超低温摆锤冲击试样低温仪的研发与应用

刘 琳 赵 猛 刘建宇 谢世军

（1.济南联工测试技术有限公司，济南250000；2.山东中车同力达智能机械有限公司，济南 250000）

1 研究项目的立项

在机械行业中，各种机械设备中90%的材料都是由金属制造的，由于金属的选材不当或使用不当会造成材料的过早失效，严重的可能会发生重大事故。作为机械行业中质量控制的一个关键环节，产品使用前对原材料、半成品或成品的检测过程就显得越来越重要。随着我国经济的不断发展，我国开始越来越重视对材料的要求及试验数据统计。

在日常测试技术的应用中，普遍采用摆锤冲击试样的方法获得试验数据。冲击试验是20世纪初夏比（G.Charpy）提出的，获得广泛使用。在工程上主要用它评定冶金质量和加工工艺质量，以及测定韧性-脆性转变温度。如试样上预制疲劳裂纹，用示波图或其他方法求出载荷-时间曲线和载荷-位移曲线，还可测得动态开裂发生的断裂韧度KId和已扩展裂纹停止扩展的断裂韧度KIA等（见金属的强化）。冲击试验一般是确定军用、民用设备在经受外力冲撞或作用时产品的安全性、可靠性和有效性的一种试验方法。试样的温度是一个关键因素，按温度来分，冲击试验分为：常温冲击试验，在常温下进行试验，一般在23±5℃的范围内。低温冲击试验：在低温介质下保存一定时间，使温度达到要求后快速取出完成冲击试验。

（1） 使用介质可为冰水混合物（0℃）。

（2）其他温度可用低温槽，根据不同的温度，可选用酒精或液氮进行试样的保温。

对于国标GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》中对试验温度的要求，需用到液氮降温以达到所需温度。由于液氮温度很低，蒸发温度为-196℃，对其有效的控温并保温在国标要求范围内是一较大难题。济南联工测试技术有限公司研发的超低温摆锤冲击试样低温仪完美解决了这一技术难题。

该项目的研制成功必将会对我国材料在低温下的试样做出巨大贡献。为我国核工业、航空航天的发展及各大院校科研单位试验的准确及科学性提供重要保证，同时可以为公司带来可观的经济效益。

2 国内外冲击试验低温仪现状

超低温摆锤冲击试样低温仪可为各高校、检测机构、金属材料试验室提供温度精度高、稳定性好、温度更低的试验检测设备，保证了试验结果的准确性。目前，市场已出现液氮制冷的冲击试验低温仪，例如美特斯工业系统生产的冲击试验低温仪，可以用于冲击试样的降温，但其制冷控制温度只可到-180℃，且不能保证取样时对其他试样的温度影响，会在一定程度上影响试验结果的准确性。国内亦有其他公司生产同类低温仪，可实现试样的冷冻，但其制冷效果、温度的准确性、稳定性、均匀性、可智能操作性及节能性均存在一定程度上的缺陷。

3 研究项目的总体设计方案

设备构成：由自增压液氮罐、金属连接软管、风循环系统、气泵、送样系统、控制系统和通讯系统等组成；可通过RS485串口连接电脑，实现远程观察、设定、控制设备温度；采用自增压式液氮罐，方便观察调节液氮系统压力，无需气源、电源等即可实现输出液氮，安全可靠；耐低温金属软管，可在超低温的情况下保证有一定的柔软性，保证使用的安全性；智能仪表，PID控制模式，智能控制进入箱内的液氮量，达到精确控温的目的；特制传感器，在大范围温度内有较小偏差，在温度迅速变化的情况下准确反映箱内温度；独特的节流装置，可使液氮温度进一步降低，最低可达到-200℃；强制对流风循环系统，该系统可使箱内温度均匀，保证各个点的温度一致；可在不打开箱盖的情况下添加试样，点动按钮即可送入冷冻箱内；独立出样，一次送出一个试样，其他试样仍在箱内，避免了取样时对其他试样温度的影响；设有温度缓冲室，其内温度和冷冻箱基本一致，将冷冻好的试样送该室，然后取出冲击，减少外界温度对试样的影响；设有试样钳预冷口，在夹取试样前对试样钳进行冷却，避免试样钳对试样温度的影响；点动按钮即可实现送样和出样；在没有气源的情况下亦可用手推动导杆，实现送样和出样。

超低温摆锤冲击试样低温仪是济南联工测试技术有限公司自行研制的高档次、高水准的超低温下获取试样的新产品，属国内首创，填补同行业空白，达到仪器标准的水平。该产品的开发对提高公司的技术水平、设备档次、经济效益都具有积极的作用，通过样机试制可以看出该产品研制是成功的，达到了预期的技术、经济指标。

4 市场应用或产业化前景

近几年，我国对核工业、航空航天、高速铁路的大力发展，更加提高了对特殊材料在恶劣环境下的各项的性能及数据采集分析的要求。项目产品的市场需求量将会不断增加，预计三年内可实现新增产值2000万元，利税600万元。项目的开发充分考虑到职业健康安全环境等危害因素，最大限度地实现了自动化进出料的方式，减少了工人的劳动强度，同时，该产品无污染排放。

该项目所涉及试验装备领域，通过项目实施，加强企校合作，引进消化吸收等方式，攻克技术难关；另一方面，不断进行技术再创新，培养一批具有自主创新能力的专业人才，不断强化成果转化，使得创新为工业生产创造更多财富。目前，该产品属国内首创，可促进中国试验机行业的发展，具有良好的社会效益，该项目的研制成功标志着公司的产品档次在试验机行业提升了更高层次，具有良好的社会效益，本项目的成果推广应用，将带动同行业的技术进步和发展。