液氢温区材料拉伸测试装置研制及仿真分析.pdf

液氢温区材料拉伸测试装置研制及仿真分析王干缘1，夏莉2，承磊3，屈莎莎2，黄永华1*（1.上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海200240；2.广东省特种设备检测研究院，广东佛山528251；3.上海精密计量测试研究所，上海201109）摘要：为了满足当前液氢工程领域对材料力学性能测试的需求，以两台 G-M 制冷机为冷源、氦气为载冷介质，设计和研制了一台低温材料拉伸测试装置。该装置可实现 14300K 温区内各类固体材料的拉伸试验。采用液氮预冷的方式，样品降温至 14K 用时仅 7h。对试验腔内试件的温度分布进行仿真模拟，结果表明试件的温度梯度主要存在于纵向，而横向没有明显的温差。对 316L 不锈钢试样进行多工况拉伸性能测试，可重复性高于 97.8%。所得 304 和 316L 不锈钢材料的屈服强度和抗拉强度测试数据与文献数据相比最大相对偏差仅为 6.3%，该深冷温区拉伸测试装置具有较高的可靠性和准确性。关键词：低温；G-M 制冷机；温度分布均匀性；拉伸测试装置中图分类号：TB657文献标志码：A文章编号：10067086（2024）02013409DOI：10.12446/j.issn.1006-7086.2024.02.005Development and Simulation of a Tensile Test Apparatus Down to Liquid Hydrogen Temperature RegionWANG Ganyuan 1，XIA Li 2，CHENG Lei 3，QU Shasha 2，HUANG Yonghua 1*（1.Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China；2.Guangdong Institute of Special Equipment Inspection and Research，Foshan528251，Guangdong，China；3.Shanghai Precision Metrology&Test Research Institute，Shanghai201109，China）Abstract：Tomeettherequirementofmaterialmechanicalpropertiestestinginthefieldofliquidhydrogenengineering，withtwoG-Mrefrigeratorsascoolingsourceandgasheliumascoolingmedium，atensiletestapparatusatcryogenictempe-raturewasdesignedanddeveloped.Itcanbeappliedinthetemperaturerangeof14Kto300Kandtakesonly7hourstoreachthelowesttemperatureof14Kbypre-coolingwithliquidnitrogen.Thetemperaturedistributionofthespecimeninthetestchamberwassimulated.Theresultsshowedthetemperaturegradientofthespecimenmainlyexistedinthelongitudinaldirection，whiletherewasnotemperaturedifferenceinthetransversedirection.ThetensilepropertiesofSS316LandSS304weremeasuredandcomparedwithliteraturedata.Therepeatabilityofthepresentdatawasfoundtobehigherthan97.8%.Themaximumrelativedeviationbetweenthemeasuringdataofyieldstrengthandtensilestrengthandtheliteraturedatawasonly6.3%，showingthatthetestresultsofthetensiletestdevicehavehighcredibilityandaccuracy.Key words：cryogenic；G-Mcryocooler；uniformityoftemperaturedistribution；tensiletestapparatus0引 言随着航空航天、清洁能源、低温超导、远红外探测等技术的发展，各种材料特别是一些新材料和复合材料在深冷环境下的应用愈加广泛，它们在低温下的力学性能是最被关心的内容之一。与常温环境不同，低温下材料的力学性能会发生显著变化，收稿日期：2023-08-31基金项目：广东省市场监督管理局科技项目（2021ZT09）作者简介：王干缘，硕士研究生，主要从事低温材料力学性能测试研究。E-mail：gywang-通信作者：黄永华，研究员，博士生导师，主要从事低温热物性、低温绝热、航天低温技术研究。E-mail：引文信息：王干缘，夏莉，承磊，等.液氢温区材料拉伸测试装置研制及仿真分析J.真空与低温，2024，30（2）：134142.WANGGY，XIAL，CHENGL，etal.Developmentandsimulationofatensiletestapparatusdowntoliquidhydrogentem-peratureregionJ.VacuumandCryogenics，2024，30（2）：134142.真空与低温第 30 卷第 2 期134VacuumandCryogenics2024年3月如低温工程中广泛使用的 2219-T851 铝合金和316L 不锈钢在深低温区会表现出更大的拉伸强度1-2。因此，开展低温环境下材料强度、塑性和韧性等力学性能的研究是满足工程应用必不可少的一环。部分材料低温下拉伸性能数据（屈服强度、抗拉强度等）可以从手册中查取，但该方法面临着覆盖温区窄（尤其是 77K 以下温区）、数据陈旧、可靠性低和材料种类少等问题，无法满足新的工程实际要求。开发新的宽范围低温拉伸力学性能测试装置对于获取 77K 以下温区新材料的实测力学性能数据具有重要意义。目前，材料低温拉伸测试装置大多采用低温液体浸泡试样或低温气体吹扫试样的方式实现试件冷却3，常用的低温液体有液氮和液氦。但这类方式需要消耗大量低温流体，Desisto 等4利用液氦冷却试样，测试室体积仅为1.2L，但要冷却试样至 4.2K 至少需要消耗 5L 液氦。Belton 等5研制的液氢温区力学性能测试装置，单次测试需要消耗 140L 的液氢。在液氮温度以下，测试所使用的液氦属于稀缺能源，价格昂贵，而液氢不仅来源受限且极其危险，不便于实际测试操作。此外，这种方式通常只适合测试特定温度点（如 4.2K、20K 或 77K）的力学性能，无法满足研究宽温区材料力学性能随温度变化规律的要求。为解决液氦/液氢介质试验成本高、来源受限、安全性差等问题，一些学者6-7引入了新的冷源类型。其中 G-M 制冷机作为商业化产品技术逐步成熟，成为理想的替代冷源。但相关的低温力学性能测试装置降至目标低温用时均超过 10h，也未见对腔内样品的温度分布情况的实测或仿真研究报道，无法判断样品各位置温度是否均已降至目标温度。表 1 对国内外具有代表性的低温力学性能测试装置及其特点进行了归纳总结。表 1代表性低温力学性能测试装置Tab.1Representative mechanical property test device at low temperature冷源测试温度/K单次测试消耗/降温时间测试样品参考文献液氦4.25L 液氦、3L 液氮302 不锈钢等DeSisto 等4液氢20140L 液氢6061-T6 铝合金Belton 等5液氦4.2聚苯乙烯Foley 等8液氦4.21012L2024-T8 铝合金Kaufman 等9液氦、液氮、酒精干冰4.2、77、19525Mn5Cr1Ni 钢陈国邦10液氢、气氦20304L 等Deimel 等11G-M 制冷机4.230020h 以上S30408 钢姜恒等6G-M 制冷机830014h5A06 铝合金谢世永等7本文介绍了一套温度稳定可控的低温材料拉伸测试装置，采用两台 G-M 制冷机为冷源，以氦气为导冷介质，测试温度范围为 14300K，将液氮预冷管路耦合进低温制冷机制冷系统，降温时间仅为 7h。本文利用 COMSOL 仿真软件对测试腔及试件温度进行仿真研究，以典型材料为样品，验证了不同温度下所测拉伸强度与文献数据的吻合度。1低温拉伸测试装置设计与搭建低温拉伸测试装置是在通用电子万能试验机基础上增加低温冷却和绝热温控系统而成，重点解决万能试验机拉伸杆的高低温穿仓和样品低温夹具问题。低温冷却和绝热温控系统包括真空腔、温控系统、冷却系统和真空抽气系统。低温拉伸测试装置系统组成如图 1 所示。235761841.真空腔；2.控温系统；3.冷却系统；4.真空抽气系统；5.万能试验机龙门架；6.移动横梁；7.力传感器；8.万能试验机底座。图 1低温拉伸测试装置系统组成图Fig.1Compositionoflowtemperaturetensiletestsystem王干缘等：液氢温区材料拉伸测试装置研制及仿真分析1351.1真空腔真空腔包括低温试验腔及其组件、热辐射防护冷屏、真空室及其他零部件，其三维结构如图 2 所示。工作时低温试验腔内充满氦气，其内部结构如图 3 所示。1762345891.阀门操作区；2.低温试验腔；3.真空室；4.冷屏；5.导热热桥；6.G-M 制冷机；7.波纹管；8.连接板；9.通用力学试验机拉伸杆。图 2真空腔三维结构图Fig.23DConstructionofcryogenicchamber123456789101.连接板；2.腔顶法兰；3.隔热泡沫；4.铜屏；5.样品夹具；6.样品；7.拉伸试验工装；8.液氮输送管路；9.试验腔连接杆；10.波纹管。图 3试验腔内部结构图Fig.3InternalConstructionoftestchamberG-M 制冷机二级冷头与试验腔外壁间使用紫铜热桥连接。腔体外采用真空绝热方式；为充分利用制冷机一级冷头的冷量，在试验腔与真空腔内壁间插入冷屏，使之与制冷机一级冷头连接。力学试验机拉伸杆穿过移动横梁、连接板及腔顶法兰，为解决力学试验机拉伸杆高低温穿仓问题，在拉伸试验工装上部，力学试验机拉伸杆在竖直方向上依次布置铜屏和隔热泡沫，用以减少辐射漏热和气体导热。上下试件夹具均为 304 不锈钢材质，采用螺纹连接方式与力学试验机拉伸杆底端和拉伸试验工装底部相连。试验腔顶部的连接板与万能试验机移动横梁通过螺栓固定连接，进行低温力学性能测试时，移动横梁带动真空腔向下移动，拉伸杆顶端则与万能试验机顶部的力传感器连接固定。连接板和腔顶法兰间设有波纹管及滑动密封件，既便于横梁沿着拉伸杆移动，又能密封试验腔内气体。真空腔移动时试件底端随之移动，由于拉伸杆底端与上夹具连接，故试件顶端固定不动，因此横梁向下移动时对试件产生了向下的拉力，通过试验机顶部的力传感器测得。1.2温控系统温控系统负责整个系统的温度采集、控制、输出等功能，该系统中包含多支温度计、加热电阻和控温仪。制冷机二级冷头、低温试验腔底部和外壁均布置碳电阻温度计，腔体外壁另布置加热电阻用来调节腔室内氦气温度。在支撑架的上、中、下 3 个位置分别布置 3 支 PT1000 温度计用以估测试件温度，如图 4 所示。3 支温度计读取支撑架在竖直方向上不同位置处的温度数据，这样有利于估测试件表面温度的均匀性和稳定性。基于收集的温度信号配合 PID 方法调节电加热功率自动实现目标温度调控。12345671、2、3.PT1000 温度计；4、5.碳电阻温度计；6.加热电阻；7.试件。图 4温度计布置示意图Fig.4Locationoftemperaturesensors1.3冷却系统冷却系统中 G-M 制冷机的二级冷头直接冷却低温试验腔壁面，进而冷却腔体内氦气，被冷却的136真空与低温第30卷第 2 期氦气再对被测试件、支架和夹具等部件降温。为了使拉伸试样最低温度降至 14K，经核算低温试验腔的热负荷，如表 2 所列，确定使用两台二级 G-M制冷机。由于试验腔体积较大、腔体内部件繁杂，且充满常温氦气后热容很大，若仅依靠制冷机冷头，将试件从室温降至 14K 需要很长时间，单次试验时间成本较高。表 2最低温度时试验腔漏热分析Tab.2Heat load of test chamber at lowest temperature漏热形式漏热量/W拉伸杆漏热3.73不锈钢壁漏热4.02液氮管路漏热0.15导线漏热0.37剩余气体导热0.15筒体辐射漏热15.7总计24.12鉴于许多低温力学性能测试装置中都使用液氮作为冷屏冷却介质或者辅助冷源，如 Kaufman 等9采用双杜瓦结构的低温恒温器冷却试件，其外部杜瓦使用液氮作为冷屏冷却介质。本系统采用一根管路将液氮通入低温试验腔底部，使液氮与腔体内试件、支撑架及其他部件换热气化后排出腔体，对低温试验腔进行预冷。预冷结束后使用氦气吹除腔体内残余的氮气，避免当降温至 77K 以下时冻堵以及起阻碍降温的副作用。分别在采用液氮预冷和不采用液氮预冷的情况下，利用 G-M 制冷机制冷，对该系统进行降温测试。两次实际降温测试曲线如图 5 所示，不采用液氮预冷时降至最低温度 14K 需要 8h；当采用液氮预冷则可以在 7h 内将试样腔温度从 300K 降至 14K，降温时间缩短了近 13%。1.4温度、力和位移测量系统试样腔内的温度、试件形变量以及受力分别采用 Lakeshore336 温控仪、CLH-special 引伸计和TranscellDBSL-30t 力传感器进行测量。温控仪具有 8 路测温通道和 2 路独立控温输出，测温精度为0.001K。CLH-special 是一支定制的大变形引伸计，标距为 50mm，测量范围为25mm，分辨率为 1m。力传感器 DBSL-30t 最大量程为 30 吨，示值相对误差为 0.5%。利用 LabView软件编写温度采集和电加热功率控制程序。采用三思 UTM5305X 型电子万能试验机和配套的专业数据采集程序完成力和形变量的数据采集。0601201802403003604204805010015020025030014温度/K时间/min7 h8 h 无液氮预冷 有液氮预冷测温点液氮关闭液氮开启图 5实际降温测试的温度-时间变化曲线Fig.5Thevariationcurvesoftemperaturewithinactualcoolingtest1.5测试系统的测量误差分析试件应力与应变的计算公式分别为式（1）（2）。试件应力及应变测量的相对误差可以分别通过式（3）（4）计算。(T)=FTW293D293（1）(T)=dLTL293（2）=(FTFT)2+(W293W293)2+(D293D293)2+(TT)2（3）=(dLT)dLT)2+(L293L293)2+(TT)2（4）(T)(T)FTLTW293D293L293FTFTW293W293D293D293(dLT)dLTL293L293TT式中：为试件应力，MPa；为材料应变，%，为任意温度下试件所受拉力，N；为任意温度下试件标距段长度，mm；、和分别为国际上普遍采用的温度为 293K 时试件的宽度、厚度和标距，mm。表示力传感器的测量误差，表示试件宽度测量的误差，表示试件厚度测量的误差，表示引伸计的测量误差，表示试件标距的测量误差，表示温度测量引入的误差。表 3 为误差计算数据。由表 3 可知，本装置强度和伸长率测量的相对误差分别为0.92%和0.67%。王干缘等：液氢温区材料拉伸测试装置研制及仿真分析137表 3误差计算数据Tab.3Error calculation data误差项误差值/%FTFT0.5W293W2930.08D293D2930.25(dLT)dLT0.006L293L2930.02TT0.670.920.672仿真分析由于材料力学性能对温度的变化较敏感，需要对本研究中低温试验腔内试件的温度分布均匀性进行分析，重点关注试件测试段在纵向与横向的温度分布，这对于确保低温拉伸测试结果的准确性具有重要意义。此外，由于测试腔顶部漏热的存在，试件尺寸的设计（特别是平行段长度）尤为重要。当试件尺寸过大时，试件顶部受漏热影响严重，导致试件出现“上热下冷”的情况，这种温度不均匀现象将对测试结果产生影响。文献中对此研究较少，本研究通过仿真分析确定该测试装置所适用试件的平行段最大尺寸，以确保低温拉伸测试结果的准确性。2.1模型建立由于难以直接使用温度传感器测试试件内部温度，利用仿真软件的固体和流体传热模块对试样腔内及试件的温度进行有限元仿真。模型中试件厚度为 4mm，平行段长度为 80mm，总长度为205mm。由于试验腔内壁直径与试验腔内铜屏外径仅相差 1mm 左右，流经铜屏的氦气量极小，因此假定以腔体纵向的第一片铜屏作为模型顶部封闭面，建立的仿真模型如图 6 所示。该模型与试验器件吻合，部分细节如温度传感器、加热电阻、引伸计及引线等忽略。1234400300200mm400300200100050500mmmm10000100（a）（b）1005050100mm2005671.低温试验腔；2.导热热桥；3.制冷机二级冷头；4.铜屏；5.支撑杆；6.试件；7.万能试验机拉伸杆。图 6有限元模型Fig.6Finiteelementsimulationmodel2.2网格划分及条件设置模型的网格划分采用物理场控制的自由四面体结构，并对腔壁、试件和各接触处进行了细化处理，如图 7 所示。经网格无关性验证后，构建的完整网格包含 13282 个边单元、212688 个边界元和1417089 个域单元。该模型中的支撑杆选用仿真软件材料库中的304 不锈钢，试验腔、冷头及导热热桥为紫铜材料，腔内气体为氦气，腔内氦气流动设置为可压缩流动并包含重力。由于材料的热导率与温度相关，因此采用美国 NIST 材料物性库中给出的式（5）12进行计算；紫铜材料的各项系数如表 4 所列。log10kb=(a+cT0.5+eT+gT1.5+iT2)(1+bT0.5+dT+fT1.5+hT2)（5）kb式中：为材料的热导率；T 为温度；138真空与低温第30卷第 2 期400300200mmmm1000400300200mm10000100（a）（b）100100200505000图 7模型网格划分Fig.7Modelmeshing表 4紫铜热导率计算公式系数Tab.4Copper thermal conductivity calucation formula coefficient系数取值系数取值系数取值a1.8743d0.13294g0.0051276b0.41538e0.26426h0.0014871c0.6018f0.0219i0.003723氦气的密度、热导率和动力黏度与温度之间的变化关系根据 Refprop 软件中给出的数据13-14拟合得式（6）（7）（8）。制冷机二级冷头制冷功率与温度的关系由厂家提供的数据拟合得式（9）。helium=7.853 38eT17.53949+0.304 41（6）khelium=9.410 47+0.876 13T 0.003 19T2+1.011 82105T31.272 75108T4（7）helium=106(1.182 81+0.128 686T 6.225 11104T2+2.227 24106T32.969 36109T4)（8）Pcold=exp(6.444 390 950.334 408T0.5+52.703 82lnTT)（9）heliumkheliumheliumPcold式中：为氦气的密度；为氦气的热导率；为氦气的动力黏度；为二级冷头制冷功率。万能试验机拉伸杆、上部不锈钢腔壁、液氮管路和导线的漏热、铜屏顶部的气体导热和辐射漏热作为外部热源输入到模型中，由于腔外是 103Pa真空状态且试样腔外壁包裹多层绝热材料，因此试样腔与冷屏间辐射换热可以忽略不计。模型中试验腔的漏热分析如表 5 所列。模型的初始温度均为 298K，设置制冷机二级冷头的制冷功率为 Pcold，漏热则以热通量形式从试验腔顶部边界输入，其余边界均为热绝缘界面。2.3仿真结果及模型验证对模型中支撑架底部的温度进行记录并与实测的降温数据进行对比，如图 8 所示。可见仿真结果与实测数据趋势一致，在 100280K 温区最大偏差仅为 7.8%，说明该模拟结果与实际降温情况具有较高的吻合度。表 5模型中试验腔漏热分析Tab.5Heat load of test chamber in model漏热形式漏热量/W连接杆漏热3.7不锈钢壁漏热4.02液氮管路漏热0.15导线漏热0.37顶部气体导热1.58腔顶辐射漏热1.04剩余气体导热0.15总计11.01王干缘等：液氢温区材料拉伸测试装置研制及仿真分析13906012018024030036042048005010015020025030035014模拟温度实测温度温度/K时间/min测温点图 8仿真结果与实测数据对比Fig.8Comparisonbetweensimulationresultsandexperimentaldata2.4试件温度分布均匀性利用验证后的仿真模型，图 9 给出了降温过程中试件平行段纵向和横向温度随时间的变化。06012018024030036042048005010015020025030035014试件中部-中心试件中部-表面试件上部-中心试件上部-表面试件下部-中心试件下部-表面温度/K时间/min图 9试件温度随时间变化情况Fig.9Temperaturevariationofspecimenwithtime由图 9 表明，纵向方向上试件中下部的温度分布均匀性良好，同一时刻最大温差仅为 1.94K。由于支撑杆和上部腔体壁等漏热的影响，近乎整个降温过程中试件上部的温度明显高于中下部，同一时刻最大温差高达 10K。同一水平处，试件平行段在横向方向上的温度分布比较一致，同一时刻最大温差为 1.8K。这说明试件的温度分布在纵向上具有更为明显的差异，即试件的平行段长度对于试件温度均匀性的影响更大。7.5h 后试件平行段温度分布均匀，如图 10 所示，最大温差仅在 0.1K 左右。分别对距离试件中心 6mm、10mm、14mm和 18mm 的位置进行温度探测并与中心处温度进行比较，如图 11 所示。这 4 个位置与中心的最大温差分别为 1K、1.8K、2.9K 和 3.9K，考虑到试件被测段温度分布均匀性对测试结果的影响，采用本装置进行低温拉伸测试时，试件平行段总长应不超过 20mm。400300200mm13.61000050505050yxz图 107.5h 时支撑杆与试件的温度分布情况Fig.10Temperaturedistributionofsupportandspecimenat7.5thhour060120 180 240 300 360 420 480050100150200250300135150165180190200210220230240中心距中心 6 mm距中心 10 mm距中心 14 mm距中心 18 mm温度/K时间/min图 11距中心不同距离处温度随时间变化情况Fig.11Temperaturevariationwithtimeatdifferentdistancesfromthecenter通常情况下，拉伸装置基本上都不会直接测试试件的温度（试件会被拉断）。本系统通过测试支撑杆竖直方向的温度来代表试件平行段的纵向温度分布。模拟结果显示，在 50300K 温区内支撑杆与试件表面的温度相差较大，同一时刻两者温度差在 14K 左右，最大约 20K，如图 12 所示。这是因为支撑杆底部测温点距离导热热桥更近，受冷头降温影响更加显著。由于氦气在低温下比热容较大而热导率较小，同一水平处试件温度的降低表现出迟滞性。延长保温时间是解决这一问题的首选方法。过往文献及测试者也都提及了这一点6，15。3060min 的保温时间将有效减小温度计与实际试件中心点之间的温差，确保试件标距段温度到达目标温度。同时，在 20K 以下温区，这一问题并不突出。140真空与低温第30卷第 2 期06012018024030036042048005010015020025030035014支撑杆试件温度/K时间/min支撑杆测温点试件测温点图 12支撑杆与试件表面温度Fig.12Surfacetemperatureofsupportandspecimen3测试装置功能验证3.1测试装置的可重复性验证在 297K、77K 和 20K 这 3 个温度工况下对316L 不锈钢进行拉伸测试来验证装置的重复性精度。所用拉伸试件为两端打孔的矩形截面试样，宽度为 12.5mm，厚度为 4mm。试件在达到目标温度后，保温时间不少于30min，待试件测试段温度稳定且分布均匀后开始进行拉伸测试，拉伸应变速率为 3104s1；测试结束后等待试验腔回温至接近室温时再打开腔体，防止空气中的水蒸气遇到腔内低温部件而发生严重的结霜、结露现象。3 个温度工况下 316L 不锈钢试件的测试结果如图 13 所示。可见，同工况下的测试数据具有较高的吻合度。20K 时的抗拉强度数据组呈现出最大的相对偏差，但也仅为 4.7%，其余数据组的相对偏差均小于 3%，最小的相对偏差仅为 0.6%。经计算得，本测试装置的测量结果可重复性高达 97.8%。05010015020025030020776008001 0001 2001 4001 6001 800强度/MPa温度/K253035404550屈服强度抗拉强度伸长率伸长率/%图 13316L 不锈钢的拉伸测试数据可重复性验证Fig.13Repeatabilityoftensiletestdatafor316Lstainlesssteel3.2材料的测量结果与文献偏差分析由于难以获得 20K 温区的直接测量数据，以77K 为基准低温工况，选取 304 不锈钢和 316L 不锈钢这两种常用低温典型材料进行拉伸测试，两种材料在 77K 温度下的拉伸曲线如图 14 所示，并将测试所得数据与文献数据4，16进行对比，如图 15所示。可见，本测试装置测得的 304 不锈钢和316L 不锈钢材料拉伸性能与文献数据吻合良好，最大偏差仅为 6.3%。0102030405003006009001 2001 5001 800316L304应力/MPa应变/%图 14304 和 316L 不锈钢在 77K 温度下拉伸测试应力-应变曲线Fig.14Tenslieteststress-straincurvesof304and316Lstainlesssteelat77K屈服强度抗拉强度3006009001 2001 5001 800Desisto 等4的数据Liu 等16的数据强度/MPa测试数据 304测试数据 316L图 15304 不锈钢和 316L 不锈钢测试数据与文献数据对比Fig.15Comparisonbetweenpresentexperimentaldataandliteraturedataof304and316Lstainlesssteel4结论研制深冷温区材料拉伸测试装置，以 G-M 制冷机为冷源、以氦气为载冷介质，具备 14300K 大温区内材料拉伸性能测试能力。对腔内支撑架及试件的温度分布进行模拟，模拟结果显示试件纵向温度分布均匀性差，但横向没有表现出明显的温差。试件平行段长度不应超过 20mm，到达目标温度后王干缘等：液氢温区材料拉伸测试装置研制及仿真分析141应保温 3060min。对 316L 不锈钢在不同温度工况下拉伸性能进行多次重复测试，可重复性 97.8%。同时对 304 不锈钢和 316L 不锈钢在 77K 温度下进行拉伸测试，测试数据与文献数据相比最大偏差和平均偏差分别为 6.3%和 3.9%，表明该测试装置具有良好的准确性，实现了深冷温区材料拉伸力学性能测试的功能要求。参考文献：DUTHIL P.Material properties at low temperatureR.CERNYellowReportCERN-2014-005，2015：77-95.1KIMMS，LEET，SONY，etal.Metallicmaterialevalua-tionofliquidhydrogenstoragetankformarineapplicationusingatensilecryostatfor20KandelectrochemicalcellJ.Processes，2022，10（11）：2401.2吴英哲，赵钦宇，甘智华，等.材料低温力学性能测试技术研究进展 J.低温工程，2021（5）：1827.3DESISTO T S，CARR L C.Low temperature mechanicalpropertiesof300seriesstainlesssteelandtitaniumC/Ad-vancesinCryogenicEngineering，Boston，MA：SpringerUS，1961：577-586.4BELTONJ，GODBYL，TAFTB.MaterialsforuseatliquidhydrogentemperatureC/SymposiumonLow-TemperaturePropertiesofHigh-StrengthAircraftandMissileMaterials，West Conshohocken，PA：ASTM International，1961：108-121.5姜恒，陈学东，范志超，等.金属材料低温深冷拉伸试验装置的研制 J.低温与超导，2018，46（6）：1115.6谢世永，赵春宇，张连万，等.单台 G-M 制冷机为冷源力学性能测试系统研究 J.低温工程，2022（1）：14，16.7FOLEYRJ，JELINEKFJ.Lowtemperaturethermalandmechanical properties of polystyrene and polyethylenefoamsEB/OL.UnitedKingdom，19742023-08-31.https:/www.osti.gov/biblio/4178824.8KAUFMAN J G，BOGARDUS K O，WANDERER E 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