[发明专利]一种拉伸载荷下材料体积膨胀特性的测量装置和测量方法

说明书

本发明公开了一种拉伸载荷下材料体积膨胀特性的测量装置和测量方法，测量装置包括拉伸杆、补偿杆、参考腔、差压计、螺旋测微器，拉伸杆、补偿杆和螺旋测微器的螺杆分别通过特定安装座伸入测试腔，拉伸杆和补偿杆材料尺寸规格相同，在测试腔内固定连接，拉伸过程中移动方向相反。测量过程分为背景曲线测定、总曲线测定、数据综合处理三个阶段；背景曲线测定阶段，通过无试样条件下的标定与拉伸测试，获得表征拉伸过程中装置因素导致的体积改变数据与位移数据关系的背景曲线；总曲线测定阶段，通过安装试样后的标定与拉伸测试，获得表征拉伸过程中总体积改变数据与位移数据关系的总曲线；数据综合处理阶段，使用力曲线的拐点确定拉伸过程的起点位移，结合背景曲线和总曲线，获取体积膨胀特性曲线。

技术领域

本发明属于材料测试技术领域，具体涉及一种材料在拉伸载荷下体积膨胀特性的测量装置和测量方法。

背景技术

拉伸试验是指在承受轴向拉伸载荷下测定材料特性的试验。利用拉伸试验得到的数据，除了可以确定材料的弹性极限、伸长量、弹性模量、拉伸强度等拉伸性能之外，配合专用装置还能对其他特定性能进行测试，拉伸载荷下体积膨胀特性就是其中的一种。该特性一般指拉伸载荷条件下，材料试样体积发生改变(增大或者减小)的特性。获得拉伸载荷下材料体积膨胀特性的一般方法是，使用专用体积改变量测量装置，在拉伸试验过程中，同步测量待测材料试样的体积改变量和长度改变量。随后结合试验前测量得到的试样初始体积、初始长度，绘制体积改变率-应变曲线，即得到材料的拉伸体积膨胀特性。限于测试条件和待测材料试样体积较小、体积改变率很少有超过100％等因素，测试过程中的体积改变量(膨胀)测量对于分辨力和精度有较高要求；同时作为测量装置，其测量结果应能计量溯源。

目前，工程技术人员已经开发出多种体积膨胀测量装置，其基本思想是，在内置被测材料的腔体中填充流体，则材料的体积改变就会引起流体体积改变，从而将问题转化为对流体体积改变量的测量。

目前测量所使用的流体，包括液体和气体两大类。其中，使用液体作测量介质的液体膨胀仪，利用液体在常规条件下不可压缩的特性，使用毛细管或类似测量仪器，直接测量腔体内液体体积的变化量，即为待测材料试样的体积膨胀量。液体膨胀仪主要在精度要求较低、液体与材料不发生作用的场合下应用。

气体膨胀仪用于精度要求更高或者其他不适用于液体膨胀仪的场合，其原理是利用特定气体(例如干燥空气、氮气等)在常温常压下满足理想气体状态方程的特性，获知密闭腔体内气体体积改变量与气压的变化关系，继而使用这部分气体为媒介，测量腔内材料在载荷条件下改变导致的气压变化，换算出材料的体积改变量。例如授权公告号为CN204086016 U的实用新型专利，公布了一种复合材料静态力学单向拉伸体积改变测试装置。该装置主要由内置样品腔的测试腔、与测试腔连通的补偿腔、用于提供稳定比较气压的参考腔，以及体积校准系统和差压检测系统组成。对于测试过程中拉伸杆移出测试腔导致的额外体积改变量，装置另设体积补偿腔，采用补偿杆同步移入测试腔的方式进行补偿。常温常压下测量时，首先将校准钢棒置于样品腔内，密闭所有腔室，进行测试腔与参考腔差压-体积改变相互关系的标定(原文中称之为校准)；随后开腔取出校准钢棒，并安装待测材料试样，再次密闭所有腔室，操作拉伸试验机拉伸待测材料试样，过程中实时测量记录差压值和待测材料试样应力/应变值；最后，根据差压值换算得到腔内气体体积的变化量，从而得到测试过程中的待测材料试样体积改变-应力/应变曲线。