高温真空环境下测试导体材料力学性能的系统及测试方法

摘要

本发明提供了一种高温真空环境下测试导体材料力学性能的系统及测试方法，解决了高温应变测量困难、试样加热效率低等问题。系统，包括高温变形测试子系统、温控子系统和加载子系统，拉伸过程在真空环境舱中进行，试样通过力学试验机加载，本方法利用焦耳效应，将材料放入真空环境舱中，常温绝对真空度可达0.025Pa，通过对导体材料通入低压大电流，实现对试样的快速加热，在达到目标温度后，进行加载，同时采用DIC应变测试技术，对高温变形场进行数据采集，得到整个试样标距段的应变场和试样的位移‑载荷曲线，通过后续的数据处理，得到试样的高温拉伸/压缩模量和拉伸强度。本发明具有升温速率快，温度场均匀，变形测量精度高等优点。

说明书

技术领域

本发明属于材料高温力学性能测试技术邻域，具体涉及一种高温真空环境下测试导体材料力学性能的系统及测试方法。

技术背景

随着现在空天技术的发展，高超声速飞行器得到了许多国家的高度重视。高超声速飞行器在稠密大气层中飞行时，与空气产生剧烈的摩擦作用，飞行器的大部分动能转化为热能，致使端头温度急剧升高。根据初步气动热环境估算，端头再入气动加热在2500℃(滑行12000km)，大面积再入气动加热温度介于400-1100℃之间。为保证飞行器的安全，其热防护系统的材料在高温下必须保持一定的承载能力。建立测试材料在高温环境下拉伸强度和模量的方法对于科学表征材料的力学性能具有重要作用。

目前，测试材料在高温环境下的力学性能存在一定的难度。长春试验机研究所的辛宝森在《2500℃高温真空拉伸炉研究报告》中采用辐射式加热和高温引伸计实现了高温环境下材料拉伸性能的测试，由于辐射加热时间较长，因此试验效率较低。张贵清在《一种可控环境高温力学试验机》中采用辐射式加热，实现了材料在1500℃-1600℃的力学性能测试，测试气氛可控，但未涉及应变的测量。周子源在《小型超高温力学性能测试装置》中，采用通电式加热，实现超高温陶瓷材料在大气环境下力学性能的测试，但是无法实现材料在高温真空环境下力学性能和应变的测量。还有其他学者在这方面也做了相关研究。在加热上，主要有通电加热，感应加热和辐射加热，辐射加热升温速率较慢，效率较低，而且控温不够精确，反应较慢；感应加热一般将试样放入线圈中心，然后在线圈上通入中、高频交流电，实现感应加热。这种方法的优点是升温较快，温度场较均匀，缺点是无法实现对试样整个变形场的测量。在温度测量上，一种是采用热电偶测量材料所处环境温度或者直接测量材料表面温度，前者测量的是环境温度而不是材料温度，导致温度测量的不准确；后者由于热电偶与材料表面接触，从而影响材料本身的力学性能和温度场。在应变测量上，多是采用高温引伸计，由于引伸计与材料侧面接触，也会对材料的力学性能和温度场造成影响。

发明内容

基于以上的不足之处，本发明公开一种高温真空环境下测试导体材料力学性能的系统，实现材料在600℃-3000℃温度范围的高温拉伸、压缩强度和模量等力学性能的测试，解决了目前材料在高温力学性能测试中，升温速率慢，测温不精确，应变测量困难，材料被氧化等问题。

本发明目的通过以下技术方案实现：一种高温真空环境下测试导体材料力学性能的系统，包括高温变形测试子系统、温控子系统和加载子系统，

高温变形测试子系统包括两个CCD相机、蓝色光源和第一计算机，两个CCD相机通过数据线与第一计算机相连，蓝色光源用于在采集图像数据的过程中补充单色蓝光，同时在两个CCD相机的镜头前加窄带的蓝色滤光片，第一计算机记录并保存两个CCD相机采集到的图像数据；

温控子系统包括双比色高温计、电极、温控箱和第二计算机，双比色高温计通过光纤和温控箱相连，电极通过通电线与温控箱相连，温控箱与第二计算机连接，双比色高温计将测量的温度数据通过温控箱反馈给第二计算机，第二计算机使用PID控制程序通过温控箱调节输出电流的大小，对试样温度进行调节，保证试验过程中温度的稳定；

加载子系统包括力学试验机、高温夹具、真空环境舱，高温夹具在真空环境舱内，高温夹具与力学试验机的连杆相连接，真空环境舱与力学试验机的连杆通过密闭的金属波纹管连接，拉伸或压缩过程在真空环境舱中进行，真空环境舱前后留有石英玻璃窗口，高温夹具夹持试样，试样通过力学试验机加载，第二计算机采集并记录试验过程中的位移和载荷数据。

本发明还具有如下技术特征：所述的两个CCD相机的位置关于试样呈对称分布，两个CCD相机夹角为20℃。

本发明的另一个目的是为了测试导体材料在高温下的力学性能，采用非接触式的高温变形测试技术，建立测试材料高温真空环境下的拉伸、压缩模量和高温力学强度的方法。

本发明目的通过以下技术方案实现：一种高温真空环境下测试导体材料力学性能的测试方法，如下：

(1)采用毛刷喷溅的方式给材料表面制作高温散斑，先在常温下干燥，再在干燥箱92℃环境中干燥2小时；检查试样外观，编号并记录试样表面状态，用卡尺测量试样标距区任意3处宽度和厚度，取平均值；安装试样，保证试样轴线和试验机的连杆轴线重合；

(2)调整双比色高温计的上中下三段，使其指示激光分别打在试样的上中下三段，并保证紧固不晃动；调整两个CCD相机的位置关于试样呈对称分布，两个CCD相机夹角为20℃，同时调整蓝色光源，使试样在第一计算机的显示器中的大小，曝光清晰；

(3)去除预载荷，关闭真空室门、进气阀和放气阀；抽真空，当真空环境舱的真空度达到试验要求后，力学试验机的测力传感器清零，采用位移控制，速率为2mm/min，对试样进行预加载200N，并使其在升温过程中预载荷保持不变，以保证试样与夹具的紧密接触；

(4)打开电极开关，启动升温，升温速率为20℃/s，等温度达到目标温度后，按位移加载，加载速率为1mm/min，直至试验结束；

(5)试验结束后，关闭加热电源，结束温度控制，保存位移、载荷数据，CCD相机的图像数据；

(6)对图像数据进行灰度化处理，将每帧图像转化为一个矩阵，矩阵中数值的位置对应相应像素点的位置，数值大小对应相应灰度值；

(7)对图像区域划分为不同的单元网格，每个单元的尺寸为(2M+1)×(2M+1)，2M+1代表单元的宽度，单位为像素，子区中心点坐标(x₀,y₀),其相邻一点为(x_i,y_i),变形后坐标分别变为(x′₀,y′₀),相邻一点为(x′_i,y′_i)，f(x_i,y_i)为参考图像子区中点(x_i,y_i)的灰度值，g(x′_i,y′_i)为变形后图像子区中点(x′_i,y′_i)的灰度值.P点水平位移为u，竖直位移为v，Q点水平位移为u_Q,竖直位移为v_Q，两者位移之间的关系为：

Δx＝x_i-x₀,Δy＝y_i-y₀

Q点变形前后坐标之间的关系为

x′_i＝x_i+u_Q,y′_i＝y_i+v_Q

采用如下相关函数：

设由以上关系，得到

C(x_i,y_i,x′_i,y′_i)＝C(P)

通过迭代算法，确定P值，即位移场；

(9)得到位移场后，通过形函数，得到相关应变场：

其中以上分别为x方向应变，y方向应变和x-y面的剪应变；

(10)通过以下公式计算平均应变和拉伸、压缩模量，并绘制应力应变曲线：

其中，n为像素点数，ε_i为第i个像素点的应变值，为场平均应变，为场平均应变的增量，Δσ为相应的应力增量，E为高温下的弹性模量。

本发明试验效率高，实现了试样在室温到3000℃温度范围的应变全场测试、高温拉伸、压缩强度和模量测试。具有测量精确，稳定性好的优点，对表征和评价材料在高温真空环境下的力学性能具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是C/C材料1000℃单轴拉伸全场应变图；

图3是C/C材料1000℃单轴拉伸应力应变曲线图；

图4是两个CCD相机与试样的位置关系俯视图；

图5是试样变形前后子区对比图；

图6是C/C材料1200℃单轴压缩全场应变图；

图7是C/C材料1000℃单轴压缩应力应变曲线图。

具体实施方式

下面根据说明书附图举例对本发明做进一步说明：

实施例1

如图1、4所示，一种高温真空环境下测试导体材料力学性能的系统，包括高温变形测试子系统、温控子系统和加载子系统，

高温变形测试子系统包括两个CCD相机1、LED蓝色光源2和第一计算机3，两个CCD相机1通过数据线与第一计算机3相连，LED蓝色光源2用于在采集图像数据的过程中补充单色蓝光，同时在两个CCD相机1的镜头前加窄带的蓝色滤光片，第一计算机3记录并保存两个CCD相机1采集到的图像数据；

温控子系统包括双比色高温计4、电极5、温控箱6和第二计算机7，双比色高温计4通过光纤和温控箱6相连，电极5通过通电线与温控箱6相连，温控箱6与第二计算机7连接，双比色高温计4将测量的温度数据通过温控箱6反馈给第二计算机7，第二计算机7使用PID控制程序通过温控箱6调节输出电流的大小，对试样温度进行调节，保证试验过程中温度的稳定；

加载子系统包括力学试验机8、高温夹具9、真空环境舱10，高温夹具9在真空环境舱内，高温夹具9通过螺纹与力学试验机8的连杆相连，真空环境舱10与力学试验机8的连杆通过密闭的金属波纹管连接，拉伸或压缩过程在真空环境舱10中进行，真空环境舱10前后留有石英玻璃窗口11，高温夹具9夹持试样，试样通过力学试验机加载，第二计算机7采集并记录试验过程中的位移和载荷数据，真空环境舱10壁和高温夹具9为中空设计，试验过程中通入循环冷却水，降低真空环境10舱壁和高温夹具的温度。所述的两个CCD相机1的位置关于试样呈对称分布，两个CCD相机1夹角为20℃。

实施例2

采用实施例1的系统得出的一种高温真空环境下测试导体材料力学性能的测试方法，如下：

(1)采用毛刷喷溅的方式给材料表面制作高温散斑，先在常温下干燥，再在干燥箱92℃环境中干燥2小时；检查试样外观，编号并记录试样表面状态，用卡尺测量试样标距区任意3处宽度和厚度，取平均值，并记录数据如表1；安装试样，保证试样轴线和试验机的拉力轴线重合；

表1

(2)调整双比色高温计的上中下三段，使其指示激光分别打在试样的上中下三段，并保证紧固不晃动；调整两个CCD相机的位置关于试样呈对称分布，两个CCD相机夹角为20℃，同时调整LED蓝色光源，使试样在第一计算机的显示器中的大小，曝光清晰；

(3)去除预载荷，关闭真空室门、进气阀和放气阀；抽真空，当真空环境舱的真空度达到试验要求后，力学试验机的测力传感器清零，采用位移控制，速率为2mm/min，对试样进行预加载200N，并使其在升温过程中预载荷保持不变，以保证试样与夹具的紧密接触；

(4)打开电极开关，启动升温，升温速率为20℃/s，等温度达到目标温度后，按位移加载，加载速率为1mm/min，直至试验结束；

(5)试验结束后，关闭加热电源，结束温度控制，保存位移、载荷数据，CCD相机的图像数据，如图2所示；

(6)对图像数据进行灰度化处理，将每帧图像转化为一个矩阵，矩阵的位置为像素点的位置，值为相应灰度值；

(7)如图5所示，对图像矩阵划分为不同的单元网格，每个单元的尺寸为(2M+1)×(2M+1)，2M+1代表单元的宽度，单位为像素，子区中心点坐标(x₀,y₀),其相邻一点为(x_i,y_i),变形后坐标分别变为(x′₀,y′₀),相邻一点为(x′_i,y′_i)，f(x_i,y_i)为参考图像子区中点(x_i,y_i)的灰度值，g(x′_i,y′_i)为变形后图像子区中点(x′_i,y′_i)的灰度值.P点水平位移为u，竖直位移为v，Q点水平位移为u_Q,竖直位移为v_Q，两者位移之间的关系为：

Δx＝x_i-x₀,Δy＝y_i-y₀

Q点变形前后坐标之间的关系为

x′_i＝x_i+u_Q,y′_i＝y_i+v_Q

采用如下相关函数：

设由以上关系，得到

C(x_i,y_i,x′_i,y′_i)＝C(P)

通过迭代算法，确定P值，即位移场；

(9)得到位移场后，通过形函数，得到相关应变场：

其中以上分别为x方向应变，y方向应变和x-y面的剪应变；

(10)如图3所示，通过以下公式计算平均应变和拉伸模量，并绘制应力应变曲线：

其中，n为像素点数，ε_i为第i个像素点的应变值，为场平均应变，为场平均应变的增量，Δσ为相应的应力增量，E为高温下的弹性模量。

实施例3

本实施采用的试验方法同实施例2，不同的是采用力学试验机对试样进行压缩，得到的结果如图6和图7所示，试验数据结果如表2所示：

表2