MTS 首席材料測(cè)試科學(xué)家 Erik Schwarzkopf 博士憑借超過 30 年的材料測(cè)試和系統(tǒng)工程經(jīng)驗(yàn)，為廣大客戶提供獨(dú)到的專業(yè)知識(shí)。在本問答中，他討論了高溫材料測(cè)試應(yīng)用會(huì)遇到的幾種固有的挑戰(zhàn)，以及應(yīng)對(duì)策略。


問題之一

為什么要在高溫環(huán)境下開展材料力學(xué)性能測(cè)試，是什么推動(dòng)了此類測(cè)試的發(fā)展？

無論是車輛，還是航空航天，亦或能源發(fā)電設(shè)施，都需要提高能效比——即提升效率，這就要求研發(fā)人員需要使用具有更高強(qiáng)度-重量比的新型材料來制備相關(guān)的部件，這些部件還需要具有更長的使用壽命。這就要求人們?cè)诟邷丨h(huán)境下開展類似材料的力學(xué)性能測(cè)試和評(píng)估。

問題之二

這種“高溫”測(cè)試為何如此復(fù)雜？

“溫度升高” 對(duì)于不同研究人員的意義不同。通常來說，不同的材料在不同的溫度區(qū)間分布著不同的最佳強(qiáng)度-重量比，對(duì)于高溫環(huán)境下的材料力學(xué)性能試驗(yàn)主要考量三個(gè)不同的溫度區(qū)間：對(duì)于聚合物基纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料(PMC)的測(cè)試溫度范圍大約在200°C ～ 500°C，對(duì)于超級(jí)合金的測(cè)試溫度范圍則大約在800°C ～ 1000°C，對(duì)于陶瓷基復(fù)合材料的測(cè)試溫度范圍則高至1500°C。對(duì)于試驗(yàn)工程師而言，在不同溫度區(qū)間下開展材料力學(xué)性能試驗(yàn)需要綜合考慮諸多因素來保證試驗(yàn)效果，在相應(yīng)的溫度條件下獲取材料力學(xué)屬性，得到高質(zhì)量的試驗(yàn)結(jié)果。

問題之三

什么樣的因素考量會(huì)測(cè)試數(shù)據(jù)的精確性？

在處理那些試驗(yàn)過程中會(huì)接觸到樣件或者靠近樣件的“設(shè)備”時(shí)，就會(huì)遇到類似的問題，這里的“設(shè)備”是指夾具、引伸計(jì)、高溫爐或者環(huán)境箱。這些問題往往是系統(tǒng)性問題，牽一發(fā)動(dòng)全身，試驗(yàn)工程師在處理這些問題的時(shí)候會(huì)有一種“ 按下葫蘆浮起瓢”的感覺。

問題之四

這些相互關(guān)聯(lián)的問題在測(cè)試設(shè)置過程中會(huì)如何出現(xiàn)？

很多情況下是這些問題會(huì)從“樣件”開始。PMC和CMC材料樣件通常為平板型，一般不會(huì)像金屬樣件那樣，使用圓棒型樣件通過螺紋或者凸臺(tái)形式夾持在夾具上。所以，對(duì)于PMC材料的樣件，我推薦使用經(jīng)濟(jì)、高效的液壓助力楔形夾具來夾持。PMC樣件通常比較脆弱，因此使用液壓助力楔形夾具均勻的施加夾持力反而會(huì)保護(hù)PCM樣件中的增強(qiáng)纖維。使用全溫度型的液壓助力楔形夾具，夾頭、楔塊和樣件都在環(huán)境箱內(nèi)部加熱，降低了溫度梯度，還能夠保持均衡的夾持力。這類夾具的體積比較大，因此需要配置空間較大的環(huán)境箱。

問題之五

把夾具放在環(huán)境箱內(nèi)會(huì)帶來怎樣的問題？

較大體積的夾具放置于環(huán)境箱內(nèi)則需要環(huán)境箱的體積變大，這時(shí)，力學(xué)性能測(cè)試過程中的應(yīng)變測(cè)量就成為下一個(gè)挑戰(zhàn)。如果環(huán)境箱的體積比較小，還可以將引伸計(jì)放置于環(huán)境箱外，引伸計(jì)通過足夠長度的延伸桿來接觸樣件。但是如果環(huán)境箱體積較大，過長的延伸桿會(huì)帶來很多額外的問題。要么就把引伸計(jì)放置于環(huán)境箱內(nèi)部，但是高溫或低溫對(duì)引伸計(jì)這類傳感器的電子元件有一定的破壞作用。

問題之六

那該如何解決引伸計(jì)的問題呢？

現(xiàn)在解決這一問題的方法是使用視頻引伸計(jì)或者數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)應(yīng)變測(cè)量。這類設(shè)備放置于環(huán)境箱外面，通過環(huán)境箱的視窗來“觀察”樣件的變形。看上去似乎很簡(jiǎn)單，但實(shí)際上未必如此。環(huán)境箱內(nèi)部需要有光源，這樣攝像頭才能夠”看清楚“樣件，在某些溫度條件下，被測(cè)對(duì)象存在黑體輻射現(xiàn)象，降低了對(duì)比度，從而影響此類非接觸測(cè)量的精度。針對(duì)這種情況，MTS開發(fā)了藍(lán)光LED光源來照射樣件，采用光學(xué)濾波來減少樣件的黑體輻射影響，提高非接觸測(cè)量的樣件對(duì)比度。

問題之七

既然是這樣，為何不直接就使用圓棒形式樣件？

材料樣件取樣要盡量接近實(shí)際服役條件，PMC 和 CMC 材料的最終制品一般為板型結(jié)構(gòu)，就算是金屬材料，由于某些原因，往往沒有辦法獲取足夠尺寸材料來制備樣件。有些時(shí)候，只能從較大的設(shè)備部件上截取一小段材料作為被測(cè)樣件，但是有的時(shí)候則無能為力，根本沒有足夠的空間來取樣。例如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪風(fēng)扇部分，這部分零件在實(shí)際工作時(shí)要應(yīng)對(duì)極高的溫度環(huán)境。為了提高燃油經(jīng)濟(jì)性， 還需要進(jìn)一步提升燃燒室的溫度和壓力，越來越多的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)采用單晶體金屬材料制備中空氣冷葉片。但是在進(jìn)行材料力學(xué)性能試驗(yàn)時(shí)，這些形狀復(fù)雜的葉片沒有足夠的體積截取圓棒型的樣件，如果單晶體金屬材料的枝晶間距接近樣件的尺寸，則樣件的力學(xué)行為可能表現(xiàn)得很不一樣。樣件的行為可能與大塊頭的圓形樣件完全不同。

問題之八

那的不同測(cè)試溫度范圍之間所需要考慮的因素是否相同？

完全不同。例如，在一般情況下，MTS的高溫測(cè)試夾具能夠滿足大多數(shù)的高溫材料力性能試驗(yàn)應(yīng)用。但是對(duì)于CMC材料的高溫試驗(yàn)，由于試驗(yàn)溫度通常要超過1000°C，現(xiàn)有的高溫測(cè)試夾具已經(jīng)沒有足夠的強(qiáng)度來完成試驗(yàn)。在理想的情況下，夾具最好能夠與樣件一起在高溫爐內(nèi)加熱，這樣樣件的溫度梯度最好，同時(shí)夾具又沒有那么熱而失去強(qiáng)度。當(dāng)然，可以把樣件加工得足夠長，這樣可以采用爐外加持使用一般的冷端夾具就可以做試驗(yàn)了，但是即便是這樣，仍然會(huì)帶來巨大的溫度梯度誤差，不得不增加試驗(yàn)數(shù)量來彌補(bǔ)溫度梯度誤差帶來的不利影響，并且很多時(shí)候，也沒有可能制備那樣大的樣件。

問題之九

什么是在最高溫度范圍內(nèi)夾持樣件的解決方案？

MTS系統(tǒng)公司開發(fā)的高溫夾具有兩種不同的制冷形式，根據(jù)所使用的溫度環(huán)境不同采用不同的方式，但是基本的目的就是讓夾持樣件的部分溫度略低于加熱區(qū)中心。例如中心區(qū)域的溫度是1200°C時(shí)，夾持部分的溫度接近1000°C，這樣夾具也能夠保持足夠的強(qiáng)度，樣件標(biāo)距部分的溫度梯度也可以滿足試驗(yàn)的要求。對(duì)于測(cè)試溫度在1000°C以內(nèi)的金屬材料力學(xué)性能試驗(yàn)，采用一般常規(guī)制冷的夾具就可以，這種解決方案被廣泛應(yīng)用于高溫高周或者高溫低周疲勞試驗(yàn)，而對(duì)于測(cè)試CMC樣件，溫度最高可以達(dá)到1500°C，MTS則開發(fā)了全新的強(qiáng)制制冷夾具。

問題之十

那應(yīng)該怎么辦，應(yīng)該選擇什么樣的供應(yīng)商來開展合作？

這個(gè)時(shí)候需要選擇能夠了解完整測(cè)試需求的供應(yīng)商來合作，這一點(diǎn)很重要。對(duì)于高溫材料力學(xué)測(cè)試，現(xiàn)成成套的標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)化解決方案很少，很多試驗(yàn)室都是根據(jù)自己對(duì)試驗(yàn)任務(wù)的理解來組裝來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品構(gòu)成自己的解決方案?？墒菃栴}是在于這些產(chǎn)品的集成工作讓人抓狂，引伸計(jì)的專家未必能夠了解環(huán)境箱或者高溫爐的細(xì)節(jié)，究竟是將引伸計(jì)放置于環(huán)境箱內(nèi)還是通過開孔接觸試驗(yàn)件。夾具設(shè)計(jì)專家可以很容易設(shè)計(jì)冷端夾具，但是在開展高溫材料力學(xué)性能測(cè)試時(shí)給試驗(yàn)件帶來了較大的溫度梯度誤差，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生了影響。MTS作為業(yè)內(nèi)翹楚，能夠?yàn)閺V大客戶提供完整的解決方案，系統(tǒng)集成的工作在MTS公司內(nèi)部由系統(tǒng)集成與試驗(yàn)專家來完成，其創(chuàng)新的高溫材料力學(xué)性能試驗(yàn)解決方案減少了不確定因素，能夠在有限的試驗(yàn)數(shù)量中獲得足夠精確的試驗(yàn)結(jié)果。

關(guān)于MTS系統(tǒng)公司

MTS系統(tǒng)公司成立于1966年，是全球首屈一指的高性能力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)與傳感器供應(yīng)商，而美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司是MTS系統(tǒng)公司在中國地區(qū)的全資子公司，成立于2008年。MTS系統(tǒng)公司的產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，用于提高產(chǎn)品品質(zhì)，加快研發(fā)進(jìn)度，包括材料力學(xué)性能測(cè)試、土木工程結(jié)構(gòu)測(cè)試、航空航天以及汽車耐久性、性能測(cè)試與仿真等領(lǐng)域，其先進(jìn)高性能傳感器用于各種振動(dòng)、壓力、位置、聲學(xué)和載荷測(cè)量。截至2020年10月3日，MTS系統(tǒng)公司全球共有3,000余名員工，2020財(cái)年的營銷總額為8.28億美元。