多場耦合下原位三軸拉伸疲勞測試裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及精密科學儀器領域，特別涉及一種多場耦合下原位三軸拉伸疲勞測試 裝置及方法。用于測試材料在三軸拉伸、疲勞和壓痕復合載荷加載下，同時加載熱場所表現 出的力學性能。
【背景技術】
[0002] 眾所周知，材料的破壞是由于在特定情況下多種外因共同作用產生的后果。因此， 提前預判材料在服役條件下的性能顯得十分必要。目前，國內外高校及科研院所在接近服 役條件下的原位測試領域展開了激烈的角逐與競爭，誰能率先搶占制高點，不僅能推動我 國原位測試儀器搶占國際儀器領域新高地，也能夠滿足一大批重大裝備制造、電子信息、航 空航天領域的實際迫切需求，在科研、教育、工程、國防等領域具有極其廣闊的應用前景，也 必將有力的推動國家的科技創新與科學進步，其產生的社會效益與經濟效益不可估量。
[0003] 首先，材料在單一物理場作用下會產生一定的力學性能變化，表現在材料的特征 力學參數上，例如：彈性模量、抗拉強度、屈服極限等。但是多物理場耦合作用下，材料的力 學測試環境更接近于真實服役狀態，材料的力學性能表征也會與單一物理場有所變化，甚 至表現出跟之前完全相反的性能。再有，疲勞測試是對于材料的循環極限、裂紋擴展的預 測以預防都有指導意義的測試方法，但是沒有預拉伸載荷下的疲勞測試往往測試周期比較 長，不易于觀察材料在疲勞載荷下的力學行為。最后，隨著材料力學研究的越來越深入，材 料多軸受力情況的模擬與試驗已經被很多科學工作者提上了研究日程，單軸載荷施加下， 材料的力學行為一般都具有指向性，即沿著載荷施加方向，但是多軸載荷施加下，材料的力 學行為是否表現的跟單軸載荷施加下的一樣，還有待于用試驗檢驗。然而，單就目前為止， 對于多場耦合下的原位三軸拉伸疲勞的測試方法還沒有較為成熟的測試裝置。
[0004] 綜上所述，一套能夠集成多物理場三軸拉伸疲勞測試功能于一體的原位力學測試 儀器對于材料力學性能測試的發展具有重要意義。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于提供一種多場耦合下原位三軸拉伸疲勞測試裝置及方法，解決 了現有技術存在的上述問題，尤其解決材料多軸拉伸情況下耦合多場的性質的測量問題。 材料在實際運用中，極少情況下只受單一載荷的作用。本發明著重關注材料在受三向力作 用下耦合熱場、疲勞、壓痕載荷，表現出的材料力學性能。測試精度高，數據準確可靠且測量 與分析完全實現自動化。
[0006] 本發明的上述目的通過以下技術方案實現： 多場耦合下原位三軸拉伸疲勞測試裝置，包括三軸拉伸、疲勞加載與測量子系統、熱場 加載子系統、懸臂壓痕加載與測量子系統； 所述三軸拉伸、疲勞加載與測量子系統包括：主平臺1、三軸拉伸的電機驅動單元2、軸 向移動單元3、疲勞及夾具單元4、可調節減震腳杯8、連接平臺20、拉力傳感器23,所述主 平臺1通過六個可調節減震腳杯8進行支撐，整體放置于隔震平臺上，主平臺1的高度通過 可調節減震腳杯8的調整來保證；三軸拉伸的電機驅動單元2通過連接平臺20與軸向移動 單元3連接；疲勞及夾具單元4通過三顆內六角螺釘a42固定在軸向移動單元3上，試件7 與壓板26通過兩顆內六角螺釘b43固定在疲勞及夾具單元4上，拉力傳感器23 -端通過 螺母a44固定在擋板22上，另一端栓接在疲勞及夾具單元4上； 所述熱場加載子系統包括：加熱臺6、氮化硅陶瓷加熱片45,所述加熱臺6通過內六角 螺釘c46與主平臺1相連，氮化硅陶瓷加熱片45插在加熱臺6的插槽中； 所述懸臂壓痕加載與測量子系統包括：柔性鉸鏈與壓電陶瓷單元31、懸臂梁支座32、 懸臂梁33、擋蓋34、壓頭35、銷軸36、可調支撐臺37、調節螺釘38、壓簧39、蝶形螺母40、稱 重傳感器41，所述支座32通過蝶形螺母40與主平臺1連接；柔性鉸鏈與壓電陶瓷單元31 通過四個內六角螺釘e48與懸臂梁支座32連接；懸臂梁33通過銷軸36連接到懸臂梁支座 32上；稱重傳感器41及壓頭35安裝在懸臂梁33內，稱重傳感器41的上端通過螺母b50與 擋蓋34連接；可調支撐臺37調節懸臂梁33在自由狀態時的高度，通過調整調節螺栓38來 調整可調支撐臺37的高度，可調支撐臺37與懸臂梁支座32之間由壓簧39提供彈性支撐 力。懸臂梁33通過預先制造的標準量具校準與試件7的距離，距離找正后，通過旋進或旋 出調節螺栓38,使可調支撐臺37向上或向下移動，完成支撐固定。
[0007] 所述的主平臺1上設置導軌27,滑塊49與導軌27相互配合，移動平臺e21通過內 六角螺釘e48固定在滑塊49上。
[0008] 所述的懸臂梁33上端設置槽，減輕重量，降低剛度，便于進行壓痕實驗。
[0009] 所述的三軸拉伸的電機驅動單元2通過LVDT傳感器29測量軸向位移，LVDT傳感 器29通過支座a28和支座b31及內六角螺釘d47固定；三軸拉伸的電機驅動單元2中的左 連接架16、右連接架17與軸連接處有軸承。
[0010] 所述的柔性鉸鏈與壓電陶瓷單元31產生的位移驅動懸臂梁33繞銷軸36旋轉，實 現壓痕進給。
[0011] 所述的壓板26表面采用絕熱涂層進行處理，阻隔熱傳遞；加熱臺6的圓柱面及下 表面均用隔熱涂層覆蓋。
[0012] 所述的移動平臺21表面用絕熱涂層進行處理，阻隔熱傳遞。
[0013] 本發明的另一目的在于提供一種多場耦合下原位三軸拉伸疲勞測試方法，熱場溫 度、疲勞應變幅值，頻率、載荷或位移的大小由上位機的Labview人機交互界面完成設定， 下發到各自控制器進行控制，熱場溫度、疲勞應變幅值，頻率、載荷或位移大小由相應的傳 感器感知并輸出，由A/D采集卡進行采集，測試方法具體步驟如下： 步驟1 :通過計算機中的Labview人機交互界面對實驗加載條件進行設定，所述條件包 括熱場溫度、疲勞應變幅值，頻率、載荷或位移加載參數； 步驟2 :通過計算機將設定好的參數下發到各自的控制器中，由控制器將輸出信號轉 換成電信號； 步驟3 :經控制器分別實現驅動絲杠螺母單元移動、疲勞單元加載，懸臂壓痕下壓、氮 化硅陶瓷加熱片升溫； 步驟4 :由A/D采集卡采集位移，力，溫度傳感器信號；其中，溫度加熱到設定溫度后，閉 環控制系統會下發停止加熱信號，氮化硅陶瓷加熱片停止加熱； 步驟5 :對傳感器采集的信號進行分析處理，得到試樣的應力、應變、溫度等大小信息； 步驟6 :對比采集數據與實際測量到的數據是否相同，若相同，繼續進行下一步；若不 同，返回步驟2重新開始，直到滿足要求； 步驟7 :在數據處理系統中，根據采集到的力傳感器的數值及材料相關特性，按照簡化 力學模型，推導出壓痕深度公式；結合其他載荷與物理場測試結果，得到一條多物理場多載 荷對試件影響的關系曲線，輸出計算結果，測試結束。
[0014] 本發明的懸臂壓痕單元的壓入深度，通過A/D采集卡采集的力傳感器的數值，按 照構建的力學模型進行計算解析，即可得到壓入深度。
[0015] 本發明的有益效果在于：與現有技術相比，具有以下優點及突出性效果：（1)首次 實現了三軸拉伸下耦合熱場、疲勞、壓痕的測試方法；（2)使用范圍的多樣化，既可以進行 三軸拉伸下耦合熱場、疲勞、壓痕的測試，同時也可進行單軸拉伸、單軸疲勞、以及懸臂壓痕 分別復合熱場的測試；（3)系統測試方案的可行性較高，結果精度高。
【附圖說明】
[0016] 此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發 明的示意性實例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。
[0017] 圖1為本發明的立體結構示意圖； 圖2為本