高温及超高温环境下弹性模量测试用装置和测试方法制造方法及图纸

高温及超高温环境下弹性模量测试用装置和测试方法。本发明专利技术提供一种利用缺口环试件测试陶瓷等耐高温材料在高温及超高温极端环境下弹性模量的测试用装置和测试方法。本发明专利技术的测试用装置包括缺口环试件以及具有基台和止动辊的十字槽夹具，缺口环试件放置于该装置的十字型水平槽内，解决了缺口环试件在高温及超高温炉中的定位问题。本发明专利技术的测试方法包括在完全相同条件下采用相同载荷对缺口环试件和对比试件分别加载，得到两个不同的压缩位移量，其差值为缺口环试件的真实形变量，从而排除了高温及超高温环境下的变形测量的系统误差。本发明专利技术可以测量在高温及超高温环境下材料的弹性模量值，对航天航空以及耐火材料等材料的结构设计和安全评价都具有十分重要的意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种在高温及超高温极端环境下测试陶瓷等耐高温材料的弹性模量的测试用装置和测试方法。特别涉及利用缺口环试件，在针对1000℃以上的高温及1500℃以上的超高温极端环境、常规方法无法获得材料弹性模量的情况下的一种间接评价弹性模量的测试用装置和测试方法。
技术介绍
随着新材料和航天航空技术的飞速发展，对于耐高温、抗氧化、耐磨损等高温结构材料日益增多的需求，如飞行器在大气中飞行时，其光学窗口及整流罩要求能够在同空气剧烈摩擦而产生的高温环境下工作，这就要求相关材料具有足够的耐高温性能。而且火箭、卫星、飞行器等的研制过程大多投资数亿元，若因选材不当导致发射失败则会造成巨额损失。因此，在设计极端环境下工作的超高温部件时，了解材料在服役条件下的各力学性能参数是保障构件安全服役的必不可少的基本要求。目前，国内外对耐高温材料在高温及超高温下的一些力学性能评价还缺乏十分有效的方法和技术。而现代高技术和航天工业的发展又急需检测和评价超高温材料力学性能的手段。因此，开发、建立和完善高温及超高温等极端环境下材料性能的测试方法、表征技术和评价标准，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。超高温极端环境下的弹性模量是高温力学性能评价体系中不可或缺的一项重要性能指标，也是当前国内外的一个难题。利用高温及超高温下的弹性模量并结合其他力学性能参数，可以很好地判断脆性部件服役的稳定性，同时还可进行高温寿命和高温变形的预测。一般来讲，脆性材料弹性模量的传统测试方法有静态法和动态法之分。静态法主要以三点弯曲及四点弯曲测试方法为主，但由于陶瓷弯曲试件的挠度非常小，高温下实现精确测量非常地困难，这使得高温下用该法测得的弹性模量值具有较大误差；动态法主要以共振激励及超声波测试方法为主，但由于高温支承条件的限制和高温下振动响应的获取非常困难，动态法测量耐高温陶瓷材料的弹性模量的最高温度无法超过1500℃。理论和实验都表明，在相同载荷下，横截面相似的缺口环试样的位移量比弯曲梁试样要大得多，这就方便了变形的精确测试。包亦望等人提出了一种评价圆环或圆管状脆性材料弹性模量和强度的方法(简称缺口环法)，并推导出了弹性模量的计算公式(详见专利号：ZL201010544550.1)，即：E=3π4000b×ΔPΔδ×(R+r)3(R-r)3---(1)]]>其中，ΔP为试件在弹性变形范围内载荷增加量，Δδ为对应试件的压缩位移变化量，R为缺口环试件外半径，r为缺口环试件内半径，b为试件宽度。然而，上述缺口环法的弹性模量计算公式不能直接用于测量高温及超高温环境下的弹性模量。因为加载系统和压头等连接部位在施加载荷时自身也存在变形，常温下消除这部分误差可使用外接的高精度位移测量仪(如电感量仪)测量试件的变形。但这种电感量仪装置又无法在高温大气或超高温真空环境中使用。这就使得目前陶瓷等耐高温材料在高温下的位移变化量Δδ还没有十分有效的测试方式。另外，当缺口环摆放在高温炉中后，在整个试验过程中不允许产生任何移动和滚动，如何固定试件并且使其外表面不受力是试验的基本保障。
技术实现思路
本专利技术鉴于上述现有技术中存在的问题，提出了一种利用缺口环试件并结合相对法在高温(1000℃以上)及超高温(1500℃以上)的极端环境下测试陶瓷等耐高温材料的弹性模量的测试用夹具和测试方法。本专利技术的目的是采用相对法消除压头产生的系统误差，从而得到缺口环试件在高温及超高温下的位移变化量(Δδ*)，来替换包亦望等人推导出的弹性模量计算公式(1)中的Δδ，从而计算缺口环试件的弹性模量；并且，本专利技术还设计一种在高温炉及超高温炉中放置和固定缺口环试件的十字槽夹具(包括一个基台和一个止动辊)，将试件放置在基台的槽中央并使其缺口处于垂直立起时的中央高度，通过垂直加载挤压缺口环试件并测试其在高度方向的变形(利用相对法消除高温及超高温下位移测量的系统误差)，结合校正后的位移—载荷关系、试件尺寸以及上述公式(1)，就可以简便、快捷地计算出不同温度下材料的弹性模量值。本专利技术的核心的目的在于评价高温和超高温环境下材料的弹性模量。本专利技术第一方面的目的在于提供一种高温及超高温环境下弹性模量测试用装置，包括：开有缺口的圆环状的缺口环试件和十字槽夹具，上述十字槽夹具包括：基台和半圆柱状的止动辊，上述基台为柱体平台，在其上表面加工有两条相互正交的十字型水平槽，上述缺口环试件竖直嵌入上述基台的一条水平槽中，上述缺口在上述缺口环试件的竖直高度方向上位于该竖直高度的一半的位置，上述止动辊以其曲面与上述缺口环试件接触的方式放置于上述缺口环试件上、并嵌入上述基台的另一条水平槽中，上述止动辊的长度大于上述水平槽的宽度。本专利技术第二方面的目的在于提供一种高温及超高温环境下弹性模量测试方法，使用上述第一方面所述的高温及超高温环境下弹性模量测试用装置，所述方法包括：(1)准备测试用试件：加工一个上述缺口环试件和一个与上述缺口环试件大小相同的校正用圆板，并测量上述试件及上述圆板的尺寸；(2)安装测试用试件：将上述步骤(1)的上述缺口环试件安装于上述十字槽夹具中；(3)加热上述缺口环试件：将安装有上述缺口环试件的上述十字槽夹具放入加热系统内，上述加热系统按照配备的控温程序对上述缺口环试件进行加热，达到设定的温度后保温一段时间；(4)对上述缺口环试件施加荷载：加载系统对上述缺口环试件施加垂直向下的压缩载荷直至上述试件断裂载荷的一半时停止加载，记录上述试件不同载荷量ΔP下对应的位移量Δδ，压缩载荷的施力点与上述缺口环的圆心在同一条直线上；(5)测试上述校正用的实心圆板：关闭上述加热系统，待实验环境温度接近室温时取出上述缺口环试件，放入上述校正用的实心圆板，反复上述步骤(3)和(4)，记录与上述缺口环试件相同载荷量ΔP处的位移量Δδ'，得到上述缺口环试件在高温下的形变量Δδ*＝Δδ－Δδ'；(6)利用以下算式计算上述缺口环试件的弹性模量值：E=3π4000b×ΔPΔδ*×(R+r)3(R-r)3]]>其中，E为材料弹性模量，单位：GPa，ΔP为上述试件在弹性变形范围内的压缩载荷增加量，单位：N，Δδ*为同载荷变化下上述缺口环试件与上述校正用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高温及超高温环境下弹性模量测试用装置，其特征在于，包括：开有缺口的圆环状的缺口环试件和十字槽夹具，所述十字槽夹具包括：基台和半圆柱状的止动辊，所述基台为柱体平台，在其上表面加工有两条相互正交的十字型水平槽，所述缺口环试件竖直嵌入所述基台的一条水平槽中，所述缺口在所述缺口环试件的竖直高度方向上位于该竖直高度的一半的位置，所述止动辊以其曲面与所述缺口环试件接触的方式放置于所述缺口环试件上、并嵌入所述基台的另一条水平槽中，所述止动辊的长度大于所述水平槽的宽度。

【技术特征摘要】
1.一种高温及超高温环境下弹性模量测试用装置，其特征在于，包
括：开有缺口的圆环状的缺口环试件和十字槽夹具，
所述十字槽夹具包括：基台和半圆柱状的止动辊，
所述基台为柱体平台，在其上表面加工有两条相互正交的十字型水
平槽，
所述缺口环试件竖直嵌入所述基台的一条水平槽中，所述缺口在所
述缺口环试件的竖直高度方向上位于该竖直高度的一半的位置，
所述止动辊以其曲面与所述缺口环试件接触的方式放置于所述缺
口环试件上、并嵌入所述基台的另一条水平槽中，所述止动辊的长度
大于所述水平槽的宽度。
2.如权利要求1所述的高温及超高温环境下弹性模量测试用装
置，其特征在于：所述缺口环试件的缺口的长度为所述缺口环试件内
径长度的四分之一。
3.如权利要求1或2所述的高温及超高温环境下弹性模量测试用
装置，其特征在于：所述缺口环试件的宽度为6～8mm。
4.如权利要求3所述的高温及超高温环境下弹性模量测试用装
置，其特征在于：所述缺口环试件经打磨倒角处理。
5.如权利要求4所述的高温及超高温环境下弹性模量测试用装
置，其特征在于：所述十字槽夹具，在高温大气环境下采用碳化硅材
料；在超高温真空环境下采用石墨材料。
6.如权利要求5所述的高温及超高温环境下弹性模量测试用装
置，其特征在于：所述十字型水平槽的底面平整并且光滑。
7.一种高温及超高温环境下测试弹性模量的测试方法，其特征在

\t于：使用如权利要求6所述的高温及超高温环境下弹性模量测试用装
置，所述方法包括以下步骤：
(1)准备测试用试件：加工一个所述缺口环试件和一个与所述缺
口环试件大小相同的校正用圆板，并测量所述试件及所述圆板的尺寸；
(2)安装测试用试件：将所述步骤(1)的所述缺口环试件安装
于所述十字槽夹具中；
(3)加热所述缺口环试件：将安装有所述缺口环试件的所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：包亦望，刘钊，万德田，
申请(专利权)人：中国建材检验认证集团股份有限公司，中国建筑材料科学研究总院，
类型：发明
国别省市：北京;11