[发明专利]材料测试装置与方法

说明书

本发明涉及材料测试机与操作材料测试机的方法，并且尤其涉及疲劳测试领域与对测试过程中自生的样品加热的控制。

将材料测试机用于测试材料样品或元件的物理特性。疲劳测试包括确定脉动(fluctuating)载荷之下的材料行为。典型地，将规定的平均载荷(其可以是零)与交变载荷应用于样品，并且记录产生故障需要的循环次数(疲劳寿命)。载荷例如可以通过扭转、弯曲、剪切、摩擦或这些的任意组合轴向施加。

在机械地用机器测试材料样品与试样的过程中，通过在测试过程中施加的机械力与变形将能量给于样品。部分该能量将其自身表现为样品的自生热。在循环疲劳测试中，以重复方式施加力与变形，并且能量吸收率大致与测试频率成比例(即，测试频率越快，样品将变得越热)。

在更高的测试频率处，样品上的自热效应可以导致显著的温度升高。这是任意循环加载测试，包括使用伪随机光谱波形的复杂循环加载或测试中的情况，无论以拉伸或扭转等向样品施加载荷。

同时，对于金属样品，通常能够以相对较高的测试频率实施这种疲劳测试，对于某些样品材料类型，例如，塑料与复合材料，疲劳测试的自热效应可以使得样品温度超过预定的测试限制(例如，复合材料中的树脂可能超过其工作温度)，这可以降低测试结果的有效性。

为解决这个问题，进行疲劳测试的操作者通常将测试频率设置为保守值，对于该保守值，认为在测试过程中，工作温度将不被超过。测试标准(例如，ISO标准、或由制造商或客户设定的标准)可以规定在测试过程中不会被超过的最大温度，或允许的最大温度升高，并且操作者被要求限制疲劳测试频率，从而自加热不会引起该限制被超过。因此，会不必要延长测试的持续时间的保守的测试频率被使用，这减少了机器上的测试量，并且增加每次测试的成本。在某些情况中，测试标准可以简单地将最大测试频率规定为防止样品过热的简单与过度谨慎的方式。相关标准的例子为EN ISO13003，ASTM D3479/D3479M“用于聚合物基体复合材料的拉-拉疲劳的标准测试方法”(Standard Test Method for Tension-Tension Fatigue of Polymer Matrix Composite Materials)与ASTM D7615/7615M“用于聚合物基体复合材料层压板的开孔疲劳响应的标准惯例”(Standard Practice for Open-Hole Fatigue Response of Polymer Matrix Composite Laminates)。

很多不同材料测试系统在现有技术中是已知的，包括设计用于在高温或低温测试样品的测试系统。GB214,737公开用于测试材料样品的方法与装置，其中，在测试过程中，将样品保持(hold)在液体腔内，并且通过调节经过腔室的液体流量而将样品温度保持恒定。

US2002/0170361A1公开一种装置，该装置用于测试材料对重复的剪切力的响应，其中，将材料样品置于环境控制腔中，该环境控制腔具有加热元件和制冷元件，并且使用PID控制系统，腔室可以被设定成期望的温度，并且在整个测试过程中保持恒定温度。

然而，这些系统依靠控制测试样品周围的环境温度，这增加了装置的复杂性。而且，如果相关的测试标准允许，这种还可以通过引入更冷的空气或使用风扇而实现的强制冷却仅可以用于限制样品加热。并不总是这种情况，因为强制冷却改变测试环境，并且某些测试标准规定了不进行冷却的测试条件。此外，强制冷却横跨样品产生较大的温度梯度，使得估计真实的样品温度变得更困难。因此理想的是，提供一种测试装置与方法，通过该装置及方法，通过控制样品的自热，而不需要控制样品周围的环境的温度的情况下，可以在样品温度不超过特定温度限制的情况下，将测试时间最小化，将测试量最大化。

本发明提供一种方法与装置，借此，可以自动地调节测试频率，以便在维持规定的循环载荷或压力的同时缩减测试时间，而不超过规定的样品工作温度。优选地，本发明布置成在最短的可能时间进行测试，即，主动地(actively)控制测试频率，以最小化测试时间。

尤其，本发明提供如权利要求1所述的操作材料测试装置的方法。根据本发明，本方法包括通过以可变测试频率将脉动载荷施加至材料样品而进行测试，在载荷的施加过程中测量样品的温度，并且基于测量到的温度改变测试频率，以便防止样品在测试过程中超过预定的最大温度。典型地，测试持续直至发生样品的故障，或载荷循环被执行规定次数。优选地，以以下方式改变测试频率测试：最小化用于完成测试的时间而在测试过程中样品不超过最大温度。