本發(fā)明涉及形狀記憶合金測試，特別是涉及金屬智能材料在長期熱循環(huán)載荷下功能特性與顯微組織演變測試，是一種定量評價形狀記憶合金在長期熱循環(huán)服役過程中的工作穩(wěn)定性、功能疲勞行為和顯微組織演變的測試系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

形狀記憶合金具有獨特的形狀記憶效應(yīng)和超彈性變形等功能特性以及優(yōu)異的力學(xué)性能，因而被廣泛應(yīng)用于智能結(jié)構(gòu)、微型驅(qū)動、阻尼減震和生物醫(yī)療等領(lǐng)域。通常，通過對形狀記憶合金進行一定的“訓(xùn)練”處理，可使其在熱驅(qū)動下獲得不同方式的變形能力，如伸長、縮短、彎曲等，以滿足不同的應(yīng)用場合。在形狀記憶合金實際服役過程中，往往都要經(jīng)歷長時間的熱致馬氏體相變循環(huán)或應(yīng)力引發(fā)馬氏體相變循環(huán)，長時間的相變循環(huán)將導(dǎo)致功能特性的退化或改變；例如，隨相變循環(huán)次數(shù)增加，合金會發(fā)生相變溫度改變、可回復(fù)應(yīng)變減小、相變滯后增大、相變臨界應(yīng)力降低等現(xiàn)象。功能特性的改變將導(dǎo)致合金無法滿足最初的設(shè)計要求，從而導(dǎo)致合金在功能性上失效，即發(fā)生功能疲勞。功能疲勞不僅影響合金在功能實現(xiàn)方面的服役壽命，而且會進一步引發(fā)合金的顯微組織變化以及結(jié)構(gòu)損傷或斷裂，大大降低了合金的使用壽命。在熱循環(huán)加載下，對形狀記憶合金功能疲勞性能進行科學(xué)地評價，能為形狀記憶合金的設(shè)計和應(yīng)用提供重要而有效參考和指導(dǎo)；因此需要一種能安全、可靠測試形狀記憶合金在循環(huán)加載條件下功能疲勞性能的實驗測試系統(tǒng)。

中國發(fā)明專利申請“一種形狀記憶合金熱機械疲勞實驗裝置”(公布號為CN 105181734A)以及“形狀記憶合金絲材用多功能測試儀”(公布號為CN 101122559A)，主要是通過電流加載利用焦耳熱對樣品加熱，針對較大尺寸的樣品為了滿足較快的升溫速率，必須采用較大的電壓，存在較大的安全隱患；另外，電流加載的方式容易引起樣品夾持處電阻過大，導(dǎo)致局部溫度過高、加熱不均的現(xiàn)象，并且實驗過程中引入了電流，無法排除在長期疲勞實驗中電流對樣品的影響。以上現(xiàn)有技術(shù)只能監(jiān)測形狀記憶合金在單軸方向上的變形量，無法監(jiān)測彎曲變形量；而且由于采用引伸計測量樣品在熱循環(huán)過程中的變形量，而引伸計安裝需要一定的空間，因此無法測量尺寸較小的樣品；此外以上公開專利均采用空氣自然冷卻，無法實現(xiàn)較快的加熱‐冷卻循環(huán)動作。目前，急需設(shè)計和建造一種能穩(wěn)定實現(xiàn)形狀記憶合金快速加熱‐冷卻循環(huán)，并能監(jiān)測形狀記憶合金在熱循環(huán)過程中產(chǎn)生的變形量的實驗測試系統(tǒng)，以及后續(xù)能對形狀記憶合金的功能疲勞行為進行準確的評價，最終為形狀記憶合金的成分設(shè)計和工藝制備提供可靠的參考和依據(jù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種形狀記憶合金熱循環(huán)穩(wěn)定性及功能疲勞性能測試系統(tǒng)，可對形狀記憶合金進行穩(wěn)定的熱循環(huán)加載，并對形狀記憶合金在長期熱循環(huán)過程中的位移和溫度數(shù)據(jù)進行同步采集和存儲，通過對實驗數(shù)據(jù)的分析可定量評價形狀記憶合金的功能疲勞性能。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

形狀記憶合金熱循環(huán)穩(wěn)定性及功能疲勞性能測試系統(tǒng)，包括控溫箱、樣品支架、熱循環(huán)溫度控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；

所述控溫箱包括控溫箱上蓋板、控溫箱側(cè)板和控溫箱底板；控溫箱為六面體空心結(jié)構(gòu)，由控溫箱上蓋板、控溫箱底板和四塊控溫箱側(cè)板連接組成；控溫箱上蓋板為透明的亞克力板；控溫箱底板設(shè)有凹槽；

所述樣品支架包括樣品支架側(cè)板和樣品支架夾具；樣品支架夾具包括樣品支架夾具螺栓鉸鏈和樣品支架鉸鏈圓棒；樣品支架側(cè)板設(shè)置在控溫箱空心內(nèi)，樣品支架側(cè)板插在保溫控溫箱底板的凹槽內(nèi)，樣品支架夾具固定在樣品支架側(cè)板上；條狀形狀記憶合金樣品兩端固定在兩樣品支架夾具螺栓鉸鏈上，樣品支架夾具螺栓鉸鏈通過樣品支架鉸鏈圓棒固定在樣品支架側(cè)板上；

所述熱循環(huán)控制系統(tǒng)包括時間繼電器、直流穩(wěn)壓電源、第一冷卻風(fēng)扇、第二冷卻風(fēng)扇、柔性聚酰亞胺加熱膜；柔性聚酰亞胺加熱膜貼在條狀形狀記憶合金樣品底部，柔性聚酰亞胺加熱膜的正負極導(dǎo)線與時間繼電器的加熱端連接，時間繼電器與直流穩(wěn)壓電源連接；第一冷卻風(fēng)扇和第二冷卻風(fēng)扇以吹氣方向相同的方式分別安裝在控溫箱的相對的兩塊控溫箱側(cè)板上，第一冷卻風(fēng)扇和第二冷卻風(fēng)扇都連接至?xí)r間繼電器的冷卻端；

所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括K型熱電偶、激光位移傳感器、絲桿滑臺、熱電偶信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡和計算機；熱電偶信號調(diào)理模塊和激光管位移傳感器連接數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡連接計算機，K型熱電偶一端連接熱電偶信號調(diào)理模塊，另一端連接柔性聚酰亞胺加熱膜；激光位移傳感器安裝在絲桿滑臺上，激光位移傳感器位于控溫箱上蓋板上端。

為進一步實現(xiàn)本發(fā)明目的，優(yōu)選地，四塊控溫箱側(cè)板選擇透明的亞克力板。

優(yōu)選地，所述控溫箱底板選擇高強度尼龍板。

優(yōu)選地，所述控溫箱側(cè)板設(shè)計有走線孔和吸氣口。

優(yōu)選地，所述樣品支架側(cè)板選擇高強絕緣尼龍板。

優(yōu)選地，所述絲桿滑臺位于控溫箱外側(cè)。

優(yōu)選地，所述K型熱電偶的絲徑小于0.5mm。

優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)采集卡采用USB‐6001數(shù)據(jù)采集卡；熱電偶信號調(diào)理模塊采用S1101D型熱電偶型號調(diào)理模塊；激光位移傳感器采用HG‐C1050激光位移傳感器。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的特點和優(yōu)越性主要為：

1)本發(fā)明可通過柔性聚酰亞胺加熱膜對形狀記憶合金進行加熱，可采用低電壓直流電源供電，實現(xiàn)快速升溫，即保證了整個系統(tǒng)的安全性，又可保證柔性聚酰亞胺加熱膜不會影響合金的變形。

2)本發(fā)明可通過兩個同向安裝的冷卻風(fēng)扇對加熱后的合金樣品進行冷卻，在控溫箱內(nèi)實現(xiàn)了冷熱空氣交換，可實現(xiàn)快速降溫。

3)本發(fā)明可對形狀記憶合金發(fā)生的非單軸變形，如可對彎曲變形進行監(jiān)測獲得變形量和溫度數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)進行分析可對合金在彎曲變形過程中的功能疲勞性能進行評價。

4)本發(fā)明可實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)和位移數(shù)據(jù)同步采集和存儲，實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)點和位移數(shù)據(jù)點一一對應(yīng)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明形狀記憶合金熱循環(huán)穩(wěn)定性及功能疲勞性能測試系統(tǒng)組成示意圖。

圖2A為圖1中保溫箱外觀示意圖。

圖2B為圖1中保溫箱內(nèi)部示意圖。

圖2C為圖1中樣品支架與保溫箱配合前視圖。

圖3A為圖1中形狀記憶合金樣品夾持示意圖，低溫平直狀態(tài)圖。

圖3B為圖1中形狀記憶合金樣品夾持示意圖，高溫彎曲狀態(tài)圖。

圖中示出：控溫箱1、直流穩(wěn)壓電源2、時間繼電器3、熱電偶信號調(diào)理模塊4、數(shù)據(jù)采集卡5、計算機6、絲桿滑臺7、激光位移傳感器8、K型熱電偶9、第一冷卻風(fēng)扇101、第二冷卻風(fēng)扇102、控溫箱上蓋板103、控溫箱側(cè)板104、控溫箱底板105、形狀記憶合金樣品106、樣品支架側(cè)板107、樣品支架夾具108、樣品支架夾具螺栓鉸鏈1081、樣品支架鉸鏈圓棒1082、柔性聚酰亞胺加熱膜109。

具體實施方式

為更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

如圖1所示，形狀記憶合金熱循環(huán)穩(wěn)定性及功能疲勞性能測試系統(tǒng)，包括控溫箱1、樣品支架、熱循環(huán)溫度控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

如圖2A所示，控溫箱1包括控溫箱上蓋板103、控溫箱側(cè)板104和控溫箱底板105；控溫箱1為六面體空心結(jié)構(gòu)，由控溫箱上蓋板103、控溫箱底板105和四塊控溫箱側(cè)板104連接組成；控溫箱上蓋板103和四塊控溫箱側(cè)板104優(yōu)選透明的亞克力板；控溫箱底板105優(yōu)選為高強度尼龍板；控溫箱側(cè)板104設(shè)計有走線孔和吸氣口；控溫箱底板105設(shè)有凹槽；

如圖2B、圖2C和圖3A所示，樣品支架包括樣品支架側(cè)板107和樣品支架夾具108；樣品支架夾具108包括樣品支架夾具螺栓鉸鏈1081和樣品支架鉸鏈圓棒1082；樣品支架側(cè)板107設(shè)置在控溫箱1空心內(nèi)，樣品支架側(cè)板107插在保溫控溫箱底板105的凹槽內(nèi)，樣品支架夾具108固定在樣品支架側(cè)板107上；條狀形狀記憶合金樣品106兩端固定在兩樣品支架夾具螺栓鉸鏈1081上，樣品支架夾具螺栓鉸鏈1081通過樣品支架鉸鏈圓棒1082固定在樣品支架側(cè)板107上。樣品支架側(cè)板107優(yōu)選為高強絕緣尼龍板；通過設(shè)計不同規(guī)格的樣品支架可實現(xiàn)對不同尺寸形狀合金樣品的熱循環(huán)測試。

熱循環(huán)控制系統(tǒng)包括時間繼電器3、直流穩(wěn)壓電源2、第一冷卻風(fēng)扇101、第二冷卻風(fēng)扇102、柔性聚酰亞胺加熱膜109；如圖3A所示，柔性聚酰亞胺加熱膜109貼在條狀形狀記憶合金樣品106底部，柔性聚酰亞胺加熱膜109的正負極導(dǎo)線與時間繼電器3的加熱端連接，時間繼電器3與直流穩(wěn)壓電源2連接，直流穩(wěn)壓電源、時間繼電器、柔性聚酰亞胺加熱膜形成加熱電路冷卻電路；如圖2A所示，第一冷卻風(fēng)扇101和第二冷卻風(fēng)扇102以吹氣方向相同的方式分別安裝在控溫箱1的相對的兩塊控溫箱側(cè)板104上，第一冷卻風(fēng)扇101和第二冷卻風(fēng)扇102都連接至?xí)r間繼電器3的冷卻端；直流穩(wěn)壓電源、時間繼電器、第一冷卻風(fēng)扇101和第二冷卻風(fēng)扇102構(gòu)成冷卻電路。時間繼電器上面有兩個接線端口，分別為加熱端和冷卻端，加熱端與柔性聚酰亞胺加熱膜連接，冷卻端與第一冷卻風(fēng)扇101和第二冷卻風(fēng)扇102連接。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括K型熱電偶9、激光位移傳感器8、絲桿滑臺7、熱電偶信號調(diào)理模塊4、數(shù)據(jù)采集卡5和計算機6；K型熱電偶9用作溫度傳感器；計算機6中安裝有基于NI Labview DAQ模塊進行編程的數(shù)據(jù)采集軟件；熱電偶信號調(diào)理模塊4和激光管位移傳感器8連接數(shù)據(jù)采集卡5，數(shù)據(jù)采集卡5連接計算機6，K型熱電偶9一端連接熱電偶信號調(diào)理模塊4，另一端連接柔性聚酰亞胺加熱膜109；激光位移傳感器8安裝在絲桿滑臺7上，通過絲桿滑臺7調(diào)節(jié)激光位移傳感器8的高度以滿足測量基準距離要求，激光位移傳感器8位于控溫箱上蓋板103上端，透過透明的控溫箱上蓋板103對形狀記憶合金樣品106在熱循環(huán)過程中發(fā)生的變形量進行實時監(jiān)測，并通過內(nèi)置信號調(diào)理模塊對監(jiān)測到的信號進行調(diào)理，絲桿滑臺7位于控溫箱1外側(cè)。

測試時，將柔性聚酰亞胺加熱膜109貼在條狀形狀記憶合金樣品106底部，柔性聚酰亞胺加熱膜109的正負極導(dǎo)線與時間繼電器3連接，時間繼電器3與直流穩(wěn)壓電源2連接，第一冷卻風(fēng)扇101和第二冷卻風(fēng)扇102安裝在控溫箱1的控溫箱側(cè)板104上，控溫箱側(cè)板104上分別設(shè)計有走線孔以及風(fēng)扇吹氣和吸氣口。如圖2A所示，第一冷卻風(fēng)扇101和第二冷卻風(fēng)扇102以吹氣方向相同的方式對稱安裝，如圖2B所示，第一冷卻風(fēng)扇101和第二冷卻風(fēng)扇102都連接至?xí)r間繼電器3的冷卻端。當(dāng)時間繼電器3與柔性聚酰亞胺加熱膜109相連接的加熱端處于導(dǎo)通狀態(tài)時，直流穩(wěn)壓電源2可對柔性聚酰亞胺加熱膜109進行通電加熱，在設(shè)定好的加熱時間內(nèi)，柔性聚酰亞胺加熱膜109處于通電加熱狀態(tài)，通過熱交換將形狀記憶合金樣品106加熱到設(shè)定溫度，隨著形狀記憶合金樣品106溫度逐漸升高，條狀形狀記憶合金樣品106的形狀由平直狀(如圖3A所示)逐漸變?yōu)閺澢鸂?如圖3B所示)；當(dāng)加熱時間結(jié)束，時間繼電器3將加熱電路切斷并使冷卻電路處于通路狀態(tài)，第一冷卻風(fēng)扇101和第二冷卻風(fēng)扇102開始工作，第一冷卻風(fēng)扇101將控溫箱1內(nèi)的熱空氣吸出，第二冷卻風(fēng)扇102將冷空氣吹進控溫箱1內(nèi)，實現(xiàn)冷熱空氣交換，對條狀形狀記憶合金樣品106快速降溫，隨著條狀形狀記憶合金樣品106溫度逐漸降低，條狀形狀記憶合金樣品106的形狀由彎曲狀(如圖3B所示)逐漸回復(fù)為平直狀(如圖3A所示)。

將絲徑小于0.5mm的K型熱電偶9通過高溫膠粘在條狀形狀記憶合金樣品106表面，通過控溫箱側(cè)板104上預(yù)留的走線孔引出，K型熱電偶9連接至熱電偶信號調(diào)理模塊4，通過熱電偶信號調(diào)理模塊4對K型熱電偶9輸出的電壓信號進行冷端補償、降噪、信號隔離等處理；激光位移傳感器8安裝在絲桿滑臺7上，通過絲桿滑臺7調(diào)節(jié)激光位移傳感器8的高度以滿足測量基準距離要求，激光位移傳感器8透過透明的控溫箱上蓋板103對條狀形狀記憶合金樣品106在熱循環(huán)過程中發(fā)生的變形量進行實時監(jiān)測，并通過內(nèi)置信號調(diào)理模塊對監(jiān)測到的信號進行調(diào)理；激光位移傳感器可選用松下神視HG‐C1050激光位移傳感器，該款激光位移傳感器將信號調(diào)理模塊集成在激光頭內(nèi)部；熱電偶信號調(diào)理模塊4和激光管位移傳感器8連接至數(shù)據(jù)采集卡5，通過數(shù)據(jù)采集卡5將經(jīng)過調(diào)理的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C6(PC)，計算機6通過NI Labview中DAQ編程軟件對測量得到的溫度信號和位移信號進行顯示和存儲，數(shù)據(jù)采集軟件能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)實時顯示、文件夾自動命名、采集速率設(shè)置等功能。通過分析采集的數(shù)據(jù)可得到形狀記憶合金在熱循環(huán)過程中的變形情況，以此來評價形狀記憶合金的功能疲勞行為。

數(shù)據(jù)采集卡5采用美國國家儀器(National Instruments，NI)USB‐6001數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)采集卡負責(zé)將傳感器(作為溫度傳感器的K型熱電偶、激光位移傳感器)采集到的信號傳輸?shù)接嬎銠C(PC)端。

熱電偶信號調(diào)理模塊4采用北京阿爾泰S1101D型熱電偶型號調(diào)理模塊，該熱電偶信號調(diào)理模塊具有冷端補償、斷線檢測等功能。

柔性聚酰亞胺加熱膜109優(yōu)選為普通柔性聚酰亞胺加熱膜，規(guī)格為：5V，3W。

激光位移傳感器8優(yōu)選松下神視HG‐C1050激光位移傳感器。

需要指出的是，上面所述的直流穩(wěn)壓電源、時間繼電器、第一冷卻風(fēng)扇、第二冷卻風(fēng)扇、K型熱電偶、計算機等可采用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的任何合適的型號。

本發(fā)明通過上述測試系統(tǒng)可以對形狀記憶合金材料進行加熱-冷卻循環(huán)加載，并且能實時采集熱循環(huán)過程中形狀記憶合金發(fā)生的形狀變形量和溫度數(shù)據(jù)，通過對獲得的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理和量化分析，可評價所述形狀記憶材料在熱循環(huán)加載中的功能疲勞性能。

在本發(fā)明的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以設(shè)計出很多其它的修改和實施方式，這些修改和實施方式也落在本申請公開的原理范圍和技術(shù)框架之內(nèi)。