高溫原位拉伸-疲勞測試系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及科學儀器與材料測試技術領域，特別涉及一種高溫原位拉伸-疲 勞測試系統。用于精確的檢測高溫環境下試件的力學性能和其微觀組織結構與變形損傷機 制的相關性規律。
【背景技術】
[0002] 原位測試技術的應用對材料學的發展起到了推動作用，材料測試過程中，通過光 學顯微鏡等儀器對載荷作用下材料發生的微觀變形損傷進行全程動態監測，能夠更深入地 揭示各類材料及其制品的微觀力學行為、損傷機理及其材料性能與所受載荷間的相關性規 律。
[0003] 眾所周知，材料的力學性能通常會隨著其所在的溫度場和應力場的復合作用發生 改變。特別是，隨著航空航天、微電子等高技術產業的迅猛發展，工業界對材料的性能又提 出了新的要求，因此，探宄材料在溫度場、機械場等多場耦合條件下的力學性能演化機制顯 得尤為重要。可控溫度的拉伸疲勞測試可實現在不同溫度、不同拉伸載荷、不同疲勞載荷下 的材料微觀力學性能的精準測試，對解析高溫條件、復合載荷模式作用下材料的力學性能 及其變性損傷機制有著不可忽視的現實意義。
[0004] 目前，已有的高溫拉伸裝置無法進行高溫環境下的拉伸-疲勞復合載荷測試， 且不能對載荷作用下材料發生的微觀變形損傷的全程動態監測，因此，開發高溫原位拉 伸-疲勞測試系統，對研宄不同溫度場下材料在拉伸-疲勞復合載荷下的力學性能及材料 的變形損傷機制具有重要意義。
【發明內容】
[0005] 本實用新型的目的在于提供一種高溫原位拉伸-疲勞測試系統，解決了現有技術 存在的上述問題。本實用新型通過調節溫度，實現在高溫500°C-1700°C范圍內進行單軸拉 伸或單軸拉伸-疲勞測試，并結合光學顯微鏡對材料力學性能測試過程進行實時觀察，如 對材料的裂紋萌生、裂紋擴展和材料的失效破壞過程進行原位監測，實現原位測試。此外， 通過力學和變形信號檢測單元對測試過程中試件承受的拉伸力、試件的拉伸變形等信號的 采集，可以擬合被測材料在相應載荷作用下的應力應變歷程，進而對材料在高溫環境、拉 伸-疲勞載荷作用下的微觀力學行為、變形損傷機制進行深入研宄。可變溫度場的施加通 過高溫爐實現，由硅鉬棒提供高溫環境并通過控制系統實現對溫度的調節。可集成在真空 腔內實現真空條件或特殊氣體環境中的高溫下材料微觀力學性能的拉伸-疲勞測試。
[0006] 本實用新型的上述目的通過以下技術方案實現：
[0007] 高溫原位拉伸_疲勞測試系統，包括拉伸加載與檢測單元、疲勞加載與檢測單元、 原位觀測單元、高溫加載與檢測單元，整體水平布置，其中拉伸加載與檢測單元、疲勞加載 與檢測單元分別安裝在高溫爐的兩側，且拉伸加載與疲勞加載的方向在同一個軸線上，拉 伸加載與檢測單元、疲勞加載與檢測單元安裝在基座14上，原位觀測單元置于高溫加載與 檢測單元的上方，并通過支架1安裝在基座14上。
[0008] 所述的拉伸加載與檢測單元由伺服電機12提供動力，通過蝸輪II9、蝸桿II10、 蝸輪I5、蝸桿I7、絲杠28、螺母27對試件施加拉伸載荷；所述的伺服電機12通過電機座 11安裝到基座14上，蝸桿I7安裝到電機的輸出軸上；所述的蝸輪119、蝸桿I7安裝在軸 31上，軸通過軸承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通過滑塊Ib24、滑塊Ic34分別安裝到導軌Ia25和導軌Ib33 上，導軌Ia25和導軌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通過滑塊Ia23、滑塊Id35分別安裝到導軌Ia25和導軌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通過支撐塊 I 26固定在基座14上。
[0009] 所述的疲勞加載與檢測單元包括柔性鉸鏈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，柔性鉸鏈18固定端通過螺釘固定在 底板II17上，柔性鉸鏈18的活動端與夾具體II41相連，夾具體II41通過滑塊II37、滑塊 II 45分別安裝在導軌IIa38和導軌IIb44上，導軌IIa38和導軌IIb44安裝在底板II17 上；所述位移傳感器II20安裝在底板II17上，用來測量疲勞測試時夾具體II41的位移量； 所述底板II17通過支撐塊II15固定在基座14上。
[0010] 所述的原位觀測單元包括光學顯微鏡21及支架1，所述光學顯微鏡21的工作距離 足夠大，從高溫爐上方的視窗46覆蓋試件的待觀測表面，光學顯微鏡21的位置通過支架1 調整。
[0011] 所述的原位觀測單元根據觀測目的不同，可以選擇光學顯微鏡來監測試件在高溫 環境下裂紋的萌生、擴展、至斷裂過程；可以選擇拉曼光譜儀對試件表面進行微區檢測，進 行耐高溫材料的相結構研宄、晶粒及晶界變化、裂紋萌生等；可以選擇X射線衍射儀對試件 進行物相分析、確定晶粒度和應力分布、研宄材料的特殊性質與其原子排布、晶相變化間的 關系等；或者選擇選用紅外熱像儀檢查材料缺陷等；部分觀測設備可以配合使用，如光學 顯微鏡和拉曼光譜儀等。通過視窗46可以對高溫爐內的測試情況進行查看，利用光學顯微 鏡可以觀察對不同溫度下試件表面的情況；也可以根據拉曼光譜儀、X射線衍射儀、紅外熱 像儀等需要通過視窗向高溫爐內發射相應的激光、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單元包括高溫爐16及其控制系統，所述高溫爐16的加熱 元件是硅鉬棒，通過對硅鉬棒供電使其發熱，高溫的硅鉬棒通過輻射使爐腔內的溫度迅速 升高，高溫爐內腔的溫度可高達1700°C，通過水冷高溫爐外表面的溫度可維持在室溫，高溫 爐內腔中安裝了熱電偶，用來監測高溫爐內腔的實際溫度；所述高溫爐16配有相應的控制 柜，用來控制高溫爐內腔的溫度。
[0013] 所述的高溫加載與檢測單元根據要求不同可以選擇不同的加熱方式，如根據所需 要的溫度和高溫爐的型式不同，高溫爐內的加熱元件可以選擇電阻絲、硅碳棒、硅鉬棒，或 者使用紅外線鹵素燈配合球形反射器制造更集中的高熱流區。
[0014] 所述的夾具體I2通過螺釘與壓板I36連接，并通過旋緊螺釘對試件進行夾緊； 所述夾具體I2上加工有凹槽，用來對試件進行定位；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通過螺釘與壓板II40連接，并通過旋緊螺釘對試件進行夾緊； 所述的夾具體II41上加工有凹槽，用來對試件進行定位；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生一定變化，根據本實用新型的測 試系統可以研宄不同材料在不同溫度下力學性能的變化規律，如應力對溫度的敏感性、應 變率是否有明顯的溫度軟化效應等。本實用新型可以集成在真空箱內，實現真空環境或特 殊氣體環境下的高溫原位拉伸-疲勞測試，可以選擇性避免試件的氧化等問題。
[0017] 本實用新型的有益效果在于：該測試系統原理可靠，結構簡單、緊湊，能夠對高溫