复杂温压环境下的材料力学性能试验测试装置的制作方法

本发明涉及一种复杂温压环境下的材料力学性能试验测试装置，用以在复杂温压环境下进行金属、非金属材料的拉伸、压缩、弯曲、剪切及三点弯曲力学性能的综合试验。还可对复杂温压环境下承受高强度载荷作用的脆性矿石材料的变形特性、裂纹萌生、扩展和断裂特性的影响规律进行研究。

背景技术

现有的材料力学性能综合试验装置，主要是在常温常压下进行材料力学性能的综合测试试验，但在实际生产生活中，由金属、非金属材料制备的零部件往往需要在复杂温压环境中及高强度载荷作用下工作。复杂的温压环境会对金属、非金属材料的力学特性产生较为显著的影响，特别是在高强度载荷作用下材料的变形和损伤会直接影响设备的使用寿命和生产安全；同时在实际的生产生活中，复杂的温压及高强度载荷会对脆性矿石材料的变形及破碎产生较大的影响。因此针对上述复杂物理场下的金属、非金属材料，开展不同载荷作用下的材料力学性能综合试验研究具有重要的现实意义。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，解决如上所述问题，本发明提供了一种复杂温压环境下的材料力学性能试验测试装置。该装置不仅可以满足基础的材料力学性能测试试验，还可以用来监测在拉伸、压缩、弯曲、剪切及三点弯曲力学性能的试验状态时，温度及压强改变后材料力学性能的变化，为复杂物理场下开展不同载荷条件下的金属、非金属材料的力学性能测试研究提供了设备支持。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种复杂温压环境下的材料力学性能试验测试装置，其包括有万能试验机，绝缘密封系统，温度测量与控制系统，压力测量与控制系统，和温压测控系统及万能试验机相连接的计算机。金属或非金属试样在试验机夹具固定好后可进行拉伸、压缩、弯曲、剪切及三点弯曲力学性能试验，通过万能试验机中的力学和位移传感器检测试样的受力状态随载荷的变化情况；选择某一载荷条件对实验环境进行温压处理，维持温压稳定一段时间后，通过传感器检测试样在该载荷条件下时不同温度和压力对试样材料力学性能的影响。

所述的万能试验机包括两个起导向和支撑作用的竖梁(101)，位于竖梁(101)顶端的横梁(102)和底座(104)，位于竖梁(101)之间移动横梁(103)、连接杆(2)和夹具(6)起到垂直加载作用。

所述的绝缘密封系统包括绝缘密封箱(3)，密封门(18)和其上的旋压把手(1801)、耐高温橡胶密封圈(1802)和观察窗(1803)以及密封槽(20)和密封圈(21)。

所述的温度测量与控制系统包括温压控制器电源开关(1201)，温压控制显示屏(1202)，温控旋钮(1203)，与温压控制器(12)相配合使用的密封箱加热电极板(19)，温度传感器(4)，以及低温制冷系统(14)和制冷管道(15)。

所述的压力测量与控制系统包括温压控制器电源开关(1201)，温压控制显示屏(1202)，压控旋钮(1204)，压力传感器(5)，空气压缩机(16)和气压管道(17)。

所述的计算机用于分析和处理温度传感器(4)、压力传感器(5)、声发射传感器(9)、温压控制器(12)和万能试验机(1)所采集到的实验数据，用于相应的数据处理工作。

绝缘密封系统整体呈长方体，绝缘密封箱(3)的腔体材料主要由304不锈钢和保温层所组成，保温层由耐高温云母板和硅酸铝陶瓷纤维材料共同组成。绝缘密封箱(3)通过焊接的方式与底座(104)固定在一起。密封门(18)是由旋压把手(1801)、耐高温橡胶密封圈(1802)、观察窗(1803)以及腔体材料等组成。观察窗(1803)是由耐高温高压的玻璃以及耐高温的弹性密封垫圈镶嵌于密封门(18)中。密封门(18)以转动副的形式固定于绝缘密封箱(3)上，其可绕转动副进行开启与闭合。密封门(18)闭合时通过旋转旋压把手(1801)使其密封锁紧于绝缘密封箱(3)上，从而使该部分形成一个密闭隔热的环境。

进行垂直加载和三点弯曲试验时，移动横梁(103)在两个竖梁(101)的驱动导向作用下上下移动，并与连接杆(2)和夹具(6)相配合起到垂直加载作用，三点弯曲试样(8)安放于三点弯曲支架(10)上。在密封槽(20)和密封圈(21)的密封作用下，连接杆(2)还可在绝缘密封箱(3)中进行转动。安装于连接杆(2)上的夹具(6)，安装于下夹具连接头(11)上的三点弯曲支架(10)均可拆卸更换，当进行拉伸、压缩、弯曲、剪切等材料力学性能试验时，可在下夹具连接头(11)上安装相应的夹具及待测试样。

温控系统中的加热电极板(19)位于密封箱(3)的背面，温压控制器电源开关(1201)、温控旋钮(1203)和加热电极板(19)相连接控制加热温度，温压控制显示屏(1202)用于显示并记录温度传感器(4)所测得的绝缘密封系统的环境温度。位于密封箱(3)两侧壁面内的冷却管与低温制冷系统(14)和制冷管道(15)对绝缘密封系统进行降温和低温制冷操作。

压控系统中的空气压缩机(16)、气压管道(17)和压控旋钮(1204)组成的气压输送单元为绝缘密封系统提供高压的气体环境。温压控制器电源开关(1201)、压力传感器(5)和温压控制显示屏(1202)相连接用于显示并记录绝缘密封系统的气压大小，压控旋钮(1204)可调控气压输送速率。气压管道(17)和空气压缩机(16)及密封箱(3)连接时，采用紧固件进行安装，保证绝缘密封系统的密封性。

附图说明

图1为装置总体正面的结构示意图

图2为绝缘密封系统的结构示意图

图3为制冷系统的结构流程示意图

其中，万能试验机：竖梁(101)、横梁(102)、移动横梁(103)、底座(104)、连接杆(2)和夹具(6)；绝缘密封系统：绝缘密封箱(3)、密封门(18)、密封槽(20)和密封圈(21)；温度测量与控制系统：温压控制器电源开关(1201)、温压控制显示屏(1202)、温控旋钮(1203)、加热电极板(19)、温度传感器(4)、低温制冷系统(14)和制冷管道(15)；压力测量与控制系统：温压控制器电源开关(1201)、温压控制显示屏(1202)、压控旋钮(1204)、压力传感器(5)、空气压缩机(16)和气压管道(17)；计算机采集与处理系统：计算机(13)、温度传感器(4)、压力传感器(5)、声发射传感器(9)、温压控制器(12)。

具体实施方案

下面将结合附图对本装置进行详细说明：

如图1、图2和图3所示，在进行复杂温压环境下材料的拉伸、压缩、弯曲、剪切及三点弯曲力学性能的综合试验时，通过旋转试验机夹具(6)上的手柄以实现对待测试样或顶针(7)的夹紧安装，位于上部的夹具(6)通过连接杆(2)与移动横梁(3)相连接，连接杆(2)与移动横梁(3)轴向固定连接周向转动配合，以保证在垂直加载时夹具(6)可随移动横梁(3)进行上下移动或周向转动。下部的三点弯曲支架(10)可拆卸地安装于下夹具连接头(11)上，当进行拉伸、压缩、弯曲等材料力学性能试验时，可在下夹具连接头(11)上安装相应的夹具及待测试样。

当进行复杂温压环境下材料的拉伸、压缩、弯曲、剪切及三点弯曲力学性能的综合试验时，选择相对应的加载条件对试样进行固定，试样固定好后，关闭密封门(18)，旋紧旋压把手(1801)使闭密封门(18)与绝缘密封箱(3)构成一个绝缘密封的环境，闭密封门(18)上设置的旋压把手(1801)和耐高温橡胶密封圈(1802)可实现对绝缘密封箱(3)的密封锁紧。随后先进行温度调控操作，待温度达到设定值并在一段时间内维持恒定后再进行加压操作，待到绝缘密封系统的压力也保持恒定后，即可进行相应的材料力学性能试验，试样的形变过程可通过观察窗(1803)进行观察，脆性矿石材料的变形特性、裂纹萌生、扩展和断裂特性可通过声发射传感器(9)检测反馈的信号进行分析。

如图1所示，温度测量与控制系统和压力测量控制系统对绝缘密封系统进行温度与压力的控制。温压控制器(12)与加热电极板(19)、温度传感器(4)和位于密封箱(3)两侧壁面内的冷却管与低温制冷系统(14)和制冷管道(15)组成的低温制冷系统相连，控制绝缘密封系统的环境温度；温压控制器(12)与压力传感器(5)、空气压缩机(16)、气压管道(17)相连，控制绝缘密封系统的环境压力；温度传感器(4)、压力传感器(5)、声发射传感器(9)将不同操作条件下的温度、压力、试样的受力情况以及试样的形变量等信息传送到计算机系统进行处理。