本發(fā)明屬于材料低溫力學(xué)性能測試領(lǐng)域，具體涉及一種用于材料靜態(tài)低溫力學(xué)性能連續(xù)可視化應(yīng)變與圖像記錄測試系統(tǒng)，特別涉及300-80K材料靜態(tài)力學(xué)性能可視化應(yīng)變與圖像記錄測試系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著材料(包括金屬材料、非金屬材料、復(fù)合材料等)在低溫環(huán)境下(室溫-4K)的應(yīng)用越來越廣泛，相關(guān)的研究與設(shè)計對材料在低溫環(huán)境下的力學(xué)性能、破壞行為，特別是實(shí)時破壞的應(yīng)變和圖像信息需求很迫切。在材料投入實(shí)際低溫環(huán)境應(yīng)用前，人們必須進(jìn)行大量的低溫力學(xué)試驗(yàn)，以獲取材料在低溫下的力學(xué)性能及破壞行為，為產(chǎn)品的設(shè)計、加工及應(yīng)用提供必要的數(shù)據(jù)支持。傳統(tǒng)上對于材料的破壞過程只能在測試結(jié)束后通過對所獲得的結(jié)果進(jìn)行分析、模擬，還原材料在受力過程中本身的變化行為。從事低溫領(lǐng)域研究的工作者一直都希望低溫下材料的受力變化情況像室溫試驗(yàn)一樣，能實(shí)時觀察并記錄材料每一時刻受力導(dǎo)致材料的外形變化及瞬間的破壞情況。在材料的低溫力學(xué)測試過程中，若能實(shí)時觀察試樣受力時的應(yīng)變變化與圖像、斷裂行為等，對進(jìn)一步研究材料在低溫下的力學(xué)行為有很大的幫助。例如高分子薄膜在低溫環(huán)境中的力學(xué)性能測試，由于薄膜材料本身尺寸及柔韌性等原因，導(dǎo)致想要獲得薄膜在低溫環(huán)境下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及整個測試過程的圖像信息變得十分困難。直接接觸式測量薄膜在低溫環(huán)境中的應(yīng)變不容易實(shí)現(xiàn)，這就需要一種無接觸式的同時又能準(zhǔn)確測量薄膜材料在低溫環(huán)境中受力變形的試驗(yàn)裝置。

目前雖有報道在試驗(yàn)腔體保持真空的情況下，利用制冷源間接制冷試樣，可以實(shí)現(xiàn)窗口觀測。但是此種方式受制于制冷介質(zhì)、制冷時間與溫度梯度等因素的影響，很難實(shí)現(xiàn)不同種類材料、不同低溫力學(xué)測試形式、不同試樣尺寸特別是大尺寸試樣的低溫力學(xué)性能測試。傳統(tǒng)的低溫力學(xué)試驗(yàn)裝置很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時觀察材料受力變形的圖像信息，主要的原因在于傳統(tǒng)上材料的低溫力學(xué)性能(包括拉伸、壓縮、彎曲、層間剪切等)測試需要在相對密閉的低溫環(huán)境中或浸泡在相應(yīng)的低溫制冷介質(zhì)中來實(shí)現(xiàn)，一旦破壞密閉的低溫環(huán)境，大量的水蒸氣或沸點(diǎn)較低的氣體會液化成小液霧，充盈在整個空間，導(dǎo)致無法用肉眼或攝像設(shè)備來觀察、記錄。浸泡在制冷介質(zhì)中的試樣，由于光線的折射及液面上大量的小液霧，導(dǎo)致無法直接觀測。因此研制一種低溫環(huán)境下(300-80K)能實(shí)時記錄材料應(yīng)力與應(yīng)變及圖像信息的力學(xué)性能測試系統(tǒng)，顯得尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明一個目的在于提供一種用于300-80K材料靜態(tài)力學(xué)性能連續(xù)可視化圖像記錄測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)材料低溫環(huán)境中力學(xué)性能測試的同時，又能實(shí)時以應(yīng)變及圖像的形式記錄材料受力變化的整個過程。該測試系統(tǒng)具有寬泛的測試溫區(qū)(300-80K)且控溫精確；試樣受力時應(yīng)變及圖像變化的記錄與應(yīng)力采集同步；適用于各種標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)試樣、不同靜態(tài)力學(xué)測試類型在低溫環(huán)境下的力學(xué)性能連續(xù)可視化圖像記錄測試；安裝及測試方便。

本發(fā)明提供的用于300-80K材料靜態(tài)力學(xué)性能連續(xù)可視化應(yīng)變與圖像記錄測試系統(tǒng)，包括一帶有可視化窗口的低溫環(huán)境箱、制冷及控溫系統(tǒng)、除霜裝置與高速應(yīng)變記錄系統(tǒng)，其特征在于：

所述低溫環(huán)境箱為一保溫環(huán)境箱，所述低溫環(huán)境箱的前表面設(shè)置有帶有透明的觀測窗的門；所述環(huán)境箱的上側(cè)面和下側(cè)面各帶有一密封保溫板；所述低溫環(huán)境箱的上側(cè)面和下側(cè)面的中心位置各有一承力軸；所述承力軸通過密封保溫板上的穿孔，貫穿進(jìn)入到環(huán)境箱內(nèi)部；

所述制冷及控溫系統(tǒng)包括制冷裝置和控溫裝置；

所述制冷裝置包括液氮霧化器和導(dǎo)流板；所述導(dǎo)流板位于低溫環(huán)境箱內(nèi)后半部液氮霧化器的前面；

所述控溫裝置包括溫度計、風(fēng)機(jī)、加熱器和排氣裝置；所述溫度計位于低溫環(huán)境箱的內(nèi)部材料力學(xué)性能測試區(qū)域；所述風(fēng)機(jī)的主機(jī)部分位于低溫環(huán)境箱外部的后表面上，風(fēng)機(jī)的扇葉穿過環(huán)境箱的后側(cè)面位于環(huán)境箱的內(nèi)部；所述扇葉位于液氮霧化器與導(dǎo)流板之間；所述風(fēng)機(jī)電源線和信號線與溫度控制器連接；所述排氣裝置的一端處于環(huán)境箱的外部，另一端位于低溫環(huán)境箱內(nèi)部的導(dǎo)流板上；

所述高速應(yīng)變記錄系統(tǒng)包括一高速應(yīng)變及圖像采集設(shè)備；

所述處在環(huán)境箱外部的承力軸分別與材料靜態(tài)力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的橫梁和基座連接，所述環(huán)境箱內(nèi)部承力軸的端頭上裝卡不同類型的試驗(yàn)夾具。

優(yōu)選的，所述制冷裝置還包括液氮罐和液氮輸液管，所述液氮輸液管上設(shè)置有低溫電磁閥。

優(yōu)選的，所述制冷裝置還包括加熱器，所述加熱器位于環(huán)境箱內(nèi)部的導(dǎo)流板與液氮霧化裝置之間。

作為上述技術(shù)方案的一個優(yōu)選，所述觀測窗由透明介質(zhì)制成，所述透明介質(zhì)為耐低溫材料，所述觀測窗的邊緣設(shè)置有發(fā)熱裝置；所述門的內(nèi)側(cè)面觀測窗的上方帶有一照明電源。所述發(fā)熱裝置為本領(lǐng)域根據(jù)需要可以靈活選擇的對象，如其可以為自發(fā)熱裝置。

作為上述技術(shù)方案的一個優(yōu)選，所述控溫裝置還包括溫度控制器，所述溫度控制器包括溫度顯示裝置、加熱電源和電信號反饋模塊，所述風(fēng)機(jī)和所述加熱裝置與溫度控制器相連接。

作為上述技術(shù)方案的一個優(yōu)選，所述除霜裝置包括空壓機(jī)和防結(jié)霜?dú)猸h(huán)；所述防結(jié)霜?dú)猸h(huán)設(shè)置于所述觀測窗的邊緣和所述承力軸與低溫環(huán)境箱上側(cè)面、下側(cè)面相連接處，且防結(jié)霜?dú)猸h(huán)的內(nèi)側(cè)設(shè)置有氣孔；所述空壓機(jī)分別通過輸氣管與防結(jié)霜?dú)猸h(huán)相連通。在通入高壓氣體時，所述防結(jié)霜?dú)猸h(huán)可以在觀測窗的外表面形成一個氣膜。所述防結(jié)霜?dú)猸h(huán)的內(nèi)側(cè)設(shè)置一定數(shù)量的氣孔，氣流可以穿過所述小孔并覆蓋觀測窗的整個表面，并結(jié)合氣膜阻止透明觀測窗和水蒸氣的接觸，防止觀測窗結(jié)霜。作為本領(lǐng)域技術(shù)人員的基本技能，氣孔的數(shù)量和孔徑是可以根據(jù)工作溫度以及氣速而進(jìn)行調(diào)整的對象。

作為上述技術(shù)方案的一個優(yōu)選，所述低溫環(huán)境箱內(nèi)部與外部的殼層均為耐低溫的不銹鋼材質(zhì)。

作為上述技術(shù)方案的一個優(yōu)選，所述低溫環(huán)境箱溫度為300-80K，即所述制冷及控溫系統(tǒng)提供300-80K的低溫環(huán)境箱溫度。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步優(yōu)選，所述制冷及控溫系統(tǒng)提供150-80K的低溫環(huán)境箱溫度。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步優(yōu)選，所述制冷及控溫系統(tǒng)提供200-100K的低溫環(huán)境箱溫度。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步優(yōu)選，所述制冷及控溫系統(tǒng)提供300-150K的低溫環(huán)境箱溫度。

本發(fā)明適用于寬溫區(qū)(300-80K)材料不同類型靜態(tài)力學(xué)性能應(yīng)力與可視化應(yīng)變及圖像的測試，可以實(shí)現(xiàn)材料所受應(yīng)力與應(yīng)變及材料受力變形圖像的同步采集，適用于標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)試樣的低溫靜態(tài)力學(xué)性能可視化測試試驗(yàn)；且低溫下環(huán)境箱內(nèi)部的光線明亮、視場清晰、無結(jié)霜現(xiàn)象；設(shè)備安裝方便，環(huán)境箱的控溫、保溫操作簡單。

附圖說明

圖1為本發(fā)明用于300-80K材料靜態(tài)力學(xué)性能連續(xù)可視化應(yīng)變與圖像記錄測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

如下為本發(fā)明的一個實(shí)施例，其僅用作對本發(fā)明的解釋而并非限制。

參見圖1所示的用于300-80K材料靜態(tài)力學(xué)性能連續(xù)可視化應(yīng)變與圖像記錄測試系統(tǒng)，其包括一帶有可視化窗口的低溫環(huán)境箱、制冷及控溫系統(tǒng)、除霜裝置與高速應(yīng)變記錄系統(tǒng)；

所述可視化低溫環(huán)境箱是一長方體型具有保溫功能的環(huán)境箱1，其前表面101是環(huán)境箱體對外聯(lián)通的門11，所述門11上帶有一安裝耐低溫透明材料的觀測窗12，觀測窗12的邊緣帶有防結(jié)霜?dú)猸h(huán)13；所述防結(jié)霜?dú)猸h(huán)13是一帶有若干排氣孔洞的非金屬環(huán)；所述門11的內(nèi)側(cè)面102觀測窗口12的上方帶有一照明電源21；所述環(huán)境箱1的上側(cè)面103、下側(cè)面104各帶有一可插拔拆卸并帶有穿孔的密封保溫板14；環(huán)境箱上側(cè)面103、下側(cè)面104的中心位置各有一承力軸15；所述承力軸15通過密封保溫板14上的穿孔，貫穿進(jìn)入到環(huán)境箱1內(nèi)部；所述承力軸15與環(huán)境箱1上側(cè)面103、下側(cè)面104相連接處各套有防結(jié)霜?dú)猸h(huán)13；

所述制冷與控溫系統(tǒng)其包括制冷裝置和控溫裝置；所述制冷裝置包括液氮罐2、液氮輸液管3、低溫電磁閥4、液氮霧化器5和導(dǎo)流板6；所述液氮輸液管3的一端與液氮罐2連接；所述低溫電磁閥4位于環(huán)境箱1后側(cè)面105的外部；低溫電磁閥4通過液氮輸液管3與位于環(huán)境箱1內(nèi)部的液氮霧化器5相連接；低溫電磁閥4另一端與外部的液氮輸液管3相連接；所述低溫電磁閥4的電信號與溫度控制器8連接，低溫電磁閥4通過溫度控制器8反饋的溫度信號控制進(jìn)入到環(huán)境箱1內(nèi)液氮的流量；所述導(dǎo)流板6位于環(huán)境箱1內(nèi)后半部液氮霧化器5的前面；所述控溫裝置其由溫度計7、溫度控制器8、風(fēng)機(jī)9、加熱器10、排氣裝置16組成；所述溫度計7位于環(huán)境箱1內(nèi)部材料力學(xué)性能測試區(qū)域；所述溫度控制器8由顯示溫度、加熱電源、電信號反饋模塊組成；所述風(fēng)機(jī)9的主機(jī)部分位于環(huán)境箱1外部的后表面上，風(fēng)機(jī)9的扇葉91穿過環(huán)境箱1的后側(cè)面105位于環(huán)境箱1的內(nèi)部；所述扇葉91位于液氮霧化器5與導(dǎo)流板6之間；所述風(fēng)機(jī)9電源線和信號線與溫度控制器8連接；所述加熱器10固定在環(huán)境箱1的左、右側(cè)面上，并位于環(huán)境箱1內(nèi)部的導(dǎo)流板6與液氮霧化裝置5之間；所述加熱器10的電源線和信號線與溫度控制器8連接；所述排氣裝置16是一中空的不銹鋼管，其帶一微壓單向閥17的一端處于環(huán)境箱1的外部，另一端頭的喇叭型開口位于環(huán)境箱1內(nèi)部的導(dǎo)流板6上；

所述除霜裝置其包括空壓機(jī)18和防結(jié)霜?dú)猸h(huán)13；所述空壓機(jī)分別通過輸氣管22與觀測窗12邊緣的防結(jié)霜?dú)猸h(huán)13及上、下承力軸15上的防結(jié)霜?dú)猸h(huán)13相連通；

所述高速應(yīng)變記錄系統(tǒng)包括一高速應(yīng)變及圖像采集設(shè)備19和計算機(jī)20。

所述處在環(huán)境箱1外部的承力軸15分別與材料靜態(tài)力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的橫梁和基座連接，在環(huán)境箱1內(nèi)部承力軸15的端頭上裝卡不同類型的試驗(yàn)夾具，可以實(shí)現(xiàn)材料在300-80K溫區(qū)內(nèi)的低溫靜態(tài)力學(xué)試驗(yàn)；所述高速應(yīng)變及圖像采集設(shè)備19的鏡頭與觀測窗口12保持一定距離；高速應(yīng)變及圖像采集設(shè)備19的應(yīng)變及圖像采集與在低溫力學(xué)應(yīng)力采集同步，同步記錄材料的受力情況及材料實(shí)時應(yīng)變及變形情況的圖像。

試驗(yàn)前，將本發(fā)明的長方體型低溫環(huán)境箱1放置在試驗(yàn)機(jī)上，試驗(yàn)機(jī)的承力軸15分別穿過低溫環(huán)境箱1上、下密封保溫板14穿孔并連接上試驗(yàn)所需的夾具，在夾具上裝卡好試樣，關(guān)閉低溫環(huán)境箱1的門11；溫度計7與溫度控制器8連接；加熱器10、低溫電磁閥4、風(fēng)機(jī)9的電源和信號線分別與外部的溫度控制器8相連接；液氮輸液管3與液氮罐2連接；照明光源21與電源連接；高速應(yīng)變及圖像采集設(shè)備19與儲存記錄圖像的電腦20連接；高速應(yīng)變及圖像采集設(shè)備19的鏡頭靠近環(huán)境箱門11上的觀測窗12。

試驗(yàn)冷卻前，先用氮?dú)庵脫Q出低溫環(huán)境箱1內(nèi)的空氣；開啟空壓機(jī)18，通過防結(jié)霜?dú)猸h(huán)13，在透明觀測窗12口的外表面形成一層氣膜，觀察窗邊緣設(shè)有自發(fā)熱裝置，防止結(jié)霜影響觀察；承力軸15上的防結(jié)霜?dú)猸h(huán)13在承力軸15與密封保溫板14的外部相交處形成氣膜；通過溫度控制器8設(shè)置試樣的待測溫度，具有自增壓功能的液氮罐2把液氮通過輸液管3流經(jīng)低溫電磁閥4輸入到低溫環(huán)境箱1內(nèi)的液氮霧化器5內(nèi)；具有一定壓力的液氮通過液氮霧化器5霧化成液氮小液滴；霧化的液氮小液滴經(jīng)電機(jī)9上的扇葉91轉(zhuǎn)動鼓吹到具有小孔的導(dǎo)流板6上，并通過小孔進(jìn)入到低溫環(huán)境箱1內(nèi)冷卻測試區(qū)域及測試裝置；冷卻吸熱汽化后的氮?dú)馔ㄟ^排氣管道16排出環(huán)境箱1；溫度計7把測量到環(huán)境箱1內(nèi)的溫度信號反饋給溫度控制器8，溫度控制器8根據(jù)保溫箱1內(nèi)的溫度信號來決定低溫電磁閥4開關(guān)的打開與閉合，控制進(jìn)入到環(huán)境箱1內(nèi)液氮的流量；降溫接近待測溫度時，開啟加熱器10加熱，溫度控制器8根據(jù)溫度計7反饋的溫度信號控制加熱器10的加熱功率、控制低溫電磁閥4的開閉、控制風(fēng)機(jī)9的開閉，維持環(huán)境箱1內(nèi)制冷與加熱的動態(tài)平衡，減少環(huán)境箱1內(nèi)的溫度梯度差，實(shí)現(xiàn)環(huán)境箱1內(nèi)試驗(yàn)測試區(qū)域的溫度長時間保持穩(wěn)定直至試驗(yàn)的完成。

試驗(yàn)時，開啟試驗(yàn)機(jī)的測試軟件、高速應(yīng)變及圖像采集設(shè)備19的測試軟件及環(huán)境箱1內(nèi)的照明電源21，保持力學(xué)測試數(shù)據(jù)與應(yīng)變及圖像信息的同步自動記錄、采集，直至試樣完全破壞。透明觀測窗口12的外表面因有室溫氮?dú)鈿饽さ淖韪簦瑫r具有自發(fā)熱的功能，避免了空氣中的水蒸氣在觀測窗口12耐低溫透明介質(zhì)上的液化，確保了高速應(yīng)變及圖像采集設(shè)備19鏡頭的視場清晰。

通過在試驗(yàn)機(jī)承力軸15上轉(zhuǎn)接不同的測試工裝夾具，重復(fù)上述的試驗(yàn)過程，完成金屬、非金屬、復(fù)合材料等不同靜態(tài)力學(xué)測試類型試樣的應(yīng)變與試樣受力變形圖像的可視化低溫力學(xué)試驗(yàn)。