专利名称：局部受热加载测试材料在超高温氧化环境下力学性能的检测方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于材料力学性能检测领域，涉及到一种在超高温氧化极端环境下材料的 力学性能评价技术，具体涉及一种局部受热加载法进行材料性能检测的方法和装置。
背景技术：
随着新材料和航天航空技术的飞速发展，对于耐高温、抗腐蚀、耐磨损等的高温 结构材料的需求越来越多，如火箭和航空发动机中的喷管材料，需承受从燃烧室喷出的 2000 3100°C高温高速燃气的机械冲刷，这就要求喷管材料具有足够的耐高温性能。火 箭、导弹、卫星大多投资数亿元，如果因为选材不当造成发射失败则损失巨大。为了确保航 空航天材料的性能能够符合设计要求，除了常规的测试项目外，对有特殊要求的材料，还要 研制特殊的设备进行测试。但针对航空航天等特殊环境和条件(如超高温、高压、腐蚀等 严酷条件)，要模拟譬如火箭发射火焰对材料的影响等测试，需要研制一系列庞大的设备。 对于用于极端环境下的超高温部件的设计，了解材料服役条件下的强度和韧性等基本参数 是保障构件的服役安全性必不可少的基本要求。目前，国内外对材料超高温氧化环境下的 力学性能评价还没有有效的方法，也没有相关的标准和仪器设备。高温试验只能局限于 1500°C以下，因为在1500°C以上的氧化环境下各种试验夹具和压头都难以承受。但是现代 高技术和航天工业的发展有急需要有检测评价超高温材料力学性能的手段。因此，开发超 高温等极端恶劣环境中材料性能的测试方法和技术，建立和完善超高温材料各项性能指标 的测试、表征技术和评价标准，研发材料超高温力学性能测试的试验设备，对保障国家航天 航空器件的可靠性和安全设计具有举足轻重的意义。超高温力学性能包括超高温氧化环境下的强度和断裂韧性等。强度是材料在断裂 失效过程中的最大应力，而断裂韧性是描述材料抵抗裂纹扩展的能力。一般来讲，测量脆性 材料强度的方法主要有三点弯曲法和四点弯曲法。利用特定的三点弯曲和四点弯曲夹具对 样品施加一个弯曲载荷直至样品断裂。根据断裂时的临界载荷和样品尺寸计算出材料的强 度。测量材料断裂韧性的方法有单边切口梁法、预裂纹梁法、单边斜切口梁法和山型切口梁 法等。由于炉子或夹具等因素的限制，所有这些方法都还没有在1500°C以上使用过。

发明内容
本发明的目的是提供一种可以简捷方便地评价超高温氧化极端环境下陶瓷材料 或复合材料的强度和断裂韧性的检测方法和装置。所述超高温极端环境指1500°C -3000°C的大气环境下超高温与高温氧化、高温冲 蚀耦合作用下的使役环境。本发明一种局部受热加载测试材料超高温氧化环境下力学性能的装置，包括框 架、固定样品系统、由加载仪和加载控制器组成的加载系统、喷火加热系统、红外测温系统 和显示分析系统；其中
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框架为台阶状框板结构的金属支架，为试验过程中需要固定的部件提供支撑和操 作空间；固定样品系统用于固定待测样品，安装在框架上或置放在框架内；加载系统的加载仪安装在框架上，可通过其中的传动装置驱动加载杆伸缩，配合 固定样品系统对待测样品施加拉伸、压缩和弯曲载荷；加载控制器与加载仪信号线连接，用 于控制加载仪的加载力度；喷火加热系统包括一喷嘴，喷嘴手持或者固定在框架上并对准待测样品某一选定 位置喷火；红外测温系统为遥感测温仪，测温点靠近样品表面喷火加热区的中心位置；显示分析系统为计算机系统，其中装载运算式；加载控制器与显示分析系统信号 线连接，显示分析系统接收加载控制器传输的信号依据运算式计算出各测量项的数值并显 示结果。所述固定样品系统为固定座，固定安装在框架侧边框上，固定座中具有一容纳条 状待测样品的水平方向的固定孔。所述固定样品系统由四点弯曲夹具和配套使用的垫块组装，垫块固定安装在框架 底部，四点弯曲夹具的下夹具水平放置在所述垫块之上并固定，四点弯曲夹具的上夹具与 加载仪的加载杆固定连接。所述四点弯曲夹具的上夹具形成的内跨距至少为40mm，下夹具 形成的外跨距至少为80mm，凹槽深度至少为60mm。本发明提供的局部受热加载测试材料超高温氧化环境下力学性能的方法，使用前 述装置，包括以下步骤1)将待测样品加工成条块状，通过固定样品系统安装在实验装置中；2)用喷火加热系统通过喷嘴对准待测样品某一位置喷火，用红外测温系统对靠 近喷火位置的待测样品进行测温，并保持待测样品在喷火位置的局部加热区内温度基本均 勻，一般温差不超过50°C ；3)加载系统对条状待测样品施力直至待测样品断裂，加载控制器记录样品断裂时 对应的临界载荷数值并传输给显示分析系统；4)显示分析系统根据待测样品的尺寸和临界载荷数值计算得出各测量项的数值 并显示结果。具体的一 )对待测样品进行超高温拉伸强度检测，所述待测样品水平安装，一端在所述 固定座的固定孔中，另一端固定在加载仪水平方向伸缩的加载杆内，喷火加热系统的喷嘴 对准待测样品中部位置喷火，加载系统对待测样品施加拉伸载荷，显示分析系统按式1计 算得出拉伸强度O1:
权利要求
一种局部受热加载测试材料超高温氧化环境下力学性能的装置，包括框架、固定样品系统、由加载仪和加载控制器组成的加载系统、喷火加热系统、红外测温系统和显示分析系统；其中框架为台阶状框板结构的金属支架，为试验过程中需要固定的部件提供支撑和操作空间；固定样品系统用于固定待测样品，安装在框架上或置放在框架内；加载系统的加载仪安装在框架上，可通过其中的传动装置驱动加载杆伸缩，配合固定样品系统对待测样品施加拉伸、压缩和弯曲载荷；加载控制器与加载仪信号线连接，用于控制加载仪的加载力度；喷火加热系统包括一喷嘴，喷嘴手持或者固定在框架上并对准待测样品某一选定位置喷火；红外测温系统为遥感测温仪，测温点靠近样品表面喷火加热区的中心位置；显示分析系统为计算机系统，其中装载运算式；加载控制器与显示分析系统信号线连接，显示分析系统接收加载控制器传输的信号依据运算式计算出各测量项的数值并显示结果。
2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述固定样品系统为固定座，固定安装在框 架侧边框上，固定座中具有一容纳条状待测样品的水平方向的固定孔。
3.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述固定样品系统由四点弯曲夹具和配套 使用的垫块组装，垫块固定安装在框架底部，四点弯曲夹具的下夹具水平放置在所述垫块 之上并固定，四点弯曲夹具的上夹具与加载仪的加载杆固定连接。
4.根据权利要求3所述装置，其特征在于，所述四点弯曲夹具的上夹具形成的内跨距 至少为40mm，下夹具形成的外跨距至少为80mm，凹槽深度至少为60mm。
5.一种局部受热加载测试材料超高温氧化环境下力学性能的方法，使用权利要求1或 2或3或4所述装置，包括以下步骤1)将待测样品加工成条块状，通过固定样品系统安装在实验装置中；2)用喷火加热系统通过喷嘴对准待测样品某一位置喷火，用红外测温系统对靠近喷火 位置的待测样品进行测温，并保持待测样品在喷火位置的局部加热区内温度基本均勻，一 般温差不超过50°C ；3)加载系统对条状待测样品施力直至待测样品断裂，加载控制器记录样品断裂时对应 的临界载荷数值并传输给显示分析系统；4)显示分析系统根据待测样品的尺寸和临界载荷数值计算得出各测量项的数值并显 示结果。
6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，对待测样品进行超高温拉伸强度检测，所述 待测样品水平安装，一端在权利要求2所述固定座的固定孔中，另一端固定在加载仪水平 方向伸缩的加载杆内，喷火加热系统的喷嘴对准待测样品中部位置喷火，加载系统对待测 样品施加拉伸载荷，显示分析系统按式1计算得出拉伸强度σ工(式丄)on其中，Pca为临界载荷，b为样品宽度，h为样品厚度。
7.根据权利要求5所述方法，其特征在于，对待测样品进行超高温压缩强度检测，所述 待测样品竖直安装，下端固定在框架底座的固定孔中，上端固定在加载仪纵向伸缩的加载 杆内，喷火加热系统的喷嘴对准待测样品中段位置喷火，加载系统对待测样品施加压缩载 荷，显示分析系统按式2计算得出压缩强度σ工
8.根据权利要求5所述方法，其特征在于，对待测样品进行超高温弯曲强度检测，所述 待测样品水平安装，一端在权利要求2所述固定座的固定孔中(支撑点P3)，加载仪纵向伸 缩的加载杆接触待测样品的另一端P点，喷火加热系统的喷嘴对准待测样品中段位置P1喷 火，加载系统对待测样品施加垂直向下的载荷，显示分析系统按式3. 1计算得出弯曲强度
9.根据权利要求5所述方法，其特征在于，对待测样品进行超高温弯曲强度检测，所述 待测样品水平安装在权利要求4所述四点弯曲夹具上，喷火加热系统的喷嘴对准待测样品 中段位置喷火，加载仪的加载杆前端两压头跨接在待测样品喷火点两端并垂直向下施加弯 曲载荷，显示分析系统按式3. 2计算得出弯曲强度σ 4
10.根据权利要求5所述方法，其特征在于，对待测样品进行超高温断裂韧性检测，所 述待测样品为单边切口梁样品或单边斜切口梁样品，水平安装在权利要求4所述四点弯曲 夹具上，喷火加热系统的喷嘴对准待测样品该切口位置喷火，加载仪的加载杆前端两压头 跨接在待测样品喷火点两端并垂直向下施加载荷，显示分析系统按式4计算得出断裂韧性 Kic :其中P。5为样品断裂时的临界载荷，L2为四点弯曲夹具的外跨距，L3为四点弯曲夹具的 内跨距，b为样品宽度，h为样品厚度，Y*为应力强度因子系数。
全文摘要
本发明提供了一种在1500度以上超高温氧化环境下可以简捷方便地测试陶瓷材料及其复合材料的拉伸强度、压缩强度、弯曲强度和断裂韧性等力学性能的试验方法及其实验装置。实验装置由试验框架、固定样品系统、加载系统、超高温喷火加热系统、显示记录系统，非接触式红外测温系统等组装而成。该方法是采用乙炔或汽油增氧等喷火技术对样品进行局部快速加热，使之局部温度达到1500度以上，利用便携式实验仪对样品施加弯曲、拉伸或压缩载荷等，记录下载荷值，从而获得材料的多项力学性能。本技术发明最大的特点是操作简单，实现超高温样品的局部高温和同步加载的技术，利用本发明的实验装置在超高温氧化环境下可方便地测量得到材料的强度和韧性等以往无法测试的超高温力学性能。
文档编号G01N3/18GK101936854SQ20101024489
公开日2011年1月5日 申请日期2010年8月4日 优先权日2010年8月4日
发明者万德田, 刘小根, 包亦望, 张伟, 邱岩 申请人:中国建筑材料检验认证中心有限公司