小型试样设计考虑及设备测试方法

1.试验机

（1）一般要求 试验机的准确度级别应符合GB/T 16825.1的要求，并应为1级或优于1级。

（2）试验机的柔度 试验设备（试验机和低温装置）的柔度（在试验力的作用下设备本身的位移百分比）应该是已知的。为了测量试验机的柔度，应将一刚性试样或专用标定试样连接在加力系统中，并施加一个较低的试验力和一个试验机所允许的最大试验力分别测量柔度。

不同的柔度可能对试样的延伸率和抗拉强度产生影响，因为在柔度较小的试验机上试样会发生较大的不连续变形。

（3）系统设计 材料在液氦中的强度通常是室温的两倍或更高。低温状态下对于相同几何尺寸的试样，恒温器、加力系统零部件及夹具都将承受更大的力。由于很多试验机的容量都不超过100kN，设备在设计中应考虑使用的小型试样。

（4）选用材料 许多材料，包括绝大多数的铁素体钢在4K的温度下会变脆。为避免设备损坏，制造夹具及其他加载链零部件的材料应选用强度高、韧性好的低温合金。

（5）对中 在拉伸试验中准确的系统对中是使弯曲应变最小化的基本手段。设备和夹具应该被调整至载荷能够精确作用于标定试样上，使得最大的弯曲应变不超过轴向应变的10%。为使弯曲应变降低到可接受的水平，应调整拥有调节功能的恒温器上的平衡调节器，或使用间距垫片来补偿不可调的恒温器。对于一台合格的设备来说，应变的计算是依据标定试样在较低和最大载荷下的读数来确定的。

可在室温和4K的温度下使用轴对称测量法检查试验设备是否合格。为完成设备的轴对称性试验，试样的成分及恒温器的选用应与实际低温试验相同，并且试样的分散性要尽可能的小。在加载过程中，试样在平行长度内不能发生塑性应变。在一些情况下有必要使用相对硬的、高强度的标定试样。

对于圆柱形的试样，计算最大弯曲应变应采用三个电阻应变计、引伸计或夹规分别安装在试样平行长度上的中间以及等间距的圆周上。

对于横截面为方形或矩形的试样，应在两平行面（对称的）的中心位置测量应变；对于薄板形试样，应在两个宽面的中心位置测量应变。

对于螺纹或用销钉连接的夹具，可以依照以下步骤来评估试样偏斜的影响。在保证夹具以及拉杆不动的情况下，将试样旋转180°，重复轴对称测量，然后计算最大弯曲应变和试样的轴向应变。如果用其他的夹具或连接方法来评估试样偏斜的影响，应在报告中注明。

拉伸试验中当在试样的唯一位置测量较小应变时，加载的不同轴性（可能由于试样机加工而引起）是引起测量误差的主要因素。因此，需要在试样的平行长度上取等间距的三个点（或者如果设备的对中非常好，至少应取对称的两点）分别测量应变。最后报出在试样平行长度内中心对称的三个点或两个点的应变平均值。

（6）夹具 根据试样类型应选择不同的夹具。为避免设备损坏，应选用由耐低温材料制造的低温专用夹具。

2.低温恒温器及其辅助设备

（1）低温恒温器 低温恒温器（见图2-38）应能够保存液氦。对于现有的试验机来说，低温恒温器的机架是特制的，通过商业渠道可以买到真空瓶。低温恒温器有可能附带可调节载荷方向的旋钮，以便对中调整。

（2）真空瓶 不锈钢的真空瓶（抗冲击性能更好）比玻璃的真空瓶更安全。一般对于短时的拉伸试验来说，单层的液氦真空瓶就足够了。当然也可采用双层的真空瓶，外层充满液氮，内层则注入液氦。(www.xing528.com)

（3）辅助设备 真空瓶和液氦输液管需要真空绝热，因此需要真空泵、高压空气及液氮瓶等辅助设备。

3.液面指示器

为了确保预定的试验条件就需要维持环境中的液氦在一定水平。在常规试验中，由于试样是完全浸泡在液氦中的，因此没有必要使用热电偶来测量其表面温度。可通过指示器或仪表以确保在整个试验中试样完全浸泡在液氦中。在低温恒温器中，位于某些参考点的碳电阻指示开关将被用于确保液面总是保持于试样以上。另外，也可选择在低温恒温器内的垂直位置安装适当长度的超导线传感器，用以连续监视液面高度。

4.引伸计

（1）类型 只要能在液氦温度下正常工作，各种类型的引伸计均可使用。

引伸计的准确度级别应符合GB/T 12160的要求。测定规定塑性延伸强度、不连续屈服强度应使用不低于1级准确度的引伸计；测定其他具有较大延伸率的性能，应使用不低于2级准确度的引伸计。

为了测量规定强度，建议使用平均引伸计。最好能在试样的平行长度部分直接安装或加工引伸计专用的刀口。

用电容引伸计测量时，应使用可进行灵敏度调节的线性部分。

图2-38 液氮温度下拉伸试验用典型的低温恒温器

1—力 2—室温机架 3—排气孔 4—真空绝热输液管 5—低温机架 6—试样 7—引伸计 8—真空瓶 9—真空瓶密封圈 10—电反馈通道 11—力传感器 12—拉杆

为了避免由于应变片发热而使应变片周围产生气泡，从而影响应变信号，应适当调节应变系统中的桥路电压，使其不影响应变信号的测量。

在试验过程中，只要应变片周围的温度保持恒定，而且电压又不是高到足以引起液氦过于沸腾，应变片的自热就不会成为问题。

当测量4K温度的应变量时，可将应变片直接粘贴于试样表面。在低温下使用应变片时，应注意应变片、基材材料及黏结剂的选择和结合性。然而，也应该考虑到在应变还未到达0.2%塑性延伸强度时应变片粘贴松脱的情况。

（2）标定 引伸计需要在室温及4K温度下进行标定。对于在4K温度下的标定，可以使用长度测量装置，如配有垂直伸缩管的千分尺，将其低温端与引伸计安装好后浸泡于液氦中。如果标定结果是已知的而且被证明是精确的、线性的和可重复的，那么在每次试验之前的室温检查可以认为是对在4K温度标定的间接验证。应定期地对引伸计进行在4K温度下的直接标定，在设备可能损坏或设备进行修理之后，直接标定更为重要。