（固体力学专业论文）高温冲击拉伸试验技术.pdf

中周科学投术人学顺f ：学位论文 摘要 高温冲击拉伸试验技术 摘要 确稚、2 、 c o 淞。孓 本文在自行研制的旋转盘式间接杆杆型冲击拉伸试验装置上，开 展了高温冲击拉伸试验技术的相关研究。 1 借鉴预加温方式中单独加温试件以及在线加温方式中快速加 温试件的思想，提出一种预加温金属芯轴后在线快速接触加温试件的 技术，即快速接触加温技术；同t 寸研制了快速接触加温炉，并对加温 炉温度特性进行测量和研究。 2 提出一种确定试件温度的标定方法，即多点预先测量试件温 度场，后基于测量建立加温炉炉腔温度与试件温度的对应关系( 标定 关系) ，并采用标定关系在冲击拉伸试验时确定试件温度；同时对输 入杆输出杆上的局部温度场进行直接测量，并用指数衰减函数来很好 地表征；对输入杆输出杆材料进行了不同环境温度下准静态拉伸试 验，给出杆的弹性模量与温度的相关特性。 3 采用耐高温且具有隔热作用的无机胶使试件与输入杆和输出 杆连接，解决了高温动态试验技术中试件连接的问题。 最终形成了一套可实用的1 0 0 0 k 左右的高温冲击拉伸试验技术。 本文还利用该项技术，对s u s 3 0 4 不锈钢实施了高温冲击拉伸试验， 并给出了完整的应变一时间、应变一时间、应变率时间曲线。试验结果 表明，s u s 3 0 4 不锈钢的高温冲击拉伸力学性能与高温准静态拉伸力 学性能有很大的差别。 关键词：高温冲击拉伸快速接触加温温度场分布 中国科学技术大学颤1 学位论文 a b s t r a c t e x p e r i m e n t a lt e c h n i q u e f o r h i g ht e m p e r a t u r e s t e n s i l e i m p a c t a b s t r a c t o nar o t a t i n gd i s ki n d i r e c tb a r - b a rt e n s i l ei m p a c ta p p a r a t u s ，s o m er e s e a r c h e so f e x p e r i m e n t a lt e c h n i q u ef o rh i g ht e m p e r a t u r e s t e n s i l ei m p a c th a v eb e e nc o n d u c t e d 1 b a s e do nt h em e t h o d so fp r e h e a t i n gt h es p e c i m e nw i t h o u ti tc o n t a c t i n gt h e b a r sa n dq u i c kh e a t i n gt h es p e c i m e nw h i l ei t i si nc o n t a c tw i t ht h eb a r s ，an e w t e c h n i q u ef o rr a p i dc o n t a c th e a t i n go f t h es p e c i m e ni sd e v e l o p e di nt h ep r e s e n tw o r k h i g ht e m p e r a t u r ef u r n a c e sa r ed e s i g n e dt or a p i d l yh e a tt h es p e c i m e n a n dt h e i rh e a t c o n d u c t i o nb e h a v i o r sa r ef u l l yc h a r a c t e r i z e d 2 a c a l i b r a t i n gm e t h o d t od e t e r m i n et h es p e c i m e nt e m p e r a t u l ei sa l s op l e s e n t e d ： t h e r e l a t i o n s h i p o ft h e t e r n i p e r a t u r e s b e r “e e nt h e s p e c i m e n a n dt h ef u r n a c e si s o b r a i n e di na d v a n c e s ot h a tt h et e m p e r a t u r eo ft h es p e c i m e nc a nb ed e t e n n i n e db ) 。 c o n t r o l l i n gt h a to f t h ef u r n a c e s a tt h es a m et i m e t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h e i n p u t o u t p u t b a r si sm e a s u r e da n dc h a r a c t e r i z e db ya ne x p o n e n t i a ld e c a ? f u n c t i o n t h em o d u l u so ft h eb a ra tv a r i o u st e m p e r a t u r e si sa l s ot e s t e dt od e m o n s t r a t et h ee f f e c t o ft h et e m p ma t u r el - i s eo nt h eb a r sd u r i n gt e s t i n g 3ak i n do f r e f r a c t o r yi n o r g a n i ca d h e s i v ei s u s e dt oc o n n e c tt h es p e c i m e na n d t h ei n p u t o u t p t t tb a g s a s 、e l la st oi n s u l a t et h eh e a tt r a n s f e rf r o mt h es p e c i m e nt ot h e b a r s i ns u m m a r y ，av a l i dt e c h n i q u ef o rt e n s i l ei m p a c tt e s t i n gu n d e rl f i g ht e m p e r a t u r e s h a sb e e nd e v e l o p e di nt h ep r e s e n tw o r k a sad e m o n s t r a t i o no ft h i sn o wt e c h n i q u e ， t e n s i l ei m p a c tt e s t sh a 、eb e e np e r f o r m e dt oi n v e s t i g a t et i mm e c h a n i c a lb e h a v i o ro f s u s 3 0 4s t a i n l e s ss t e e l t h er e s u l t se x h i b i ta no b v i o u sd i f i e f e n c eb e t w e e nt h e d y n a a n i ca n dq u a s i s t a t i cm e c h a n i c a lb e h a v i o ro f s u s 3 0 4s t a i n l e s ss t e e l k e y w o r d ： h i g ht e m p e r a t u r e s t e n s i l ei m p a c t r a p i d c o n t a c t h e a t i n gt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n l i 中固科学技术人学掌 j 学位论文 致谢 致谢 本文是在夏源明教授的关心和指导下完成的，夏老师在百忙之中 一直很关心着本文的工作。导师渊博的学识，丰富的工程实践经验， 尤其其严谨的科研态度和不倦的教导令我受益终生。在此，向夏老师 表示最衷心的感谢，也一并感谢汪洋老师和马钢老师给予的指导和帮 助。尤其还要感谢龚明老师在理化试验及分析方面给予的无私帮助和 指导。 在本文工作完成的几个月里，我得到了本课题组诸位师兄弟的关 心和帮助。真诚地感谢黄文博士，他直接参与了本文的工作，其令人 钦佩的学习、工作态度给我莫大的鞭策和激励。还要感谢咎祥、王晓 军、宋吉舟、董毅、聂旭、黄胜等师兄弟的帮助。 本课题组的所有成员共同营造了浓厚的学术氛围和舒适的t 作 环境，与他们的相处和愉快协作让作者难忘。在此，向他们表示感谢。 感谢我的朋友小凯、潘兵、大鹏、彬彬的支持和鼓励。 衷心感谢我的父母始终如一的支持和理解，希望本文的完成能让 他们欣慰。 中国科学技术人学硕1 ：学位论文 岛温冲击拉伸试验技术 第一章 绪论 金属材料被广泛应用于航空、航天、舰船等工业领域的高温工作环境中，如 在航空发动机上高温合金用于制作涡轮工作叶片、导向叶片、涡轮盘、燃烧室和 压气机等部件，其工作环境温度通常在6 0 0 一1 1 0 0 0 c 1 1 。这些用于高温结构的金 属材料在其加工过程以及服役过程中不可避免地承受冲击载荷的作用。另外，在 冲击工程中许多构件或结构处于高温和高速变形的状态，如穿甲弹在侵彻和贯穿 装甲的高速冲击过程中，由于摩擦作用将产生高温，这将影响弹靶的力学性能 2 】。因此揭示和研究材料在高温环境下的动态力学性能是十分重要。二次大战 以来出现了许多用于研究材料动态力学性能的试验装置，特别是k o l s k y ( 1 9 4 9 年1 研制成功现代的分离式h o p k i n s o n ( s h p b ) 试验装置 3 以来，s h p b 技术被广泛应 用于研究材料动态力学性能，为形成材料动力学奠定了基础 4 】。与此同时，s h p b 试验技术也不断发展 5 8 】。基于s h p b 基本思想而形成的h o p k i n s o n 扭杆试验 技术也目益得到广泛的应用 9 ，1 0 】。相对于冲击压缩试验技术，冲击拉伸试验在 技术上存在更大的困难【4 】，使得冲击拉伸试验装置和技术起步较晚。1 9 6 0 年， j h a r d i n g 研制成功基于一维简单波理论的块杆型冲击拉伸试验装置 1 1 ，即 h o p k i n s o n 拉杆( s h t b ) 。19 8 2 年j h a r d i n g 又研制成功杆杆型h o p k i n s o n 拉杆， 并做了很多重要的工作 1 2 ，1 3 。k a w a t a 1 4 ，n i c h o l a s 1 5 ，s t a a b 和g i l a t 1 6 ，也 各自发展了冲击拉伸技术。1 9 8 9 年，本课题组夏教授等自行研制了高速旋转盘 式间接杆杆型冲击拉伸试验装置【4 ，1 7 ，首次引入机械滤波的思想，创造性的利 用前置金属短杆的弹塑性变形和断裂解决了当前国际上产生拉伸加载脉冲的难 题。目前，已在此装置上开展了多种材料的动态性能的试验研究工作 1 8 - 2 2 】，并 对试件及其连接的问题进行了动力学分析 2 3 ，2 4 1 。然而基于s h p b 基本思想而形 成的各种动态试验技术并不能简单的推广到高温环境，因此发展高温环境下各种 动态力学性能试验技术是非常重要的，是研究材料的高温动态力学性能的基础， 也是一个在技术和理论上很难的课题。 难点在于： ( 1 ) 商温环境在高速冲击加载条件下的实现，主要包括试件上均匀高温场 的形成及其测量和控制，还包括在试件两端的输入杆和输出杆连接区 域产生低于试件温度的局部温度场，且局部温度场的温度越低越好， 中国科学技术大学硕士学位论文 高温冲击拉伸试验技术 范围越小越好； ( 2 ) 高温环境下试件与杆的连接： ( 3 ) 试验系统局部温度场对应力波传播及一维试验原理有效性的影响。 1 1 材料高温动态试验技术的研究现状 就试验的温度范围而言，将动态试验技术分为较高温( 常温3 0 0o c ) 、高温 ( 3 0 0 1 0 0 0o c ) 和甚高温( 高于1 0 0 0o c ) 动态试验技术。 i 较高温动态试验技术 较高温环境( 3 0 0 0 c 以下) 的实现一般采用在线炉式加温方式，即加热炉( 腔) 直接包围试件和输入杆输出杆的- - d , 部分，并使之获得高温。u s l i n d o l m 等 ( 1 9 6 4 年) ( 2 5 1 、y h ，p a o 和a g i t a t ( 1 9 9 2 年) 【2 6 】，分别采用电阻炉和石英灯炉 在线加温方式，进行了冲击压缩( 1 0 3 s 。) 和扭转试验( 1 0 卜s1 ) ，试验温度都在 3 0 0o c 左右。1 9 9 2 年来，本课题组利用自行研制的电阻式高温箱，如图1 1 所示， 实现了多种材料不同环境温度下( 2 0 0o c 以下) 的冲击拉伸试验f 4 ，2 7 。试验时 将试件及与试件粘结好的输入杆和输出杆的端部直接置于箱内加温，使试件处于 一个均匀的、轴对称的温度场中。工作腔内的温度由热电耦测量，待其达到所需 的试验温度时，即可进行冲击拉伸试验，从而获得材料在不同环境温度下的冲击 拉伸性能。 1 下腔2 电阻丝3 热电耦4 试件5 上腔6 工作腔 图1 1 高温箱 、 在这个温度范围内的试验技术中，加温装置以及试件与杆的连接都比较容易 实现，输入杆输出杆上形成的局部温度场对杆模量的影响较小【2 8 】，可以不考虑 试验系统局部温度场对应力波传播及一维试验原理有效性的影响。从这个意义上 讲，这个温度范围内的高温动态试验技术是常温动态试验技术最简单的推广，在 技术上较容易实现。 i i 高温动态试验技术 对于高温冲击压缩试验技术，要实现高温环境( 3 0 0 - 1 0 0 0 0 c ) 一般可以采用 翟 一 。髹-一嚣 中国科学技术大学硕士学位论文 高温冲击拉伸试验技术 在线加温式和预加温式。在早期一般采用在线加温式，如同较高温的动态试验技 术一样，加热炉( 腔) 直接包围试件和输入杆输出杆的- - d , 部分，并使之获得高 温，如1 9 6 8 年u s l i n d o l m 等的5 0 0o c 高温的s h p b 试验 2 9 】，1 9 9 8 年w o e i s h y a n l e e 等的高温7 0 0 1 1 0 0o c 的s h p b 试验 3 0 。图1 2 为文献 3 0 中的示意图，杆 的材料为马氏体时效钢。在这一加温方式中，一般直接用热电偶测量炉腔的温度， 月可认为置于炉腔中的试件具有与炉腔一样的均匀温度场。 这种在线加温方式会在输入、输出杆上形成局部高温温度场且范围较大，从 而导致输入、输出杆自身弹性模量的较大的降低，对应力波波速的影响大 3 1 1 ； 同时，要求输入杆输出杆的材料具有较好的耐高温性能。1 9 8 6 年r o s e n b e r g 等用 陶瓷杆代替了会属杆，降低了局部温度场对试验结果的影响，然而因陶瓷材料具 有很高的脆性，致使试验范围受到限制【3 2 】。 f l h _ 图1 2 炉式加温试验示意图 近期利用s h p b 进行高温压缩试验，更经常采用的是预加温式，印预先对试 件加热至预先设定的温度，然后使输入杆和输出杆同时与试件快速接触，并立即 进行冲击压缩试验。与在线加温方式相比，该方式的优点在于杆上形成的局部高 温场的温度相对较低，且范围小，也即局部高温场对试验结果的影响较小。不同 的学者对试件采用不同的预加温技术。u c s d 的n e m a t n a s s e r 等人采用高温炉 预加热试件，并进行了大量的材料高温动态压缩性能的试验研究工作，最高环境 温度己超过10 0 0 o c 3 3 ，3 4 ，3 5 1 ：a m l e m n o n 和k t r a m e s h 等采用红外线对试件 预加温，对金属钒实旌了应变率为1 0 3 s - i ，温度范围为2 7 8 0 0 0 c 的高温冲击压缩 试验【3 2 。图l 3 是文献 3 2 1 的红外线加温技术的简要示意图，试件的温度由焊 接在试件上的热电偶测得。 这种预加温存在所谓的冷接触时间( c o l dc o n t a c tt i m e ) ，即在入射波到达试 件前，输入杆输出杆与试件接触，将造成试件温度的降落，且试件上的真实温度 场很难测量。 在上述的高温冲击压缩试验中，尽管高温试件可以简单地快速置于输入杆和 中国科学技术大学硕士学位论文 高温冲击拉伸试验技术 输出杆之间，但均回避了试件与杆之间摩擦约束的影响( 在高温状态下已难以用 一般的润滑材料来减小摩擦力) ，故试验结果的可靠性尚有待进一步的验证。 与高温冲击压缩试验技术相比，高温( 3 0 0 1 0 0 0 。c ) 冲击拉伸和冲击扭转试 验在技术和理论上存在着更大的困难。在冲击拉伸、扭转试验中，高温试件不能 简单地快速置于输入杆和输出杆之间，而必须以螺纹或胶粘等方式与杆连接，这 种连接在极短的时间内是无法完成的，因此试件只能采取在线加温方式。 图1 3 红外线加温试验技术 1 9 9 4 年，o i l a t 和w u 进行了高温冲击扭转试验，采用了在线多嘴喷火加温 的方式，应变率为1 0 3 s i 温度范围为6 5 0 1 0 6 0 0 c 2 8 1 。图1 4 为该试件加温方式 的示意图。8 个火焰喷嘴均布在薄壁扭转试件的周围，试件及其法兰利用销钉与 波阻抗适配器联接后与杆联接。加温时，喷嘴点火后靠近试件进行加温，热从试 件先后传导至法兰、销钉、波阻抗适配器和输入、输出杆上。波阻抗适配器由热 导率较低的钛制成，有效的降低了热量向输入杆输出杆的传导。热电偶直接接触 薄壁试件的内壁测得试件的温度。该加温系统中，试件的加温效率高( 4 0 秒可 加温试件到1 0 0 0o c ) ，同时由于采用了隔热的波阻抗适配器，故输入杆和输出杆 仍处于室温。 文献 2 8 】的加温技术尽管能使输入杆和输出杆处于室温，但在试件附近形成 了的局部高温场。 图1 4 试件加温示意图 一三：八 1 i 中国科学技术大学硕士学位论义 高温冲击拉仲试验技术 在高温冲击拉伸试验技术方面，1 9 8 6 年，z r o s e n b e r g ，d d a w i c k e 等利用感 应线圈加热试件，试件与输入杆输出杆采用螺纹连接，提出一套冲击拉伸试验技 术，并给出了几种金属材料高温下的应力应变关系【3 6 】。该技术中，试件的加温 效率高( 1 分钟内可以加热金属试件至7 0 0 0 c ) ，试件上温度场较均匀，输入杆输 出杆上的局部温度场范围较小( 约1 0 m m ) 。然而，该试验技术中还存在以下的 问题： ( 1 ) 螺纹连接方案虽然便于试件与杆的连接，但由于螺纹形位误差和间隙的存 在使得连接段成为高温超静定系统，从而试验所测得的宏观应力应变由线中不可 避免地包含了非本构的抖动，引起试验结果的偏差( 这种方法已被我们弃用) f 4 1 ： ( 2 ) 试件上的温度场测量采用热电偶直接接触试件表面来测量，感应高温时形 成的电磁场对热电偶的测量有干扰，测量的结果是不准确的。 由此可见，文献 3 6 报道的高温冲击拉伸试验技术还不能看成是一种可实用 的技术，且以后一直未见后续工作的相关报道。 1 9 9 4 年，d c b a r t o n 等用感应线圈对试件快速加温至6 0 0 。c 左右，在飞行楔 型体拉伸试验机( f l y i n gw e d g e t e n s i l et e s t i n gm a c h i n e ) 上进行了所谓应变率大于 1 0 35 1 冲击拉伸试验 3 7 】，图l 一5 为其试验技术的示意图。在该试验中，先利用 一u 形感应线圈对试件快速加温，后快速移开线圈，同时用飞行楔型体对试件 进行冲击拉伸试验。在试验前首先对试件的温度进行标定，即将一个中心埋入热 电偶的试件装夹在试验机上，对试件进行定时间间隔的感应加温，并通过热电 偶测得试件的温度，然后快速移丌加热感应线圈，待试件冷却1 0 秒后，再用热 电偶测得试件温度，由此建立了感应线圈电流频率，加温时间和冷却试件温度的 对应关系。严格地讲，该试验技术并不是种材料的高温冲击拉伸试验技术，试 验结果反映的是构件的结构响应，而不是材料响应，不能给出材料的应力应变关 系。此外，文献【3 7 】中没有给出对试件上形成的温度场的测量。 综上所述，高温冲击压缩试验技术多数采用预加温方式，尽管还存在着一些 问题，但已基本可以实用；而高温冲击扭转和高温冲击拉伸试验技术只能采用在 线加温方式，且基本上不能实用。由此可见，发展高温冲击扭转和高温冲击拉伸 试验技术势在必行。 中国科学技术大学硕上学位论义 高温冲击拉伸试验技术 0 u i l n eo f 怔w i h 6w l n 0 0 w f i g u r el ：f l y i n gw e d g e t e n s i l et e s t i n gm a c h i n e - 图1 5d c b a r t o n 高温冲击拉伸试验技术示意图 1 2 本文工作 本文试图综合借鉴预加温方式中单独加温试件以及在线加温方式中快速加 温试件的思想，提出一种预加温金属芯轴后在线快速接触加温试件的技术( 以下 简称快速接触加温技术) 。在自行研制的高速旋转盘式间接杆杆型冲击拉伸试验 装置上，采用耐高温且有隔热作用的无机胶使试件两端分别与输入杆和输出卡 的 叉口粘接，然后采用该快速接触加温方式对粘接后的试件进行快速接触加温，使 试件获得均匀的高温场，且使试件两端的输入杆输出杆附近形成的局部高温场的 温度相对较低且范围较小，从而形成一套能实用的1 0 0 0 k 左右的高温冲击拉伸 试验技术，并将此技术用于s u s 3 0 4 不锈钢高温冲击拉伸试验。 本文包括五章。 第一章绪论 第二章快速接触加温炉及其温控装置的研制，快速接触加温炉的温度特性 第三章快速接触加温过程中试件以及输入杆输出杆上的温度场的测量和表 征 第四章高温冲击拉伸试验技术及其在s u s 3 0 4 不锈钢高温冲击拉伸试验中 的应用 第五章结论与展望 中国科学技术太学硕士学位论文 高温冲击拉仲试验技术 第二章 快速接触加温炉的研制 2 1 快速接触加温技术 如上所述，本文试图综合借鉴预加温方式中单独加温试件以及在线加温方式 中快速加温试件的思想，提出一种预加温金属芯轴后在线快速接触加温试件的技 术( 以下简称快速接触加温技术) 。图2 1 是快速接触加温的示意图。图中7 为 自行研制的两个带金属芯轴的快速接触加温炉，试验前这两个加温炉位于试件的 两侧，但与试件不接触( 图2 - l a ) 。当试件与输入杆输出杆粘接固化后，丌始对 两加温炉通电加温，至设定温度后温控器即自行断电，待加温炉炉膛的温度接近 稳定时，即推动两加温炉沿着导轨横向平移，使加温炉的金属芯轴4 与试件5 两侧面同时接触对试件进行快速接触加温( 图2 1 b 和图2 2 ) ，1 分钟后便可在 试件试验段形成短时的稳定高温近似均匀场，并立即对试件进行冲击拉伸试验。 必须指出，快速接触加温技术还包括试件和输入杆输出杆上高温场的测最与 表征，以及加温炉炉腔温度与试件温度对应关系的建立( 标定) ，这些将在第三 章展开论述。 二 二：二：j 图2 - l a 接触加温试件前( 加温炉通电) 图2 - l b 接触加温试件( 加温炉断电) 1 输出杆2 输入杆 3 温控仪4 金属芯轴5 试件 6 铂，铑热电偶 7 加温炉8 耐高温无机胶层 图2 - 1 快速接触加温示意图 中困科学技术大学硕士学位论文 高温冲击拉伸试验技术 图2 2 接触加温照片 2 2 快速接触加温炉的研制 在本文的工作中，先后自行研制了两套快速接触加温炉，以下分别简称为第 代和第二代加温炉。在第一代加温炉中存在以下的问题： ( 1 ) 电阻丝的并联连接使用，加温时连接处容易断路，影响加温炉的使用； ( 2 ) 加温炉保温性能不好； ( 3 ) 加温炉中蔫热套为耐火泥结构，从而导致热传导至接触芯轴的效率低， 温升慢，接触加温试件效率低；同时加温炉通电时产生的电磁感应难以得到很好 的屏蔽，引起感应噪声，对瞬念测试系统有影响。 这些问题导致了试验温度只能达到8 0 0k 左右。延续第一代加温炉的设计思 想一电阻丝加热蓄热套，蒂热套对接触芯轴加温，芯轴快速接触加温试件，同时 针对第一代加温炉中存在的问题进行改进，研制了第二代加温炉，并将试验温度 提高至1 0 0 0 k 。下面将着重介绍第二代加温炉，并注意与第一代加温炉进行比较。 图2 3 是第二代加温炉的外形图。 图2 3 加温炉外形 中国科学技术大学顺士学位论文 高温冲击拉伸试验技术 2 2 1 第二代加温炉的研制 图2 - 4 为第二代加温炉的装配图。整个加温炉包括带底座的炉体和导轨。其 中，炉体由接触芯轴、内加温箱体、外箱板、底座以及其他部件组成，并可以在 导轨上平动。为了叙述方便，这里规定，高度方向为z 向，导轨方向为x 向， 输入杆输出杆的轴向为y 方向。 接触芯轴( 1 ) 一部分置于内加温箱中，另一部分即接触加温端则伸出内加 温箱体。外箱板中的底板( 1 7 ) ( 图2 5 ) 用螺栓( 1 8 ) 与底座( 2 5 ) 固定，4 个 螺栓( 7 ) 通过焊接固定在底板上的螺母支撑内加温箱体。外箱板与内加温箱体 问填充石棉保温材料，并用顶板( 5 ) 封闭，即组成高温炉的炉体。 通过调节底板上的螺栓，还可小范围地调节( 调节范围3 m m ) 内加温箱体 在z 向的位置；同样地，通过侧板( 2 4 ) ( 图2 6 ) 上的螺栓即可调节并固定内 加温箱体在y 向的位置；这样即可相应地调节接触芯轴的位置。当试件与输入 杆输出杆粘接固化后，进行加温炉伸温之前，还必须通过调节使接触芯轴的轴向 与导轨的方向( x 向) 平行，同时使接触芯轴的接触加温端面与导轨面垂直。这 样保证了实施接触加温时芯轴的接触加温端面与试件试验段表面的紧密贴合( 用 o0 2 m m 的塞尺检验) ；同时也保汪每次两个面之阳j 接触状态的一致，便于进行同 一温度下的多次重复试验。 下面就第二代加温炉主要的组成部件展丌说明。完整的加温炉的装配图及零 件图见附录。 1 内加温箱体 图2 7 为内加温箱体的装配图。内加温箱体由发热组件、蓄热套及其托架、 内箱体套以及其他部件组成。发热组件( 4 ) 装在金属蓄热套( 5 ) 周向均布的8 个通孔中，与蓄热套一起置于蓄热套托架( 1 1 ) 中，并在托架的两端分别用螺杆 ( 2 ) 螺母连接耐火砖保温板( 6 、9 、8 、1 1 ) 后，由片状石棉( 1 3 ) 包裹着置于 内箱体套( 1 ) 中。 1 ) 发热组件及其连接 本快速接触加温炉采用电热式加温。图2 8 所示的发热组件由电阻丝和刚玉 套组成，刚玉套的作用即使电阻丝与金属蓄热套绝缘。8 个发热组件间采用“串 联连接”，即8 个组件中的电阻丝是用一根整丝直接折成，并形成两个电极( 见 图2 7 中的e 、f 向视图) 。这样，与第一代加温炉相比，即避免了过多的连接点， 通电发热时，电阻丝不易烧断。 _v0 捌 6 ： 口口i ； ； 一 甚n 齄 寡薜 ：妻 絮窘 苗 窖器 席器 曙 警棼 鞋 _ 喾 芸 * 嚣 螂裂 譬槲 m 潞虹 砷 = 生： 蔷蔷 目 蔷 莨 霹*悻 t 豁 圈 矗 蟛联 篙q 蟮啸 生 畦圈 暑蠕i= 胁 霉难 秆 刨 霉 谢 蝌 毒霍 蜒 噬 鞲 拦帮坚 电晤 舞 喜 剖 聋蟮羞畦鳝 蝤 蚪 柠讳* 翻 氅喇 世蝤硗 采i i ,群 忸 霹鲜 富 蜢 战 档 * 榔 计世 嚣 群眭瘫 协蝼碰 鼍 逝 i l l l犁f 释 啦 时 堪 唱 雀撼 敲 寰 扑 未 蛙 鞠 蚺 盎 匠 士 士： 一 = ，均 饕 一 弋l j 4 壁 毫犁 地 踮 o ，一 乏蓉 瞄 一 藩嚣鑫 薛 睦 # 餐嚣 月 一 8 较 * 喇 蟛掣鲁 驯 器善蓬 啦 鳓 g 罔“ _ 嚣恭只 g 毋： 晕鋈缘晕 雾粪 避赋添蕊沁裂黼 薹蒸委篷7 - 剧7i 飞 ! i 心川 y 7 s ) ii - i 一 二- 隹 雾 侧k、l 潼t - 心 匿 卜 一e - 蕊 嚣鎏间； 闲雾 l 卜 副 萋 霞 一 蘩 、 、 、 蘸 麓g圈i 艮 闲 引吣沁1i l k 飞n毽心搽 l ( 砥j| | t 一 洲- = - i t 一 a a bb 技术要求 1 m 8 螺母焊接在板上后需校正内螺纹： 2 焊接用件为热轧等边角钢( g b 7 0 0 7 9 ) ，角钢 号数3 0 。d = 4 ，b = 3 0 ，r = 4 5 ： 3 ，被焊接底扳材料为a ：3 锈q ，厚度为3 m m 。 图2 - 5 2 - a a 技术墨束 搬螺母焊接在氍月需控正内螺杖 图2 一 ：妇 固 皂啦 h 群n 世 韶苗 曹 譬g 辱靠 娃 _ 辚 臣 芸 书警 拄 蟠 曲 萑奄 茁 蔷篮悼恃 圈 一芝 它 巅 脒 n n 坐盛枇鲢 朴 蟛 辖塔 辎 蟮 脚 科瑚 聋蛙坤 _ k 一 帼 榭 蜞 魑 舒 鲤 建 琏囊 畸嚣盘* = 鹾 童 蛙 睦 藿 畦 螺 划蓉昱 型 一蝴 廿 一 出 霉 聋 五 碰 4 世 廿 鬻 兰 警 搏 鉴一 = 曲 拦 睦 # 肇蜒 掣轼悟h 卜 c 、q 技术要求 i 发热组件由电阻丝和刚玉套组成，其中电 阻丝材料为o c r 2 5 a 1 5 ，功率为3 k w 图2 - 8 b - b 其余v 4 技术要求 1 陟生锥孔与接触芯轴( 1 圈c h 1 ) 配作并用着色 法检验接触面 7 5 2 未注倒角4 5 。 图2 - 9 _ 上l - 一 矿一 人 f 图2 - t 】 技术要求 其采v 4 1 生锥面与蓄热套( 图c h 一8 ) 配作，并用着色法 检验接触面) 7 5 2 末注倒角4 5 。 图2 - k ! ； 坦 ；靠彳一 搬 辱 落 宝 蛙 缸 饕 巾捌 tt 它 匝 妊 们 ” 叠 酥 特 2 雌 求 一 gl警罄 譬 ： 警 墨 一 廿 。i 一硅 窑 喜嚣 匦 鲁聋蛊 警 蛙 嘲 醛 鲢 七 霎藩 磐 c 心 t - - - ( c q 匝 7 p 一 燃 n 离亩妇 o 圈 辱 宴 岛 n 螨 界 界 器 j l 枷 婚 呐n n蜒 暴 n l 卜 ，十寸 曲 蛐 匝 辍 辎 蜓 o 棰 扑 辱一 蠼 重婚 ”二 寒 寒 譬 盘* 寸 曲 西 矗 _ 器 馨 糖 端 扑 龚嚣 咖 意 匦 世 岳颦 譬 堪磐 竖薰 悄 替 遂 末 鞑：鞋埘 魁塔疆一 i 旧一i n 匦 。督哚匠蕈献日蝰娶臀孵恭吩恕域世瞄账陧 裂姑斛一9t土u匝v趔世如鞋骚世坷骚暮寨蹄。 锚随长辎 中国科学技术人学硕上学位论文 高温冲击拉伸试验技术 2 ) 蓄热套及其托架 图2 - 9 为第二代加温炉中蓄热套的零件图。与第一代相比，第二代加温炉的 蓄热套结构更为简单，其最大的改进在于蜂窝状不锈钢蓄热套代替了不易导热的 耐火泥套结构( 见图2 1 0 ) ，且具有更大的热容量。这样，使第二代加温炉加 热接触芯轴的效率提高，更易形成稳定的温度场，进而更有利于快速接触加温时 试件上均匀高温场的形成。另外，由于蓄热套中8 个通孔的金属外壁具有很好的 屏蔽作用，电阻丝通电时产生的电磁感应得到较好的屏蔽，从而降低了噪声，也 即降低了对瞬态测试系统的影响。 ，一i，一 - ，、，一匿歪蚕爱瑟荔耍瑟爱 一 - _ j 立龟鲁= 每当圭五釜主蒜毒赫盏兰壶未釜盏量釜i - = 、一， i 。? i i j 一一 j 。二+ 、j 。j 一一：。 一 ：。、，一。 l 蜂窝状耐火泥套2 不锈钢蓄热套3 紫铜接触芯轴 4 耐火泥层5 电阻丝6 铂铑热电偶 图2 1 0 第一代加温炉加温示意图 4 块如图2 1 1 所示的蓄热套托架包围不锈钢蓄热套，起支撑作用：其材料为 耐火砖，故还具有保温的作用。 ( 3 ) 内箱体套 如图2 - 1 2 所示的内箱体套由钢套、钢套盖板及其连接件组成，其作用是包 裹耐火砖托架、保温板及内石棉保温层。 2 接触加温芯轴 图2 - 1 3 为接触加温芯轴的零件图。接触芯轴与金属蓄热套的采用锥度适中 的圆锥面配合，既保证了蓄热套对接触芯轴较高的加温效率，又便于芯轴的拆卸； 同时芯轴的材料为紫铜，具有很高的热导率，因此试件接触加温时可以获得快速 的温升。芯轴与试件的接触端如图2 1 3 所示，且在接触面中心有一2 m m x 2 m m 深0 1 m m 的凹区( 在图2 一1 3 中未标出) 。接触加温时，接触芯轴上宽8 m m 的肋 接触试件( 图2 - 1 4 ) ，凹区的作用是对削弱对试件段中心区域的加温作用；同时， ! 塑型兰垫查盔兰堡主兰些堡塞塑塑翌圭垫塑堡墼茎查 接触端的半圆弧面包围着输入杆输出杆端的一小部分，并使之形成范围较小的局 部高温场；于是使试件上形成的高温场比较均匀。 图2 1 4 芯轴接触加温照片 3 导轨 如图2 15 所示的导轨由导轨底板、导轨侧板及其连接件组成，其作用是作 为接触芯轴位置调节的基准，并保证推动炉体沿x 向平动。 4 保温结构 从装配罔2 - 4 可以看出，第二代加温炉具有内加温箱体和外片状石棉层的双 重保温纬构。而第一代加温炉只采用一层绳状石棉保温层( 图2 1 6 中3 ) 。在第 一代加温炉x 向上，对伸出炉体的接触芯轴部分，还装配r 耐火砖保温套与其 配台( 图2 1 4 ) 。可以看出，第二代加温炉研制过程中充分考虑了加温炉的保温 性，也就保证了蓄热套及接触芯轴上温度场的稳定，进而有利于试件上形成稳定 均匀的高温场。 ，一? ，。 ，4 、o j “= 。一，。 j 0 _ ， 1 耐火泥套2 蓄热套3 绳状石棉保温层4 金属外壳 图2 - 1 6 第一代加温炉保温结构 中国科学技术大学硕士学位论文 高温冲击拉伸试验技术 2 2 2 加温炉的温控装置 本文加温炉温控装置由继电器、x m t - 数显温控仪和热电偶组成。图2 一1 7 为 温控装置的连接示意图。加温炉的电极l 直接与电源零线相接，电极2 通过继电 器与火线相接。热电偶探头( 图2 - 4 中1 1 ) 伸入加温炉内，输出端与数显温控仪 连接，温控仪的控制端与继电器连接。x m t - 数显温控仪可预先设定温度( t d ) ， 加温炉通电加热，当热电偶采集的炉腔的温度t 到达设定温度t d 时，数显温控 仪通过继电器使火线与电极2 断开，加温炉断电，从而实现炉温的控制。 ， 温仪 维b 器 图2 1 7 温控装置示意图 2 3 加温炉温度特性的测量和研究 本文利用温控装置及其中的热电偶对加温炉的温升特性进行了测量和研究。 图2 - 1 8 为快速加温炉i 从常温( 3 0 0k ) 通电加温至不同设定温度t d 的温 升曲线，并对t d 为1 0 7 3 k 的温升曲线进行多项式拟合，得到； t = 2 5 3 6 1 3 + 3 1 6 4 2 t + 0 8 9 9 t 2 - 0 0 3 4 t 3 ( t t d )( 2 ，1 ) ， 其中t 为通电加温的时间( 单位：分钟) 。 可以看出，在到达设定温度t d 前，不同t d 的加温炉的炉腔温度t 基本上沿 着相同的式( 2 ，1 ) 所表示的曲线上升；到达设定温度t d 后，t 继续上升并到达一 个稳定温度t t 0 。 凇 一、 蛐 偈 ；， 洲 l且 ，_矗l 奠一 ；耋 神 一 1j懒一剿舅辫_ 一 舯 一 。 桃 r ；0 二垂 偶 一 髓 一f 中国科学技术大学硕士学位论文 高温冲击拉伸试验技术 t i m e ( m ) 图2 - 1 8 不同t d 时加温炉i 的温升曲线 t i m e f m 图2 1 9 不同t d 时两个加温炉温升曲线 - 2 0 - 一兰ojn_goej 中国科学技术人学硕士学位论文高温冲击拉伸试验技术 图2 1 9 中的曲线反映了两个加温炉的温升特性的比较。可以看出，两个加 温炉具有较一致的温升特性，这有利于接触加温时试件均匀温度场的形成，同时 使高温试验具有较好的可操作性。 t i m e ( m ) 图2 - 2 0 t d 为3 6 3 k 时加温炉温升曲线 图2 2 0 是两个加温炉y d 为3 6 0 k 的温升曲线，其中，a b 时段a t l 表示温度 较稳定的区域，持续4 - 5 分钟( 快速接触加温就是在at 】内进行的) ，且把这个 时段的温度均值表示为t t o 。结合图2 - 1 9 和图2 2 0 来看，随着加温炉t f d 的升高， a t j 越来越短，到t f o 为1 1 0 0 k 时，a t i 减小至2 分钟左右( 图2 2 1 ) 。然而，这 个a t i 对于完成一次快速接触加温来说，也是足够的。 ! 里型兰垫查查兰堡主兰竺笙苎 壹垫! 堕垫堡蔓竺垫苎 2 世 三 0 e 0 t i m e ( m j 1 1 0 0 kt m 2 1 0 9 6 k 1 i 矿r 尹广肯 i 7t a = 1 。7 3 k 一； 。 h ，f 3 j 自峥 44 肆i | 白产净 一 一一 9 7 1 k 一一 l f u r n a c e l i l 二! = e ! 婴! 堡型 图2 2 l 不同加温路径温升曲线 图2 2 1 是经不同的加温路径i 、i i ，t d 为1 0 7 3 k 的温升曲线。加温路径i 表 示从室温通电加温至t d l 0 7 3 k ，i i 表示从9 7 1 k 通电加温至于t d l 0 7 3 k 。可以看 出，温升曲线i ( 大于9 7 1 k 部分) 与i i 类似，并且到达一个相同的稳定温度t f ， 这说明t d 与t 内具有很好的对应关系。 表2 1 与图2 2 2 给出了x m t 温控仪设定温度t d 与t f d 之间的对应关系。 表2 1 t a ( k ) 3 6 34 8 36 2 38 2 31 0 7 3 t f l o ( k ) 4 5 9 25 6 9 26 8 6 38 6 0 3 1 0 9 8 5 t r 2 0 ( k ) 4 5 8 25 6 3 36 7 8 38 5 6 41 0 9 6 5 一)e，葛高口ej- 中国科学技术大学顺卜学位论义高温冲击拉伸试验技术 图2 2 2t d 与t f d 之间的对应关系 从表2 1 可以看出随着t d 的增大，t f 0 和t d 的差减小；对于设定的t d ，对应 的t f l ) 离散较小。线性拟合的结果，如图2 2 2 所示，可以发现t d 与t f o 之间的具 有较好的线性对应关系： t f 0 2 1 3 2 5 + 0 8 9 5 + t d ( 2 ，2 ) 。 2 4 本章小结 1 借鉴预加温方式中单独加温试件以及在线加温方式中快速加温试件的思 想，提出一种预加温金属芯轴后在线快速接触加温试件的技术，即快速接触加温 技术。 2 重新研制了快速接触加温炉，并对加温炉温度特性进行测量和研究。结 果表明，第二代加温炉，加热效率提高，温升的重复性好，设定温度t d 与稳定 的炉腔温度t f 0 之间具有较好的线性对应关系，且温度t m 保持一定的t l 时间， 从而可以满足实施温度1 0 0 0 k 左右的高温冲击拉伸试验。 中国科学技术大学硕士学位论文 高温冲击拉伸试验技术 第三章 温度场及其测量 3 1 引言 在前期的工作中，配合第一代快速接触加温炉，采用热电偶直接接触试件中 心的表面，实时测量了试件拉伸时的温度，见图3 - 1 。 试件 一一热电偶探头 加温芯轴 图3 1 单点表面测温 这种测量的方法还存在着以下的问题： ( 1 ) 测量时，热电偶不易放置，与试件表面的接触状况不稳定，且影响试件表面 与接触芯轴的紧密接触； ( 2 ) 热电偶丝很难与接触芯轴保持绝缘，测量受到芯轴高温的影响，温度测量结 果偏大； ( 3 ) 单点测温的结果不能反映试件的温度非均匀性。 在后期的工作中，已放弃了这种直接实时测量的方法，采用标定关系确定试 件温度的方法( 简称标定法) 。所谓标定法即预先多点测量试件温度场，后基于 该测量建立加温炉炉腔温度t f ( 与t f 不同，为试件接触加温时炉腔的稳定温度) 与试件温度t s 对应关系( 标定关系) ：在冲击拉伸试验时依据t f 来确定t s 。本 章还对输入杆输出杆上的局部温度场进行直接测量和表征。 3 2 试件温度场的多点测量和标定关系及杆温度场的测量 图3 2 为温度测量的示意图。整个温度场的测量系统由铂铑热电偶( s 级，热 电偶的探头直径o 6 r a m ) 和x m t 数显温控仪组成。 试件温度标定前，将标定试件在试验段垂直厚度方向( 厚度1 1 12 m m ) 的 牛幽科学技术火学颤 学位论文 商温冲击拉帅试验技术 而上等距的钻3 个审0 8 的小孔，深2 m m 。将3 个铂一铑热电偶的探头分别埋入小 孔，热电偶输出端与x m t 数显温度仪相连；同时，使用云母片保证3 个热电偶