材料低温力学性能测试装置及测试方法与流程

本发明涉及材料力学性能测试，具体涉及一种材料低温力学性能测试装置及测试方法。

背景技术：

1、在航空航天、氢能利用、可控核聚变、深空探测、极地科考等领域，材料需要承受极端的低温环境。在不同的温度下，材料的力学性能(如强度、韧性、硬度等)可能会有显著变化。通过在超低温条件下进行力学试验，可以更全面地了解材料的性能，确保其在实际应用中的安全性和可靠性。

2、然而对于低温下的力学性能测试，还存在一定的限制，该限制主要是由于材料低温力学性能测试装置不完善而导致的。示例性的，在相关技术中为了获取材料低温力学性能数据，通常会使用高低温环境箱以及力学试验机对相关材料进行低温力学性能的测试。但是，采用液氮制冷的高低温环境箱最低温度为-70℃。因此若继续采用相关技术中的材料低温力学性能测试装置，则无法准确获取材料在更低温度下的真实低温力学性能信息。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种材料低温力学性能测试装置及测试方法，以解决相关技术中的材料低温力学性能测试装置提供的低温温度范围有限，导致无法获取更加全面的材料低温力学性能信息的问题。

2、第一方面，本发明提供了一种材料低温力学性能测试装置，包括：

3、底座；

4、支撑框架，设置于所述底座上，所述支撑框架包括上横梁、中横梁以及至少两个相对设置的支撑杆，所述上横梁固定设于两个所述支撑杆的上端，所述中横梁位于所述上横梁的下方并可滑动地设于两个所述支撑杆之间；

5、测试工装，包括固定部和移动部，所述固定部与所述上横梁相连接，所述移动部与所述中横梁相连接；通过所述中横梁能够调节所述移动部与所述固定部之间的距离；

6、施力部件，设置于所述固定部与所述移动部之间，用于向待测件施加载荷；

7、杜瓦罐，通过升降机构设置于所述底座上并与所述测试工装相对设置，所述杜瓦罐的内部形成用于容纳所述测试工装的腔体，所述腔体内设有加热元件。

8、有益效果：相较于利用高低温环境箱对待测件进行降温，本发明利用杜瓦罐并配合升降机构以及加热元件对待测件进行降温，能够将待测件的自身温度调整为-196℃到室温之间的任意温度，随后通过移动中横梁改变移动部与固定部之间的距离，即调整施力部件施加在待测件上的载荷，便可以获取待测件在该温度下的低温力学性能信息，从而可以进一步完善该待测件的低温力学性能数据库，进而为后续的研究和应用提供了重要参考。

9、在一种可选的实施方式中，所述中横梁和所述移动部位于所述上横梁和所述固定部之间，所述上横梁和所述固定部通过第一连接杆相连接，所述第一连接杆穿设于所述中横梁和所述移动部内。

10、有益效果：本发明将第一连接杆穿设于中横梁和移动部的内部，能够避免第一连接杆与中横梁以及移动部发生干涉的同时，保证移动部可以在中横梁的带动下灵活地调整与固定部之间的距离，即可以灵活地调整施加在待测件上的载荷。此外，通过第一连接杆与支撑杆之间的配合，能够进一步地限定中横梁以及移动部的运动方向，提高了中横梁以及移动部的运动稳定性。

11、在一种可选的实施方式中，所述固定部包括上固定部和下固定部，所述移动部包括上移动部和下移动部，所述上固定部和所述下移动部位于所述上移动部和所述下固定部之间；所述上固定部和所述下固定部通过多个间隔设置的第二连接杆相连接，所述上移动部和所述下移动部通过多个间隔设置的第三连接杆相连接，所述第三连接杆与所述第二连接杆错位设置；其中，所述上固定部通过第一连接杆与所述上横梁固定连接，所述第一连接杆穿设于所述中横梁和位于所述上移动部内，所述第一连接杆与所述上横梁之间设有力传感器；所述上移动部与所述中横梁相连接；所述施力部件为压头，所述压头设置于所述下移动部的下表面，所述压头用于对待测件进行压缩或折弯。

12、有益效果：本发明通过设置两个固定部以及两个移动部，同时配合多个第二连接杆以及多个第三连接杆，能够确保第一连接杆进行低温压缩测试时只受拉向力，降低其测试过程中弯曲变形的概率，提高了测试装置的可靠性。此外，当中横梁向下移动时，压头会将压缩载荷加载至待测件上，与此同时，下固定部会受到与压缩载荷相等的拉伸载荷，随后通过第一连接杆将拉伸载荷传递至力传感器，便可以让工作人员直观地了解到施加在待测件上实时压缩载荷的情况，进而可以准确地获取待测件的低温压缩性能信息。

13、在一种可选的实施方式中，所述下固定部的上表面设有一对间隔设置的安装部，一对所述安装部的上方用于放置待测件；所述压头与一对所述安装部之间的间隙相对设置。

14、有益效果：本发明通过让一对安装部间隔设置，并让压头与一对安装部之间的间隙相对设置，如此，可以让工作人员利用本发明的材料低温力学性能测试装置对待测件进行三点弯曲测试，进而可以获取待测件在低温环境下的抗弯曲性能信息。

15、在一种可选的实施方式中，所述第二连接杆与所述下移动部滑动连接，所述第三连接杆与所述上固定部滑动连接。

16、有益效果：本发明通过让第二连接杆与下移动部滑动连接，让第三连接杆与上固定部滑动连接，不仅可以提高测试工装的结构稳定性，还可以让移动部更加平稳地进行移动。

17、在一种可选的实施方式中，所述移动部包括上移动部和下移动部，所述固定部位于所述上移动部和所述下移动部之间；所述上移动部与所述中横梁相连接，并通过多个间隔设置的第三连接杆与所述下移动部相连接；所述上横梁和所述固定部通过第一连接杆相连接，所述第一连接杆穿设于所述中横梁和所述上移动部内，所述第一连接杆与所述上横梁之间设有力传感器，所述固定部为设置在所述第一连接杆上的第一螺纹杆；所述施力部件为一对相对设置的夹持件，其中一个所述夹持件设置于所述固定部上，另一个所述夹持件通过第二螺纹杆设置于所述下移动部上，所述第二螺纹杆远离所述夹持件的一端穿出所述下移动部，并通过螺母固定于所述下移动部的下表面，一对所述夹持件用于对待测件进行拉伸。

18、有益效果：将待测件设置在一对夹持件之间，通过下移中横梁，下移动部上的夹持件便会向待测件施加拉伸载荷，如此，可以让工作人员利用本发明的材料低温力学性能测试装置对待测件进行低温拉伸测试，进而可以获取待测件在低温环境下的抗拉强度、屈服强度等信息。此外，将固定部设置为第一螺纹杆，能够提升安装和拆卸的便捷性。同理，位于下移动部上的夹持件通过第二螺纹杆和螺母安装在下移动部上，也可以增加安装和拆卸的便捷性。

19、在一种可选的实施方式中，所述中横梁与所述上移动部之间设有法兰盘和连接管，所述法兰盘通过紧固件与所述中横梁相连接，所述连接管的两端分别与所述法兰盘以及所述上移动部相连接，所述法兰盘与所述连接管均套设于所述第一连接杆外。

20、有益效果：本发明通过在中横梁与上移动部之间设置法兰盘和连接管，能够增加下固定部与中横梁之间的距离，从而可以确保测试工装能够完全浸没在杜瓦罐内的液氮中，并被液氮充分冷却。此外，通过在中横梁与上移动部之间设置连接管，可以让中横梁远离液氮液面，降低液氮的蒸发速度，保证液氮的降温效果。

21、在一种可选的实施方式中，所述杜瓦罐包括内筒体以及套设所述内筒体外的外筒体，所述内筒体内设有所述腔体，所述外筒体与所述内筒体之间形成真空夹层；所述真空夹层内设有活性炭以及高真空多层绝热材料(mli)。

22、有益效果：本发明通过在通过在外筒体与内筒体之间形成真空夹层，并在真空夹层内设置活性炭和高真空多层绝热材料，可以有效减少漏热，降低杜瓦罐内的液氮的蒸发速率。

23、在一种可选的实施方式中，还包括至少两个相对设置的丝杠以及与所述丝杠相连接的伺服电机，所述丝杠与所述支撑杆一一对应设置，所述丝杠的两端分别固定在所述上横梁与所述底座之间，所述丝杠穿过所述中横梁并与所述中横梁螺纹连接。

24、有益效果：本发明通过将丝杠与支撑杆一一对应设置，并通过伺服电机带动丝杠转动，能够让中横梁在支撑杆上以设定的速度平稳的上下移动，以便于对待测件施加载荷。此外，由于本发明中支撑杆可以用于限定中横梁的移动方向，因此不仅可以提高丝杠的传动效果，还可以简化测试装置的结构，降低生产成本。

25、在一种可选的实施方式中，所述支撑杆上设有用于与所述中横梁相抵接的限位结构。

26、有益效果：本发明通过在支撑杆上设置限位结构，能够让中横梁始终在设计的空间内进行移动，并防止其与其他结构发生干涉，从而损坏材料低温力学性能测试装置。

27、第二方面，本发明还提供了一种利用上述的材料低温力学性能测试装置进行材料低温压缩性能测试的方法，包括：

28、将粘贴了应变片或安装了引伸计的待测件安装放置于所述固定部与所述移动部之间，并通过移动所述中横梁使所述施力部件对待测件施加设定的预紧力；

29、将液氮从移动杜瓦注入所述杜瓦罐的腔体内；

30、若测试温度为-196℃，利用所述升降机构移动所述杜瓦罐直至将所述测试工装以及待测件完全浸没在所述杜瓦罐内的液氮中；

31、若测试温度为高于-196℃的某一温度值，利用所述升降机构移动所述杜瓦罐直至所述测试工装位于所述杜瓦罐内的液氮上方，并利用所述加热元件对液氮进行加热，通过蒸发的冷氮气将待测件的温度控制在-196℃至室温之间的某一设定温度；

32、待温度稳定后，通过工控机控制伺服电机转动带动丝杠转动及所述中横梁移动，对待测件进行载荷加载，通过所述应变片或所述引伸计记录待测件在不同位置处的应变值；

33、测试结束后，通过所述升降机构移动所述杜瓦罐直至待测件完全露出所述杜瓦罐，更换待测件并进行下一轮测试。

34、有益效果：本发明通过利用上述的材料低温力学性能测试装置进行材料低温拉伸、压缩、弯曲等力学性能测试，能够让研究人员获取材料在-196℃到室温范围内低温温度下的力学性能信息，满足低温材料和低温工程研究中涉及到的材料低温力学性能测试需求，进而便于研究人员对材料的低温抗拉、压、弯强度以及安全服役性能进行准确评估。同时，该装置测试工装拆装更换方便快捷，可根据力学性能测试需求和低温力学性能测试相关国标和美标，更换针对不同测试项目和测试试样的专用夹具工装，如低温压缩、低温拉伸、低温三点弯曲、低温疲劳裂纹扩展速率、超导线材/带材工装，进行不同项目的低温力学测试，并可以根据非标试样设计相匹配的测试工装，模拟和测试材料在极端低温条件下的性能，为各种低温应用场景提供可靠的材料选择和技术支持。总之，本发明能够模拟材料在极低温度下的工作环境，对于研究材料在空间或极地等低温环境中的性能变化具有重要意义。液氮的汽化热非常高，能够提供良好的热隔离环境，确保试验样品的温度稳定。通过精确控制制冷温度，可以在特定的温度点进行材料性能测试，得到更准确的数据。液氮的制冷效率高，可以在较短的时间内达到并维持所需的低温环境，样件及测试工装更换方便快捷，测试周期短，制造成本低，操作简单，而且节能环保，安全性高，适合于航空航天、半导体、医疗、能源等领域材料的低温性能测试。