高溫原位拉伸-疲勞測(cè)試系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及科學(xué)儀器與材料測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高溫原位拉伸-疲 勞測(cè)試系統(tǒng)。用于精確的檢測(cè)高溫環(huán)境下試件的力學(xué)性能和其微觀組織結(jié)構(gòu)與變形損傷機(jī) 制的相關(guān)性規(guī)律。
【背景技術(shù)】
[0002] 原位測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用對(duì)材料學(xué)的發(fā)展起到了推動(dòng)作用，材料測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)光 學(xué)顯微鏡等儀器對(duì)載荷作用下材料發(fā)生的微觀變形損傷進(jìn)行全程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，能夠更深入地 揭示各類(lèi)材料及其制品的微觀力學(xué)行為、損傷機(jī)理及其材料性能與所受載荷間的相關(guān)性規(guī) 律。
[0003] 眾所周知，材料的力學(xué)性能通常會(huì)隨著其所在的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的復(fù)合作用發(fā)生 改變。特別是，隨著航空航天、微電子等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，工業(yè)界對(duì)材料的性能又提 出了新的要求，因此，探宄材料在溫度場(chǎng)、機(jī)械場(chǎng)等多場(chǎng)耦合條件下的力學(xué)性能演化機(jī)制顯 得尤為重要?？煽販囟鹊睦炱跍y(cè)試可實(shí)現(xiàn)在不同溫度、不同拉伸載荷、不同疲勞載荷下 的材料微觀力學(xué)性能的精準(zhǔn)測(cè)試，對(duì)解析高溫條件、復(fù)合載荷模式作用下材料的力學(xué)性能 及其變性損傷機(jī)制有著不可忽視的現(xiàn)實(shí)意義。
[0004] 目前，已有的高溫拉伸裝置無(wú)法進(jìn)行高溫環(huán)境下的拉伸-疲勞復(fù)合載荷測(cè)試， 且不能對(duì)載荷作用下材料發(fā)生的微觀變形損傷的全程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，因此，開(kāi)發(fā)高溫原位拉 伸-疲勞測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)研宄不同溫度場(chǎng)下材料在拉伸-疲勞復(fù)合載荷下的力學(xué)性能及材料 的變形損傷機(jī)制具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本實(shí)用新型的目的在于提供一種高溫原位拉伸-疲勞測(cè)試系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有技術(shù) 存在的上述問(wèn)題。本實(shí)用新型通過(guò)調(diào)節(jié)溫度，實(shí)現(xiàn)在高溫500°C-1700°C范圍內(nèi)進(jìn)行單軸拉 伸或單軸拉伸-疲勞測(cè)試，并結(jié)合光學(xué)顯微鏡對(duì)材料力學(xué)性能測(cè)試過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，如 對(duì)材料的裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展和材料的失效破壞過(guò)程進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)原位測(cè)試。此外， 通過(guò)力學(xué)和變形信號(hào)檢測(cè)單元對(duì)測(cè)試過(guò)程中試件承受的拉伸力、試件的拉伸變形等信號(hào)的 采集，可以擬合被測(cè)材料在相應(yīng)載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變歷程，進(jìn)而對(duì)材料在高溫環(huán)境、拉 伸-疲勞載荷作用下的微觀力學(xué)行為、變形損傷機(jī)制進(jìn)行深入研宄?？勺儨囟葓?chǎng)的施加通 過(guò)高溫爐實(shí)現(xiàn)，由硅鉬棒提供高溫環(huán)境并通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的調(diào)節(jié)?？杉稍谡婵?腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)真空條件或特殊氣體環(huán)境中的高溫下材料微觀力學(xué)性能的拉伸-疲勞測(cè)試。
[0006] 本實(shí)用新型的上述目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0007] 高溫原位拉伸_疲勞測(cè)試系統(tǒng)，包括拉伸加載與檢測(cè)單元、疲勞加載與檢測(cè)單元、 原位觀測(cè)單元、高溫加載與檢測(cè)單元，整體水平布置，其中拉伸加載與檢測(cè)單元、疲勞加載 與檢測(cè)單元分別安裝在高溫爐的兩側(cè)，且拉伸加載與疲勞加載的方向在同一個(gè)軸線上，拉 伸加載與檢測(cè)單元、疲勞加載與檢測(cè)單元安裝在基座14上，原位觀測(cè)單元置于高溫加載與 檢測(cè)單元的上方，并通過(guò)支架1安裝在基座14上。
[0008] 所述的拉伸加載與檢測(cè)單元由伺服電機(jī)12提供動(dòng)力，通過(guò)蝸輪II9、蝸桿II10、 蝸輪I5、蝸桿I7、絲杠28、螺母27對(duì)試件施加拉伸載荷；所述的伺服電機(jī)12通過(guò)電機(jī)座 11安裝到基座14上，蝸桿I7安裝到電機(jī)的輸出軸上；所述的蝸輪119、蝸桿I7安裝在軸 31上，軸通過(guò)軸承I30、軸承座I6和軸承II32、軸承座II8安裝到基座14上；所述的蝸 輪I5安裝到絲杠28上，絲杠28通過(guò)絲杠座42安裝在底板29上；所述的螺母27安裝在 螺母座3上，螺母座3通過(guò)滑塊Ib24、滑塊Ic34分別安裝到導(dǎo)軌Ia25和導(dǎo)軌Ib33 上，導(dǎo)軌Ia25和導(dǎo)軌Ib33安裝到底板29上；拉力傳感器13兩端分別與螺母座3和夾 具體2相連，夾具體2通過(guò)滑塊Ia23、滑塊Id35分別安裝到導(dǎo)軌Ia25和導(dǎo)軌Ib33 上；位移傳感器I4采用分離式LVDT，傳感器的主體部分安裝在底板I29上，傳感器的鐵 心通過(guò)螺紋安裝在頂板I22上，頂板I22安裝在夾具體2上，所述的底板29通過(guò)支撐塊 I 26固定在基座14上。
[0009] 所述的疲勞加載與檢測(cè)單元包括柔性鉸鏈18、壓電陶瓷19、夾具體II41以及位移 傳感器II20,所述壓電陶瓷19安裝在柔性鉸鏈18內(nèi)，柔性鉸鏈18固定端通過(guò)螺釘固定在 底板II17上，柔性鉸鏈18的活動(dòng)端與夾具體II41相連，夾具體II41通過(guò)滑塊II37、滑塊 II 45分別安裝在導(dǎo)軌IIa38和導(dǎo)軌IIb44上，導(dǎo)軌IIa38和導(dǎo)軌IIb44安裝在底板II17 上；所述位移傳感器II20安裝在底板II17上，用來(lái)測(cè)量疲勞測(cè)試時(shí)夾具體II41的位移量； 所述底板II17通過(guò)支撐塊II15固定在基座14上。
[0010] 所述的原位觀測(cè)單元包括光學(xué)顯微鏡21及支架1，所述光學(xué)顯微鏡21的工作距離 足夠大，從高溫爐上方的視窗46覆蓋試件的待觀測(cè)表面，光學(xué)顯微鏡21的位置通過(guò)支架1 調(diào)整。
[0011] 所述的原位觀測(cè)單元根據(jù)觀測(cè)目的不同，可以選擇光學(xué)顯微鏡來(lái)監(jiān)測(cè)試件在高溫 環(huán)境下裂紋的萌生、擴(kuò)展、至斷裂過(guò)程；可以選擇拉曼光譜儀對(duì)試件表面進(jìn)行微區(qū)檢測(cè)，進(jìn) 行耐高溫材料的相結(jié)構(gòu)研宄、晶粒及晶界變化、裂紋萌生等；可以選擇X射線衍射儀對(duì)試件 進(jìn)行物相分析、確定晶粒度和應(yīng)力分布、研宄材料的特殊性質(zhì)與其原子排布、晶相變化間的 關(guān)系等；或者選擇選用紅外熱像儀檢查材料缺陷等；部分觀測(cè)設(shè)備可以配合使用，如光學(xué) 顯微鏡和拉曼光譜儀等。通過(guò)視窗46可以對(duì)高溫爐內(nèi)的測(cè)試情況進(jìn)行查看，利用光學(xué)顯微 鏡可以觀察對(duì)不同溫度下試件表面的情況；也可以根據(jù)拉曼光譜儀、X射線衍射儀、紅外熱 像儀等需要通過(guò)視窗向高溫爐內(nèi)發(fā)射相應(yīng)的激光、X射線等需要，在高溫爐上加工合適的視 窗。
[0012] 所述的高溫加載與檢測(cè)單元包括高溫爐16及其控制系統(tǒng)，所述高溫爐16的加熱 元件是硅鉬棒，通過(guò)對(duì)硅鉬棒供電使其發(fā)熱，高溫的硅鉬棒通過(guò)輻射使?fàn)t腔內(nèi)的溫度迅速 升高，高溫爐內(nèi)腔的溫度可高達(dá)1700°C，通過(guò)水冷高溫爐外表面的溫度可維持在室溫，高溫 爐內(nèi)腔中安裝了熱電偶，用來(lái)監(jiān)測(cè)高溫爐內(nèi)腔的實(shí)際溫度；所述高溫爐16配有相應(yīng)的控制 柜，用來(lái)控制高溫爐內(nèi)腔的溫度。
[0013] 所述的高溫加載與檢測(cè)單元根據(jù)要求不同可以選擇不同的加熱方式，如根據(jù)所需 要的溫度和高溫爐的型式不同，高溫爐內(nèi)的加熱元件可以選擇電阻絲、硅碳棒、硅鉬棒，或 者使用紅外線鹵素?zé)襞浜锨蛐畏瓷淦髦圃旄械母邿崃鲄^(qū)。
[0014] 所述的夾具體I2通過(guò)螺釘與壓板I36連接，并通過(guò)旋緊螺釘對(duì)試件進(jìn)行夾緊； 所述夾具體I2上加工有凹槽，用來(lái)對(duì)試件進(jìn)行定位；所述夾具體I2、壓板I36上均加工 有滾花，以保證夾持的可靠性。
[0015] 所述的夾具體II41通過(guò)螺釘與壓板II40連接，并通過(guò)旋緊螺釘對(duì)試件進(jìn)行夾緊； 所述的夾具體II41上加工有凹槽，用來(lái)對(duì)試件進(jìn)行定位；所述夾具體II41、壓板II40上均 加工有滾花，以保證夾持的可靠性。
[0016] 隨著溫度的變化，材料的彈塑性變形能力均發(fā)生一定變化，根據(jù)本實(shí)用新型的測(cè) 試系統(tǒng)可以研宄不同材料在不同溫度下力學(xué)性能的變化規(guī)律，如應(yīng)力對(duì)溫度的敏感性、應(yīng) 變率是否有明顯的溫度軟化效應(yīng)等。本實(shí)用新型可以集成在真空箱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)真空環(huán)境或特 殊氣體環(huán)境下的高溫原位拉伸-疲勞測(cè)試，可以選擇性避免試件的氧化等問(wèn)題。
[0017] 本實(shí)用新型的有益效果在于：該測(cè)試系統(tǒng)原理可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，能夠?qū)Ω邷?