多載荷耦合加載的試件夾具及其多物理場耦合加載方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及材料微觀性能特別是材料微觀力學性能測試技術領域，特別涉及一種 材料微觀力學性能測試中的多載荷耦合加載的試件夾具及其多物理場耦合加載方法。屬精 密儀器組件和精密驅動傳動單元組件。
【背景技術】
[0002] 近些年來，有關多種載荷、多物理場耦合條件下的材料微觀力學性能測試的研宄 工作受到了國際學術界和工程界越來越多的關注。工程領域中時常會因材料及其制品的意 外破壞、失效而導致經濟損失甚至嚴重事故的發生，之所以材料及其制品通常都已經經過 力學性能測試檢驗但是還會發生意外失效現象，其中一個很重要的原因就是在進行力學性 能測試的時候沒有真實地模擬服役條件下的載荷施加狀態以及所處的物理場環境。最為常 見的材料拉伸試驗機，只能實現單獨的拉伸測試，扭轉試驗機也只能提供單一的扭轉載荷， 而機械零件在服役條件下往往承受的都是復合載荷。同樣傳統的材料試驗機難以提供接近 服役條件下的電場環境、熱場環境、磁場環境模擬。因此傳統的材料試驗機難以提供接近服 役條件下的測試。復合載荷多物理場下的材料性能測試是一種更能接近材料在服役條件下 測試，測試數據更真實、可靠。這種測試對于新材料開發和高端精密裝備制造業發展都具有 重要意義。
[0003] 目前還沒有比較成熟的適用于多載荷耦合加載的試件夾具與多物理場耦合加載 方法。傳統的楔形夾具在預夾緊的條件下，傳遞的扭矩有限；帶螺紋的夾具裝夾困難，而且 只能單方向扭轉。多物理場耦合加載的困難主要體現在以下幾個方面：第一，觀測問題，對 于原位材料力學性能測試來說，必須為顯微鏡提供一個良好的視場，必須留有足夠的觀測 空間，這就要求電場、熱場、磁場的加載都不能干涉顯微鏡的觀測路徑；第二，通常采用的電 阻絲加熱方式難以達到很高的溫度，小范圍的溫度變化對于材料測試意義不大；第三，電場 加載與通入冷卻水不能同時進行，夾具多為金屬導體，一方面要與試件接觸通電，另一方面 要與冷卻水接觸降溫，兩者同時進行會發生漏電現象；第四，熱場加載會使夾具發生熱變 形，必須保證夾具在高溫下依然能可靠夾緊試件。綜上所述，一套可靠的多載荷耦合加載的 試件夾具與多物理場耦合加載方法對于材料微觀力學性能測試具有重要意義。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于提供一種多載荷耦合加載的試件夾具及其多物理場耦合加載 方法，解決了現有技術存在的上述問題。本發明的多載荷耦合加載的試件夾具，能夠簡單、 可靠、高效地傳遞拉伸、彎曲、扭轉復合載荷。多物理場耦合加載方法，解決多物理場加載與 原位觀測的干涉問題，具有較大的溫度變化范圍，可以電場加載與冷卻同時進行，并能保證 高溫條件下可靠夾緊試件。
[0005] 本發明的上述目的通過以下技術方案實現： 多載荷耦合加載的試件夾具，用于對試件17施加拉伸、彎曲、扭轉等載荷條件下對試 件樣品的夾持，同時該夾具還可通過熱場加載模塊、電場加載模塊、磁場加載模塊實現對被 測材料樣品的熱場、電場與磁場的耦合加載，其具體結構是：加熱片壓板4將氮化硅加熱片 25壓緊，固定到上壓板3的凹槽里，三者連接成一個整體，上壓板3與下壓板5通過左圓柱 銷18鉸鏈連接，下壓板5上設有與試件夾持端外形尺寸相同的凹槽，上壓板3向上旋轉打 開夾具，將試件夾持端置入凹槽，再向下旋轉上壓板3貼緊試件17,最后分別鎖緊擺動螺栓 上的螺母，實現試件17的夾緊； 所述熱場加載模塊是：氮化硅加熱片25與試件17的夾持端接觸，熱電偶16測量試件 17的溫度，并將溫度信號反饋給控制器22,控制器22再向穩壓電源23發出信號，改變施加 在氮化硅加熱片25上的電壓，進而控制加熱片的發熱功率，使試件達到設定溫度；硬云母 板6減慢熱量向右側傳播速度，并增大溫度梯度，冷卻連接座7內設有流道，冷卻水從進水 口 11流入，吸收熱量后從另一側出水口流出；隔熱板9連接冷卻連接座7和后面的傳感器； 所述電場加載模塊是：下壓板5通過銅螺釘14與電極13固定連接，電場電源21輸出 的電流通過下壓板5導入到試件17中，另一端的夾具上接有負極，形成閉合回路； 所述磁場加載模塊是：磁場電源24向螺線圈1通入電流，使試件17處于磁場之中， 螺線圈1通過螺線圈固定筒2固定在下壓板5上。根據畢奧一薩伐爾定律，距電流元 M任意點處的磁感應強度為
式中A為真空中的磁導率N/A2;J為通過電流元的電流強度A;通為電流元的線元矢 量；r為電流元到任意點的矢徑m。
[0006] 所述的下壓板5上的凹槽設有錐形部分，且其與試件錐形過渡部分相配合，當試 件17承受拉力時，試件的錐形過渡部分被卡在下壓板5的凹槽錐形部分里，即實現向試件 施加拉力載荷；當試件17的夾持端被完全夾緊后，試件17的夾持端相對夾具具有確定不變 的位置，當固定一個夾具位置不變，另一個夾具按照試件17彎曲的軌跡運動時，即實現對 試件17施加懸臂彎曲載荷；試件17的兩個夾持端都為板狀，當它的兩個夾持端分別被兩個 夾具夾緊后，夾持端會分別隨著兩個夾具同步轉動，當兩個夾具相對轉動時，即實現對試件 17施加扭轉載荷。
[0007] 所述的試件17的平行長度部分為圓柱狀，兩邊的夾持端為厚度與圓柱直徑相等 的板狀，夾持端與平行長度部分之間有錐形過渡部分。
[0008] 所述的硬云母板6既能實現隔熱，又能實現絕緣，這樣既可以起到降低熱傳導速 率、增大溫度梯度的作用，又可以實現水冷模塊與電場加載模塊的兼容，避免通過冷卻水漏 電。其本身密度大，有較高的加工精度，不會影響裝置的整體精度。
[0009] 所述的下壓板5由奧氏體不銹鋼加工而成，可以保證高溫條件的正常使用，且下 壓板5上加工有與試件夾持端相配合的凹槽，保證向試件（17)傳遞拉力、扭矩及彎矩。
[0010] 所述的冷卻連接座7-方面有冷卻作用，另一方面有連接作用，左邊通過螺釘20 穿過硬云母板6與下壓板5連接，螺釘20較長，無法從冷卻連接座7中間直徑較小的部分 直接插入到相應的螺栓孔中，為安裝螺釘20,冷卻連接座7右側開有通過孔10,螺釘20從 右側的通過孔10中穿過，插入到相應的螺栓孔中；冷卻連接座7右邊通過雙頭螺柱8與傳 感器連接。
[0011] 電場加載模塊通過改變電場電源21的電壓，就可以實現不同電流的加載，硬云母 板6保證前后的絕緣，下壓板5、硬云母板6及冷卻連接座7通過螺釘20連接，螺栓絕緣套 19配合螺釘20使用，這樣在保證有效連接的同時實現絕緣。
[0012] 磁場加載模塊通過改變磁場電源24的電流，就可以實現磁場強弱的變化。
[0013] 所述的螺線圈1通過螺線圈固定筒2固定到下壓板5上，不需要磁加載模塊時，從 下壓板5上拆卸下即可，而且試件17的兩端各安裝一個螺線圈1，保證較高的磁場強度，螺 線圈1的長度適宜，保證試件17有足夠的觀察范圍，螺線圈1不與試件17接觸，保證試件 17可以自由拉伸、彎曲、扭轉。
[0014] 本發明的另一目的在于提供一種多載荷耦合加載的試件夾具的多物理場耦合加 載方法，具體步驟如下： 步驟1 :通過計算機設定多物理場的加載條件； 步驟2 :計算機通過信號發生模塊產生控制熱場、電場、磁場的驅動信號； 步驟3 :由功率放大器對步驟2中輸出的驅動信號進行放大，輸出電流信號； 步驟4 :由步驟3輸出的電流信號，驅動穩壓電源23輸出預設的電壓加載到氮化硅加 熱片25上，實現熱場的加載；由步驟3輸出的電流信號，驅動電場電源21輸出預設的電流， 實現電場的加載；由步驟3輸出的電流信號，驅動磁場電源24輸出預設的電流，實現磁場的 加載； 步驟5 :由A/D采集卡采集多物理場傳感器信號； 步驟6:將采集的傳感器信號輸入到計算機中，與計算機的設定值比較，若滿足試驗條 件，則多物理場達到設定值；否則，返回步驟2對多物理場驅動信號進行調整。