一种流体压力提供第三向应力的双向拉伸试验装置及其应用

摘要

本发明提出了一种流体压力提供第三向应力的双向拉伸试验装置及其应用，该流体压力提供第三向应力的双向拉伸试验装置包括拉伸装置、密闭箱体、加热系统、流体压力系统、温度检测装置、压力测量装置、冷却系统和数据采集处理装置。本发明提出的流体压力提供第三向应力的双向拉伸试验装置，考虑流体压力对双向拉伸试验的影响，能在一定程度上提高材料的成形极限，不仅适用于测试常温材料的性能，也适用于测试高温材料的性能，加热系统对待测试验件进行加热与恒温控制，升温效率高、误差小，还具有冷却系统，用于在测试高温材料性能试验过程中，对箱体进行必要的冷却，提高了实验装置的使用寿命及效率。

说明书

技术领域

本发明属于热介质成形技术及材料试验技术领域，具体涉及一种流体压力提供第三向应 力的双向拉伸实验装置及其应用。

背景技术

热介质成形技术是21世纪初期迅速发展起来的最具创新性的塑性成形技术。热介质成形 是采用高温热流体介质作为传力介质，并以此代替部分模具成形零件的一种制造方法。热介 质成形具有热成形与流体成形的双重优点，在流体压力诱导的厚向应力参与下，材料的塑性 和延展性显著提高，屈服强度迅速下降，破裂倾向减小。鉴于这些优点，越来越多的研究者 对热介质成形技术展开了更深入的研究工作。然而热介质成形技术是流体压力参与下的成形 工艺，其成形极限的提高是由厚度法向应力的参与而引起的，而如何检测在厚度法向应力的 影响下、板材面内不同拉应力比的材料的性能，目前尚无很好的解决办法，也没有与之对应 的能够对厚度法向应力作用下的材料进行双向拉伸性能试验的装置。针对这个技术难题，本 发明提出了一种流体压力提供第三向应力的双向拉伸试验装置。

目前常见的双向拉伸试验方法较多，其中十字形试件双向拉伸最直观、最能直接反映板 材的双向受力状态，因而是当前最受重视的一种方法。十字形试件双向拉伸试验装置主要分 两种，一是做十字形试件双向拉伸试验的大型专用设备，可实现双向变比例拉伸，其结构复 杂，价格昂贵；二是固定安装在万能试验机或压力试验机上，由万能试验机或压力试验机提 供拉力，实现对试件的双向拉伸。这两种均是普通的双向拉伸试验装置，没有考虑流体压力 产生的影响，且对常温材料和高温材料测试均不具备通用性，也没有解决上述的技术难题， 不利于热介质成形技术的深入研究，也不利于拓展双向拉伸试验装置使用的广泛性。

在公开号为CN 101561376的发明专利中，公开了一种双向拉伸试验装置。该装置包括固 定分力机构、可调分立机构、可测力传力机构和不可测力传力机构。将十字形试件置于装置 的中心位置，固定分立机构、可调分立机构、可测力传力机构和不可测力传力机构分别通过 试件夹头与十字形试件的四个方向固定连接，以此对十字形试件实施拉伸。该发明属于普通 状态下的双向拉伸实验装置，没有考虑流体压力对双向拉伸试验结果的影响，且对高温材料 测试不具备通用性，不能有效地解决热介质成形在对厚度法向应力作用下的材料性能测试这 一现有的难题。

发明内容

为了克服现有的双向拉伸试验装置没有考虑第三向应力的影响、对常温材料和高温材料 测试不具备通用性、无法有效解决热介质成形现有的技术难题等缺点，本发明提出了一种流 体压力提供第三向应力的双向拉伸试验装置及其应用，该双向拉伸试验装置中引入流体压力， 且流体压力作为第三向应力参与试件的拉伸试验，扩充了双向拉伸试验测试材料应力应变的 实用性。

本发明提出一种流体压力提供第三向应力的双向拉伸试验装置，包括拉伸装置、密闭箱 体、加热系统、流体压力系统、温度检测装置、压力测量装置、冷却系统和数据采集处理装 置。

密闭箱体包括箱体盖、可视窗口和箱体；所述的可视窗口装配于箱体盖中心位置；所述 的箱体中心具有凹腔，该凹腔分为上部凹腔和下部凹腔，凹腔底部具有出油口；箱体盖和箱 体通过螺栓和螺母固定，可视窗口位于凹腔的开口顶部，闭合油缸施加压力作用于箱体盖上， 使箱体的凹腔处于密闭状态；箱体的底部固定在垫块上，垫块安装固定在机架上。

加热系统包括保温层、加热单元和防溅隔板，箱体的下部凹腔的内部侧壁外顺次安装有 保温层、加热单元和防溅隔板，防溅隔板与上部凹腔的内部侧壁相平齐，并与凹腔的底部内 壁、上部凹腔的内部侧壁之间分别进行固定，使保温层、加热单元和防溅隔板之间形成加热 室，上部凹腔的内部侧壁、防溅隔板的外壁、凹腔的底部内壁与可视窗口之间形成工作腔， 防溅隔板用于将加热室与工作腔隔开，防止高压流体进入加热室。

拉伸装置包括主缸、活塞、拉伸轴、支撑块和试件夹头，所述的拉伸轴为两组，位于相 同平面并互相垂直设置，每组拉伸轴水平穿透箱体的外壁，位于上部凹腔的底部位置，并与 箱体的连接处进行密封处理，每组拉伸轴均由拉伸轴A和拉伸轴B组成，位于工作腔内部的 拉伸轴A和拉伸轴B相对的轴端分别通过螺栓固定有试件夹头，用于连接并预紧十字形试验 件，拉伸轴A和拉伸轴B的另一轴端均位于箱体外，其上均连接有主缸，主缸内部均设置有 活塞；支撑块通过焊接固定在箱体的外壁表面位于拉伸轴下方处，用于支撑拉伸轴；主缸通 过螺栓固定在底座上，底座和机架连接在一起。

流体压力系统包括流体压力产生装置及溢流阀；流体压力产生装置包括低压腔、高压腔、 活塞杆和低压腔活塞，低压腔活塞位于低压腔中，活塞杆通过螺栓与低压腔活塞连接，高压腔 通过高压管路与工作腔连接，通过活塞杆向前移动将高压流体压入工作腔；溢流阀与流体压 力产生装置中的低压腔连接，通过设定溢流阀的压力，间接控制和平衡箱体的工作腔内的流 体压力大小。

压力测量装置包括高压管路、压力传感器和接头，高压管路由接头通过螺纹连接在箱体 外壁上，并与箱体内部的工作腔接通，工作腔通过高压管路与压力传感器连接；温度检测装 置包括温度传感器、螺钉和支座，支座通过螺栓固定在箱体的外壁表面上，温度传感器通过 螺钉固定在支座上，用于检测箱体内的工作腔、十字形试验件及作用于十字形试验件上的流 体压力的温度；箱体的外壁内均匀排布多条冷却管道，冷却系统通过冷却管道与箱体连接， 用于对箱体进行冷却；数据采集及处理装置通过线路分别与压力测量装置、温度检测装置连 接，用于实时采集、处理并显示试验过程中的实时数据及图形。

应用本发明提出的一种双向拉伸试验装置进行常温材料性能测试的方法，包括以下几个 步骤：

步骤一：将试件夹头与十字形试验件连接并预紧，试件夹头的另一端通过螺栓与拉伸轴 固定在一起；将箱体盖和箱体装配在一起，将出油口用端盖、高温密封圈B19通过螺钉密封。

步骤二：驱动闭合油缸，使闭合油缸产生压力压紧箱体盖，保证工作腔处于密封状态。

步骤三：拉伸试验开始前开启数据采集及处理装置；开启流体压力产生装置，调节流体 压力产生装置产生持续的高压流体作用在十字形试验件上，驱动主缸对试验件实施双向拉伸， 并通过可视窗观察试验过程。

步骤四：完成拉伸试验，停止驱动主缸，关闭流体压力产生装置，通过驱动低压腔内的 活塞杆向后移动，对工作腔进行泄压，打开箱体盖，取出试验件；打开出油口的端盖，将工 作腔内的流体排出并收集起来，试验完成。

应用本发明提出的一种双向拉伸试验装置进行高温材料性能测试的方法，包括以下几个 步骤：

步骤一：将试件夹头与十字形试验件连接并预紧，试件夹头的另一端通过螺栓与拉伸轴 固定在一起；将箱体盖和箱体装配在一起，将出油口用端盖、高温密封圈通过螺钉密封。

步骤二：驱动闭合油缸，使闭合油缸产生压力压紧箱体盖，保证工作腔处于密封状态。

步骤三：开启流体压力产生装置，将一定量的低压流体注入工作腔内，然后关闭流体压 力产生装置。

步骤四：开启加热系统，开始加热，热量通过热传导将低压的流体加热，热的流体通过 热传导对十字形试验件进行加热。

步骤五：开启数据采集及处理装置，开启流体压力产生装置，调节流体压力产生装置产 生持续的高压流体作用在十字形试验件上，同时开启冷却系统，对箱体进行冷却；驱动主缸 对试验件实施双向拉伸，通过可视窗观察试验过程。

步骤六：拉伸试验完成，关闭加热系统和流体压力产生装置，停止驱动主缸，通过驱动 低压腔内的活塞杆向后移动，对工作腔进行泄压。

步骤七：继续冷却，关闭冷却系统；打开箱体盖，取出试验件，打开出油口的端盖，将 工作腔内的流体排出并收集起来，试验完成。

本发明的优点在于：

(1)本发明提出了一种流体压力提供第三向应力的双向拉伸试验装置及其应用，该试验 装置中引入流体压力，且流体压力作为第三向应力参与试件的拉伸试验，扩充了双向拉伸试 验测试材料应力应变的实用性；

(2)本发明提出了一种流体压力提供第三向应力的双向拉伸试验装置及其应用，该试验 装置在试验时考虑流体压力对双向拉伸试验的影响，主要考虑流体压力对材料性能的有益影 响——能在一定程度上提高材料的成形极限；

(3)本发明提出了一种流体压力提供第三向应力的双向拉伸试验装置及其应用，该试验 装置加热系统对待测试验件进行加热与恒温控制，升温效率高、误差小；

(4)本发明提出了一种流体压力提供第三向应力的双向拉伸试验装置及其应用，该试验 装置的冷却系统通过管路与箱体壳内的冷却管道连接，用于在测试高温材料性能试验过程中， 对箱体进行必要的冷却，防止箱体温度过高而损坏箱体及连接在箱体外表面上的设备，提高 了实验装置的使用寿命及效率。

(5)本发明提出了一种流体压力提供第三向应力的双向拉伸试验装置及其应用，该试验 装置流体压力产生装置高压端(高压腔出口端)与密闭箱体内工作腔连接，高压端与高压流 体存储容器相连，低压端采用普通液压油驱动，高压端与低压端不相连，便于高压端与低压 端采用不同的流体介质。

(6)本发明提出了一种流体压力提供第三向应力的双向拉伸试验装置及其应用，该试验 装置不仅适用于测试常温材料的性能，也适用于测试高温材料的性能；

附图说明

图1为本发明的双向拉伸试验装置结构示意图；

图2为本发明的双向拉伸试验装置A-A剖视图；

图3为本发明的双向拉伸试验装置结构俯视图；

图中：

1-垫块；        2-出油口；        3-保温层；              4-防溅隔板；

5-冷却管道；    6-加热室；        7-支撑块；              8-主缸；

9-活塞；        10-拉伸轴；       11-工作腔；             12-箱体盖；

13-闭合油缸；   14-螺栓；         15-螺母；               16-高温密封圈A；

17-箱体；       18-加热单元；     19-高温密封圈B；        20-端盖；

21-螺钉；       22-温度检测装置； 23-试件夹头；           24-十字形试验件；

25-高压腔；     26-低压腔；       27-流体压力产生装置；   28-低压腔活塞；

29-溢流阀；     30-压力测量装置； 31-数据采集及处理装置； 32-可视窗口。

具体实施方式

下面将结合附图和试验步骤来对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种流体压力提供第三向应力的双向拉伸试验装置，如图1、图2、图3所示， 包括拉伸装置、密闭箱体、加热系统、流体压力系统、温度检测装置22、压力测量装置30、 冷却系统和数据采集处理装置31。

密闭箱体包括箱体盖12、可视窗口32和箱体17。所述的可视窗口32为透明玻璃或透明 石英板材料，装配于箱体盖12中心位置上。所述的箱体17中心具有凹腔，该凹腔在高度方 向上分为上部凹腔和下部凹腔两部分，下部凹腔的尺寸大于上部凹腔尺寸，凹腔底部具有出 油口2，通过出油口2将凹腔内部与外界连通，出油口2用于试验完成时将凹腔内的压力流 体排出。箱体盖12和箱体17通过螺栓14和螺母15固定在一起，使可视窗口32位于凹腔的 开口顶部，且箱体盖12和箱体17之间设置有高温密封圈A16进行密封。使用闭合油缸13施 加压力作用在箱体盖12上，并保证箱体17的凹腔在试验进行时一直处于密闭状态；箱体17 的底部固定在垫块1上，垫块1安装固定在机架上，从而将整个箱体17固定；通过可视窗口 32观察密闭箱体内十字形试验件24的拉伸变形过程；在试验进行时出油口2的外表面用端 盖20、高温密封圈B19通过螺钉21密封。

加热系统包括保温层3、加热单元18和防溅隔板4，箱体17的下部凹腔的内部侧壁外顺 次安装有保温层3、加热单元18和防溅隔板4，防溅隔板4与上部凹腔的内部侧壁相平齐， 并与凹腔的底部内壁、上部凹腔的内部侧壁之间分别进行固定，使保温层3、加热单元18和 防溅隔板4之间形成加热室6，用于对试验件进行加热。上部凹腔的内部侧壁、防溅隔板4 的外壁、凹腔的底部内壁与可视窗口32之间形成工作腔11。所述的保温层3用于屏蔽加热 室6内的热量，避免与环境进行热交换，保证十字形试验件24在高温状态下拉伸试验时其温 度的准确性；加热单元18可以是加热管、电阻丝等。防溅隔板4用于将加热室6与工作腔 11隔开，用于防止在十字形试验件24拉伸试验时高压流体进入加热室6，进而喷溅在加热单 元18上。

拉伸装置包括主缸8、活塞9、拉伸轴10、支撑块7和试件夹头23，所述的拉伸轴10为 两组，位于相同平面并互相垂直设置，每组拉伸轴10水平穿透箱体17的外壁，位于上部凹 腔的底部位置，并与箱体17的连接处进行密封处理，每组拉伸轴10均由拉伸轴A和拉伸轴 B组成，位于工作腔11内部的拉伸轴A和拉伸轴B相对的轴端分别通过螺栓固定有试件夹头 23，拉伸轴A和拉伸轴B的另一轴端均位于箱体17外，其上均连接有主缸8，主缸8内部设 置有活塞9，试件夹头23、主缸8、活塞9的个数均为4个；支撑块7通过焊接固定在箱体 17的外壁表面上，并位于拉伸轴10下方，用于支撑拉伸轴10，支撑块7和箱体17连接成为 一体并起导向作用，提供足够的强度以保证拉伸轴10在拉伸试验时拉伸动作可靠，支撑块7 的数量为4个；主缸8可通过螺栓固定在底座上，底座和箱体17的机架连接在一起；试件夹 头23用于连接并预紧十字形试验件24，主缸8和拉伸轴10、拉伸轴10和试件夹头23、拉 伸轴10和箱体17的相互装配位完成后将不再拆卸；十字形试验件24的材料为金属、复合材 料、高分子材料。

流体压力系统包括流体压力产生装置27及溢流阀29；流体压力产生装置27包括低压腔 26、高压腔25、活塞杆和低压腔活塞28，低压腔活塞28位于低压腔26中，通过驱动低压腔 26内的低压腔活塞28前后移动对流体进行增压和泄压；活塞杆通过螺栓与低压腔活塞28连 接，高压腔25通过高压管路与工作腔11连接，通过活塞杆28向上移动(即活塞前进)将高 压流体压入工作腔11。流体压力产生装置27用于将流体压力打压至设定压力，高压腔25通 过高压管路将流体压力作用至十字形试验件24上；流体压力产生装置27产生的高压流体实 时可调；流体压力作用在十字形试验件24的正反两个表面上；溢流阀29与流体压力产生装 置27中的低压腔26连接，通过设定溢流阀29的压力，间接控制和平衡箱体17的工作腔11 内的流体压力大小；根据需要，流体压力产生装置27和溢流阀29可以设置1～2套；流体压 力产生装置27可以是增压器、倍加器、放大器、手动泵、电动泵、普通油缸、伺服油缸、普 通气缸、伺服气缸、数字油缸或数字气缸。

压力测量装置30安装在箱体17的外壁表面上，主要包括高压管路、压力传感器和接头， 高压管路由接头通过螺纹连接在箱体17上，并与箱体17内部的工作腔11接通，工作腔11 还通过高压管路连接压力传感器，压力传感器实时检测工作腔11内的压力并输出实时数据给 数据采集及处理装置31。

温度检测装置22包括温度传感器、螺钉和支座，支座通过螺栓固定在箱体17的外壁表 面上，温度传感器通过螺钉固定在支座上。温度检测装置22优选设置3套，分别用于检测箱 体17内的工作腔11、十字形试验件24及作用于试验件上的流体压力的温度，并将实时数据 传送给数据采集及处理装置31。温度传感器可以是接触式，分别与工作腔11、十字形试验件 24和作用于试验件上的流体压力连通，也可以是非接触式的，置于箱体17外壁处，通过可 视窗口32检测温度。

箱体17的外壁内均匀排布多条冷却管道5，冷却系统通过冷却管道5与箱体17连接， 用于对在测试高温材料性能试验过程中，对箱体17进行冷却，防止因温度过高而损坏箱体 17及连接在箱体17外壁表面上的压力传感器和温度传感器。

数据采集及处理装置31包括图形显示器等必要的数据显示及处理元件，通过线路与压力 测量装置30、温度检测装置22连接，用于实时采集、处理并显示试验过程中的实时数据及 图形；数据采集及处理装置31固定在机架上，和箱体17的固定机架连接在一起；

所述主缸8为伺服油缸；闭合油缸13为伺服油缸，也可以是普通油缸。

应用本发明提出的一种双向拉伸试验装置进行常温材料性能测试的方法，具体包括以下 几个步骤：

步骤一：将试件夹头23与十字形试验件24连接并预紧，试件夹头23的另一端通过螺栓 与拉伸轴10固定在一起；将箱体盖12和箱体17装配在一起，将出油口2用端盖20、高温 密封圈B19通过螺钉21密封，确保密闭箱体内的工作腔11是密闭的空间；

步骤二：驱动闭合油缸13，使闭合油缸13产生足够的压力压紧箱体盖12，保证工作腔 11在试验进行时一直为密封状态；

步骤三：拉伸试验开始前开启数据采集及处理装置31，及时处理实时数据；开启流体压 力产生装置27，按照设定的压力调节流体压力产生装置27产生持续的高压流体作用在十字 形试验件24上，然后驱动主缸8对试验件24实施双向拉伸，并通过可视窗32观察试验的整 个过程；

步骤四：完成拉伸试验，停止驱动主缸8，关闭流体压力产生装置27，通过驱动低压腔 26内的活塞杆向后移动，对工作腔11进行泄压；打开箱体盖12，取出试验件24；打开出油 口2的端盖20，将工作腔11内的流体排出并收集起来，试验完成。

应用本发明提出的一种双向拉伸试验装置进行高温材料性能测试的方法，具体包括以下 几个步骤：

步骤一：将试件夹头23与十字形试验件24连接并预紧，试件夹头23的另一端通过螺栓 与拉伸轴10固定在一起；将箱体盖12和箱体17装配在一起，将出油口2用端盖20、高温 密封圈B19通过螺钉21密封，确保密闭箱体内的工作腔11是密闭的空间；

步骤二：驱动闭合油缸13，使闭合油缸13产生足够的压力压紧箱体盖12，保证工作腔 11在试验进行时一直为密封状态；

步骤三：开启流体压力产生装置27，将一定量的低压流体注入工作腔11内，然后关闭 流体压力产生装置27；

步骤四：开启加热系统，开始加热，热量通过热传导将低压的流体加热，热的流体再通 过热传导将十字形试验件24进行加热至设定的温度；

步骤五：开启数据采集及处理装置31，及时处理实时数据，开启流体压力产生装置27， 按照设定的压力调节流体压力产生装置27产生持续的高压流体作用在十字形试验件24上， 同时开启冷却系统，对箱体17进行适当的冷却，防止箱体17及箱体17外表面上的压力传感 器、温度传感器因温度过高而损坏；驱动主缸8对试验件24实施双向拉伸，并通过可视窗 32观察试验过程；

步骤六：拉伸试验完成，关闭加热系统和流体压力产生装置27，停止驱动主缸8，通过 驱动低压腔26内的活塞杆向后移动，对工作腔11进行泄压；

步骤七：继续冷却，待箱体17温度接近常温，关闭冷却系统；打开箱体盖12，取出试 验件24，打开出油口2的端盖20，将工作腔11内的流体排出并收集起来，试验完成。