超低溫擺錘沖擊試樣低溫儀的研發與應用

劉 琳 趙 猛 劉建宇 謝世軍

（1.濟南聯工測試技術有限公司，濟南250000；2.山東中車同力達智能機械有限公司，濟南 250000）

1 研究項目的立項

在機械行業中，各種機械設備中90%的材料都是由金屬制造的，由于金屬的選材不當或使用不當會造成材料的過早失效，嚴重的可能會發生重大事故。作為機械行業中質量控制的一個關鍵環節，產品使用前對原材料、半成品或成品的檢測過程就顯得越來越重要。隨著我國經濟的不斷發展，我國開始越來越重視對材料的要求及試驗數據統計。

在日常測試技術的應用中，普遍采用擺錘沖擊試樣的方法獲得試驗數據。沖擊試驗是20世紀初夏比（G.Charpy）提出的，獲得廣泛使用。在工程上主要用它評定冶金質量和加工工藝質量，以及測定韌性-脆性轉變溫度。如試樣上預制疲勞裂紋，用示波圖或其他方法求出載荷-時間曲線和載荷-位移曲線，還可測得動態開裂發生的斷裂韌度KId和已擴展裂紋停止擴展的斷裂韌度KIA等（見金屬的強化）。沖擊試驗一般是確定軍用、民用設備在經受外力沖撞或作用時產品的安全性、可靠性和有效性的一種試驗方法。試樣的溫度是一個關鍵因素，按溫度來分，沖擊試驗分為：常溫沖擊試驗，在常溫下進行試驗，一般在23±5℃的范圍內。低溫沖擊試驗：在低溫介質下保存一定時間，使溫度達到要求后快速取出完成沖擊試驗。

（1） 使用介質可為冰水混合物（0℃）。

（2）其他溫度可用低溫槽，根據不同的溫度，可選用酒精或液氮進行試樣的保溫。

對于國標GB/T229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》中對試驗溫度的要求，需用到液氮降溫以達到所需溫度。由于液氮溫度很低，蒸發溫度為-196℃，對其有效的控溫并保溫在國標要求范圍內是一較大難題。濟南聯工測試技術有限公司研發的超低溫擺錘沖擊試樣低溫儀完美解決了這一技術難題。

該項目的研制成功必將會對我國材料在低溫下的試樣做出巨大貢獻。為我國核工業、航空航天的發展及各大院?？蒲袉挝辉囼灥臏蚀_及科學性提供重要保證，同時可以為公司帶來可觀的經濟效益。

2 國內外沖擊試驗低溫儀現狀

超低溫擺錘沖擊試樣低溫儀可為各高校、檢測機構、金屬材料試驗室提供溫度精度高、穩定性好、溫度更低的試驗檢測設備，保證了試驗結果的準確性。目前，市場已出現液氮制冷的沖擊試驗低溫儀，例如美特斯工業系統生產的沖擊試驗低溫儀，可以用于沖擊試樣的降溫，但其制冷控制溫度只可到-180℃，且不能保證取樣時對其他試樣的溫度影響，會在一定程度上影響試驗結果的準確性。國內亦有其他公司生產同類低溫儀，可實現試樣的冷凍，但其制冷效果、溫度的準確性、穩定性、均勻性、可智能操作性及節能性均存在一定程度上的缺陷。

3 研究項目的總體設計方案

設備構成：由自增壓液氮罐、金屬連接軟管、風循環系統、氣泵、送樣系統、控制系統和通訊系統等組成；可通過RS485串口連接電腦，實現遠程觀察、設定、控制設備溫度；采用自增壓式液氮罐，方便觀察調節液氮系統壓力，無需氣源、電源等即可實現輸出液氮，安全可靠；耐低溫金屬軟管，可在超低溫的情況下保證有一定的柔軟性，保證使用的安全性；智能儀表，PID控制模式，智能控制進入箱內的液氮量，達到精確控溫的目的；特制傳感器，在大范圍溫度內有較小偏差，在溫度迅速變化的情況下準確反映箱內溫度；獨特的節流裝置，可使液氮溫度進一步降低，最低可達到-200℃；強制對流風循環系統，該系統可使箱內溫度均勻，保證各個點的溫度一致；可在不打開箱蓋的情況下添加試樣，點動按鈕即可送入冷凍箱內；獨立出樣，一次送出一個試樣，其他試樣仍在箱內，避免了取樣時對其他試樣溫度的影響；設有溫度緩沖室，其內溫度和冷凍箱基本一致，將冷凍好的試樣送該室，然后取出沖擊，減少外界溫度對試樣的影響；設有試樣鉗預冷口，在夾取試樣前對試樣鉗進行冷卻，避免試樣鉗對試樣溫度的影響；點動按鈕即可實現送樣和出樣；在沒有氣源的情況下亦可用手推動導桿，實現送樣和出樣。

超低溫擺錘沖擊試樣低溫儀是濟南聯工測試技術有限公司自行研制的高檔次、高水準的超低溫下獲取試樣的新產品，屬國內首創，填補同行業空白，達到儀器標準的水平。該產品的開發對提高公司的技術水平、設備檔次、經濟效益都具有積極的作用，通過樣機試制可以看出該產品研制是成功的，達到了預期的技術、經濟指標。

4 市場應用或產業化前景

近幾年，我國對核工業、航空航天、高速鐵路的大力發展，更加提高了對特殊材料在惡劣環境下的各項的性能及數據采集分析的要求。項目產品的市場需求量將會不斷增加，預計三年內可實現新增產值2000萬元，利稅600萬元。項目的開發充分考慮到職業健康安全環境等危害因素，最大限度地實現了自動化進出料的方式，減少了工人的勞動強度，同時，該產品無污染排放。

該項目所涉及試驗裝備領域，通過項目實施，加強企校合作，引進消化吸收等方式，攻克技術難關；另一方面，不斷進行技術再創新，培養一批具有自主創新能力的專業人才，不斷強化成果轉化，使得創新為工業生產創造更多財富。目前，該產品屬國內首創，可促進中國試驗機行業的發展，具有良好的社會效益，該項目的研制成功標志著公司的產品檔次在試驗機行業提升了更高層次，具有良好的社會效益，本項目的成果推廣應用，將帶動同行業的技術進步和發展。