[实用新型]一种高温霍普金森拉伸实验装置

说明书

技术领域

 本实用新型属于材料高温动态力学性能实验技术领域，具体涉及一种用于金属材料高温动态力学性能测试的霍普金森拉伸实验装置。

背景技术

材料在高温高应变率下的力学性能与常温低应变率下的力学性能不同，分离式霍普金森（Hopkinson）拉杆是进行材料动态拉伸力学性能研究最常用最有效的实验设备。由于分离式霍普金森（Hopkinson）拉杆在进行实验时试件与波导杆必须连接为一体，进行高温实验时加热对波导杆的影响是难以避免的，从而影响实验结果的准确性和有效性。采用合理的加热方式，降低波导杆中的温度梯度对实验结果的影响是霍普金森拉伸实验中关注的焦点之一。名称为“温度和应变率对拉伸载荷下高温铝合金本构关系影响的研究”的文章（佟景伟等，实验力学，1999，14(4)：498～504）采用电炉将试件及部分波导杆同时加热，然后对波导杆进行温度梯度修正的方式，其缺点是数据处理比较复杂。名称为“高温冲击拉伸实验中的快速接触加温技术”的文章(昝祥等，实验力学，2005，20(3):321～327)采用大热容量热惯性温升的快速接触加热技术，其加热器与试件的接触过程可能对试件产生横向冲击，达到的最高温度也受到一定的限制。

发明内容

为了克服已有技术中数据处理比较复杂，加热器与试件的接触过程对试件产生横向冲击，达到的最高温度受到限制等弱点，本实用新型提供了一种用于金属材料高温动态力学性能测试的霍普金森拉伸实验装置，应用本实用新型进行实验，加温迅速，可以忽略加温对波导杆的影响，对试件无冲击，能达到的最高温度也有较大的提高。

本实用新型采取的技术方案是：利用金属材料的导电特性，对试样施加电流，使金属试件在电流作用下发热，实现自加热。本实用新型的一种高温霍普金森拉伸实验装置，包括入射杆、透射杆、试件、测试系统，其特点是：还包括一套电流加热及控制系统。所述的电流加热及控制系统包括电流快速加热器、温控仪、加热夹头、通断器和热电偶。加热夹头由夹持于试件实验段两端的加热夹头Ⅰ和加热夹头Ⅱ组成，并分别通过铜导线与电流快速加热器相连；热电偶固定连接于试件实验段，并与温控仪相连作为其输入信号；温控仪的输出端与通断器相连，而通断器的另一端与电流快速加热器相连。

电流快速加热器输出电流所转换的热能主要由三部分组成：加热器内阻上产生的热能、编织铜导线电阻产生的热能和试件电阻产生的热能。加热器的内阻很小可忽略不计；一般金属材料的电阻率远高于铜的电阻率，且快速电加热器引出的编织铜导线截面积远大于试件本身的截面积，根据电阻的大小与材料的电阻率成正比而与材料的截面积成反比的原理，试件的电阻远高于编织铜导线的电阻，而电流相同，故加热器输出电流产生的热能主要集中在试件上，试件的温升远大于铜导线上的温升。

温控仪通过以下方式对加热过程进行控制：当热电偶测得的试件温度低于实验设定温度时，温控仪给出信号使电流快速加热器输出电流，使试件在电流作用下实现自加热，温度上升；当热电偶测得的试件温度达到实验设定温度后，温控仪给出信号控制电流快速电加热器停止电流输出，从而停止对试件加热，试件保温。

本实用新型中的试件、加热夹头和热电偶在安装完成后由石棉包覆，达到保温作用同时也与周围环境进行隔离。

本实用新型的实验过程为：按实验要求安装相应的试件，将加热夹头Ⅰ和加热夹头Ⅱ分别夹持于试件实验段的两端，将热电偶固接于试件的实验段，然后用石棉将上述部分包裹，并完成它们与温控仪、通断器、电流快速加热器的连接；开启实验测试系统，运行加载系统，当加载系统进入稳定运行等候击发时，开启电流快速加热系统，对试件加热；当试件温度达到实验要求时，击发加载系统，入射杆1中产生的应力波对试件进行拉伸加载，完成实验，同时加载系统截断通断器，电流快速加热器不再对试件进行加热。

本实用新型的有益效果是：试件上的温度分布均匀，其偏差小于2%；自加热局限于试件的有效通电区域，试件其余部位及波导杆仅有热传导引起的温升，由于加温迅速，加热过程极短，且试件与波导杆的粘接采用耐高温结构胶，其为热的不良导体，故波导杆的温升很小，在实验温度为950°C时其近试件端端面处的温升小于100°C，数据处理可以忽略加温对波导杆的影响而无需修正；实验过程对试件无冲击，试件能达到的最高温度也有较大的提高，可达1200°C。

附图说明

图1为本实用新型的一种高温霍普金森拉伸实验装置的总体结构示意图。

图2为本实用新型的一种高温霍普金森拉伸实验装置的实施例1的加热夹头与试件连接示意图。