MTS 首席材料測試科學家 Erik Schwarzkopf 博士憑借超過 30 年的材料測試和系統(tǒng)工程經(jīng)驗，為廣大客戶提供獨到的專業(yè)知識。在本問答中，他討論了高溫材料測試應用會遇到的幾種固有的挑戰(zhàn)，以及應對策略。


問題之一

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

無論是車輛，還是航空航天，亦或能源發(fā)電設施，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度-重量比的新型材料來制備相關的部件，這些部件還需要具有更長的使用壽命。這就要求人們在高溫環(huán)境下開展類似材料的力學性能測試和評估。

問題之二

這種“高溫”測試為何如此復雜？

“溫度升高” 對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度-重量比，對于高溫環(huán)境下的材料力學性能試驗主要考量三個不同的溫度區(qū)間：對于聚合物基纖維增強型復合材料(PMC)的測試溫度范圍大約在200°C ～ 500°C，對于超級合金的測試溫度范圍則大約在800°C ～ 1000°C，對于陶瓷基復合材料的測試溫度范圍則高至1500°C。對于試驗工程師而言，在不同溫度區(qū)間下開展材料力學性能試驗需要綜合考慮諸多因素來保證試驗效果，在相應的溫度條件下獲取材料力學屬性，得到高質(zhì)量的試驗結(jié)果。

問題之三

什么樣的因素考量會測試數(shù)據(jù)的精確性？

在處理那些試驗過程中會接觸到樣件或者靠近樣件的“設備”時，就會遇到類似的問題，這里的“設備”是指夾具、引伸計、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)動全身，試驗工程師在處理這些問題的時候會有一種“ 按下葫蘆浮起瓢”的感覺。

問題之四

這些相互關聯(lián)的問題在測試設置過程中會如何出現(xiàn)？

很多情況下是這些問題會從“樣件”開始。PMC和CMC材料樣件通常為平板型，一般不會像金屬樣件那樣，使用圓棒型樣件通過螺紋或者凸臺形式夾持在夾具上。所以，對于PMC材料的樣件，我推薦使用經(jīng)濟、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保護PCM樣件中的增強纖維。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，力學性能測試過程中的應變測量就成為下一個挑戰(zhàn)。如果環(huán)境箱的體積比較小，還可以將引伸計放置于環(huán)境箱外，引伸計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，過長的延伸桿會帶來很多額外的問題。要么就把引伸計放置于環(huán)境箱內(nèi)部，但是高溫或低溫對引伸計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的問題呢？

現(xiàn)在解決這一問題的方法是使用視頻引伸計或者數(shù)字圖像相關(DIC)技術來實現(xiàn)應變測量。這類設備放置于環(huán)境箱外面，通過環(huán)境箱的視窗來“觀察”樣件的變形?？瓷先ニ坪鹾芎唵?，但實際上未必如此。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，被測對象存在黑體輻射現(xiàn)象，降低了對比度，從而影響此類非接觸測量的精度。針對這種情況，MTS開發(fā)了藍光LED光源來照射樣件，采用光學濾波來減少樣件的黑體輻射影響，提高非接觸測量的樣件對比度。

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。有些時候，只能從較大的設備部件上截取一小段材料作為被測樣件，但是有的時候則無能為力，根本沒有足夠的空間來取樣。例如飛機發(fā)動機的渦輪風扇部分，這部分零件在實際工作時要應對極高的溫度環(huán)境。為了提高燃油經(jīng)濟性， 還需要進一步提升燃燒室的溫度和壓力，越來越多的渦輪風扇發(fā)動機采用單晶體金屬材料制備中空氣冷葉片。但是在進行材料力學性能試驗時，這些形狀復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的高溫測試夾具能夠滿足大多數(shù)的高溫材料力性能試驗應用。但是對于CMC材料的高溫試驗，由于試驗溫度通常要超過1000°C，現(xiàn)有的高溫測試夾具已經(jīng)沒有足夠的強度來完成試驗。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，同時夾具又沒有那么熱而失去強度。當然，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了，但是即便是這樣，仍然會帶來巨大的溫度梯度誤差，不得不增加試驗數(shù)量來彌補溫度梯度誤差帶來的不利影響，并且很多時候，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，夾持部分的溫度接近1000°C，這樣夾具也能夠保持足夠的強度，樣件標距部分的溫度梯度也可以滿足試驗的要求。對于測試溫度在1000°C以內(nèi)的金屬材料力學性能試驗，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用于高溫高周或者高溫低周疲勞試驗，而對于測試CMC樣件，溫度最高可以達到1500°C，MTS則開發(fā)了全新的強制制冷夾具。

問題之十

那應該怎么辦，應該選擇什么樣的供應商來開展合作？

這個時候需要選擇能夠了解完整測試需求的供應商來合作，這一點很重要。對于高溫材料力學測試，現(xiàn)成成套的標準商業(yè)化解決方案很少，很多試驗室都是根據(jù)自己對試驗任務的理解來組裝來自不同供應商的產(chǎn)品構(gòu)成自己的解決方案。可是問題是在于這些產(chǎn)品的集成工作讓人抓狂，引伸計的專家未必能夠了解環(huán)境箱或者高溫爐的細節(jié)，究竟是將引伸計放置于環(huán)境箱內(nèi)還是通過開孔接觸試驗件。夾具設計專家可以很容易設計冷端夾具，但是在開展高溫材料力學性能測試時給試驗件帶來了較大的溫度梯度誤差，對試驗結(jié)果產(chǎn)生了影響。MTS作為業(yè)內(nèi)翹楚，能夠為廣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)集成與試驗專家來完成，其創(chuàng)新的高溫材料力學性能試驗解決方案減少了不確定因素，能夠在有限的試驗數(shù)量中獲得足夠精確的試驗結(jié)果。

關于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試驗系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)與傳感器供應商，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)品被廣泛應用于各行各業(yè)，用于提高產(chǎn)品品質(zhì)，加快研發(fā)進度，包括材料力學性能測試、土木工程結(jié)構(gòu)測試、航空航天以及汽車耐久性、性能測試與仿真等領域，其先進高性能傳感器用于各種振動、壓力、位置、聲學和載荷測量。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財年的營銷總額為8.28億美元。