论文部分内容阅读
低温结构材料主要应用于空间技术、应用超导、气体工业等大型低温工程领域。这些应用领域对材料的低温力学性能有特殊要求，需要对材料在低温下力学性能及物相演化过程有深入的了解，从而支撑低温系统结构设计。以往的材料低温力学测试系统采用液氮或液氦做冷源，只能获得77K和4.2K固定温度点的性能，在进行液氮或液氦沸点之外的测试时，存在控温不准的问题，从而无法获得各准确温度点的力学性能数据。因此，建立连续控温且稳定控制的低温力学性能测试系统是材料、力学、物理和高技术发展中提出的新要求。 本论文工作围绕制冷机直接冷却、温度连续可控(4.2-300K)的材料低温力学性能测试系统的研制为研究目标。设计并研制出适用于不同材料不同力学性能研究的低温测试专用夹具装置;建立了可视化制冷机冷却的低温力学性能研究装置，该装置兼容高精度数字图像关联技术（Digital Image Correlation:DIC）。此系统可以在低温下通过非接触的方式对试样位移和应变等信息进行高精度测量，解决了DIC不能应用于低温力学性能研究的难题。最后利用该装置研究了316LN奥氏体不锈钢低温拉伸力学性能，进一步验证了系统的可靠性。本论文主要获得以下结果: 1.建立了制冷机直接冷却的材料力学性能测试系统。该装置采用两台G-M制冷机代替低温液体为低温力学测试系统提供低温环境，系统实现了4.2-300K温区内温度连续可调。该装置可进行多种低温力学性能测试试验。 2.针对制冷机直接冷却的材料力学性能测试系统设计了多种专用夹具，主要包括一种适用于4.2-300K温区内薄膜材料的拉伸夹持装置，一种适用于4.2-300K温区内泡沫材料的拉伸夹持装置，一种适用于4.2-573K温区的扭转及扭转疲劳夹持装置和一种针对形状记忆合金4.2-573K温区内的弹热性能测试的专用夹持装置。并通过对比实验验证了上述四种夹持装置的可靠性。 3.对制冷机冷却的低温力学性能测试装置传热和绝热结构进行了计算分析，解决了高真空绝热、光路、可视化窗口设计等诸多难题，建立了可视化制冷机冷却的低温力学性能研究装置。该装置兼容高精度数字图像关联技术，通过非接触的方式进行高精度低温应变位移测量。随后采用该装置对钛合金材料进行了低温拉伸试验，并与传统低温液体浸泡式拉伸方法进行了比对实验，实验结果吻合，验证了系统的可靠性。 4.利用制冷机直接冷却的材料力学性能测试系统研究了室温预变形对316LN奥氏体不锈钢材料液氦温度(4.2K)下的拉伸性能影响机理。测试结果表明316LN材料的屈服强度和抗拉强度与预变形量成正比。与未经过预变形的试样相比，在35％预变形条件下，试样在室温拉伸条件下屈服强度和抗拉强度分别增加了189％和36％，在4.2K拉伸条件下屈服强度和抗拉强度分别增加了增加了86％和18％。