本发明专利技术公开了一种拉伸载荷下材料体积膨胀特性的测量装置和测量方法，测量装置包括拉伸杆、补偿杆、参考腔、差压计、螺旋测微器，拉伸杆、补偿杆和螺旋测微器的螺杆分别通过特定安装座伸入测试腔，拉伸杆和补偿杆材料尺寸规格相同，在测试腔内固定连接，拉伸过程中移动方向相反。测量过程分为背景曲线测定、总曲线测定、数据综合处理三个阶段；背景曲线测定阶段，通过无试样条件下的标定与拉伸测试，获得表征拉伸过程中装置因素导致的体积改变数据与位移数据关系的背景曲线；总曲线测定阶段，通过安装试样后的标定与拉伸测试，获得表征拉伸过程中总体积改变数据与位移数据关系的总曲线；数据综合处理阶段，使用力曲线的拐点确定拉伸过程的起点位移，结合背景曲线和总曲线，获取体积膨胀特性曲线。
A measuring device and method of material volume expansion under tensile load
【技术实现步骤摘要】
一种拉伸载荷下材料体积膨胀特性的测量装置和测量方法
本专利技术属于材料测试
，具体涉及一种材料在拉伸载荷下体积膨胀特性的测量装置和测量方法。
技术介绍
拉伸试验是指在承受轴向拉伸载荷下测定材料特性的试验。利用拉伸试验得到的数据，除了可以确定材料的弹性极限、伸长量、弹性模量、拉伸强度等拉伸性能之外，配合专用装置还能对其他特定性能进行测试，拉伸载荷下体积膨胀特性就是其中的一种。该特性一般指拉伸载荷条件下，材料试样体积发生改变(增大或者减小)的特性。获得拉伸载荷下材料体积膨胀特性的一般方法是，使用专用体积改变量测量装置，在拉伸试验过程中，同步测量待测材料试样的体积改变量和长度改变量。随后结合试验前测量得到的试样初始体积、初始长度，绘制体积改变率-应变曲线，即得到材料的拉伸体积膨胀特性。限于测试条件和待测材料试样体积较小、体积改变率很少有超过100％等因素，测试过程中的体积改变量(膨胀)测量对于分辨力和精度有较高要求；同时作为测量装置，其测量结果应能计量溯源。目前，工程技术人员已经开发出多种体积膨胀测量装置，其基本思想是，在内置被测材料的腔体中填充流体，则材料的体积改变就会引起流体体积改变，从而将问题转化为对流体体积改变量的测量。目前测量所使用的流体，包括液体和气体两大类。其中，使用液体作测量介质的液体膨胀仪，利用液体在常规条件下不可压缩的特性，使用毛细管或类似测量仪器，直接测量腔体内液体体积的变化量，即为待测材料试样的体积膨胀量。液体膨胀仪主要在精度要求较低、液体与材料不发生作用的场合下应用。气体膨胀仪用于精度要求更高或者其他不适用于液体膨胀仪的场合，其原理是利用特定气体(例如干燥空气、氮气等)在常温常压下满足理想气体状态方程的特性，获知密闭腔体内气体体积改变量与气压的变化关系，继而使用这部分气体为媒介，测量腔内材料在载荷条件下改变导致的气压变化，换算出材料的体积改变量。例如授权公告号为CN204086016U的技术专利，公布了一种复合材料静态力学单向拉伸体积改变测试装置。该装置主要由内置样品腔的测试腔、与测试腔连通的补偿腔、用于提供稳定比较气压的参考腔，以及体积校准系统和差压检测系统组成。对于测试过程中拉伸杆移出测试腔导致的额外体积改变量，装置另设体积补偿腔，采用补偿杆同步移入测试腔的方式进行补偿。常温常压下测量时，首先将校准钢棒置于样品腔内，密闭所有腔室，进行测试腔与参考腔差压-体积改变相互关系的标定(原文中称之为校准)；随后开腔取出校准钢棒，并安装待测材料试样，再次密闭所有腔室，操作拉伸试验机拉伸待测材料试样，过程中实时测量记录差压值和待测材料试样应力/应变值；最后，根据差压值换算得到腔内气体体积的变化量，从而得到测试过程中的待测材料试样体积改变-应力/应变曲线。在上述气体膨胀仪/测量装置中，存在以下问题：首先，测量能够有效可靠进行的一个关键前提是，使用体积校准系统标定得到的气体体积改变与差压变化的关系，在测试腔-样品腔-补偿腔组合腔体内气体物质的量不变的情况下，才能在测量过程中继续成立、进而用于从差压测量结果换算出体积改变量。而在打开测试腔和样品腔使用待测材料试样替换校准钢棒、再密闭样品腔和测试腔的过程中，无法避免气体流动、气压微小变化、紧固螺栓拧紧程度微小变化对腔内气体量值的改变，导致标定关系无法在测量过程中继续成立；其次，由于制造工艺、装配工艺以及其他环境因素的限制，拉伸过程中很难保证体积补偿杆能随时准确无误的对拉伸杆移出测试腔导致的腔内气体体积改变量进行补偿；最后，凭试验人员的经验，无法准确确定试样开始拉伸的时间和位移点。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对材料在拉伸载荷下体积膨胀特性测量需求，提供一种拉伸载荷下材料体积膨胀特性的测量装置和测量方法，确保在标定前后不改变测试腔内部气体总量，更为有效地补偿测量过程中其他因素导致的体积改变量，更为准确地确定拉伸起始点，确保测量分辨力。本专利技术的技术方案是：一种拉伸载荷下材料体积膨胀特性的测量装置，其特征是包括平台，通过支撑柱安装在拉伸试验机底座上，测试腔和参考腔固定在平台上，测试腔内顶部自上而下依次固定安装座、力传感器、上夹具，待拉伸材料试样两端分别与上夹具、下夹具粘接，下夹具同时和拉伸杆上端、补偿杆下端连接固定，拉伸杆通过拉伸杆安装座下穿出测试腔，其下端和拉伸试验机动横梁连接固定，其位移使用安装在横梁上的位移传感器测量；补偿杆通过补偿杆安装座上穿出测试腔；螺旋测微器通过螺旋测微器安装座固定在测试腔外部，螺旋测微器上的螺杆伸入测试腔；参考腔设有压力调节接口；测试腔与参考腔分别设有第一气压接口和第二气压接口，第一气压接口和第二气压接口分别通过第一引压管和第二引压管与差压计的正负测压端口连通。本专利技术中，测量方法采用的技术方案是：第1步：测试腔做好安装试样准备之后，密闭测试腔和参考腔，在螺旋测微器的量程范围内多次改变螺杆伸入测试腔的长度，记录长度改变量和差压计读数改变量，进而获得无试样条件下的腔内气体体积改变量和差压改变量之间的换算关系A1；第2步：按照测试参数开始拉伸直到下限位，同步记录拉伸过程中的位移数据和差压数据，将差压数据换算成体积改变量，绘制位移-体积改变量曲线，即为装置影响因素在拉伸过程中导致体积改变的背景曲线C1；第3步：在测试腔内安装待测材料试样，密闭测试腔；第4步：在螺旋测微器的量程范围内多次改变螺杆伸入测试腔的长度，记录长度改变量和差压计读数改变量，进而获得安装试样条件下的腔内气体体积改变量和差压改变量之间的换算关系A2；第5步：调节螺杆回到第4步之前的位置，开始拉伸测试，同步采集拉伸过程中的力、差压、位移等数据；待测材料试样拉断后，停止拉伸和数据采集；第6步：使用第4步中获得的换算关系A2，将第5步中的差压数据换算成体积改变量数据，绘制位移-总体积改变量曲线C2；第7步：比较曲线C1和曲线C2，结合力传感器数据确定试样开始受力的位移，绘制材料在拉伸载荷下的体积膨胀特性曲线。本专利技术的优点：1、采用标定方法，先期获知拉伸过程中装置因素产生的体积改变量，用于体积改变测量数据的修正补偿，确保了测量准确性。2、根据试样应力在开始拉伸的时刻突然增大的特点，处理数据时将力传感器数据突变点作为拉伸起始点，同步处理时间、位移、差压等数据，确保测量结果准确性。3、测量方法中，在测试腔安装待测材料试样后，再封闭测试腔进行标定，随后无需打开测试腔，即可直接开始测试，确保了测量时所用气体媒介和标定时所用气体媒介的同一性，避免了标定后打开测试腔带来的腔内气体状态改变问题，确保了测量结果准确度。4、装置所使用的差压计、位移传感器、螺旋测微器、力传感器均可拆卸，连同试验前用于试样体积和螺杆直径测量的量具，由计量检定机构定期校准，确保计量溯源。附图说明图1是测量装置结构示意图。图2是获取背景曲线流程示意图。图3是获取总曲线和拉伸载荷下的体积膨胀特性曲线流程示意图。图4是典型试样尺寸图。图5是具体本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种拉伸载荷下材料体积膨胀特性的测量装置，其特征是包括平台(1)，通过支撑柱(2)安装在拉伸试验机底座(3)上，测试腔(4)和参考腔(5)固定在平台(1)上，测试腔(4)内顶部自上而下依次固定安装座(25)、力传感器(8)、上夹具(10)，待拉伸材料试样(11)两端分别与上夹具(10)、下夹具(12)粘接，下夹具(12)同时和拉伸杆(13)上端、补偿杆(14)下端连接固定，拉伸杆(13)通过拉伸杆安装座(15)下穿出测试腔(4)，其下端和拉伸试验机动横梁(16)连接固定，其位移使用安装在横梁(16)上的位移传感器(17)测量；补偿杆(14)通过补偿杆安装座(18)上穿出测试腔(4)；螺旋测微器(19)通过螺旋测微器安装座(20)固定在测试腔(4)外部，螺旋测微器(19)上的螺杆(21)伸入测试腔(4)；参考腔(5)设有压力调节接口(22)；测试腔(4)与参考腔(5)分别设有第一气压接口(23)和第二气压接口(24)，第一气压接口(23)和第二气压接口(24)分别通过第一引压管(6)和第二引压管(7)与差压计(9)的正负测压端口连通。/n
【技术特征摘要】
1.一种拉伸载荷下材料体积膨胀特性的测量装置，其特征是包括平台(1)，通过支撑柱(2)安装在拉伸试验机底座(3)上，测试腔(4)和参考腔(5)固定在平台(1)上，测试腔(4)内顶部自上而下依次固定安装座(25)、力传感器(8)、上夹具(10)，待拉伸材料试样(11)两端分别与上夹具(10)、下夹具(12)粘接，下夹具(12)同时和拉伸杆(13)上端、补偿杆(14)下端连接固定，拉伸杆(13)通过拉伸杆安装座(15)下穿出测试腔(4)，其下端和拉伸试验机动横梁(16)连接固定，其位移使用安装在横梁(16)上的位移传感器(17)测量；补偿杆(14)通过补偿杆安装座(18)上穿出测试腔(4)；螺旋测微器(19)通过螺旋测微器安装座(20)固定在测试腔(4)外部，螺旋测微器(19)上的螺杆(21)伸入测试腔(4)；参考腔(5)设有压力调节接口(22)；测试腔(4)与参考腔(5)分别设有第一气压接口(23)和第二气压接口(24)，第一气压接口(23)和第二气压接口(24)分别通过第一引压管(6)和第二引压管(7)与差压计(9)的正负测压端口连通。
2.如权利要求1所述的拉伸载荷下材料体积膨胀特性的测量装置，其特征是，螺杆(21)、拉伸杆(13)、补偿杆(14)均与各自的测试腔(4)开孔和附属密封圈形成动密封结构，确保移动过程中气密。
3.如权利要求1所述的拉伸载荷下材料体积膨胀特性的测量装置，其特征是，拉伸杆(13)和补偿杆(14)材料尺寸规格相同，在测试腔(4)内固定连接，拉伸过程中移动方向相反。
4.如权利要求1所述的拉伸载荷下材料体积膨胀特性的测量装置，其特征是，所述测量装置的测量过程包括背景曲线测定、总曲线测定、数据综合处理三个阶段；
其中背景曲线测定阶段，通过无试样条件下的标定与拉伸测试，获得表征拉伸过程中测量装置因素...
【专利技术属性】
技术研发人员：阎涛，张镇国，王梦楠，郇光周，乔娅婷，于若文，
申请(专利权)人：西安航天三沃机电设备有限责任公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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