柱機架底座上的環(huán)境箱，該環(huán)境箱是一個盛裝液氮或液氦的容器，其容器蓋上設(shè)有開孔；拉伸桿和兩根接于迷你機架的迷你機架反向桿分別經(jīng)開孔伸入環(huán)境箱內(nèi)部，迷你機架與環(huán)境箱的內(nèi)壁不接觸；兩個相對設(shè)置的夾具分別安裝在拉伸桿一端和迷你機架上。本發(fā)明中，在所述液氮氣化制冷系統(tǒng)和液氮直接制冷系統(tǒng)的環(huán)境箱內(nèi)設(shè)有能工作于深冷環(huán)境的引伸計。本發(fā)明中，所述液氮直接制冷系統(tǒng)包括用于向環(huán)境箱內(nèi)通入液氮的金屬軟管，其底部設(shè)有能使液氮穩(wěn)定流出的相分離器。本發(fā)明中，所述液氮直接制冷系統(tǒng)的環(huán)境箱置于電子秤之上，其容器蓋上設(shè)有用 于通過測量液位用刻度尺的開孔。本發(fā)明中，所述作動器位于橫梁的上方或下方；作動器位于橫梁的一側(cè)，而所述拉伸桿及環(huán)境箱則位于橫梁的另一側(cè)。本發(fā)明的有益效果是與其他現(xiàn)有裝置相比，該裝置可以實現(xiàn)從常溫到零下185°C以及液氮溫度下的材料拉伸及疲勞試驗，可方便地實現(xiàn)液氮氣化制冷和液氮直接制冷兩種方式的切換，具有試驗溫度范圍大，檢測精度高等優(yōu)點。


圖I是深冷環(huán)境材料力學(xué)性能檢測試驗裝置構(gòu)成示意圖。圖中實線箭頭表示控制信號的傳遞，虛線箭頭表示反饋信號的傳遞。圖2是采用液氮氣化制冷時機架及環(huán)境箱部分結(jié)構(gòu)示意圖。圖中位移傳感器I、立柱2、作動器3、橫梁4、提升筒5,載荷傳感器6、環(huán)境箱(液氮氣化制冷)7、夾具8、拉伸桿9、導(dǎo)軌10、底座11、溫度控制器12、熱電偶a 13、引伸計14、熱電偶b 15。圖3是采用液氮直接制冷時機架及環(huán)境箱部分的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中迷你機架反向桿16、拉伸桿17、環(huán)境箱(液氮直接制冷)18、試樣19、夾具20、迷你機架21、電子秤22、鋁制平臺23。圖4是液氮直接制冷環(huán)境箱上蓋開孔示意圖。圖中低溫金屬軟管開孔24、迷你機架開孔25、刻度尺開孔26、引伸計導(dǎo)線開孔。圖5是液氮直接制冷環(huán)境箱內(nèi)部布置示意圖。圖中刻度尺28、低溫金屬軟管29、相分離器30,環(huán)境箱上蓋31。
具體實施例方式本裝置可分為試驗機主體、試驗機控制系統(tǒng)、低溫恒溫系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)。試驗機主體包括雙柱機架和液壓源，液壓源為試驗機橫梁4移動和作動器3工作提供動力，機架為試驗進行的平臺，安置有低溫恒溫系統(tǒng)。低溫恒溫系統(tǒng)有兩套，且能相互切換使用，分別是液氮氣化制冷系統(tǒng)和液氮直接制冷系統(tǒng)。雙柱機架包括固定設(shè)置于底座11上的兩根立柱2，裝有作動器3的橫梁4經(jīng)兩個通孔套設(shè)于兩根立柱2上；橫梁4的兩端分別固定在豎向的提升筒5上，提升筒5則抵在底座上11 ;橫梁4上還裝有與拉伸桿9、17相接的載荷傳感器6，所述作動器3和提升筒5與液壓源相接。試驗機控制系統(tǒng)包括電子伺服控制器和電腦以及相應(yīng)的軟件，該控制系統(tǒng)可通過電腦實現(xiàn)對試驗全過程(除溫度外)各項參數(shù)的實時獲取和控制，并可對試驗結(jié)果進行加工處理和保存。數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)包括位移傳感器I和載荷傳感器6，以及為了實現(xiàn)深冷環(huán)境下對應(yīng)變的精確檢測與控制而引入的引伸計14。整個系統(tǒng)的構(gòu)成與聯(lián)系如圖I所示，操作人員通過計算機進行控制，計算機的數(shù)字控制信號經(jīng)電子伺服控制器處理并轉(zhuǎn)化為模擬信號對液壓源進行控制。液壓源驅(qū)動雙柱 機架上的作動器，對試樣進行加載。試驗數(shù)據(jù)檢測由引伸計14以及位移傳感器I和載荷傳感器6進行檢測，檢測數(shù)據(jù)由電子伺服控制器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并交由計算機進行分析和記錄。低溫恒溫系統(tǒng)分為分為液氮氣化制冷和液氮直接制冷兩套子系統(tǒng)。液氮氣化制冷系統(tǒng)的環(huán)境箱7用于常溫到_185°C的試驗，采用液氮氣化制冷時機架的布置如圖2所示，環(huán)境箱7頂部和底部開有圓孔，一根拉伸桿9從環(huán)境箱7頂部開孔伸入環(huán)境箱7內(nèi)部，還有另一根拉伸桿9從環(huán)境箱7底部的開孔伸入環(huán)境箱7內(nèi)部，兩根拉伸桿9相對設(shè)置且其端部均設(shè)有夾具8。環(huán)境箱7內(nèi)部有液氮氣化裝置。環(huán)境箱7內(nèi)部溫度由一只K型熱電偶15檢測，反饋到溫度控制器12進行溫度控制，使環(huán)境箱內(nèi)溫度維持在設(shè)定溫度值的正負2°C范圍內(nèi)。此外另有一只K型熱電偶13負責(zé)檢測試樣溫度。環(huán)境箱7通過導(dǎo)軌10固定在底座11上，在不使用時可以沿導(dǎo)軌10移出，以便進行室溫試驗或騰出位置安放鋁制平臺23以放置液氮直接制冷系統(tǒng)的環(huán)境箱18。使用液氮氣化制冷系統(tǒng)進行試驗時，按圖2所示安裝好各部件后，首先打開溫度控制器12和環(huán)境箱7的電源開關(guān)，通過溫度控制器12設(shè)置試驗所需的環(huán)境溫度，開啟液氮罐閥門，并通過熱電偶13檢測試樣溫度，待試樣溫度穩(wěn)定在設(shè)定值時開始試驗。液氮直接制冷系統(tǒng)的環(huán)境箱18用于液氮溫度(-196°C)下的試驗，采用液氮直接制冷時機架的布置如圖3所示。此時夾具20相對設(shè)置于迷你機架21和拉伸桿17上，環(huán)境箱上蓋31上分別設(shè)有用于通過引伸計14的導(dǎo)線開孔27、迷你機架21的開孔25、刻度尺28的開孔26以及低溫金屬軟管29的開孔24。迷你機架反向桿16和拉伸桿17穿過上蓋31，整個迷你機架21置于環(huán)境箱18之中且與其內(nèi)壁不接觸。低溫金屬軟管29用于向環(huán)境箱18內(nèi)通入液氮，其出口處有相分離器30，用于分離氣液兩相，使液氮可以平穩(wěn)流出?？潭瘸?8用于手動測量液位，使用時將其通過開孔26垂直插入環(huán)境箱18內(nèi)，直至其底部，片刻后取出，通過刻度尺28上的結(jié)霜情況獲得液位。電子秤22用于測量環(huán)境箱18重量，幫助實時監(jiān)測其中液氮量的變化，但考慮到實驗進行時環(huán)境箱內(nèi)不同高度截面積并不相等，準(zhǔn)確的液氮液位仍需要使用刻度尺28測量。使用液氮直接制冷進行試驗時，安圖3及圖5所示安裝好各部件后，開啟液氮罐閥門，使液氮通過低溫金屬軟管29流入環(huán)境箱18內(nèi)，定時使用刻度尺28測量液位，待液氮液位高于試樣19頂端一定高度(如5cm)后關(guān)閉液氮罐閥門，開始試驗。試驗中注意通過電子秤22 了解環(huán)境箱重量變化，并定時使用刻度尺28測量液氮液位，以便及時補充液氮。以上所述，僅是本發(fā)明的一個實施案例而已，并非對本發(fā)明做任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已經(jīng)以較佳實施案例揭示如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的結(jié)構(gòu)及技術(shù)內(nèi)容做出某些更動或修改而成為等同變化的等效實施案例。例如，本發(fā)明并不限定環(huán)境箱7、18必須要置于作動器3下方，可以根據(jù)實際需要安裝在作動器3上方。又例如，本發(fā)明并不限定恒溫箱冷卻介質(zhì)為液氮，同樣適用于液氦等低溫液化氣體。凡是未脫離本技術(shù)方案的內(nèi)容，根據(jù)本技術(shù)實質(zhì)對以上實施案例所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本技術(shù)方案范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種深冷環(huán)境材料力學(xué)性能檢測試驗裝置，包括試驗機控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)、低溫恒溫系統(tǒng)以及試驗機主體，試驗機控制系統(tǒng)包括連接至計算機的電子伺服控制器；其特征在于 所述試驗機主體由液壓源和雙柱機架組成；其中，雙柱機架包括固定設(shè)置于底座上的兩根立柱，裝有作動器的橫梁經(jīng)兩個通孔套設(shè)于兩根立柱上；橫梁的兩端分別固定在豎向的提升筒上，提升筒下端抵在底座上；橫梁上與拉伸桿之間安裝有載荷傳感器，所述作動器和提升筒與液壓源相接； 所述低溫恒溫系統(tǒng)有兩套且能相互切換使用，分別是液氮氣化制冷系統(tǒng)和液氮直接制冷系統(tǒng)，其中， 液氮氣化制冷系統(tǒng)包括接于雙柱機架底座的環(huán)境箱、溫度控制器及熱電偶；環(huán)境箱頂部和底部均開孔，所述的拉伸桿從環(huán)境箱頂部開孔伸入環(huán)境箱內(nèi)部，還有另一根拉伸桿從環(huán)境箱底部的開孔伸入環(huán)境箱內(nèi)部，兩根拉伸桿相對設(shè)置且其端部均設(shè)有夾具；所述雙柱機架的底座上設(shè)導(dǎo)軌，所述液氮氣化制冷系統(tǒng)環(huán)境箱底部設(shè)有與該導(dǎo)軌相匹配的卡裝部件，環(huán)境箱通過導(dǎo)軌與底座實現(xiàn)連接且能沿導(dǎo)軌前后移動；環(huán)境箱內(nèi)設(shè)兩個熱電偶，一個置于環(huán)境箱內(nèi)部空間內(nèi)并連接至溫度控制器用于環(huán)境箱溫度反饋控制，另一個緊貼試樣以準(zhǔn)確獲得試樣溫度； 液氮直接制冷系統(tǒng)包括通過平臺置于雙柱機架底座上的環(huán)境箱，該環(huán)境箱是一個盛裝液氮或液氦的容器，其容器蓋上設(shè)有開孔；拉伸桿和兩根接于迷你機架的迷你機架反向桿分別經(jīng)開孔伸入環(huán)境箱內(nèi)部，迷你機架與環(huán)境箱的內(nèi)壁不接觸；兩個相對設(shè)置的夾具分別安裝在拉伸桿一端和迷你機架上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，在所述液氮氣化制冷系統(tǒng)和液氮直接制冷系統(tǒng)的環(huán)境箱內(nèi)設(shè)有能工作于深冷環(huán)境的引伸計。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述液氮直接制冷系統(tǒng)包括用于向環(huán)境箱內(nèi)通入液氮的金屬軟管，其底部設(shè)有能使液氮穩(wěn)定流出的相分離器。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述液氮直接制冷系統(tǒng)的環(huán)境箱置于電子秤之上，其容器蓋上設(shè)有用于通過測量液位用刻度尺的開孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4任意一項中所述的裝置，其特征在于，所述作動器位于橫梁的上方或下方；作動器位于橫梁的一側(cè)，而所述拉伸桿及環(huán)境箱則位于橫梁的另一側(cè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及材料力學(xué)性能測試領(lǐng)域，旨在提供一種深冷環(huán)境材料力學(xué)性能檢測試驗裝置。該裝置包括試驗機控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)、低溫恒溫系統(tǒng)以及試驗機主體，試驗機控制系統(tǒng)包括連接至計算機的電子伺服控制器；試驗機主體由液壓源和雙柱機架組成；低溫恒溫系統(tǒng)有兩套且能相互切換使用，分別是液氮氣化制冷系統(tǒng)和液氮直接制冷系統(tǒng)。該裝置可以實現(xiàn)從常溫到零下185℃以及液氮溫度下的材料拉伸及疲勞試驗，可方便地實現(xiàn)液氮氣化制冷和液氮直接制冷兩種方式的切換，具有試驗溫度范圍大，檢測精度高等優(yōu)點。
文檔編號G01N3/18GK102798573SQ201210291610
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月16日
發(fā)明者鄭津洋, 高曉哲, 繆存堅, 郭阿賓, 顧超華, 賀世正, 馬利, 黃澤 申請人:浙江大學(xué)