权利要求

1.一种快速可连续测试高温杨氏模量的装置，其特征在于：包括信号分析系统和高温炉及其内部组件;所述的信号分析系统包括信号采集装置、信号读取设备、信号放大器和频谱分析仪;所述的高温炉内部组件包括热电偶、感应加热器、激励器和试样支撑架，试样放置在试样支撑架上，所述的热电偶设置于试样下方;所述的感应加热器呈螺旋状，设置在试样四周;所述的激励器设置在试样下端;所述的高温炉炉体上设有可视窗口和气体出入口，通过气体入口通入惰性气体;高温炉及其内部组件在高温下对试样进行激励并保持高温下惰性气氛，信号分析系统读取和分析试样的共振频率。

2.根据权利要求1所述的快速可连续测试高温杨氏模量的装置，其特征在于：所述的热电偶安装于试样中心区域，距离试样1.0～5.0mm;所述的感应加热器呈螺旋状分布于试样四周，距离试样0.5～5cm;所述的感应加热器功率可调。

3.根据权利要求1所述的快速可连续测试高温杨氏模量的装置，其特征在于：所述的激励器安装于试样一端的下方，距离试样0.5～2.0cm，其激励力度可调;所述的试样支撑架将试样按照节点悬挂及固定，两个支撑架的支撑点到试样两端的距离为0.224l，l为试样长度。

4.根据权利要求1所述的快速可连续测试高温杨氏模量的装置，其特征在于：所述的可视窗口采用高温玻璃材质;所述的惰性气体为氮气、氩气和/或氦气;气体入口的气体流量可调。

5.根据权利要求1所述的快速可连续测试高温杨氏模量的装置，其特征在于：所述的信号采集装置、信号读取设备、信号放大器与频谱分析仪之间依次通过线路连接，信号采集装置安装在高温炉内采集样品的共振频率信号，共振频率信号通过线路传送到信号读取设备和信号放大器，信号放大后再传送到频谱分析仪进行分析，得到试样的共振频率。

6.一种快速可连续测试高温杨氏模量的方法，包括如下步骤：

(1)将试样放置在试样支撑架上，按照支点位置放置于高温炉中，试样支点至端点的距离为0.224l，l为试样长度;感应加热器呈螺旋状分布于试样四周;

(2)将热电偶固定在试样中间位置的下方;

(3)调整激励器位置，使之在试样下端;

(4)打开激励器对试样进行激励，通过可视窗口观察，调整激励能量，确保试样能被激励且激励能量不能过高，防止样品因激励能量过高导致样品倾斜或挪位;

(5)打开气体入口将惰性气体通入高温炉中，保证加热过程中一直有气体流动，保护试样不被氧化;

(6)打开感应加热器，对试样进行加热，至所需测试温度;

(7)对试样进行保温，同时以步骤(4)调整后的激励能量对试样进行激励;

(8)通过信号分析系统获取试样的共振频率;

(9)根据共振频率数据，计算此温度下的杨氏模量数据E。

7.根据权利要求6所述的快速可连续测试高温杨氏模量的方法，其特征在于：试样支点至端点的距离为0.224l，l为试样长度;感应加热器与试样的距离为0.5～5cm;热电偶与试样的距离为1.0～5.0mm;激励器与试样的距离为0.5～2.0cm。

8.根据权利要求6所述的快速可连续测试高温杨氏模量的方法，其特征在于：通入惰性气体的流量为20-100ml/min。

9.根据权利要求6所述的快速可连续测试高温杨氏模量的方法，其特征在于：所述试样的加热速率为0.5～10℃/s;所述的试样保温时间为1-5min。

10.根据权利要求6所述的快速可连续测试高温杨氏模量的方法，其特征在于：根据共振频率数据，按照公式(1)计算此温度下的杨氏模量数据E;

E=0.9465×(l/h)3×(m/b)×f 2×T1 (1)

式(1)中，E为杨氏模量;l为试样长度;m为质量;b为宽度;h为厚度，f为共振频率，T1为修正系数，根据试样尺寸h/lz比值及试样的泊松比μ在修正系数表中查得。

说明书

技术领域

[0001]本发明涉及一种快速可连续测试高温杨氏模量的装置及方法，具体涉及一种对金属材料可进行快速可连续高温杨氏模量检测的测试装置及方法，属于金属材料力学检测设备技术领域。

背景技术

[0002]杨氏模量E是材料力学性能中的一个重要指标，是表征固体材料抵抗形变能力的物理量。从微观角度来说，则是原子、离子或分子之间键合强度的反应。随着科技的发展，材料使用的工作环境更为复杂，在设计阶段只考虑常温条件下的杨氏模量已经不能满足工程设计需求，因此测定高温条件下材料杨氏模量具有更高的实际应用价值。常用的杨氏模量测试方法为静态法，静态法为破坏性试验，试验中材料会进入塑性或发生断裂，同一个试样只能测试一个温度点。

[0003]脉冲激励法是动态法测试金属材料杨氏模量的一种，属于无损测试方法，可进行不同温度的杨氏模量连续性测试。当进行高温杨氏模量测试时，采用马弗炉对样品进行加热，待样品到达所需测试温度时，对样品进行脉冲激励，由信号采集器其对材料的共振频率进行接收分析，由共振频率计算出材料在当前温度下的杨氏模量。

[0004]目前的设备对样品和炉体整体加温，升温速率较慢，单个样品测试时间较长，测试效率低，且由于长时间的高温条件，导致样品氧化严重，影响测试数据。此外，目前由于炉体整体加热，整体炉温高，炉体外侧用氧化铝保温层，整个炉体密封，看不到里面测试状态，有时会由于激发能量过高使得样品倾斜或者挪位致使敲击不到样品。

发明内容

[0005]为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种快速连续测试高温杨氏模量的测试装置，及利用该装置快速连续测试高温杨氏模量的方法。

[0006]本发明采用电感应加热方式对样品进行加热及保温，从而提升样品的加热速率，提升检测效率，另外在炉体内通入保护气体，避免了材料的高温氧化现象，提升数据准确性。由于采用单独对样品加热方式，在炉体上增加可视窗口，可实时观看样品的激励状态，方便及时调整激励能量以保证样品被激励到且不会因激励能量过高导致试样发生倾斜或挪位。

[0007]一种快速可连续测试高温杨氏模量的测试装置，包括信号分析系统和高温炉及其内部组件;所述的信号分析系统包括信号采集装置、信号读取设备、信号放大器和频谱分析仪;所述的高温炉内部组件包括热电偶、感应加热器、激励器和试样支撑架，设置在高温炉内，试样放置在试样支撑架上，试样支撑架固定在高温炉下方的内壁上，所述的热电偶设置于试样下方，位于两个支撑架之间;所述的感应加热器呈螺旋状，设置在试样四周;所述的激励器设置在试样下端;所述的高温炉炉体上设有可视窗口和气体入口，通过气体入口通入惰性气体;高温炉及其内部组件在高温下对试样进行激励并保持高温下惰性气氛，信号分析系统读取和分析试样的共振频率，根据共振频率计算杨氏模量。

[0008]该装置中，所述的热电偶安装于试样中心区域，距离试样1.0～5.0mm，优选为2.0～5.0mm，可实现对试样温度的测量。

[0009]所述的感应加热器呈螺旋状分布于试样四周，距离试样0.5～5cm，可实现快速对样品进行加热，使试样达到所需测试温度。

[0010]所述的感应加热器功率可调，试样加热速率为0.5～10℃/s。

[0011]所述的激励器安装于试样一端的下方，距离试样0.5～2.0cm，其激励力度可调，可实现高温下的对试样的激励，产生共振频率;激励器能量可调，可调范围为0～100%。

[0012]所述的可视窗口采用高温玻璃材质，可实现激励状态的观察。

[0013]所述的惰性气体可为氮气、氩气、氦气等气体;气体入口的气体流量可调，气体流量为20-100ml/min，可实现对试样高温下的防止氧化，以保证数据的准确性。

[0014]所述的试样支撑架可将试样进行按照节点(距离试样两端0.224l)悬挂及固定，两个支撑架的支撑点到试样两端的距离为0.224l，l为试样长度。

[0015]所述的信号分析系统可实现激励频率的读取及杨氏模量的计算，其中，信号采集装置、信号读取设备、信号放大器与频谱分析仪之间依次通过线路连接(电连接)，信号采集装置安装在高温炉内以采集样品的共振频率信号，共振频率信号通过线路传送到信号读取设备和信号放大器，信号放大后再传送到频谱分析仪进行分析，得到试样的共振频率。

[0016]本发明的装置具有以下特点：

[0017]1)采用电感应方式对样品进行加热，提升加热速率，缩短试验时间，从而提高检测效率;

[0018]2)通入惰性保护气体，防止试样的高温氧化以保证数据的准确性;

[0019]3)增加可视窗口，通过观察试样激励后状态，调整激励能量，防止试样因激发能量过高导致试样倾斜或者挪位。

[0020]一种快速可连续测试高温杨氏模量的测试方法，包括如下步骤：

[0021](1)将试样放置在试样支撑架上，按照支点位置放置于高温炉中，试样支点至端点的距离为0.224l，l为试样长度;感应加热器呈螺旋状分布于试样四周;

[0022](2)将热电偶固定在试样中间位置的下方;

[0023](3)调整激励器位置，使之在试样下端;

[0024](4)打开激励器对试样进行激励，通过可视窗口观察，调整激励能量，确保试样能被激励且激励能量不能过高，防止样品因激励能量过高导致样品倾斜或挪位;

[0025](5)打开气体入口将惰性气体通入高温炉中，保证加热过程中一直有气体流动，保护试样不被氧化;

[0026](6)打开感应加热器，对试样进行加热，至所需测试温度;

[0027](7)对试样进行保温，同时以步骤(4)调整后的激励能量对试样进行激励;

[0028](8)通过信号分析系统获取试样的共振频率;

[0029](9)根据共振频率数据，计算此温度下的杨氏模量数据E。

[0030]步骤(1)中，试样支点至端点的距离为0.224l，l为试样长度;感应加热器与试样的距离为0.5～5cm，可实现快速对样品进行加热，使试样达到所需测试温度。

[0031]步骤(2)中，热电偶与试样的距离为1.0～5.0mm。

[0032]步骤(3)中，激励器与试样的距离为0.5～2.0cm。激励器能量可调，可调范围为0～100%。

[0033]步骤(5)中，通入惰性气体的流量为20-100ml/min。

[0034]步骤(6)中，感应加热器的功率可调节，试样加热的速率为0.5～10℃/s。测试温度一般为室温到试样材料的熔点，通常到1200℃，即本发明装置和方法可以适用的高温测试范围。

[0035]步骤(7)中，试样保温时间为1-5min，优选为2-3min。

[0036]优选的，重复步骤(6)-(8)，测试三次取平均值。

[0037]步骤(9)中，根据共振频率数据，按照公式(1)计算此温度下的杨氏模量数据E;

[0038]E=0.9465×(l/h)3×(m/b)×f2×T1 (1)

[0039]式(1)中，E为杨氏模量模量;l为试样长度;m为质量;b为宽度;h为厚度，f为共振频率，T1为修正系数，根据试样尺寸h/l及试样的泊松比μ在国家标准的修正系数表中查得。

[0040]本发明装置和方法的有益效果：

[0041]1)提高了升温速率，缩短检测时间，从而提升试验效率;

[0042]2)通过缩短试验时间和通入惰性保护气体，降低材料表面的高温氧化，提高数据准确性;

[0043]3)开设可视窗口，可实时观看敲击后样品的激励状态以调整合适的激励能量，保证样品被激励位置的统一性。

附图说明

[0044]图1为本发明快速可连续测试高温杨氏模量的测试装置的结构示意图。

[0045]主要附图标记说明：

[0046]1-信号分析系统，2-高温炉，3-信号采集器，4-信号读取设备，5-信号放大器，6-频谱分析仪，7-热电偶，8-感应加热器，9-激励器，10-可视窗口，11-试样，12-试样支撑架，13-气体入口。

具体实施方式

[0047]如图1所示，本发明快速可连续测试高温杨氏模量的装置，由信号分析系统1和高温炉2及其内部组件组成。信号分析系统1由信号采集器3、信号读取设备4、信号放大器5、频谱分析仪6组成。高温炉2内部组件包括设在高温炉2内的热电偶7、感应加热器8、激励器9、试样11和试样支撑架12，高温炉2上设有可视窗口10、气体入口13;试样11放置在试样支撑架12上，试样支撑架12固定在高温炉2下方的内壁上，热电偶7安装于试样11中心区域下方，距离试样1.0～5.0mm，可实现对试样温度的测量;感应加热器8呈螺旋状安装分布于试样11四周，距离试样0.5～5cm，可实现快速对样品进行加热，使试样11达到所需测试温度;感应加热器8功率可调，加热速率0.5～10℃/s;激励器9安装于试样一端的下方，距离试样0.5～2.0cm，其激励力度可调，可实现高温下的对试样的激励，产生共振频率;激励器9能量可调，可调范围为0～100%;可视窗口10采用高温玻璃材质，可实现激励状态的观察;惰性气体可为氮气、氩气、氦气等气体;气体入口13通往惰性气体的流量可调，气体流量为20-100ml/min，可实现对试样高温下的防止氧化，以保证数据的准确性;试样支撑架12可实现将试样11进行按照节点(距离试样两端0.224l)悬挂及固定;高温炉2及其内部组件实现高温下对试样11的激励和维护高温下惰性气氛。

[0048]信号分析系统1可用于实现激励频率的读取及杨氏模量的计算，其中，信号采集器3、信号读取设备4、信号放大器5与频谱分析仪6之间依次通过线路连接(电连接)，信号采集器3安装在高温炉2内以采集样品11的共振频率信号，共振频率信号通过线路传送到信号读取设备4和信号放大器5，信号放大后再传送到频谱分析仪6进行分析，得到试样的共振频率。根据共振频率，计算此温度下的杨氏模量。

[0049]基于上述装置，本发明快速可连续测试高温杨氏模量的测试方法，包括如下步骤：

[0050](1)将试样11放置在试样支撑架12上，按照支点位置放置于高温炉2中，支点距离端点0.224l，l为试样长度;感应加热器7呈螺旋状安装于试样11四周，距离试样0.5～5cm，可实现快速对样品进行加热，使试样11达到所需测试温度;感应加热器8功率可调;

[0051](2)将热电偶7固定在试样12中间位置的下方，距离试样1.0～5.0mm;

[0052](3)调整激励器9位置，使之在试样下端，距离试样0.5～2.0cm;激励器8能量可调，可调范围为0～100%;

[0053](4)打开激励器9对试样11进行激励，通过可视窗口10观察，调整激励能量，确保试样11能被激励且激励能量不能过高，防止样品因激励能量过高导致样品倾斜或挪位;

[0054](5)打开气体入口13将惰性气体通入高温炉2中，气体流量为20-100ml/min，保证加热过程中一直有气体流动，保护试样11不被氧化;

[0055](6)打开感应加热器8，对试样11进行加热，加热速率为0.5～10℃/s，至所需测试温度;

[0056](7)对试样11进行保温1-5min，优选2-3min，同时以步骤(4)调整后的激励能量对试样11进行激励;

[0057](8)通过信号分析系统1获取试样的共振频率;

[0058](9)根据共振频率数据，按照公式(1)计算此温度下的杨氏模量数据E;

[0059]E=0.9465×(l/h)3×(m/b)×f2×T1 (1)

[0060]式(1)中，E为杨氏模量模量;l为试样长度;m为质量;b为宽度;h为厚度，f为共振频率，T1为修正系数，根据试样尺寸h/lz比值及试样的泊松比μ在表1中查得。

[0061]表1修正系数

[0062]

[0063](10)重复步骤(6)-(8)，测试三次取平均值。

[0064]实施例1

[0065]1.将试样(高温合金GH4169，长方体试样)放置在支架上，按照支点(距离端点0.224l)位置放置于高温炉2中;

[0066]2.热电偶7固定在试样11中间部分，距离试样1.0cm;

[0067]3.调整激励器9位置，距离试验1.0cm;

[0068]4.用激励器9对试样进行激励，通过可视窗口10观察，调整激励能量，确保试样11能被激励且激励能量不能过高，防止样品因激励能量过高导致样品倾斜或挪位;

[0069]5.打开气体入口13将惰性保护气体通过高温炉2中，气体流量为50ml/min，保证加热过程中一直有气体流动，保护试样11不被氧化;

[0070]6.打开感应加热器8，对试样11进行加热，加热速度1℃/s至所需测试温度(700℃);

[0071]7.对试样11进行保温1-5min;

[0072]8.对试样11进行激励，激励能量为35%;

[0073]9.读取信号分析系统中获得的共振频率;重复步骤6-8，测试三次取平均值，共振频率f的平均值为3689Hz;

[0074]10.试样长度l为60mm，质量m17.839g，宽度b为12mm，厚度h为3mm;测得共振频率f为3499Hz，根据材料参考泊松比0.30，在表1中查得修正系数1.018，按照公式(1)计算此温度下的杨氏模量数据E为140.3GPa。修约后数值为140GPa，查阅中国航空材料手册(第二版)GH4169在700℃杨氏模量为141GPa，与参考数值基本吻合。

[0075]实施例2

[0076]采用与实施例1相同的步骤，对铝基复合材料进行测试，质量m为26.696g，试样长度为75mm，宽度b为25mm，厚度h为5mm;测得共振频率f为4330Hz，根据材料参考泊松比0.35，在表1中查得修正系数1.036，根据公式(1)计算E为66.3GPa，将此试样放入马弗炉中加热测试，加热速率为5℃/min，在200℃下进行测试采集共振频率为4333Hz，测试杨氏模量E为65.8GPa，两个数据基本吻合。

[0077]本发明金属材料的杨氏模量的测试装置及方法，可以实现快速、连续温度点测试、准确及带有可视功能的目的。该装置及方法通过缩短试验时间、通入惰性保护气体、开设可视窗口，提高数据准确性和统一性。

[0078]本发明中，对试样进行电感加热，当试样达到所需温度点时，进行保温，激励器，采用脉冲激励法进行动态杨氏模量测试，由信号分析系统对材料的共振频率进行接收分析，因此可实现快速检测和温度点可以连续设置，在装置中通入惰性气体保证试样尽量不被高温氧化，且装置中增加可视窗口，根据观察到的激励样品状态，调整激励力度，保证样品在测试中既可以被激励到又不会发生试样偏移的情况，从而保证测试数据的准确性。

说明书附图(1)