本發(fā)明屬于拉伸力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種熱膨脹相變儀高溫拉伸試樣存在溫度梯度的改進(jìn)方法。

背景技術(shù)：

鋼鐵材料在加熱、保溫和冷卻的過程中會(huì)發(fā)生相變，相變導(dǎo)致其體積發(fā)生膨脹或者收縮。變形熱膨脹相變儀是通過檢測(cè)材料相變引起的長(zhǎng)度方向的變化，并結(jié)合已知的固態(tài)相變知識(shí)確定相變實(shí)際發(fā)生溫度及時(shí)間的設(shè)備。該設(shè)備對(duì)于設(shè)計(jì)材料、測(cè)量材料各項(xiàng)性能指標(biāo)，以及模擬熱處理工藝和后續(xù)產(chǎn)品工藝的開發(fā)，有重要的指導(dǎo)意義。

變形熱膨脹相變儀的拉伸模塊，通常采用金屬夾具，因?yàn)槔爝^程中，需要夾具具有一定的耐高溫性和較高強(qiáng)度，保證拉伸過程中，夾具不變形，同時(shí)在反復(fù)使用過程中，夾具應(yīng)當(dāng)具有一定的疲勞性能。

金屬夾具有導(dǎo)熱快的特點(diǎn)，現(xiàn)有變形熱膨脹相變儀夾具普遍采用普通碳鋼材料制備，以變形熱膨脹相變儀所采用的普碳鋼夾具為例，導(dǎo)熱系數(shù)一般在50W/(M*K)左右，在與試樣接觸的過程中，金屬間由于存在導(dǎo)熱，因此在熱電偶附近溫度均勻的情況下，無法保證遠(yuǎn)離熱電偶的拉伸未變形區(qū)附近和拉伸變形區(qū)中心溫度保持一致。

在試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)在高溫段保溫過程中，試樣沿長(zhǎng)度方向上從拉伸變形區(qū)中心向外，存在一定溫度梯度，并且隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，溫度梯度不會(huì)消失。僅試樣拉伸變形區(qū)中心部分——控溫?zé)犭娕几浇囊恍∑瑓^(qū)域(～3mm)與實(shí)際設(shè)計(jì)溫度相同。通過進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試樣拉伸變形區(qū)中心與邊部溫差在30℃左右。導(dǎo)致試樣沿長(zhǎng)度方向上溫度不均勻的主要原因是，試樣夾持端是通過固定螺釘與拉伸夾具固定在一起的，試樣兩端被夾持部分與拉伸夾具及試樣固定螺釘都有接觸，存在熱交換，拉伸試樣與夾具及固定螺釘接觸部分持續(xù)發(fā)生熱量傳導(dǎo)，使得拉伸變形區(qū)中心與邊部存在一定溫度梯度。

溫度梯度，指的是在溫度沒有均衡前，試樣局部出現(xiàn)的溫度分布不均勻現(xiàn)象。比如，在高溫拉伸加熱過程中，由于試樣的變形區(qū)處于感應(yīng)線圈內(nèi)，升溫速率快，加熱過程中無熱量散失，而試樣的未變形區(qū)(夾持端)離感應(yīng)線圈有一定的距離，且夾持端要被固定螺釘固定在夾具內(nèi)，試樣與夾具、固定螺釘之間產(chǎn)生了熱量的傳導(dǎo)散失，那勢(shì)必會(huì)造成試樣變形區(qū)溫度達(dá)到目標(biāo)溫度，而未變形區(qū)(夾持端)溫度仍低于目標(biāo)溫度；另外，測(cè)量溫度的熱電偶位于試樣中間部分，因此在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中，設(shè)備系統(tǒng)接收到的溫度信息僅僅是試樣中間段的溫度，整個(gè)拉伸試樣沿著長(zhǎng)度方向上就存在溫度梯度。在冷卻階段，高溫拉伸模塊冷卻方式為氮?dú)饣蚝獯祾呃鋮s，冷卻氣體是通過感應(yīng)線圈內(nèi)側(cè)密集排列的小孔直接吹到樣品表面進(jìn)行冷卻，而裸露在感應(yīng)線圈外部的試樣表面則沒有氣體吹掃，這也使得拉伸試樣沿長(zhǎng)度方向存在很大的溫度梯度。

溫度梯度的存在，對(duì)于溫度敏感的金屬材料，在進(jìn)行高溫拉伸實(shí)驗(yàn)的過程中，會(huì)因?yàn)樵嚇友亻L(zhǎng)度方向存在溫度差而導(dǎo)致材料組織性能發(fā)生改變，從而影響拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。例如在進(jìn)行快速冷卻拉伸獲得馬氏體組織實(shí)驗(yàn)中，倘若存在溫度梯度，可能會(huì)導(dǎo)致試樣心部有少量的鐵素體、滲碳體、貝氏體形成；而夾持端的冷卻速度低于心部，組織成分明顯與中間段不同，造成了拉伸樣品的組織不均勻問題。而在完全奧氏體化高溫拉伸試驗(yàn)中，因?yàn)槔煸嚇訆A持端和心部存在溫差，可能導(dǎo)致試樣夾持端因?yàn)闇囟鹊停a(chǎn)生細(xì)小晶粒組織，而心部溫度高，晶粒尺寸較大，導(dǎo)致材料的組織不均勻。如果實(shí)驗(yàn)設(shè)定在兩相區(qū)等溫一定時(shí)間，因?yàn)榇嬖跍囟忍荻龋瑒t溫度低的區(qū)域，鐵素體體積分?jǐn)?shù)會(huì)增加，這些結(jié)果都直接對(duì)材料的最終性能產(chǎn)生了影響，并直接影響后期數(shù)據(jù)分析及生產(chǎn)工藝的制定。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)上述提出的技術(shù)問題，而提供一種熱膨脹相變儀高溫拉伸試樣存在溫度梯度的改進(jìn)方法。本發(fā)明主要采用奧氏體不銹鋼作為夾具制備材料及采用陶瓷纖維片作為隔熱套及隔熱圈，有效抑制高溫物體和低溫物體的熱輻射和熱傳導(dǎo)，易于操作便于試樣拆裝，保證材料穩(wěn)定性。

本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

一種熱膨脹相變儀高溫拉伸試樣存在溫度梯度的改進(jìn)方法，其特征在于，在拉伸試驗(yàn)過程中采用如下方法中的一種進(jìn)行改進(jìn)：

方法一：采用奧氏體不銹鋼制備夾具，替換現(xiàn)有夾具進(jìn)行試驗(yàn)；

方法二：在試樣夾持端與夾具相接觸的部分設(shè)置U型隔熱套和固定螺釘隔熱圈，通過所述U型隔熱套及固定螺釘隔熱圈使夾具、固定螺釘與拉伸試樣完全隔離，并采用奧氏體不銹鋼制備夾具，替換現(xiàn)有夾具進(jìn)行試驗(yàn)。

較現(xiàn)有技術(shù)相比，材質(zhì)不同，奧氏體不銹鋼夾具導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普碳鋼；將原夾具夾頭(圓柱狀)改為U型夾頭，用于增加空間插入U(xiǎn)型隔熱套，將原有的直接接觸改為間接接觸。

進(jìn)一步地，在方法二中，所述夾具的兩側(cè)尾端通過內(nèi)六角螺釘將法蘭型直線軸承與夾頭座固定在外接試驗(yàn)機(jī)上；所述夾具的夾頭為U型夾頭，所述夾頭尾部為圓柱狀，圓柱狀中心設(shè)有圓孔，所述夾頭通過圓孔內(nèi)螺紋旋轉(zhuǎn)與穿過所述法蘭型直線軸承座的螺母旋轉(zhuǎn)軸連接固定，所述夾頭設(shè)有與所述U型隔熱套尺寸相匹配的夾頭槽，所述夾頭的兩側(cè)壁上設(shè)有用于嵌入所述固定螺釘隔熱圈下端延伸部的圓孔Ⅰ。

進(jìn)一步地，所述U型隔熱套的內(nèi)腔用于插入拉伸試樣的端部，所述U型隔熱套的上下表面設(shè)有尺寸與所述拉伸試驗(yàn)表面的固定孔相匹配的圓孔Ⅱ，所述U型隔熱套的凸出前端用于插入所述夾頭內(nèi)固定，同時(shí)將圓孔Ⅰ和圓孔Ⅱ與所述拉伸試樣表面的固定孔對(duì)中，將固定螺釘隔熱圈下端延伸部嵌入在所述圓孔Ⅰ內(nèi)，將固定螺釘依次穿過所述固定螺釘隔熱圈、所述夾頭、所述U型隔熱套及拉伸試樣，所述固定螺釘?shù)奈捕送ㄟ^螺母固定，將所述拉伸試樣固定在所述夾具內(nèi)，起到隔絕拉伸試樣與夾頭及固定螺釘之間的熱傳導(dǎo)的作用。

進(jìn)一步地，所述固定螺釘隔熱圈的中心孔的尺寸與所述拉伸試樣上的固定孔相匹配，固定螺釘隔熱圈目的在于防止實(shí)驗(yàn)過程中部分熱量會(huì)通過試樣未變形區(qū)與螺釘?shù)闹苯咏佑|而導(dǎo)致熱量散失。

進(jìn)一步地，所述U型隔熱套與所述固定螺釘隔熱圈的材質(zhì)為陶瓷纖維，陶瓷纖維導(dǎo)熱系數(shù)為0.05～0.35W/(M*K)。

進(jìn)一步地，所述奧氏體不銹鋼為304奧氏體不銹鋼，所述奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)為14.7～15.2W/(M*K)。

進(jìn)一步地，在方法二中，采用奧氏體不銹鋼制備奧氏體不銹鋼保護(hù)套，將奧氏體不銹鋼保護(hù)套套在夾具座處，所述奧氏體不銹鋼保護(hù)套尺寸以覆蓋未變形區(qū)，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

進(jìn)一步地，所述奧氏體不銹鋼保護(hù)套表面設(shè)有若干用于部分散熱的透氣孔，所述奧氏體不銹鋼保護(hù)套通過馬蹄形鐵箍固定在所述夾具座上，透氣孔的設(shè)置可防止拉伸試樣過快降溫時(shí)，在保護(hù)套表面產(chǎn)生冷凝現(xiàn)象。

根據(jù)拉伸試樣材料強(qiáng)度范圍的不同，試樣的拉伸變形段厚度及寬度根據(jù)拉伸試驗(yàn)的實(shí)際需要進(jìn)行選取。

本發(fā)明提供的陶瓷纖維，是當(dāng)今國(guó)際工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家普遍使用的工業(yè)原料，該產(chǎn)品具有重量輕、耐高溫、熱穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱系數(shù)低、比熱小、抗拉強(qiáng)度大、彈性好及耐機(jī)械震動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)，無毒的工業(yè)制品，專門用于各種高溫，高壓，易磨損的環(huán)境中，耐腐蝕以及抗疲勞性能顯著高于鋼、鋁。是取代石棉的新型材料，廣泛用于冶金、電力、機(jī)械、化工的熱能設(shè)備上的保溫。

較現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)本發(fā)明采用陶瓷纖維墊片，一方面抑制高溫物體和低溫物體的熱輻射和傳導(dǎo)熱，對(duì)于高溫物體可以保持90％的熱量不損失，另一方面易于操作，便于試樣的拆裝；

(2)本發(fā)明采用304奧氏體不銹鋼作為夾具制備材料，導(dǎo)熱系數(shù)為原有低碳鋼的三分之一左右，與試樣之間熱交換小，使實(shí)驗(yàn)過程中，試樣溫度保持均勻穩(wěn)定性，同時(shí)，304奧氏體不銹鋼的剛性強(qiáng)，不易變形，能夠在反復(fù)實(shí)驗(yàn)過程中，能夠保證材料的穩(wěn)定性；

(3)本發(fā)明采用304奧氏體不銹鋼制備保護(hù)套，在加熱的過程中，熱量散失通過保護(hù)套，折射回到拉伸試樣表面，起到一定的保溫作用，利于拉伸試樣沿長(zhǎng)度方向的溫度均勻。

基于上述理由本發(fā)明可在拉伸力學(xué)性能測(cè)試等領(lǐng)域廣泛推廣。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖做以簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明采用的奧氏體不銹鋼夾具的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1的剖視圖。

圖3為本發(fā)明采用的奧氏體不銹鋼夾具的夾頭的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明采用的奧氏體不銹鋼夾具的U型隔熱套的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明采用的奧氏體不銹鋼夾具的固定螺釘隔熱圈的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為本發(fā)明采用的奧氏體不銹鋼夾具的固定螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為本發(fā)明采用的奧氏體不銹鋼保護(hù)套的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8為本發(fā)明采用的奧氏體不銹鋼夾具帶有保護(hù)套的示意圖。

圖9為本發(fā)明拉伸試樣的高溫拉伸原理示意圖。

圖10為對(duì)拉伸試樣在未變形區(qū)的相同位置焊接熱電偶測(cè)量實(shí)拍圖及加U型隔熱套和固定螺釘隔熱圈的前后溫差圖，其中，(a)加U型隔熱套和固定螺釘隔熱圈前實(shí)拍圖，(b)加U型隔熱套和固定螺釘隔熱圈后實(shí)拍圖，(c)二者溫差圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

一種熱膨脹相變儀高溫拉伸試樣存在溫度梯度的改進(jìn)方法，在拉伸試驗(yàn)過程中采用如下方法中的一種進(jìn)行改進(jìn)：

方法一：采用奧氏體不銹鋼制備夾具，替換現(xiàn)有夾具進(jìn)行試驗(yàn)；

方法二：如圖1、圖2所示，在試樣夾持端與夾具相接觸的部分設(shè)置U型隔熱套6和固定螺釘隔熱圈9，通過所述U型隔熱套6及固定螺釘隔熱圈9使夾具、固定螺釘8與拉伸試樣7完全隔離，并采用奧氏體不銹鋼制備夾具，替換現(xiàn)有夾具進(jìn)行試驗(yàn)。

所述夾具的兩側(cè)尾端通過內(nèi)六角螺釘19、20將法蘭型直線軸承2與夾頭座1(通過夾頭座1上的定位孔)固定在外接試驗(yàn)機(jī)上；如圖3-圖5所示，所述夾具的夾頭4為U型夾頭，所述夾頭尾部5為圓柱狀，圓柱狀中心設(shè)有圓孔，所述夾頭4通過圓孔內(nèi)螺紋旋轉(zhuǎn)與穿過所述法蘭型直線軸承座2的螺母旋轉(zhuǎn)軸3連接固定，所述夾頭4設(shè)有與所述U型隔熱套6尺寸相匹配的夾頭槽12，所述夾頭4的兩側(cè)壁上設(shè)有用于嵌入所述固定螺釘隔熱圈9下端延伸部16的圓孔Ⅰ11。

如圖4所示，所述U型隔熱套的內(nèi)腔13用于插入拉伸試樣7的端部，所述U型隔熱套6的上下表面設(shè)有尺寸與所述拉伸試驗(yàn)7表面的固定孔相匹配的圓孔Ⅱ14，所述U型隔熱套6的凸出前端15用于插入所述夾頭4內(nèi)固定，同時(shí)將圓孔Ⅰ11和圓孔Ⅱ14與所述拉伸試樣7表面的固定孔對(duì)中，將固定螺釘隔熱圈9下端延伸部16嵌入在所述圓孔Ⅰ11內(nèi)，將固定螺釘8依次穿過所述固定螺釘隔熱圈9、所述夾頭4、所述U型隔熱套6及拉伸試樣7，所述固定螺釘?shù)奈捕?7(如圖6所示)通過螺母18固定，將所述拉伸試樣7固定在所述夾具內(nèi)。

所述固定螺釘隔熱圈9的中心孔的尺寸與所述拉伸試樣7上的固定孔相匹配。

所述U型隔熱套6與所述固定螺釘隔熱圈9的材質(zhì)為陶瓷纖維，陶瓷纖維導(dǎo)熱系數(shù)為0.05～0.35W/(M*K)。

所述奧氏體不銹鋼為304奧氏體不銹鋼，所述奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)為14.7～15.2W/(M*K)。

具體地，所述U型隔熱套6上下表面壁厚為1cm-2cm；所述固定螺釘隔熱圈9的厚度為1cm-2cm；所述夾頭4的U型口厚度即夾頭槽12的開口寬度為7mm-9mm，所述夾頭4的兩側(cè)壁的壁厚為3mm-4mm；所述圓孔Ⅰ11的直徑為7mm；所述夾頭尾部5的圓柱長(zhǎng)度為10mm，直徑為14mm，圓柱中心圓孔直徑為7mm。

在方法二中，如圖7、圖8所示，還可采用奧氏體不銹鋼制備奧氏體不銹鋼保護(hù)套21，將奧氏體不銹鋼保護(hù)套21套在夾具座處，所述奧氏體不銹鋼保護(hù)套21尺寸以覆蓋未變形區(qū)，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。所述奧氏體不銹鋼保護(hù)套21表面設(shè)有若干用于部分散熱的透氣孔22，所述奧氏體不銹鋼保護(hù)套21通過馬蹄形鐵箍(來源于市購(gòu))固定在所述夾具座上。奧氏體不銹鋼保護(hù)套21的直徑可選用40mm。

實(shí)施例

采用變形熱膨脹相變儀型號(hào)為DIL805A/D，采用的拉伸試樣尺寸與抗拉強(qiáng)度完全相同，拉伸變形區(qū)厚度為2mm，拉伸試樣拉伸強(qiáng)度σt(MPa)范圍為：1000≤σt＜1667；實(shí)際試驗(yàn)中，采用上述夾具結(jié)構(gòu)，根據(jù)拉伸試樣材料強(qiáng)度范圍的不同，試樣的拉伸變形區(qū)厚度及寬度根據(jù)拉伸試驗(yàn)的實(shí)際需要進(jìn)行選取，選取方式如表1所示。

DIL805A/D變形熱膨脹相變儀最大拉伸力為10kN，DIL805A/D變形熱膨脹相變儀主要結(jié)構(gòu)包括樣品倉(cāng)、位移傳感器和與拉伸試樣直接接觸的頂桿，其中頂桿為相變儀的主要測(cè)量系統(tǒng)，用于測(cè)量材料在高溫條件下的膨脹量，頂桿的材質(zhì)一般為石英或者剛玉。

表1不同強(qiáng)度范圍的拉伸試樣拉伸變形區(qū)尺寸

試樣寬度越寬，拉伸時(shí)試樣拉斷所需要的拉力越大，因此，在高溫拉伸實(shí)驗(yàn)中，首先通過拉伸試樣拉伸強(qiáng)度范圍，來確定拉伸試樣變形區(qū)寬度，具體拉伸試樣拉伸強(qiáng)度范圍與所對(duì)應(yīng)的拉伸試樣變形區(qū)寬度區(qū)間如表1所示。確定了拉伸試樣的變形區(qū)寬度后，就可以結(jié)合高溫拉伸變形溫度及實(shí)驗(yàn)程序開展實(shí)驗(yàn)。表1為針對(duì)不同強(qiáng)度范圍的拉伸試樣拉伸變形區(qū)尺寸要求，旨在滿足實(shí)驗(yàn)需求，保證試樣的大強(qiáng)度范圍拉伸過程中受沖擊的頂桿不會(huì)破壞；

DIL805A/D變形熱膨脹相變儀測(cè)量變形的原理：隨著拉伸試樣兩端拉力的加載，頂桿1隨左側(cè)拉伸試樣受力變形而向左側(cè)移動(dòng)，頂桿2隨著右側(cè)拉伸試樣受力變形而向右側(cè)移動(dòng)，系統(tǒng)通過頂桿1和頂桿2上的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)計(jì)量樣品在拉伸過程中的發(fā)生的位移(如圖9所示)。在高溫時(shí)，通過在試樣圖9所示未變形區(qū)與加隔熱套及隔熱圈減緩導(dǎo)熱，保證溫度均勻性。圖10所示為對(duì)試樣在未變形區(qū)的相同位置焊接熱電偶測(cè)量實(shí)際溫度實(shí)拍圖，其中(a)為未加U型隔熱套和固定螺釘隔熱圈實(shí)拍圖，(b)為加U型隔熱套和固定螺釘隔熱圈后實(shí)拍圖，如圖10(c)所示，加U型隔熱套和固定螺釘隔熱圈后，所測(cè)試樣相同區(qū)域位置溫度與設(shè)置溫度基本保持一致，且較未加U型隔熱套和固定螺釘隔熱圈試樣相同位置高20℃左右，由此可見本發(fā)明的方法能有效的保證試樣溫度均勻性。最后應(yīng)說明的是：以上各實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述各實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。