一种深冷十字拉伸试验装置及试验方法

1.本发明属于材料拉伸性能测试装置领域，具体为一种深冷十字拉伸试验装置及试验方法。


背景技术：

2.现有的十字拉伸试验装置使用环境均为常温或高温环境，针对深冷条件下的十字拉伸试验装置及试验方法，相关报道和文献较少，如何提高深冷条件下十字拉伸试验装置的密封性能、如何保持深冷条件的温度分布均匀性、稳定性，以及如何在深冷条件下实时测量应变是现阶段面临的难题。
3.专利文献cn114397191a公开了一种多因素复合环境双向加载试验系统，其方案中虽然公开了深冷条件下双向加载试验装置，但其中，未对装置中关键部件-密封件的使用情况进行探讨，未对液氮提供的低温环境的均匀性保持方法进行说明，而且，其中采用的观察窗设置在舱门上，即试验环境侧壁上，由于液氮低温特性，试件表面极易堆积液氮和氮气，会遮挡视线，在不设置其他保障措施的情况下，观察窗设置在试件侧面不利于观察，观察窗两侧温差较大容易起雾，此外，试验在密闭空间中进行采用该专利文献中的观察窗实际并不能观察到清晰的影像，不能通过dic系统(三维数字散斑应变测量系统)进行实时应变测量，另一方面，一般试验需要在试件上先喷白色哑光漆，在喷上黑色散斑用以识别后计算应变，在深冷条件下，由于试件和漆层膨胀系数不同，在变形过程中试件表面的底漆会脱落导致dic系统无法识别散斑。针对上述问题，现有技术中并未给出解决方法。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供一种深冷十字拉伸试验装置及试验方法。
5.一种深冷十字拉伸试验装置，包括双向十字拉伸装置、密封盒、观察装置以及液氮供给装置，其中，双向十字拉伸装置中设置密封盒，液氮供给装置向密封盒内中心供给液氮，双向十字拉伸装置包括拉伸夹头，拉伸夹头穿入密封盒与密封盒内的试件连接，密封盒与拉伸夹头之间通过盘根密封装置密封及润滑，盘根密封装置中的盘根经过石墨浸渍，盘根密封装置包括压盖、密封腔和盘根，盘根设置在密封盒与拉伸夹头之间，压盖套设在拉伸夹头外，并对盘根施加轴向压缩，盘根径向外侧与密封盒间形成密封腔；密封盒底部设置双层玻璃观察窗，两层玻璃中设置有加热装置和照明装置，观察装置包括在密封盒下方呈45
°
角安装的光学反射镜以及ccd相机。
6.进一步地，密封盒侧壁设置导流结构，导流结构包括由内到外两层导流腔，内层导流腔开口设置在侧壁底部，导流腔开口设置为扩口部，扩口部向上延伸与收口部连通，收口部内设置送风装置，收口部与外层导流腔连通，外层导流腔内结构与内层导流腔相同，外层导流腔扩口部设置可控密封门，导流结构能够引导密封盒内的低温介质由试件中心向四周均匀流动。
7.进一步地，液氮供给装置包括plc控制系统，与plc控制系统连接的测温传感器、自
增压液氮罐、电磁阀、流量计、开度阀以及带有送风系统的液氮输送管，测温传感器设置在拉伸夹头及试件上，自增压液氮罐与电磁阀连接，电磁阀与流量计连接，流量计与开度阀连接，开度阀与带有送风系统的液氮输送管连接，送风系统将液氮输送至密封盒内试件中心。
8.进一步地，密封盒侧壁及底部为双层不锈钢结构，内部填充陶瓷纤维毯保温材料。
9.一种深冷十字拉伸试验方法，采用上述深冷十字拉伸试验装置，其包括以下步骤：
10.s1、试件先进行哑光发黑处理，再喷上白色散斑，试件上连接测温传感器后装入密封盒，连接拉伸夹头，操作双向十字拉伸装置进行对中；
11.s2、固定密封盒上盖，插入液氮输送管；
12.s3、测温传感器设置在装有力传感器的拉伸夹头外端上，在拉伸夹头中部套上防冻套，进行拉伸夹头的实时控温；
13.s4、plc控制系统控制液氮供给装置通入液氮开始降温；
14.s5、plc控制系统检测试件到达指定温度后关闭开度阀，待试件温度有所回升后再打开开度阀继续降温，以控制试件处在指定温度；
15.s6、试件温度稳定后操作双向十字拉伸装置进行拉伸试验；
16.s7、采用dic系统进行实时应变测量。
17.进一步地，步骤s5中，plc控制系统先关闭可控密封门，待试件温度有所回升后再打开开度阀和可控密封门，开启导流结构中的送风装置，控制密封盒内的低温介质由试件中心向四周流动，经导流结构流出密封盒。
18.本发明与现有技术相比，本技术采用盘根密封装置对拉伸夹头与密封盒间进行密封，盘根装入密封腔以后，经压盖对它作轴向压缩，由于盘根的塑性，使它产生径向力，并与光杆紧密接触得以密封，与此同时，盘根中浸渍的石墨在接触面之间起到润滑的作用。
19.此外，本技术中试件先进行哑光发黑处理，再喷上白色散斑以解决深冷条件下底漆脱离的问题，并且观察窗设置在试件底部，可减少低温介质在密封盒内堆积及汽化对于底部视野的影响，观察窗正对试件中心，在双层玻璃中设置加热装置，可明显改善玻璃起雾的问题，由于装置空间的限值，ccd相机无法直接拍摄到试件表面，因此在密封盒下方呈45
°
角安装一面光学反射镜，相机通过镜像对观察窗内试件下表面的散斑实时拍摄；在密封盒下方设置盒体内部照明装置，便于观察。通过密封盒底部观察窗以及加热装置的设置，结合哑光发黑处理与白色散斑先后顺序的调整，可实现深冷条件下双向拉伸试验试件的实时观察，从而能够进行dic系统的实时应变测量，解决了密封环境内只能进行dic系统离线应变测量的问题。
20.最后，本技术中对密封盒侧壁进行结构改进，通过设置内外双层的导流腔，同时在导流腔内设置扩口部和收口部，以引导密封盒内低温介质的流动方向，首先将密封盒内充满低温介质，当温度降低至指定温度后温度会有所回升，此时打开导流腔的密封门和液氮供给装置的开度阀，并打开导流腔内收口部内设置的送风装置，可将密封盒内中心堆积的低温介质向四周引流，避免低温介质在试件下方堆积，造成观察窗温度过低，给加热装置除雾增加难度，并且，导流腔设置为下部为扩口部，上部为收口部，可形成下部低速流动，上部高速流动的流体运动，下部低速流动可降低低温介质循环的速度，提高液氮的利用率，上部快速流动可减小收口部所需的截面积，减少低温介质向密封盒上部停留的时间，减少新流入密封盒内的低温液体与导流腔内温度略高的介质间的热交换，从而提高密封盒内温度分
布的均匀性和温度控制的精准度。
附图说明
21.图1为深冷十字拉伸试验装置结构示意图
22.图2为盘根密封装置结构示意图
23.图3为十字拉伸装置部分结构示意图
24.图4导流结构示意图
25.图5为导流腔纵截面示意图
26.图6为试件测温点示意图
27.图7为发黑后喷白色散斑试件示意图
28.附图标记
29.1、密封盒，2、拉伸夹头，3、盘根密封装置，3.1、压盖，3.2、盘根，3.3、密封腔，4、观察窗，5、加热装置，6、光学反射镜，7、ccd相机，8、plc控制系统，9、测温传感器，10、自增压液氮罐，11、电磁阀，12、流量计，13、开度阀，14、带有送风系统液氮输送管，15、试件，16、陶瓷纤维毯保温材料；a、测温点，b、测温点，c、测温点
具体实施方式
30.实施例
31.如图1-3所示，一种深冷十字拉伸试验装置，包括双向十字拉伸装置、密封盒1、观察装置以及液氮供给装置，其中，双向十字拉伸装置可采用申请号为201710187880.1的专利中公开的双向十字拉伸测试装置，双向十字拉伸装置中设置密封盒1，液氮供给装置向密封盒1内中心供给液氮，双向十字拉伸装置包括拉伸夹头2，拉伸夹头2穿入密封盒1与密封盒1内的试件15连接，密封盒1与拉伸夹头2之间通过盘根密封装置3密封及润滑，盘根密封装置3中的盘根经过石墨浸渍，盘根密封装置包括压盖3.1、密封腔3.3和盘根3.2，盘根3.2设置在密封盒1与拉伸夹头2之间，压盖3.1套设在拉伸夹头2外，并对盘根3.2施加轴向压缩，盘根3.2径向外侧与密封盒1间形成密封腔3.3；密封盒1底部设置双层玻璃观察窗4，两层玻璃中设置有加热装置5和照明装置，观察装置包括在密封盒下方呈45
°
角安装的光学反射镜6以及ccd相机7。
32.在一个可选的实施例中，如图4、5所示，密封盒1侧壁设置导流结构，例如在每个拉伸夹头2两侧的侧壁中均设置导流结构，导流结构包括由内到外两层导流腔，内层导流腔开口设置在侧壁底部，导流腔开口设置为扩口部，扩口部向上延伸与收口部连通，收口部内设置送风装置，收口部与外层导流腔连通，外层导流腔内结构与内层导流腔相同，外层导流腔扩口部与收口部交界处设置可控密封门，导流结构能够引导密封盒内的低温介质由试件中心向四周均匀流动。其中，内层导流腔中，扩口部的设置可在密封盒1底部形成微负压，使密封盒1内试件15周围堆积的低温介质缓慢向拉伸夹头2的侧壁流动，然后在负压吸引下进入导流结构，使密封盒1内的低温介质形成循环流动，并且可减少拉伸夹头2附近堆积的低温介质，降低深冷环境对于拉伸夹头2的影响，而收口部的的设置可提高低温介质在收口部流动的速度，优选地，扩口部的垂直高度大于收口部的垂直高度，可使低温介质尽可能在密封盒1内停留，充分利用低温介质的低温余温；在外层导流腔中，结构设置与内层导流腔一致，
可形成双层夹层结构，对密封盒1内的低温介质形成保温结构，进一步提高液氮的利用率。
33.在一个可选的实施例中，液氮供给装置包括plc控制系统8，与plc控制系统8连接的测温传感器9、自增压液氮罐10、电磁阀11、流量计12、开度阀13以及带有送风系统液氮输送管14，测温传感器9可设置在拉伸夹头2及试件15上，自增压液氮罐10与电磁阀11连接，电磁阀11与流量计12连接，流量计12与开度阀13连接，开度阀13与带有送风系统的液氮输送管14连接，送风系统将液氮输送至密封盒1内试件15中心。优选地，测温传感器为低温热电偶丝。
34.在一个可选的实施例中，密封盒1侧壁及底部为双层不锈钢结构，内部填充陶瓷纤维毯保温材料16。
35.一种深冷十字拉伸试验方法，采用上述深冷十字拉伸试验装置，其包括以下步骤：
36.s1、试件15先进行哑光发黑处理，再喷上白色散斑(如图7所示)，试件15上焊接低温热电偶丝后装入密封盒1，连接拉伸夹头，操作双向十字拉伸装置进行对中，其中，低温热电偶丝可设置三根，分别焊接至试件15上的测温点a、b、c(如图6所示)，
37.s2、固定密封盒1上盖，插入液氮输送管；
38.s3、低温热电偶丝焊接在装有力传感器的拉伸夹头2外端上，在拉伸夹头2中部套上防冻套，进行拉伸夹头2的实时控温，避免力传感器被冻坏；
39.s4、plc控制系统控制液氮供给装置通入液氮开始降温；
40.s5、plc控制系统8检测试件15到达指定温度后关闭开度阀13，待试件15温度有所回升后再打开开度阀13继续降温，以控制试件13处在指定温度；
41.s6、试件15温度稳定后操作双向十字拉伸装置进行拉伸试验；
42.s7、采用dic系统进行实时应变测量。
43.在一个可选的实施例中，步骤s5中，步骤s5中，plc控制系统先关闭可控密封门，待试件温度有所回升后再打开开度阀和可控密封门，开启导流结构中的送风装置，控制密封盒1内的低温介质由试件中心向四周流动，经导流结构流出密封盒1。
44.其中，送风装置可为风扇。
45.通过本技术的试验装置和试验方法，可实现深冷条件下十字拉伸试验的实时观察以及dic系统的实时应变测量，对精准测量材料的力学性能以及建模、测量应变路径等具有重要意义。此外，通过密封盒侧壁中导流结构的设置，可显著提高温度分布的均匀性和温度控制的精准度，提高液氮的利用率，并减少观察窗附近低温介质的堆积，提供更清晰的视野，降低加热装置所需的功率，节省成本。
46.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
47.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可
以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
48.在本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
49.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。