Máy kiểm tra độ bền kéo nhiệt độ cao được tích hợp thiết bị sưởi ấm nhiệt độ cao, hệ thống kiểm soát nhiệt độ và hệ thống đo biến dạng nhiệt độ cao trên cơ sở máy kiểm tra điện tử điều khiển vi tính. Nó có thể thu được chính xác các chỉ số hiệu suất cơ học quan trọng như mô đun đàn hồi, cường độ năng suất, độ bền kéo, độ giãn dài sau đứt đoạn, tỷ lệ co rút mặt cắt và các chỉ số hiệu suất cơ học quan trọng khác cho nghiên cứu và phát triển vật liệu, kiểm soát chất lượng và thiết kế kỹ thuật dưới điều kiện phục vụ nhiệt độ cao thực tế của vật liệu mô phỏng (chẳng hạn như cánh động cơ, đường ống điện hạt nhân, cấu trúc bảo vệ nhiệt của tàu vũ trụ, v.v.).

I. Tổng quan về thiết bị và chức năng cốt lõi

Nhiệm vụ cốt lõi: tiết lộ quy luật ứng suất căng thẳng của vật liệu từ nhiệt độ phòng đến nhiệt độ cực cao.

Nguyên tắc làm việc: Nguyên tắc làm việc cơ bản của nó phù hợp với máy kiểm tra độ bền kéo ở nhiệt độ bình thường, nghĩa là tải trọng kéo dọc trục được áp dụng cho mẫu thử được tiêu chuẩn hóa (thường là dạng thanh hoặc dạng tấm) cho đến khi nó xảy ra năng suất, tăng cường và thậm chí phá vỡ. Sự khác biệt cốt lõi là toàn bộ quá trình thử nghiệm được thực hiện trong một môi trường nhiệt độ cao được kiểm soát chính xác.

Chức năng cốt lõi:

1. Kiểm tra tính chất cơ học nhiệt độ cao: đo chính xác các chỉ số sức mạnh và độ dẻo khác nhau của vật liệu ở nhiệt độ cao.

Kiểm tra độ bền và độ bền kéo (một số mô hình có): dưới nhiệt độ cao không đổi và tải trọng không đổi, hành vi leo biến dạng chậm của vật liệu thử nghiệm theo thời gian hoặc tuổi thọ lâu dài cho đến khi gãy.

3. Kiểm tra thư giãn ứng suất (một số mô hình có): Giữ cho biến dạng tổng thể của mẫu không thay đổi, đo lường hành vi suy giảm dần ứng suất bên trong theo thời gian.

II. Cấu trúc và thành phần chính

Một máy kiểm tra độ bền kéo nhiệt độ cao hoàn chỉnh là một hệ thống phức tạp, chủ yếu bao gồm các phần lớn sau:

1. Tải khung (máy chính):

Cung cấp một nguồn lực để áp dụng tải trọng kéo. Thông thường, động cơ servo được sử dụng để điều khiển cấu trúc của vít bi để đảm bảo tải trơn tru, chính xác và linh hoạt trong điều khiển. Khung phải có độ cứng và ổn định cực cao để giảm thiểu lỗi hệ thống.

2​​. Hệ thống lò nhiệt độ cao (mô-đun lõi):

Đây là "trái tim" của máy thử nhiệt độ cao, được sử dụng để cung cấp môi trường nhiệt độ cao đồng đều, ổn định và chính xác cho mẫu thử. Có hai loại chính:

Lò điện trở: dạng phổ biến nhất. Sử dụng các cơ quan làm nóng kháng hiệu suất cao như MoSi₂ Silicon Molybdenum Bar, Kanthal Ferro Chrome Aluminium Wire làm yếu tố làm nóng, điều chỉnh công suất bằng bộ điều khiển PID chính xác để đạt được điều khiển nhiệt độ chính xác. Nội thất lò thường được cách nhiệt bằng màn hình bức xạ kim loại nhiều lớp hoặc sợi gốm để đạt được vùng đồng nhất nhiệt độ cao và tiết kiệm năng lượng.

Lò sưởi cảm ứng: Sử dụng nguyên tắc cảm ứng điện từ để tạo ra một xoáy bên trong mẫu để làm nóng mẫu trực tiếp. Ưu điểm của nó là tốc độ nóng lên cực nhanh, quán tính nhiệt nhỏ, nhưng có yêu cầu về hình dạng mẫu và vật liệu, kiểm soát tính đồng nhất nhiệt độ là khó khăn hơn.

Có một khu vực nhiệt độ trung bình ở giữa bếp, dao động nhiệt độ trong khu vực này cần được kiểm soát chặt chẽ trong các yêu cầu tiêu chuẩn, chiều dài làm việc của mẫu thử phải nằm trong khu vực này.

3. Hệ thống đo và kiểm soát nhiệt độ:

Yếu tố đo nhiệt độ: cặp nhiệt điện platinum rhodium loại S hoặc R thường được sử dụng, phù hợp với môi trường nhiệt độ cao vì độ chính xác cao và độ ổn định tốt. Cặp nhiệt điện cần tiếp xúc chặt chẽ với phần khoảng cách mẫu để đo trực tiếp nhiệt độ mẫu.

Hệ thống điều khiển nhiệt độ: Sử dụng thuật toán điều khiển thông minh PID đa phân đoạn để điều chỉnh sản lượng điện của phần tử làm nóng theo tín hiệu phản hồi của cặp nhiệt điện trong thời gian thực, đảm bảo tính ổn định và chính xác của nhiệt độ trong suốt quá trình thử nghiệm.

4. Hệ thống đo biến dạng - Máy đo độ giãn nở:

Đây là chìa khóa để có được dữ liệu nhựa chính xác. Môi trường nhiệt độ cao đặt ra những thách thức cao đối với các phép đo biến dạng.

Máy đo độ giãn nở tiếp xúc: thường sử dụng cấu trúc lưỡi dao hai tay, lưỡi dao nhẹ nhàng kẹp vào mẫu bằng lực lò xo. Khó khăn cốt lõi của nó là nó phải được sản xuất bằng cách sử dụng vật liệu chịu nhiệt độ cao như lưỡi dao gốm, thân cánh tay hợp kim Inconel và có thể bảo vệ các tấm căng thẳng bên trong và các linh kiện điện tử thông qua hệ thống làm mát bằng nước.

Không tiếp xúc video grammeter: công nghệ phát triển tốc độ cao trong những năm gần đây. Biến dạng được tính toán bằng thuật toán hình ảnh bằng cách quan sát các điểm đánh dấu nhiệt độ cao được tạo sẵn trên mẫu vật bằng ống kính nhiệt độ cao. Ưu điểm của nó là không tiếp xúc, tránh ảnh hưởng của lực tiếp xúc đối với thử nghiệm vật liệu mềm, đặc biệt thích hợp cho nhiệt độ cực cao hoặc môi trường khắc nghiệt.

Hệ thống thu thập và kiểm soát dữ liệu:

Máy kiểm tra độ bền kéo nhiệt độ cao hiện đại đều được điều khiển bởi máy tính thông qua phần mềm đặc biệt. Phần mềm chịu trách nhiệm:

Thiết lập và kiểm soát nhiệt độ thử nghiệm, tốc độ tải hoặc tốc độ căng thẳng.

Thu thập tải trọng, dịch chuyển, biến dạng (từ máy đo độ giãn nở) và tín hiệu nhiệt độ trong thời gian thực.

Hiển thị đường cong căng thẳng trong thời gian thực và tự động tính toán và phân tích đầy đủ các thông số tính chất cơ học sau khi kết thúc thử nghiệm, tạo báo cáo thử nghiệm.

III. Thách thức và giải pháp kỹ thuật chính

1. Tính đồng nhất nhiệt độ: Đảm bảo độ đồng đều cao của nhiệt độ trong khoảng cách mẫu là điều kiện tiên quyết để có được dữ liệu đáng tin cậy. Giải quyết bằng cách tối ưu hóa thiết kế thân lò, kiểm soát độc lập đa vùng vật liệu cách nhiệt ôn hòa và hiệu quả cao.

2. Mẫu vật và vật cố trung tính: bất kỳ sự lệch tâm nhỏ nào cũng sẽ tạo ra mô men uốn bổ sung, dẫn đến kết quả kiểm tra không chính xác. Một gimbal hoặc kẹp vòng bi hình cầu phải được sử dụng để đảm bảo độ bền trục tinh khiết.

3. Oxy hóa và ô nhiễm ở nhiệt độ cao: Nhiều kim loại sẽ bị oxy hóa mạnh ở nhiệt độ cao, dẫn đến suy thoái hiệu suất. Giải pháp là thông qua một khí bảo vệ trơ (chẳng hạn như argon có độ tinh khiết cao) trong lò hoặc hút chân không để cô lập oxy.

4. Độ chính xác và độ tin cậy của máy đo độ giãn nở: kẹp ổn định và ổn định tín hiệu của máy đo độ giãn nở tiếp xúc ở nhiệt độ cao là những khó khăn kỹ thuật. Video không tiếp xúc là hướng đi của tương lai.

IV. Các lĩnh vực ứng dụng chính

1. Hàng không vũ trụ: Kiểm tra hiệu suất của cánh tuabin động cơ, vật liệu buồng đốt, thép cường độ cực cao và hợp kim titan, v.v. ở nhiệt độ cao.

2​. Năng lượng điện: Đánh giá độ bền và đặc tính leo của thép chịu nhiệt, ống hợp kim niken và các thành phần cho các nhà máy nhiệt điện, nhà máy điện hạt nhân.

3​. Ngành công nghiệp ô tô: Được sử dụng để phát triển và xác minh hệ thống xả động cơ, vật liệu thành phần tăng áp.

4. Nghiên cứu khoa học vật liệu: phát triển hợp kim nhiệt độ cao mới, hợp chất intermetallic, vật liệu composite gốm (CMC) và vật liệu composite carbon.

5. Luyện kim và sản xuất: kiểm soát chất lượng, kiểm tra hiệu quả của quá trình xử lý nhiệt, đánh giá hiệu suất nhiệt độ cao của mối hàn.

V. Kết luận

Máy kiểm tra độ bền kéo nhiệt độ cao là một trong những thiết bị có hàm lượng kỹ thuật cao nhất trong lĩnh vực kiểm tra vật liệu. Nó tích hợp máy móc chính xác, sưởi ấm nhiệt độ cao, đo lường và kiểm soát chính xác và phần mềm tiên tiến. Dữ liệu thử nghiệm của nó là "tiêu chuẩn vàng" để đánh giá độ tin cậy của vật liệu trong việc phục vụ trong môi trường kết hợp nhiệt-lực. Với sự phát triển của vật liệu mới hướng tới nhiệt độ cao hơn và các ứng dụng môi trường khắc nghiệt hơn, trần nhiệt độ, độ chính xác điều khiển và khả năng thử nghiệm của máy thử kéo nhiệt độ cao cũng đặt ra yêu cầu cao hơn, tiếp tục thúc đẩy sự tiến bộ liên tục của công nghệ này.