凭借 30 多年开发创新测试解决方案的经验，MTS 资深工程师 Steve Lemmer 为产品设计带来了独特的专业知识。在本次问答中，他概述了高温测试面临的挑战，并介绍了高温夹具的发展。
问：为什么高温测试如此重要？
答：材料往往需要在高于室温的环境中使用，工程师需要了解温度如何影响材料的性能，例如强度、模量以及蠕变/断裂特性。通常用于测试不同类型材料的温度范围可分为三个等级：首先是最高约 200°C 的温热测试，这一范围适用于塑料和复合材料；其次是 200°C–1200°C 的高温测试，其中大多数集中在 600°C–1000°C，例如用于喷气发动机材料的测试；最后是 1200°C 及以上的超高温测试，这一范围适用于陶瓷、碳材料以及钼、钨和铼等难熔金属。其中一个挑战在于，不同的温度范围需要采用不同的技术来实现。
问：关于高温测试，有哪些是很多人并不了解的？
答：测试领域的大多数人都了解对中、温度和应变测量，但随着温度升高，测试系统的复杂性也会显著增加。将一套夹具和试样放入环境箱中进行最高 600°C 的测试相对简单，但温度越高，测试设备和系统配置就越复杂。例如，材料选择会发生变化，温度测量装置会变化，加热方式会变化，气氛环境可能会变化，最终温度会达到一个技术手段非常有限、难以完成关键测试功能的水平。
即便人们认识到复杂性会随着温度升高而增加，也很少有人意识到这种复杂性会直接推高成本。这些附件所需的原材料价格昂贵，而且商业供应通常有限。这些材料难以加工成机加工零件，因此其零件成本往往远高于采用传统钢材制造的相同零件。如果所需温度处于 2000°C 以上的最高范围，则可能需要在全真空或部分真空环境中使用碳材料或难熔金属。相比之下，难熔金属会让其他昂贵的高温合金看起来都“便宜”了。
问：是否存在成本更低的高温测试替代方案？
答：我很想说没有。高温测试解决方案需要完成一些非常具体且具有挑战性的任务。你可以选择成本较低的设备，例如夹具或载荷架，但这些选择往往会以牺牲对中精度和灵活性为代价。你也可以选择由较廉价材料制成的“冷夹具”，或采用单区炉而非三区炉，从而牺牲温度梯度控制。其他需要考虑的问题还包括：测试系统是否会在载荷传递链中产生回程间隙；施加载荷时加载轴是否会发生变化；环境箱或引伸计在安装到机架上的方式是否会影响测试对中；执行器中的摩擦是否会影响测试反馈信号；以及是否重视在不同试样之间切换的便捷性和灵活性。归根结底，这些选择都可能危及测试结果的可靠性。
问：高温测试面临哪些主要挑战？
答：温度测量、应变测量，以及如何让测试设备材料长期可靠地工作，是其中的一些挑战。这是一个复杂的系统，所有组件相互作用并且必须协同工作，包括炉体、接触式和非接触式应变测量装置、载荷和位移传感器、控制电子系统以及试样夹具。你需要了解在加热试样并测量载荷和应变时，各组件将如何相互影响；而高温环境本身并不利于在试样上进行应变测量。
MTS 的接触式引伸计在设计时尽可能减少对试样施加的侧向载荷，但仍需要与试样接触，并在加载过程中不发生滑移。非接触式方法在较低温度下效果良好，但随着温度升高，热效应和光学畸变会影响读数。除了这些应变测量方面的挑战外，试样几何形状也会增加测试难度，例如，对平板试样的测试往往更具挑战性。
问：为什么平板试样的高温测试如此困难？
答：与圆形试样相比，夹持平板试样更加困难，因为夹持平板试样的最佳方式是直接在试样表面施加法向力，在试样表面产生摩擦力，而不是在试样边缘产生剪切力。这种楔形夹具夹持方式通常会在夹持机构中产生很高的应力。MTS 拥有一项专利方法，可使用常规高温合金来承受这些应力，同时实现最高达 1500°C 的试样测试。
问：MTS 680 型高温夹具有哪些独特之处？
答：680 系列液压夹具能够稳定、准确地进行疲劳测试。使用机械夹具时，很难轻松验证疲劳测试中施加到试样上的预载荷。Model 680 液压夹具能够在整个测试循环过程中精确保持预载荷。680.01 夹具适用于最高 1000°C 的球头端和螺纹端试样；680.10 在 1000°C 测试能力的基础上，增加了对平板试样的测试能力；680.15 可用于最高 1500°C 的测试，其设计专门针对平板陶瓷基复合材料，这类材料通常由于对对中要求高而更难测试。680.10 和 680.15 两种型号均可用于测试平板和圆形试样——只需更换高温部件，即可使用同一夹具在不同温度下测试平板或圆形的球头端和螺纹端试样。
问：高温夹具采用空气冷却有哪些优势？
答：对高温结构部件进行空气冷却，使液压夹具能够在更高载荷和更高温度下进行测试。在 680.10 和 680.15 夹具中，空气冷却位于夹具内部组件中，因此不会干扰炉内的测试环境。保持夹具温度较高可以减少试样的热量损失，并改善标距段沿长度方向的温度梯度。这些夹具能够将温度梯度控制在 ASTM 和 ISO 指南规定的范围内，即 ±2°C 或测试温度的 ±1%。此外，由于采用液压夹持方式，它们还具备与室温液压夹具相同的优势：更好的对中重复性、试样尺寸灵活性，以及一致且可控的夹持力。
问：过去几年中，高温测试发生了哪些变化？
答：能源生产、燃油效率提升以及轻量化方面的发展，正在推动测试向更高温度发展。从技术角度来看，随着测试温度不断升高，应变和温度测量技术也在不断演进，催生了新的测量方法。最后一点是，人们越来越希望在不同环境中对试样进行测试，例如燃料尾气、氢气、惰性气体以及真空环境。
高温测试解决方案可以作为独立组件从多家供应商处采购，但如果希望获得最佳的集成方案，建议将其作为一个子系统整体采购，以确保各组件能够协同工作。如果你是第一次进行高温测试，可能并不会意识到成功完成一次测试需要考虑的诸多细节。凭借数十年的高温测试经验，MTS 拥有相关的知识和产品，能够为你的高温测试应用构建一套完整的集成解决方案。
