高温材料力学测试应用的性能优选

MTS 首席材料测试科学家 Erik Schwarzkopf 博士凭借超过 30 年的材料测试和系统工程经验，为广大客户提供独到的专业知识。在本问答中，他讨论了高温材料测试应用会遇到的几种固有的挑战，以及应对策略。


问题之一

为什么要在高温环境下开展材料力学性能测试，是什么推动了此类测试的发展？

无论是车辆，还是航空航天，亦或能源发电设施，都需要提高能效比——即提升效率，这就要求研发人员需要使用具有更高强度-重量比的新型材料来制备相关的部件，这些部件还需要具有更长的使用寿命。这就要求人们在高温环境下开展类似材料的力学性能测试和评估。

问题之二

这种“高温”测试为何如此复杂？

“温度升高” 对于不同研究人员的意义不同。通常来说，不同的材料在不同的温度区间分布着不同的最佳强度-重量比，对于高温环境下的材料力学性能试验主要考量三个不同的温度区间：对于聚合物基纤维增强型复合材料(PMC)的测试温度范围大约在200°C ～ 500°C，对于超级合金的测试温度范围则大约在800°C ～ 1000°C，对于陶瓷基复合材料的测试温度范围则高至1500°C。对于试验工程师而言，在不同温度区间下开展材料力学性能试验需要综合考虑诸多因素来保证试验效果，在相应的温度条件下获取材料力学属性，得到高质量的试验结果。

问题之三

什么样的因素考量会测试数据的精确性？

在处理那些试验过程中会接触到样件或者靠近样件的“设备”时，就会遇到类似的问题，这里的“设备”是指夹具、引伸计、高温炉或者环境箱。这些问题往往是系统性问题，牵一发动全身，试验工程师在处理这些问题的时候会有一种“ 按下葫芦浮起瓢”的感觉。

问题之四

这些相互关联的问题在测试设置过程中会如何出现？

很多情况下是这些问题会从“样件”开始。PMC和CMC材料样件通常为平板型，一般不会像金属样件那样，使用圆棒型样件通过螺纹或者凸台形式夹持在夹具上。所以，对于PMC材料的样件，我推荐使用经济、高效的液压助力楔形夹具来夹持。PMC样件通常比较脆弱，因此使用液压助力楔形夹具均匀的施加夹持力反而会保护PCM样件中的增强纤维。使用全温度型的液压助力楔形夹具，夹头、楔块和样件都在环境箱内部加热，降低了温度梯度，还能够保持均衡的夹持力。这类夹具的体积比较大，因此需要配置空间较大的环境箱。

问题之五

把夹具放在环境箱内会带来怎样的问题？

较大体积的夹具放置于环境箱内则需要环境箱的体积变大，这时，力学性能测试过程中的应变测量就成为下一个挑战。如果环境箱的体积比较小，还可以将引伸计放置于环境箱外，引伸计通过足够长度的延伸杆来接触样件。但是如果环境箱体积较大，过长的延伸杆会带来很多额外的问题。要么就把引伸计放置于环境箱内部，但是高温或低温对引伸计这类传感器的电子元件有一定的破坏作用。

问题之六

那该如何解决引伸计的问题呢？

现在解决这一问题的方法是使用视频引伸计或者数字图像相关(DIC)技术来实现应变测量。这类设备放置于环境箱外面，通过环境箱的视窗来“观察”样件的变形。看上去似乎很简单，但实际上未必如此。环境箱内部需要有光源，这样摄像头才能够”看清楚“样件，在某些温度条件下，被测对象存在黑体辐射现象，降低了对比度，从而影响此类非接触测量的精度。针对这种情况，MTS开发了蓝光LED光源来照射样件，采用光学滤波来减少样件的黑体辐射影响，提高非接触测量的样件对比度。

问题之七

既然是这样，为何不直接就使用圆棒形式样件？

材料样件取样要尽量接近实际服役条件，PMC 和 CMC 材料的最终制品一般为板型结构，就算是金属材料，由于某些原因，往往没有办法获取足够尺寸材料来制备样件。有些时候，只能从较大的设备部件上截取一小段材料作为被测样件，但是有的时候则无能为力，根本没有足够的空间来取样。例如飞机发动机的涡轮风扇部分，这部分零件在实际工作时要应对极高的温度环境。为了提高燃油经济性， 还需要进一步提升燃烧室的温度和压力，越来越多的涡轮风扇发动机采用单晶体金属材料制备中空气冷叶片。但是在进行材料力学性能试验时，这些形状复杂的叶片没有足够的体积截取圆棒型的样件，如果单晶体金属材料的枝晶间距接近样件的尺寸，则样件的力学行为可能表现得很不一样。样件的行为可能与大块头的圆形样件完全不同。

问题之八

那的不同测试温度范围之间所需要考虑的因素是否相同？

完全不同。例如，在一般情况下，MTS的高温测试夹具能够满足大多数的高温材料力性能试验应用。但是对于CMC材料的高温试验，由于试验温度通常要超过1000°C，现有的高温测试夹具已经没有足够的强度来完成试验。在理想的情况下，夹具最好能够与样件一起在高温炉内加热，这样样件的温度梯度最好，同时夹具又没有那么热而失去强度。当然，可以把样件加工得足够长，这样可以采用炉外加持使用一般的冷端夹具就可以做试验了，但是即便是这样，仍然会带来巨大的温度梯度误差，不得不增加试验数量来弥补温度梯度误差带来的不利影响，并且很多时候，也没有可能制备那样大的样件。

问题之九

什么是在最高温度范围内夹持样件的解决方案？

MTS系统公司开发的高温夹具有两种不同的制冷形式，根据所使用的温度环境不同采用不同的方式，但是基本的目的就是让夹持样件的部分温度略低于加热区中心。例如中心区域的温度是1200°C时，夹持部分的温度接近1000°C，这样夹具也能够保持足够的强度，样件标距部分的温度梯度也可以满足试验的要求。对于测试温度在1000°C以内的金属材料力学性能试验，采用一般常规制冷的夹具就可以，这种解决方案被广泛应用于高温高周或者高温低周疲劳试验，而对于测试CMC样件，温度最高可以达到1500°C，MTS则开发了全新的强制制冷夹具。

问题之十

那应该怎么办，应该选择什么样的供应商来开展合作？

这个时候需要选择能够了解完整测试需求的供应商来合作，这一点很重要。对于高温材料力学测试，现成成套的标准商业化解决方案很少，很多试验室都是根据自己对试验任务的理解来组装来自不同供应商的产品构成自己的解决方案。可是问题是在于这些产品的集成工作让人抓狂，引伸计的专家未必能够了解环境箱或者高温炉的细节，究竟是将引伸计放置于环境箱内还是通过开孔接触试验件。夹具设计专家可以很容易设计冷端夹具，但是在开展高温材料力学性能测试时给试验件带来了较大的温度梯度误差，对试验结果产生了影响。MTS作为业内翘楚，能够为广大客户提供完整的解决方案，系统集成的工作在MTS公司内部由系统集成与试验专家来完成，其创新的高温材料力学性能试验解决方案减少了不确定因素，能够在有限的试验数量中获得足够精确的试验结果。

关于MTS系统公司

MTS系统公司成立于1966年，是全球首屈一指的高性能力学试验系统、仿真系统与传感器供应商，而美特斯工业系统(中国)有限公司是MTS系统公司在中国地区的全资子公司，成立于2008年。MTS系统公司的产品被广泛应用于各行各业，用于提高产品品质，加快研发进度，包括材料力学性能测试、土木工程结构测试、航空航天以及汽车耐久性、性能测试与仿真等领域，其先进高性能传感器用于各种振动、压力、位置、声学和载荷测量。截至2020年10月3日，MTS系统公司全球共有3,000余名员工，2020财年的营销总额为8.28亿美元。