[发明专利]用于霍普金森压杆试验的加热装置

说明书

技术领域

本发明属于材料动力试验及动态信号测实技术领域，具体涉及一种用于材料温度为常温～1200℃的霍普金森压杆试验的加热装置。

背景技术

一般说来，利用霍普金森压杆试验技术对材料进行不同温度下动态力学性能的测实，必须提前加热试件，试验过程中试件位于入射杆和透射杆之间，紧密接触，试件轴线要与压杆的轴线对齐，并保持恒定温度，所以必须要应用加热装置对试件进行加热，并应用保温定位装置对试件进行保温和试验定位，目前的高温霍普金森压杆试验方法有两种，对加热装置和保温定位装置的要求也有所不同。

一种是对试件和压杆同时加热的试验方法，这种方法要求加热装置能同时对试件和小部分压杆进行加热，加热装置要有保温和试件定位功能，容许压杆存在温度梯度，已用到的加热装置有简易恒温加热装置(由热电偶探头、电源、继电器、简易加热炉组成)和简易电炉升温装置。利用这种方法进行的高温动力试验，在数据处理时，要通过压杆中温度梯度对应力波传播的影响来对实测信号进行修正，需要测实压杆中的温度分布，试件温度范围以及应变率范围较小，因为部分压杆也被加热，其弹性和屈服强度一般随温度上升而下降，为了保持压杆的弹性状态，压杆的加热温度以及子弹的撞击速度均应有较大的限制，并且压杆在试验过程中加温、短时保温以及降温的反复过程会改变压杆的微观结构，进而影响压杆的力学性能。因此，这种试验方法中如何保护压杆、如何获得压杆中准确的温度分布、如何对实测信号进行修正以及如何设计相应的压杆尺寸均是值得深入研究的问题，试验的安全性和有效性较差，数据处理较为困难。

另一种是只对试件进行加热的试验方法，这种方法要求加热装置只对试件进行加热，可以同时利用加热装置进行保温和试件定位，要求加热装置移动方便、对试件的定位准确；也可以先用加热装置进行加热，再单独使用保温定位装置进行保温和试件定位，要求保温定位装置移动方便、对试件的定位准确。已用到的加热装置有环状简易加热炉和微波加热炉，环状简易加热炉利用电热丝进行加热，用隔热瓦片和石棉进行保温，最高加热温度为1200℃，微波加热炉采用微波加热原理，可实现对热惰性材料的快速加热；已有的保温装置多为简易保温装置，利用金属或厚纸片做成盒状，两端开孔，内部垫石棉和硅酸铝纤维毯进行保温，或者利用石棉包裹试件，用厚纸片进行支撑和包裹进行保温。这种方法的优点是对压杆上应变片所记录信号进行处理时，只需按照普通的试验数据处理方法进行处理。该方法又可以分成两类。一类是先只对试件加热，然后才将试件安装在系统中进行试验，这类办法的缺点是(1)只适用于霍普金森压杆试验系统；(2)由于既要保证试件温度不发生较大的变化，又要保证试验过程中试件的热量几乎不传递给压杆，这就要求试件加热至预定温度后到试验完成的这段时间必须非常短，这给试验系统的设计带来了较大的困难，该类方法可以忽略对压杆的加热，但是如何保证试件在快速加热后其温度分布均匀性将是一个需要解决的问题。只对试件进行加热的另一类试验技术是在试件两端各增加一保护块，保护块材料的弹性常数对温度不敏感，在加热过程中，只有试件以及试件与保护块的界面部分被加热，而压杆则处于室温状态，使用保护块技术进行材料动态高温力学性能测实的关键因素是保护块的选取，要求保护块材料对温度不敏感，保护块的使用不给压杆上应变片测实信号带来额外影响。

综合对比以上两种方法对加热装置的要求以及两种方法的优缺点，一般认为，利用加热装置只对试件加热的方法较易实施，试验可靠性相对较高，同时这种方法也是目前材料高温动力试验研究中采用比较多的一种方法，但已有的只对试件进行加热的加热装置和保温定位装置都较为简易，简易的加热装置存在位置调节不方便、试件定位不准确的缺点，会给试验带来较大误差，简易保温定位装置只能临时使用，会造成试件温度损失和温度不均匀，也会给试验结果带来较大误差。应用只对试件加热的方法进行试验的关键在于试件加热装置和保温定位装置的合理设计及准确使用，要求试件加热至预定温度后到试验完成的这段时间必须足够短，确保试件和压杆之间的热传导所导致的试件的温度分布不均匀性对试验结果产生的影响足够小，可以忽略不计。