一种用于小直径管材的高温力学性能测试装置及方法

技术领域

本发明涉及材料力学性能测试技术领域，特别地涉及一种用于小直径管材的高温力学性能测试装置及方法。

背景技术

随着材料小型化的发展，特别是在电子设备、医疗器械和微电机系统中材料小型化的需要，于是对材料的性能测量尤为重要。目前国内外在高温时的管材力学性能的评估方法主要为炉内加热拉伸方法。

炉内加热拉伸实验方法，通常是在拉伸机上装上加热炉采用电炉加热，热电偶作为温度传感器检测试样温度。炉内加热的加热速率很低且高温炉内加热具有一定的滞后性，由于加热效率低会导致加热时间过长进而导致材料微观组织出现一定的变化，因此会导致拉伸实验出现不确定性。大部分炉内应变测量采用接触式引伸计，仅能测量其应力应变曲线但无法准确表达其应变场，且在颈缩阶段测量时误差较大。大管径管材一般采用管材切片的形式进行拉伸以测定其力学性能，小管径材料由于其管材切片困难，因此难以进行切片处理。

现有小管状材料的力学性能测试方法多存在实验结果缺乏精准性，在高温时无法准确测量材料的力学性能。因此，提出一种用于小管状材料的电加热辅助测量力学性能的测试方法，采用基于激光散斑的数字图像相关法测量其拉伸时的全应变场，来解决现有技术存在的困难，是本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题与缺陷，本发明提出了一种用于拉伸机的电加热辅助测量圆管力学性能的测试方法，能够夹持管材且能快速升温到指定温度进行拉伸实验，且采用非接触式的激光散斑测量应变，运行可靠稳定，大大减少了人工调整的成本和时间浪费，可广泛应用于小型管材的力学性能测试中。

本申请提出了一种用于小直径管材的高温力学性能测试装置，包括可编程电源、PID控制器、热成像仪、高速相机、激光源、夹持夹具；所述可编程电源连接PID控制器并与夹持夹具的电极相连；所述PID控制器与热成像仪和可编程电源相连；所述热成像仪与PID控制器相连，且正对拉伸试样表面，测量实时温度；所述高速相机正面拍摄拉伸过程中试样的变化，所述激光源发射的激光与相机中轴线成一定角度，照射在试样表面。

优选地，所述夹持夹具包括连接件、绝缘板、冷凝管、电极和管材放置件。

优选地，夹持夹具不通电一侧包括连接件A、绝缘板A、管材放置件A，冷凝管拼接在管材放置件A的四周；夹持夹具通电一侧包括连接件B、绝缘板B、电极、管材放置件B，冷凝管拼接在管材放置件B的四周。

优选地，管材放置件能够根据管材直径大小不同而进行更换，冷凝管内有用于散热的液体。

优选地，小直径管材两端采用相同的夹持夹具。

一种用于小直径管材的高温力学性能测试方法，利用权利要求1所述的用于小直径管材的高温力学性能测试装置，拉伸试验开始前在管材一侧喷上深色涂料以提高热成像仪测量温度的准确性，并预先在PID控制器中设置所需要的拉伸温度；可编程电源根据PID控制器的控制，提供能量使试样达到指定温度，根据热成像仪的显示，当达到预定温度时开始拉伸；当拉伸开始时，相机按照预先设定的帧数拍照，直至拉伸结束；使用计算机对拉伸过程中拍摄的照片进行分析。

优选地，通过PID控制器，控制传递到夹持夹具上的电极电流大小，进而控制试样温度，能够在60秒内使试样温度上升至500摄氏度以上。

优选地，拉伸开始前，激光源发射激光在拉伸试样表面，激光照射在具有一定粗糙度的试样表面进行散射，形成激光散斑；平行激光束从试样表面散射后在散射场内形成的散斑，相较于在试样表面喷漆形成的人工散斑，其不受温度、大变形的影响而产生氧化、变色和脱落，作为非接触式的测量工具，激光散斑无需喷漆，可减小人工散斑因喷漆厚度而造成的测量误差。

优选地，通过设置连拍的帧数来拍摄实验时的拉伸情况，并对其拍摄的照片进行数字图像相关法的计算，来获取拉伸试样的应变和全应变场。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

本发明提供的一种用于小直径管材的高温力学性能测试装置及方法，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：

系统由于采用电加热，所以加热速率可以达到在60s内达到500摄氏度以上，且拉伸试样温差在误差控制范围内；在试样拉伸过程中可以实现变温控制，且可以设定变温速率；可以对管材进行高温拉伸试验，对其进行基于激光散斑的分析得到试样拉伸过程中的应变和全应变场。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1为本发明的各种设备连接示意图；

图2为本发明中夹持夹具的结构示意图；

图3为本发明中夹持夹具的连接件结构图;

图4为本发明中夹持夹具的绝缘板结构图;

图5为本发明中夹持夹具的管材放置件结构图;

图6为本发明中夹持夹具的电极结构图；

图7为本发明中夹持夹具上的冷凝管放置件图；

图8为本发明实施例提供的镁合金加热时间图；

图9为本发明实施例提供的镁合金名义应力应变曲线图；

图10为本发明实施例提供的镁合金不同应变阶段的全应变场图。

图中：01-连接件A、02-绝缘板A、03-冷凝管、04-管材放置件A、05-电极、06-电线。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

本发明提出的一种基于拉伸机的电加热辅助测量管材力学性能的测试方法，包括可编程电源、PID控制器、热成像仪、高速相机、激光源、夹持夹具和电脑，连接方式如图1所示，具体连接方式为：所述可编程电源连接PID控制器并与夹持夹具中电极上的接孔相连，所述PID控制器与热成像仪和可编程电源相连接，所述热成像仪与PID控制器和电脑相连且正对拉伸试样表面测量实时温度，所述高速相机置于在热成像仪与拉伸试样正对面用于拍摄拉伸过程中试样的变化，所述激光源置于相机侧边成一定角度照射在拉伸试样表面，所述夹持夹具由连接件、绝缘板、管材放置件和电极依次拼接，所述电脑用于实时观测热成像仪所测温度并进行基于激光散斑的数字图像相关法分析。

如图2所示，夹持夹具依次包括连接件A、绝缘板A、冷凝管、管材放置件A、电极、管材放置件B、绝缘板B、连接件B。如图3所示，连接件包括连接头和连接板。如图4所示，绝缘板的4个顶角设置有与连接件匹配的连接孔，绝缘板中央设置有与管材放置件匹配的连接孔。

在一个实施例中，管材两端被两块管材放置件夹持固定，如图5所示，管材放置件的不同表面设置有不同弧形槽。优选的，管材放置件周边面积较小的四个平面设置有相对深度（深度÷弧形槽半径）较大的弧形槽a、b、c、d，弧形槽a、b、c、d被中间的凹槽截成两段，中间的凹槽深度大于等于弧形槽a、b、c、d的深度。管材放置件前后方向的两个平面上，设置有相对深度（深度÷弧形槽半径）较小的弧形槽e、f，弧形槽e为整体弧形槽，由上至下整体贯穿管材放置件表面。如图6所示，电极为铜板材料，其上设置有连接孔。如图7所示，冷凝管放置件一侧设置有与管材放置件弧形槽a、b、c、d相同的结构，用于夹持冷凝管。冷凝管通入液体进行散热，避免因温度过高导致其他的零件损坏。

在一个实施例中，热成像仪位于管材一侧，高速相机、激光源位于管材另一侧。

在一个实施例中，夹持夹具不通电的一侧由连接件、绝缘板、管材放置件依次拼接而成，且冷凝水管拼接在管材放置件的四周；其通电一侧由连接件、绝缘板、电极、管材放置件依次拼接而成，且冷凝水管拼接在管材放置件四周。

在一个实施例中，通过照射，在试样表面获取试样实时温度，并通过电脑实时查看，且将获取的实时温度传输到PID控制器进行实时控制。

在一个实施例中，将热成像仪传输的温度数据与预先设置的温度数据进行对比，并通过控制可编程电源的电流大小来对试样实时温度进行控制。

在一个实施例中，通过PID控制器的数据，控制传递到夹持夹具上的电极电流大小，进而控制试样的温度，且该电流能够在60秒内使试样温度上升至500摄氏度以上。

在一个实施例中，发射激光在拉伸试样表面，激光照射在具有一定粗糙度的试样表面进行散射，形成激光散斑。

在一个实施例中，通过设置连拍的帧数来拍摄拉伸时实验时的拉伸情况，并对其拍摄的图片进行数字图像相关法的计算，拉获取拉伸试样的应力应变和全应变场。

在一个实施例中，将组合好的夹持夹具装在拉伸机的卡盘上并依次将管材和各设备组装上。当拉伸试验开始前，需要用测电笔检测是否漏电以确保安全，在管材一侧喷上黑漆以提高热成像仪测量温度的准确性，并预先在PID控制器中设置所需要的拉伸温度。开始时可编程电源根据PID控制器的控制提供能量使试样达到指定温度，根据热成像仪的显示当达到温度时可以开始拉伸。当拉伸开始时相机同时开始按照预先设定的帧数拍照直至拉伸结束时截至。后续使用电脑开始对拉伸过程中拍摄的照片进行数字图像相关法分析。

本次拉伸实验采用外径为6mm，内径3.8mm的镁合金管，设置的初始拉伸应变速率为0.01/s。在100和400摄氏度下进行拉伸，并分别对视频引伸计和数字图像相关法得到的数据进行对比以验证其准确性。温度时间曲线如图8所示，可以看到在50s内该材料达到相应温度且稳定下来。由图9可知镁合金管在100和400摄氏度时由视频引伸计和数字图像相关法所测试的名义应力应变完全一致且在400摄氏度条件下数字图像相关法在大塑性下仍然可以测量其名义应变。由图10可以看到该管材管内变形不均匀，颈缩后尤为明显，这表明了名义应力应变曲线不能完全表达材料力学特性，需要全应变场图辅助阐明材料特性及变形行为。

本发明提供的一种基于拉伸机的电加热辅助测量管材力学性能的测试方法有益效果在于：系统由于采用电加热因此加热速率可以达到10摄氏度/秒，且试样温差在误差控制范围内；在试样拉伸过程中可以实现变温控制，且可以设定变温速率；可以对管材进行高温拉伸试验，对其进行基于激光散斑的数字图像相关法分析得到试样拉伸过程中的应力应变和全应变场。

综上所述，本发明提供的一种用于拉伸机的电加热辅助测量圆管力学性能的装置集温度调节、控制与保持于一体，模块化拆卸及组装，采用电能辅助直接在试样上通电加热，高效且快捷，超越了传统的加热模式。加入了夹持夹具，可以直接夹持管材实现拉伸试验，避免了对管材进行切片进行拉伸试验而引起的误差。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。