适用于低温条件下的双轴拉伸测试装置和方法

本发明属于材料力学性能及成形性能表征测试，具体涉及一种适用于低温条件下的双轴拉伸测试装置和方法。

背景技术：

1、随着航空航天、低温超导、低温成形等技术的发展，材料在低温环境下的应用愈加广泛，且某些材料在低温条件下具有反常的性能表现，精准测试金属材料在低温条件下的力学性能是保证材料可靠性和推进低温科学研究的重要途径。

2、与常温环境不同，低温下材料的力学性能会发生显著变化，如低温工程中广泛使用的2219-t851铝合金和316l不锈钢，在深低温区会表现出更大的拉伸强度，对于高强铝合金，如al-li、al-zn等，常温条件下塑性差、硬化能力低，整体成形时应力状态复杂，极易开裂，是长期困扰工程应用的国际难题。热成形虽能提高铝合金塑性，但其出现软化现象，易导致集中变形而发生局部变薄，承载能力显著降低。因此，开展低温环境下材料强度、塑性和韧性等力学性能的研究是满足科学研究和工程应用必不可少的一环。

3、然而，目前对材料进行力学性能测试多在室温及高温条件下，对于低温和超低温下的拉伸测试，由于试验条件和方法的限制，其测试能力有限，且在测试过程中，温度控制的精准度低，导致测试过程中测试温度容易变化，导致测试的效果不理想。

技术实现思路

1、本发明旨在解决或改善现有技术中无法进行超低温测试以及温度控制精准度低的技术问题。

2、本发明的第一方面在于提供一种适用于低温条件下的双轴拉伸测试装置。

3、本发明的第二方面在于提供一种适用于低温条件下的双轴拉伸测试装置的测试方法。

4、本发明提供的适用于低温条件下的双轴拉伸测试装置，包括：测试平台；保温桶，设置在测试平台上，用于放置拉伸试样；拉伸组件，包括夹具，夹具设于保温桶内，用于夹紧并拉伸试样；温度传感器，设置在保温桶内，用于检测保温桶内部的温度；温度调节组件，温度调节组件包括：储液罐，用于存放制冷剂；输送管，一端伸入制冷剂的液面下，另一端伸入保温桶内部；驱动件，设于制冷剂的液面下，与温度传感器连接，其中，驱动件能够根据温度传感器的检测结果，驱动制冷剂通过输送管流动至保温桶内部。其中，制冷剂可以是液氮，也可以是液氦，液氦可以达到零下二百七十度。

5、本发明提供的适用于低温条件下的双轴拉伸测试装置包括测试平台、保温桶、拉伸组件、温度传感器和温度调节组件，保温桶设置在测试平台上，拉伸试样设于保温桶内部；拉伸组件包括夹具，夹具设于保温桶内，用于夹紧并拉伸试样；温度传感器设置在保温桶内，用于检测保温桶内部的温度；温度调节组件包括储液罐、输送管和驱动件，储液罐用于存放制冷剂；输送管一端伸入制冷剂的液面下，另一端伸入保温桶内部；驱动件设于制冷剂的液面下，与温度传感器连接，其中，驱动件能够根据温度传感器的检测结果，驱动制冷剂通过输送管流动至保温桶内部。本发明的双轴拉伸测试装置可实现超低温的拉伸，最低可达到零下160℃至零下150℃，其次，本发明设置有温度传感器和温度调节组件，这样就可以根据保温桶内部温度的变化，及时的向保温桶内部输送制冷剂，这样可以维持保温桶内部温度的平衡，从而准确、可靠地测试材料在低温环境下的力学性能。由于本发明能够自动的对保温桶内部温度的控制，可以使得本发明的测试装置自适应长时间保持低温环境下的测试，可以几个月之内实现无人测试，尤其适用于需要长期低温测试的试样?？裳〉?，储液罐为杜瓦瓶，温度传感器为测温电偶。

6、在一些技术方案中，可选地，驱动件包括：加热器，设置在储液罐内，且位于制冷剂的液面下，与温度传感器连接，能够根据温度传感器的检测结果，加热制冷剂，并使制冷剂气化，其中，制冷剂气化后，能够使得制冷剂的液面上方与输送管伸入保温桶内部的一端形成压差，在压差的作用下，制冷剂能够通过输送管流动至保温桶内部。

7、在该技术方案中，驱动件包括加热器，加热器设置在储液罐内，且位于制冷剂的液面下，与温度传感器连接，能够根据温度传感器的检测结果，加热制冷剂，并使制冷剂气化，这样制冷剂气化后，能够使得制冷剂的液面上方与输送管伸入保温桶内部的一端形成压差，在压差的作用下，制冷剂能够通过输送管流动至保温桶内部。本发明通过加热器作为驱动件的好处在于，整个液体输送管路实现密封，可以实现无泵驱动?？衫斫獾?，如果通过常规液泵来输送制冷剂，那么液泵只有两种设计情况，一种是设于管路中，另一种是设于储液罐中，无论那种方式，都存在液泵的信号线布置困难的问题，因为制冷剂具有非常低的温度，容易损坏液泵的信号线，此外，还可以确保整个装置的密封效果。当然，根据需要，也可以采用常规的液泵作为驱动件?？裳〉?，加热器为电加热器。

8、在一些技术方案中，可选地，适用于低温条件下的双轴拉伸测试装置还包括：控制器，控制器与温度传感器和加热器连接，能够根据温度传感器的检测结果，控制加热器工作并加热制冷剂?？裳〉?，控制器为双通道控制器，可自适应长时间保持低温环境。

9、在一些技术方案中，可选地，适用于低温条件下的双轴拉伸测试装置还包括：压力传感器，设置在储液罐内，且位于制冷剂的液面上方，与加热器连接，用于检测制冷剂的液面上方的压力，加热器能够根据压力传感器的检测结果调节加热功率。

10、在该技术方案中，适用于低温条件下的双轴拉伸测试装置还包括压力传感器，压力传感器设置在储液罐内，且位于制冷剂的液面上方，与加热器连接，用于检测制冷剂的液面上方的压力，由于在输送制冷剂的过程中是依靠制冷剂的液面上方与输送管伸入保温桶内部的一端的压差，所以制冷剂的液面上方的压力决定着制冷剂的输送速率，根据压力传感器的检测结果调节加热器的加热功率，可以进一步的保证制冷剂的输送速率更加的平稳，提高保温桶温度控制的精度。

11、在一些技术方案中，可选地，保温桶包括：桶身，桶身的一端开口；上盖，设于开口，能够盖合桶身，上盖上设有避让孔，输送管能够通过避让孔伸入保温桶内。

12、在该技术方案中，保温桶包括桶身和上盖，桶身的上端开口；上盖设于开口，能够盖合桶身，上盖上设有避让孔，输送管能够通过避让孔伸入保温桶内?？裳〉?，桶身和上盖内部均设置有保温层，保温层可以是填充石棉等保温材料，具有维持低温环境、减少保温桶内外热交换的作用。

13、在一些技术方案中，可选地，上盖上设有透明玻璃，适用于低温条件下的双轴拉伸测试装置还包括：图像获取装置，设置在透明玻璃上方，能够透过透明玻璃获取拉伸试样的图像信息。

14、在该技术方案中，通过在上盖上设有透明玻璃，可以使得图像获取装置很好的获取到拉伸试样的图像信息，无需将图像获取装置设置在保温桶内部?？裳〉?，图像获取装置为高清相机?？裳〉?，透明玻璃为超低温玻璃。

15、在一些技术方案中，可选地，适用于低温条件下的双轴拉伸测试装置还包括：分析处理装置，与图像获取装置连接，能够根据图像获取装置获取的图像信息，对拉伸试样的力学性能进行分析。

16、在该技术方案中，适用于低温条件下的双轴拉伸测试装置还包括分析处理装置，与图像获取装置连接，这样分析处理装置能够根据图像信息精确的描述材料的应变过程，对拉伸试样的力学性能进行分析?？裳〉?，图像获取装置为高清相机。

17、在一些技术方案中，可选地，适用于低温条件下的双轴拉伸测试装置还包括：光源，设置在透明玻璃上方，光源能够发光，光源发出的光能够透过透明玻璃进入到保温桶内。

18、在该技术方案中，适用于低温条件下的双轴拉伸测试装置还包括光源，光源设置在透明玻璃上方，其与图像获取装置处于同一高度，光源能够发光，光源发出的光能够透过透明玻璃进入到保温桶内，这样在光照强度不足的情况下，可以向保温桶内部提供光照，确?？梢允迪?4小时的检测。

19、在一些技术方案中，可选地，适用于低温条件下的双轴拉伸测试装置还包括支撑组件，包括支撑杆和安装杆，支撑杆设置在测试平台上，图像获取装置和光源并排设置在安装杆上?？裳〉?，图像获取装置和光源滑动设置在安装杆上，这样就可以调节图像获取装置和光源在保温桶上方的水平位置?？裳〉?，支撑杆为伸缩杆，伸缩方向为保温桶的轴向方向，也即支撑杆的高度可调，这样就可以通过调节支撑杆的高度，进而调节图像获取装置和光源相对于保温桶的高度，本发明调节图像获取装置和光源的高度的目的在于，可以对不同类型的拉伸试样进行检测，可理解的，针对规格较小的拉伸试样，需要降低图像获取装置的高度，这样可以更加精准的获取到拉伸试样的图像信息，提高测量的精准率，针对于规格较大的拉伸试样，需要提高图像获取装置的高度，确保图像获取装置可以获取到拉伸试样的全部图像信息，保证测量的精准率。

20、在一些技术方案中，可选地，桶身包括侧壁和底壁，适用于低温条件下的双轴拉伸测试装置还包括：排液阀，设置在底壁上。

21、在该技术方案中，桶身包括侧壁和底壁，适用于低温条件下的双轴拉伸测试装置还包括排液阀，排液阀设置在底壁上，这样就可以随时排出保温桶内部的制冷剂。

22、在一些技术方案中，可选地，底壁呈倾斜设置，排液阀位于底壁的最低处。

23、在该技术方案中，底壁呈倾斜设置，排液阀位于底壁的最低处，这样可以在测试结束后，可以确保全部的排出保温桶内的制冷剂。

24、在一些技术方案中，可选地，拉伸组件还包括：拉伸主体，设于测试平台上，拉伸主体包括活动端；传力柱，一端与活动端连接，另一端能够贯穿保温桶与夹具连接。

25、在该技术方案中，拉伸组件还包括拉伸主体和传力柱，拉伸主体设于测试平台上，拉伸主体包括活动端；传力柱的一端与活动端连接，另一端能够贯穿保温桶与夹具连接，这样通过拉伸主体提供驱动力，可以通过传力柱带动夹具移动，进而对拉伸试样进行拉伸。拉伸主体也可以称为双轴拉伸试验机。

26、在一些技术方案中，可选地，沿着保温桶的轴向方向，保温桶的高度可调。

27、在该技术方案中，沿着保温桶的轴向方向，保温桶的高度可调，这样就可以使得本发明的保温桶适用于多种型号的双轴拉伸试验机?？衫斫獾?，针对不同规格的拉伸试样，其拉伸力度是不一样的，例如，抗拉强度高的拉伸试样，则通常需要较大拉伸力度的双轴拉伸试验机，抗拉强度低的拉伸试样，则通常需要较小拉伸力度的双轴拉伸试验机，而针对不同型号的双轴拉伸试验机，其传力柱的高度不一样，所以通过调节保温桶的高度，这样就可以适用于多种型号的双轴拉伸试验机。

28、在一些技术方案中，可选地，适用于低温条件下的双轴拉伸测试装置还包括：高度调节装置，包括固定柱和支撑柱，固定柱设置在测试平台上，支撑柱能够相对固定柱沿着保温桶的轴向方向运动，保温桶设置在支撑柱上。

29、在该技术方案中，适用于低温条件下的双轴拉伸测试装置还包括高度调节装置，高度调节装置包括固定柱和支撑柱，固定柱设置在测试平台上，支撑柱能够相对固定柱沿着保温桶的轴向方向运动，保温桶设置在支撑柱上，这样就可以调节保温桶的高度，进而适用于多种型号的双轴拉伸试验机。

30、在一些技术方案中，可选地，夹具包括：下夹具，包括下夹块和下橡胶垫，下夹块与传力柱连接；上夹具，包括上夹块和上橡胶垫，上橡胶垫和下橡胶垫均设置在上夹块和下夹块之间；下夹具上设置有下限位槽，下橡胶垫设置在下限位槽内；上夹具上设置有上限位槽，上橡胶垫设置在上限位槽内。

31、在该技术方案中，夹具包括下夹具和上夹具，下夹具包括下夹块和下橡胶垫，下夹块与传力柱连接；上夹具包括上夹块和上橡胶垫，上橡胶垫和下橡胶垫均设置在上夹块和下夹块之间，在对拉伸试样进行拉伸时，可通过上橡胶垫和下橡胶垫夹紧拉伸试样，通过设置上橡胶垫和下橡胶垫可以进一步提高对拉伸试样的压紧力，避免发生位移滑动。进一步的，下夹块上设置有下限位槽，下橡胶垫设置在下限位槽内；上夹块上设置有上限位槽，上橡胶垫设置在上限位槽内，本发明将橡胶垫设置在对应的限位槽内，可以进一步的对橡胶垫进行限位，提高橡胶垫的稳定性，尤其适用于抗拉强度较大的拉伸试样?？裳〉?，上橡胶垫和下橡胶垫均为楔形橡胶块。

32、在一些技术方案中，可选地，上橡胶垫和下橡胶垫与拉伸试样接触的接触面上均设置有第一凹凸花纹，拉伸试样与上橡胶垫和下橡胶垫接触的表面均设置有与第一凹凸花纹匹配的第二凹凸花纹。

33、在该技术方案中，在上橡胶垫、下橡胶垫和拉伸试样的表面均设置有凹凸花纹，这样可以进一步的提高上橡胶垫、下橡胶垫和拉伸试样之间的摩擦力，提高拉伸稳定性。

34、在一些技术方案中，可选地，拉伸试样包括锁紧孔，上夹块上设有贯穿上夹块的第一锁紧配合孔，第一锁紧配合孔沿保温桶的轴向设置，下夹块上设有贯穿下夹块的第二锁紧配合孔，第二锁紧配合孔沿保温桶的轴向设置，适用于低温条件下的双轴拉伸测试装置还包括：锁紧螺栓，锁紧螺栓能够依次穿过第一锁紧配合孔、锁紧孔和第二锁紧配合孔，并将拉伸试样锁紧。

35、在该技术方案中，本发明在上夹块和下夹块上均设置有锁紧配合孔，这样锁紧螺栓能够依次穿过第一锁紧配合孔、锁紧孔和第二锁紧配合孔，然后与锁紧螺母配合，将拉伸试样锁紧。通过锁紧螺栓将上夹具、下夹具以及拉伸试样牢牢的锁紧，本技术方案尤其适用于超高强度的拉伸试样?？衫斫獾?，针对于超高强度的拉伸试样，普通依靠夹具与拉伸试样之间摩擦力来固定拉伸试样，很难保证拉伸试样不会脱落，本发明通过摩擦力与锁紧螺栓，可对拉伸试样进行双重固定夹紧，从而精确、稳定的测试拉伸试样在低温条件下的力学性能。

36、在另一技术方案中，可选地，夹具包括：夹具本体，夹具本体包括容纳槽，容纳槽由夹具本体的一端向夹具本体内部延伸，沿着容纳槽的延伸方向，容纳槽的宽度逐渐增加，夹具本体远离容纳槽的槽口一侧与传力柱连接，容纳槽包括第一半槽和第二半槽，第一半槽和第二半槽相对夹具的拉伸方向对称设置；第一锁紧件，设置在第一半槽，与第一半槽的形状相适配；第二锁紧件，设置在第二半槽，与第二半槽的形状相适配；其中，第一锁紧件和第二锁紧件能够夹紧拉伸试样。

37、在该技术方案中，第一锁紧件和第二锁紧件夹紧拉伸试样后，由于沿着容纳槽的延伸方向，容纳槽的宽度逐渐增加，也即夹具出口宽度变窄，在第一锁紧件和第二锁紧件夹紧拉伸试样后，向拉伸方向进行拉伸时，拉伸试样对第一锁紧件和第二锁紧件提供反作用力，反作用力方向与容纳槽的延伸方向相反，也即反作用力方向为夹具内部指向容纳槽的开口的方向，这样由于容纳槽的开口逐渐变窄，那么就会限制容纳槽内的第一锁紧件和第二锁紧件滑出，此时第一锁紧件和第二锁紧件存在相对运动的趋势，这样就可以进一步的对拉伸试样进行夹紧，能够实现自锁功能?？裳〉?，第一锁紧件和第二锁紧件均为金属材料，例如模具钢，这样可以保证强度，适用于抗拉强度较大的拉伸试样。

38、在一些技术方案中，可选地，拉伸试样为十字形，拉伸试样包括四个拉伸端，拉伸组件的数量为四个，四个拉伸组件能够夹紧拉伸试样对应的拉伸端，并通过四个拉伸组件对拉伸试样进行拉伸。

39、在该技术方案中，本发明设置四个拉伸组件，能够实现多方位的拉伸测试。

40、本发明第二方面提供了一种适用于低温条件下的双轴拉伸测试装置的测试方法，包括如下步骤：将保温桶置于测试平台上，调整保温桶至预设高度；将拉伸组件置于测试平台上，并通过夹具夹紧拉伸试样；将温度传感器安装在保温桶内；将输送管的一端伸入制冷剂的液面下，另一端伸入保温桶内部；将驱动件和温度传感器的信号线均连接至控制器；设定测试温度，控制器根据温度传感器的反馈结果，控制驱动件工作，以驱动制冷剂通过输送管流动至保温桶内部；在保温桶内的环境温度达到测试温度后，开启拉伸组件的电源，通过拉伸组件拉伸试样。

41、本发明的有益效果是：本发明提供双轴拉伸测试装置及方法，结构简单，试样拆装方便，实用性好，可广泛用于多种尺寸形状的双轴拉伸试样，也可用于低温单向拉伸试验，还可与多种卧式试验机组成测试平台。具有温度控制机构，可自适应长时间保持低温环境。上下夹具设有楔形块，随着拉伸加载的增大，楔形块移动进而固定试样，为了适用超高强材料，还在拉伸试样和上下夹具上设有锁紧孔和锁紧配合孔，可对拉伸试样进行双重固定夹紧，从而精确、稳定的测试材料在低温条件下的力学性能。

42、根据本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过根据本发明的实践了解到。