快速升温高温条件下材料力学性能测试方法概述

王美玲，常 海，尹 佳

（北京科技大学国家材料服役安全科学中心，北京 100083）

当飞行器在稠密大气中作超音速飞行时，受激波与机体间高温压缩气体的加热和机体表面与空气强烈摩擦的影响，飞行器蒙皮的温度会随飞行马赫数（Ma）的提高而急剧上升，航空界把飞行器作高速飞行时所遭遇到的这种高温情况称之为“热障”[1-2]。

气动加热造成的“热障”具有瞬态（短时）高温的特征[3]，这种瞬态高温环境有别于稳态（长时）高温的作用，会对飞行器结构材料性能产生重要的影响。在这一过程中，飞行器结构材料的机械强度不仅受到温度、时间的影响，而且与升温速率密切相关[4-11]。因此，飞行器结构材料常规的稳态（长时）高温力学性能已不能体现其在“热障”环境下的特征。

在飞行器设计和研制过程中，为确保飞行器结构材料能经得起高速飞行时“热障”所产生的热冲击及高温热应力破环，必须对材料进行该环境下的热强度分析。然而，由于温度和时间因素的共同参与，“热障”环境下材料的强度问题变得极其复杂，同时受物质惯性的影响，瞬态高温条件下，“瞬态”给予材料的能量来不及改变材料的承力系统，即分子的微观结构和内聚力[12]。这种情况下，虽然从量子力学的微观分析可以获得各种情况下材料机械强度的定性结果，但真正准确有效的数据必须依靠材料瞬态高温环境下的热机械性能测试来获得。

因此，真实模拟飞行器结构材料高速飞行过程中的气动热环境，开展其快速升温高温条件下的热强度试验，测试并确定材料该环境下的强度极限等关键参数，对飞行器结构材料的寿命预测、可靠性评估以及飞行器的安全设计有着非常重要的意义。本文在大量文献查阅调研和技术考察咨询的基础上，概述了快速升温高温条件下材料力学性能测试技术的发展现状，并在此基础上，提出了在快速升温高温条件下，材料力学性能测试进一步的发展方向。

1  快速升温高温条件下材料力学性能测试的发展

1948 年美国海军军械试验站开始研究有关温升率对金属性能影响的试验方法，并在3年内研制出了直流电焊机电流加热试验机和交流电焊机电流加热试验机[4]，这可以看作是快速升温高温条件下材料力学性能测试的开端。基于这两种试验机的“高温升率试验方法”很快得到了美国军方的承认，并利用其对多种导弹用金属材料的高温和高温升率效应进行了测试，获得了大量实用的工程设计数据。随着航空工业的发展，在上述试验技术的基础上，自20世纪60年代起，国外根据工程应用的实际需求开始建立大规模的热环境模拟实验室[13]。这些热环境模拟实验室不仅能够开展飞行器结构材料服役环境下的力学性能测试，更重要的是可以进行飞行器结构服役环境下的承热能力的分析。

20世纪80年代末90年代初，随着飞行器速度的进一步提高，气动加热问题变得更加严重。尤其是在美国NASP（空天飞机）和HSCT（美国高速民用运输机）预研计划出台后，飞行器结构材料热环境试验出现了新的问题，这引起了美国航空局的重视。之后，包括快速升温高温条件下材料力学性能测试技术在内的航空飞行器材料及其结构的热试验技术得到了空前的发展[14]。目前，美国、德国和俄罗斯均已建成可模拟飞行器服役环境的材料和结构热环境实验室和研究中心。并且，1993年美国在能源部的支持下，编写了热模拟试验设备手册，对材料热强度试验技术进行了规范[14-15]。

由于快速升温高温条件下的新型飞行器结构材料的性能试验和测试数据涉及到高速飞机、导弹、航天飞行器等军事项目，美国、北大西洋公约组织和俄罗斯的许多研究成果和试验数据，属于严格保密的内容，均未公开发表，国内能够参考、借鉴的技术几乎没有。20世纪60年代，中国工程院力学研究所，本着自力更生的精神，在吸收、消化国外技术的基础上，从土到洋，逐步改进，经过多种方案性试验，研制出了一套可用于飞行器材料短时高温力学性能测试的拉伸试验设备，并对低碳钢、不锈钢等几种金属材料进行了短时高温拉伸、蠕变，恒载荷等加热率试验，得到了这些材料高温短时力学性能的定量结果[16]。

在中国工程院力学研究所的工作基础上，国内的很多家单位，包括：北京强度环境研究所、北京航空航天大学航空科学与工程学院、北京大学力学与工程物理系等也陆续开展了快速升温高温条件下材料力学性能测试的研究工作。这些单位根据工程实际的需要，在现有力学性能试验机的基础上，开发出了多套可用于快速升温高温条件下材料力学性能测试的装置，对5A06镁合金、LY12 铝合金、J75不锈钢、2A12铝合金、A3钢等材料快速升温高温条件下的力学性能进行了测试，并对这几种金属材料力学性能的温升率效应做了初步的试验性的分析[17-20]。

2  快速升温高温条件下材料力学性能测试常用技术

图1 热载联合试验系统示意图

在快速升温高温条件下，材料力学性能测试设备实际上是一个能够模拟高速飞行器瞬态气动热环境的热载联合试验系统，图1为该系统的示意图。在这一系统中，主要包括三大关键技术：加热技术、温度测量技术和应变测量技术。

2.1  加热技术

随着飞行器飞行速度的不断提高，以及各种新型加热技术的研发，快速升温高温条件下材料力学性能测试热载联合试验系统中的加热技术也在不断地发展，先后出现了电阻/高频感应瞬态加热技术，以石英灯、石墨等为加热元件的辐射加热技术，以及以高温、高压燃气为热源的对流加热技术等。

电阻和高频感应加热技术早期由于技术相对成熟，操作方便，加热温度易于控制等优点[21-23]被应用于快速升温高温条件下材料力学性能测试装置的加热系统中。随着飞行器速度的不断提高，材料热试验对加热温度和升温速率的要求不断提高，同时，先进结构材料，比如碳碳复合材料、陶瓷材料等的出现，使得电阻和感应加热技术的缺点越来越明显，试验过程中某些材料的升温质量得不到保证，甚至根本不能满足试验要求，电阻和感应加热技术逐渐部分的被新技术取代。

以石英灯作为加热源的高红外辐射加热技术20世纪70年代诞生于美国，最早是美国宇航局（NASA）用于模拟人造卫星接近太阳时，卫星表面温度快速上升到2000℃的升温过程。70年代中期，为了进行航天飞机飞返大气层时与空气摩擦产生高温的试验，高红外加热技术被用来模拟航天飞机表面温度由-273℃低温迅速升温到1800℃高温的过程。之后不久，为满足高超声速飞行器飞行过程中的试验验证要求，美国开始研制以石墨为加热元件的辐射加热系统，以及电弧灯加热系统[24]，同期以高温、高压燃气为热源的对流加热技术也被用于飞行器结构地面热模拟试验中。

由于红外辐射加器加热惯性小，电控性能优良，可以很好地模拟各种材料在运行时的热强度环境，真实复现气动加热的能量交换过程，而且具有尺寸小、功率高、安装灵活等优点[25-26]。所以，虽然已出现石墨辐射加热和对流加热等新技术，快速升温高温条件下材料力学性能测试热载联合试验系统中，目前红外辐射加热仍是除电阻和高频感应加热外的主流加热方式。

2.2  温度测量技术

快速升温高温条件下材料力学热载联合试验系统中，金属材料的温度测量一般采用常规的热电偶测量技术，通常用电阻压焊方式把热电偶焊在金属表面，进行快速升温过程中的温度测量。

热电偶具有构造简单、适用温度范围广、使用方便、承受热以及机械冲击能力强等特点，常被用在高温、大振动冲击等恶劣环境以及微小结构等测温场合。然而，在快速升温过程中，温度随时间变化迅速，由于感温元件的热惯性以及有限的热传导率，热电偶在温度测量过程中会出现所谓的动态响应误差[27]。由于动态响应误差的存在，大多数常规热电偶并不适合测量快速升温过程中的温度变化。为了减小热电偶的动态响应误差，科研技术人员在热电偶动态校准方面开展了大量的研究工作[28，29]，通过动态补偿技术来提高常规热电偶的响应时间。

除此之外，随着技术的不断发展，还出现了很多能够满足快速升温高温条件下温度测量要求的新技术，蓝宝石光纤温度传感器就是其中一种。1983年，美国R.R.Dils博士首先研制成功了蓝宝石单晶光纤温度传感器，这种传感器具有传统热电偶所不能及的高温稳定性及响应速度，为瞬态高温接触式测温开辟了一片新天地[30]。蓝宝石单晶光纤温度传感器1988年获美国专利，美国国家标准局已将其作为630～1064℃温度范围内新的测温标准。近几年，美国、英国、法国、德国和日本等国家均开始研发蓝宝石光纤温度传感器，并不同程度进入了实用化的阶段，例如，美国Luxtron公司的生产蓝宝石光纤温度传感器短时工作温度可以达到2000℃，响应时间为毫秒级。

国内清华大学、浙江大学以及西安电子科技大学等高校也开展了蓝宝石光纤温度传感器的研究工作。其中，清华大学1989年申请的专利产品测温范围为400～1300℃，测温精度0.1%，灵敏度0.1℃，动态响应时间也可到毫秒级[30]。

虽然蓝宝石光纤温度传感器有着非常优异的性能，但目前研究的重点是高温传感，其用于瞬态高温测量的结构、静态标定、动态特性测试、测试数据处理方法等理论和技术问题还有待进一步的解决，所以，该传感器在快速升温高温条件下的使用需要一定的时间。

2.3  应变测量技术

应变电测技术具有测量精度高、使用方便、成本低等优点，并且对于一般高温条件下的静态、动态应变测量，测试方法和数据处理相对简单。目前，在快速升温高温条件下，材料力学性能测试热载联合试验系统中最常用应变测量仍为传统的应变电测技术。

与热电偶温度测量类似，在快速升温高温条件下，应变电测技术同样存在两个方面的测量误差：一方面是应变电测技术的热输出误差；另一方面是应变电测技术的动态响应误差。为了提高应变电测技术的测量精度，国内外科研技术人员开展了大量的研究工作。一方面，在传统的温度自补偿式应变技术的基础上，提出双片工作方式的全新技术思路：应变测试时，在测点同一位置粘贴两片同类型应变片，一片作为工作片测量测点部位的全变形量，另一片受温度影响但不传力，作应变桥的一个臂，以消除快速升温对应变电测热输出精度的影响；另一方面，为解决应变电测技术的动态响应误差，提出了多种快速加热条件下高温应变测量误差修正方法[31-32]。

除对传统应变电测技术进行改进外，为了适应飞行器技术的发展，在材料快速升温高温条件下力学性能测试中，也出现了一些应变测量新技术，其中激光高温应变测量技术和ESPI三维全场光学应变测量技术已得到了实际的应用。

3  快速升温高温条件下材料力学性能测试发展方向

3.1  测量技术的更新

前面已经提到，飞行器飞行过程中蒙皮的温度会随飞行马赫数（Ma）的提高而急剧上升。飞行 Ma数为 2.0时，机头处的温度略高于100℃，而当 Ma数等于3.0时，飞行器表面的温度则可快速升至350℃左右，Ma数为5.0的导弹在大气层中飞行时，其壳体表面驻点温度瞬间可高达1029℃。高超声速飞行器一般指的是5倍声速以上，即马赫数大于5.0的空天飞行器，在这一速度下，目前所用的常规温度和应变测量技术都已不能满足快速升温高温条件下材料力学性能测试试验的要求。为了适应高超声速飞行器结构材料性能测试要求，必须改进现有技术，或大力探索测量新技术在快速升温高温条件下材料力学性能测试系统中的应用。

北京科技大学在自主研发的以“空气预热+富氧燃烧”为核心加热功率的集束射流气动加热环境模拟实验舱的基础上，采用传统的电液伺服加载系统，并引入基于激光散斑的非接触式变形和红外表面温度测量技术，开发出了气动热环境下的材料力学性能测试装置。该装置不仅能够再现飞行器实际服役气动热环境，而且可实现快速升温高温条件下飞行器结构材料温度、变形的精确测量，获得其“热障”环境下的真实强度信息[33]。

3.2  测试标准化

目前，国内快速升温高温条件下材料力学性能测试系统，均为各单位根据自身的科研试验条件组装或自主研发，所用的加热设备、测温技术以及力学加载装置都不尽相同。比如：J75不锈钢的性能测试过程中，加热设备采用的是自制大电流瞬态加热设备，性能测试在Instron1196试验机上来完成；5A06镁合金、2A12铝合金的性能测试过程中，加热设备采用的是红外辐射加热炉，性能测试在MTS试验机上来完成；而LY12 铝合金、A3钢的性能测试则利用Gleeble 1500 热模拟试验机来完成，Gleeble 1500热模拟机自带的加热方式是大电流直接电阻加热。另一方面，性能测试的标准，比如样品大小、加载方式等也无章可循。这些都导致材料性能测试结果的可靠性和可比性得不到保证。

所以，必须综合考虑现有的测试技术的优缺点，结合行业的实际需求，建立快速升温高温条件下材料力学性能测试标准，其中包括设备手册、测试标准、测试规范等，为快速升温高温条件下材料力学性能数据库的建立提供可靠性保障，使快速升温高温条件下材料力学性能测试更好地服务于飞行器结构材料寿命预测、可靠性评估以及飞行器的安全设计。

3.3  基础理论研究

新材料是诸多高新技术的物质基础和先导，高超声速飞行器技术也不例外。在快速升温高温条件下，材料力学性能测试的前期工作主要是行业性特需材料的性能试验，缺乏基础理论研究，对快速升温高温条件下材料力学性能的复杂现象没有一个统一的物理解释和数学模型。今后还需要进一步拓展各类材料的试验研究，在足够多的可靠性试验数据基础上不断地深化和完善理论，形成更强、更明确的规律性认识，包括：热-力-材料耦合理论建模和数值模拟，从材料分子-微结构-宏观几何尺寸的理论建模和数值模拟等，充分认识快速升温高温条件下材料力学性能的物理本质，为飞行器结构新材料的优化设计提供理论基础。

4  结论

快速升温高温条件下材料力学性能能够很好地模拟飞行器飞行过程中的“瞬态”高温特征，获取材料真实气动热环境下的强度信息。在现有常规技术基础上，研究符合“瞬态”高温环境测试要求的全新高精度技术在快速升温高温条件下材料力学性能测试方法中的适用性，建立更加可靠的测试方法并标准化，形成较为完善的热-力-材料耦合基础理论体系，对飞行器结构及其材料的优化设计、可靠性评估有着非常重要的意义。