MTS 首席材料测试科学家 Erik Schwarzkopf 博士凭借数十年的材料测试和系统工程经验，为广大客户提供独到的专业知识。在本文章中，他讨论了高温材料测试中保持高精度控制测试温度的挑战。
问：为什么温度对材料测试如此重要，尤其是进行低周疲劳测试（LCF）或 高周疲劳测试（HCF）时？
答：工程师需要了解材料特性在不同温度下的变化，以便设计出在实际工作环境中的温度下可靠运行的产品和部件。低周疲劳（LCF）和高周疲劳（HCF）试验持续数小时，因此温度稳定性是至关重要的。在测试过程中，5°C或10°C的偏差可能会给结果增加很大的不确定性。
问：在典型的测试配置中，如何测量温度？
答：最常用的方法是热电偶，它有两个金属导体（导线）。穿过导线接头的电流与接头处的温度成正比。导线通常连接到试样上，以便接头处的温度与试样的温度相同。对于高温测试，研究人员会使用带有铂铑线的R型热电偶， 而带有铬铝合金线的K型热电偶是较便宜的选择。低温、高灵敏度应用则需要J型铁-康铜热电偶。
问：测试过程中如何控制温度？
答：PID控制器的输出可用于为试样周围的加热系统通电。在环境箱或高温炉内，可以使用一个或多个控制器来管理内部空间的不同区域。这做法是控制温度，使整个试样的温度保持均匀，即使在其他地方存在温度变化的区域。
问：整个高温炉的温度真的有那么大的差异吗？
答：是的。如果温度控制器向高温炉中的三个加热元件发送相同的指令，则试样上的温度梯度将大到足以影响测试结果。当然，这是不可接受的，也是不必要的。有效地控制温度是可能的，但你必须了解工作中的热力学机制。出现梯度的原因是，加载链延伸到炉外的处于环境温度的载荷传感器和作动器。当加热元件继续加热时，炉中的热量也通过传导传递到这些环境部分，但这些作用不会以相同的速率发生。通过多区域控制，我们创建了“缓冲区”，将更大的梯度推离试样标距，推向柄部甚至推杆。这样，试样测试部分的温度梯度将小到可以接受的程度。
问：试样中的温度梯度应该多小？
答：这取决于标准。 不同国家和国际 LCF 和 HCF 测试规范在温度梯度要求方面并不一致。 通常情况下，温度梯度(最大误差)应为样件标距段内测试温度的百分之几。 因此，如果标称测试温度为 500°C，则测试部分的梯度应不超过 5°C- 10°C，或 1%-2%。 在设计良好的测试系统中，测试部分的梯度可以保持在所需温度的 1% 以内。 例如，MTS 653.04 型三区加热控制高温炉可以在 800°C 标称测试温度下，在 25 mm 标距长度上将梯度保持在 ±2°C，这完全符合 ASTM 和 ISO 规范。
问：达到所需的测试温度需要多长时间？
答：加热试样并在试样和加载链中达到平衡可能需要一个小时。如果升温过快，可能会温度过高并损坏试样，或者增加更多冷却和重新加热的时间。多年来，许多实验室都试图将启动时间降至最低，因为这会阻碍生产率。对于一些拉伸测试，可以在备用高温炉中预热试样和加载序列，然后到时在测试系统中安装它们。其他实验室在每个高温炉区域进行了可变加热速率的实验，这有助于减少预热试样的时间。例如，MTS TestSuite™ MP Elite软件的高温 LCF 和 HCF测试模板使用复杂的配置文件使外部区域快速升温，然后再小心地将包含样本的内部区域升温。
问：更大、更好的高温炉总是正确的选择吗？
答：这取决于您所说的“更大”和“更好”是什么意思。 高温炉可能具有更高的最高温度、更好的高温炉绝缘、更大的内部、更长的加热区域或更多的控制区域。 要考虑的问题是，权衡是什么？ 更多的控制区域为您提供样品上更小的温度梯度，但它们的成本更高。 较长的加热区也可以降低温度梯度，但它们需要高温推杆。 更好的绝缘提高了稳定性，但更难从过冲中恢复。 使用 1000°C的高温炉进行 150°C 测试会影响温度控制等等。
问：对于高精度的温度控制，还有哪些重要的考虑因素？
答：在选择高温炉或夹具等附件之前，您必须从整体上考虑应用：所需的测试温度、试样几何形状、温度梯度和测试时间。您还须考虑在测试期间加热试样和管理温度的方式。等温测试中常见的方法是使用电阻炉，热电偶与样品接触。 热电偶点焊在试样柄上，而不是缩小部分，因为它们可能成为裂纹的起始点。最重要的因素是，研究人员需要具备足够充分的高温力学测试应用知识体系，在不久前，还需要通过不断试错来弥补知识体系方面的不足，而现在，你可以选择一条更加明智的道路来快速准确地获取力学测试的结果。
