一种聚合物材料室高温多轴循环试验装置

摘要

本发明公开了一种聚合物材料室高温多轴循环试验装置，与MTS万能材料试验机和基于图像相关的三维全场应变测量系统DIC配合使用，具有特殊形状的试样5与加热电阻丝17和热电偶探头16安装在一起夹到MTS万能材料试验机夹具上，经温控组件6控制试样5的温度进行试验；可用于实施聚合物材料在不同温度下的循环变形行为研究。本发明为聚合物材料在不同温度下的多轴循环变形行为研究提供了一种试验设备，通过DIC方法能够得到试样表面的三维全场应变响应，应变的测量为非接触式的DIC方法有效地保证了试样表面的完整性。温控组件与MTS控制系统相连，MTS控制系统与DIC控制系统相连，达到了数据同步采集的目的。

说明书

技术领域

本发明属于聚合物材料力学性能测试技术领域，尤其是聚合物材料的多轴 棘轮或疲劳行为试验领域。

背景技术

近几十年来，聚合物材料因其具有良好的机械力学性能，质轻，韧性好， 透明等特点而被广泛应用于机械，医疗，航空，汽车等行业。很多学者已经对 各种常见的工程聚合物材料进行大量的试验和理论方面的研究。由于作为工程 构件组成材料在服役过程中必然经受各种不同的荷载和温度的作用，因此对不 同温度下材料在不同加载路径下的变形行为的试验研究对构件的设计及安全 性评价有非常重要的意义。目前有些学者也进行过相关的试验，但现有的试验 方法有诸多不足：

1)传统的试验在获得不同温度时是通过将试样置于一个密闭的环境箱中， 应变的响应要么通过位移和转角的响应结合试样的几何尺寸换算，要么通过多 轴引伸计卡到试样上获取，前者精度不高后者会对试样表面造成伤害导致试样 过早破坏。

2)传统的试验方法无法获得试样表面的应变场的演化，特别是在试样即 将破坏颈缩的过程中，传统的应变测量方法无法捕捉颈缩区域的真实应变。

发明内容

鉴于上述现有技术不足，本发明的目的是建立一种基于MTS万能材料试 验机和DIC三维全场应变测量系统平台的聚合物材料在不同温度环境下的多 轴循环试验装置。使被测试样能够在敞开环境中升温到试验温度并保持温度不 变，从而能够方便的利用DIC系统测量试样表面的应变；通过各个系统间的关 联使其能够方便地采集和处理试验数据。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

一种聚合物材料室高温多轴循环试验装置，用于与MTS万能材料试验机 和全场应变测量系统DIC配合实施聚合物材料在不同温度下的多轴循环变形 行为试验,其特征在于,具有特殊形状的试样5与加热电阻丝17和热电偶探头16 安装在一起夹到MTS万能材料试验机夹具上，经温控组件6控制试样5的温 度进行试验；MTS控制器2控制加载路径并采集温度和力信号，DIC控制系 统4控制照相机3采集试样5的表面图像并用于应变的后处理分析。

所述试样5为空心哑铃状薄壁管；上下两个钢制堵头12和13，上堵头12 有三个贯穿的小孔，小孔内有加热导线15和热电偶线14穿过；上堵头12的 下端有一热电阻丝17和一热电偶探头16分别用于加热和测温；两个钢制堵头 的长度之和小于试样5的长度,堵头和试样装配之后,试样5中部未填入堵头的 部位构成试样被测试段19,试样被测试段19为管状,其中空空间用于盛放导热 介质,加热电阻丝17和热电偶探头16将沉浸于导热介质中；温控组件6控制加 热电流的通断实现控温。

采用本发明的结构，聚合物材料试样5被加工成哑铃状薄壁管，下堵头13 将试样5下端堵住，其作用是保证试样中的导热介质(水或油)不漏出而且提 供足够的刚度使得试样不被试验机夹具夹扁；上堵头12中有三个并列的贯穿 其长度方向的小孔，以供供电导线15和热电偶线14穿入，导线15在穿过上 堵头12之后接到一个加热电阻丝17上；热电偶线14穿过上堵头12之后连接 一个K型热电偶探头16上；工作时，热电阻丝17上通电之后生热，热量传 导到试样被测试段导热介质中使导热介质升温；温控仪通过热电偶探头16实 时监测导热介质的温度，当温度达到温控仪设定的目标温度值时，温控仪发出 信号给固态继电器断开热电阻丝上的电流；当导热介质的温度降低到低于温控 仪上设定的目标温度值时，温控仪上发出信号给固态继电器接通电源给热电阻 丝17加热，以此循环控制从而达到控制导热介质的温度于某一指定温度值。 导热介质充满试样5的试样被测试段内部，从而试样内表面的温度与导热介质 的温度一致，由热扩散效应导致试样内部的热量往外部扩散，从而达到加热试 样的目的；试样测试段的外部贴有一个外热电偶探头18用于采集并监测试样 表面的温度。试样内外表面会有一定的温差，而且温差的大小跟试样的厚度和 环境温度有关，但只要试样壁厚足够小，温差就可以忽略不计；

该发明所能加热的温度与所使用的导热介质有关，当使用水为导热介质时， 加温不能加热超过水的沸点温度；当使用植物油作为导热介质时，由于油的沸 点温度比水高很多，加热温度可以达到两百摄氏度左右，对于聚合物材料来说， 一百摄氏度度左右的温度已经包含大多数材料的工作温度极限，故该发明的加 温装置能够满足大部分聚合物材料的高温多轴试验要求。

附图说明：

图1本发明试验装置所述系统的整体结构示意图。

图2本发明试验装置的试样、堵头及加热电阻丝的装配示意图。

图3本发明试验装置测得的某一聚合物材料在不同温度下的单轴应力应变曲 线。

图4本发明试验方法测得多轴应力路径控制下的应变响应结果。

具体实施方式

下面通过附图，对本发明的装置做进一步的详述。

图1给出了该发明试验方法的整个系统示意图，整个系统主要有三个大部 分组成，分别MTS试验机1、DIC全场应变测量系统4和温度控制组件6；工 作过程如下：直流电源用于给加热电阻丝供电加热，固态继电器用于通断加热 电流，两个温控仪分别用于控制导热介质的温度和监测试样表面温度，两个变 送器分别将试样内部导热介质的温度和试样变面的温度传送到MTS控制系统 2；DIC系统的照相机3由控制系统实时拍摄试样的变形过程用于应变的后处 理。

图2给出了试样5的几何形状和上堵头12和下堵头13的结构，以及加热 电阻丝17和两个热电偶16和18所处的位置，以及各个部件装配之后的示意 图，按图2所示将各个小部件安装之后即可装到MTS试验机的夹具上进行试 验。

图3给出了用该装置对某一种聚合物材料(聚碳酸酯)进行不同温度下的 试验的应力应变曲线，其结果跟文献查询到的结果规律一致。

图4给出了用本发明装置对某一聚合物材料(聚碳酸酯)在65摄氏度下 进行应力控制非比例多轴试样的应变响应结果，可以看到应变响应的明显棘轮 效应，跟预期的结果一致。

应用实施例

本实例测试的聚合物材料为聚碳酸酯，在工程中应用时中，其工作温度一 般低于100摄氏度，故可以以水作为导热介质19，以聚碳酸酯材料制成试样5 进行试验验证发明的有效性。

按图1的方式接好线之后，进行了两类试验，第一类是不同温度下的单轴 拉伸卸载试验，装好试样5之后先将温控仪8的目标温度设定到指定的试验温 度并保持恒温10分之让试样达到温度平衡，接着MTS控制系统2发出指令对 试样进行拉伸，与此同时DIC控制系统4发出指令让照相机3设定好的频率拍 摄图像。试验完成后在DIC控制系统4上用系统自带的分析软件进行后处理即 得到应力应变曲线；依次换上新的试样，进行同样的操作，只是设定不同的目 标温度值，就得到不同温度下的应力应变曲线，试验结果已在图3中给出，经 分析该结果符合规律。

第二类试验是多轴应力控制循环试验，与第一类同样的方法安装试样并设 定温度之后，用MTS控制系统编制多轴控制程序进行试验，应变响应的结果 如图4所示，由于非比例多轴应力控制在轴向方向有非零平均应力，从而应变 的响应力看到明显的棘轮效应，该结果符合规律。

通过该实例的验证表面本发明的聚合物材料不同温度下的多轴循环试验方法 有效可行。