多场耦合下原位三轴拉伸疲劳测试装置及方法

摘要

本发明涉及一种多场耦合下原位三轴拉伸疲劳测试装置及方法，属于精密科学仪器领域。包括三轴拉伸、疲劳加载与测量子系统、热场加载子系统、悬臂压痕加载与测量子系统。三轴拉伸的加载通过电机经过两级蜗轮蜗杆减速，驱动丝杠螺母副机构带动拉伸平台实现；疲劳测试通过三个压电陶瓷驱动的柔性铰链实现；热场的加载通过氮化硅加热片与加热台组成的加热系统对试件进行热辐射加热来实现；悬臂压痕的施加通过压电陶瓷驱动柔性铰链使悬臂梁产生向下的位移来实现；主平台上有定位孔，通过安装平台可将显微镜集成在主平台上，实现试件在加载过程中的原位观测。原理可靠，结构紧凑，可精确的表征出材料在受三轴拉伸等多场耦合时的微纳米尺度的力学性质。

说明书

技术领域

本发明涉及精密科学仪器领域，特别涉及一种多场耦合下原位三轴拉伸疲劳测试装置及方法。用于测试材料在三轴拉伸、疲劳和压痕复合载荷加载下，同时加载热场所表现出的力学性能。

背景技术

众所周知，材料的破坏是由于在特定情况下多种外因共同作用产生的后果。因此，提前预判材料在服役条件下的性能显得十分必要。目前，国内外高校及科研院所在接近服役条件下的原位测试领域展开了激烈的角逐与竞争，谁能率先抢占制高点，不仅能推动我国原位测试仪器抢占国际仪器领域新高地，也能够满足一大批重大装备制造、电子信息、航空航天领域的实际迫切需求，在科研、教育、工程、国防等领域具有极其广阔的应用前景，也必将有力的推动国家的科技创新与科学进步，其产生的社会效益与经济效益不可估量。

首先，材料在单一物理场作用下会产生一定的力学性能变化，表现在材料的特征力学参数上，例如：弹性模量、抗拉强度、屈服极限等。但是多物理场耦合作用下，材料的力学测试环境更接近于真实服役状态，材料的力学性能表征也会与单一物理场有所变化，甚至表现出跟之前完全相反的性能。再有，疲劳测试是对于材料的循环极限、裂纹扩展的预测以预防都有指导意义的测试方法，但是没有预拉伸载荷下的疲劳测试往往测试周期比较长，不易于观察材料在疲劳载荷下的力学行为。最后，随着材料力学研究的越来越深入，材料多轴受力情况的模拟与试验已经被很多科学工作者提上了研究日程，单轴载荷施加下，材料的力学行为一般都具有指向性，即沿着载荷施加方向，但是多轴载荷施加下，材料的力学行为是否表现的跟单轴载荷施加下的一样，还有待于用试验检验。然而，单就目前为止，对于多场耦合下的原位三轴拉伸疲劳的测试方法还没有较为成熟的测试装置。

综上所述，一套能够集成多物理场三轴拉伸疲劳测试功能于一体的原位力学测试仪器对于材料力学性能测试的发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多场耦合下原位三轴拉伸疲劳测试装置及方法，解决了现有技术存在的上述问题，尤其解决材料多轴拉伸情况下耦合多场的性质的测量问题。材料在实际运用中，极少情况下只受单一载荷的作用。本发明着重关注材料在受三向力作用下耦合热场、疲劳、压痕载荷，表现出的材料力学性能。测试精度高，数据准确可靠且测量与分析完全实现自动化。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

多场耦合下原位三轴拉伸疲劳测试装置，包括三轴拉伸、疲劳加载与测量子系统、热场加载子系统、悬臂压痕加载与测量子系统；

所述三轴拉伸、疲劳加载与测量子系统包括：主平台1、三轴拉伸的电机驱动单元2、轴向移动单元3、疲劳及夹具单元4、可调节减震脚杯8、连接平台20、拉力传感器23，所述主平台1通过六个可调节减震脚杯8进行支撑，整体放置于隔震平台上，主平台1的高度通过可调节减震脚杯8的调整来保证；三轴拉伸的电机驱动单元2通过连接平台20与轴向移动单元3连接；疲劳及夹具单元4通过三颗内六角螺钉a42固定在轴向移动单元3上，试件7与压板26通过两颗内六角螺钉b43固定在疲劳及夹具单元4上，拉力传感器23一端通过螺母a44固定在挡板22上，另一端栓接在疲劳及夹具单元4上；

所述热场加载子系统包括：加热台6、氮化硅陶瓷加热片45，所述加热台6通过内六角螺钉c46与主平台1相连，氮化硅陶瓷加热片45插在加热台6的插槽中；

所述悬臂压痕加载与测量子系统包括：柔性铰链与压电陶瓷单元31、悬臂梁支座32、悬臂梁33、挡盖34、压头35、销轴36、可调支撑台37、调节螺钉38、压簧39、蝶形螺母40、称重传感器41，所述支座32通过蝶形螺母40与主平台1连接；柔性铰链与压电陶瓷单元31通过四个内六角螺钉e48与悬臂梁支座32连接；悬臂梁33通过销轴36连接到悬臂梁支座32上；称重传感器41及压头35安装在悬臂梁33内，称重传感器41的上端通过螺母b50与挡盖34连接；可调支撑台37调节悬臂梁33在自由状态时的高度，通过调整调节螺栓38来调整可调支撑台37的高度，可调支撑台37与悬臂梁支座32之间由压簧39提供弹性支撑力。悬臂梁33通过预先制造的标准量具校准与试件7的距离，距离找正后，通过旋进或旋出调节螺栓38，使可调支撑台37向上或向下移动，完成支撑固定。

所述的主平台1上设置导轨27，滑块49与导轨27相互配合，移动平台e21通过内六角螺钉e48固定在滑块49上。

所述的悬臂梁33上端设置槽，减轻重量，降低刚度，便于进行压痕实验。

所述的三轴拉伸的电机驱动单元2通过LVDT传感器29测量轴向位移，LVDT传感器29通过支座a28和支座b31及内六角螺钉d47固定；三轴拉伸的电机驱动单元2中的左连接架16、右连接架17与轴连接处有轴承。

所述的柔性铰链与压电陶瓷单元31产生的位移驱动悬臂梁33绕销轴36旋转，实现压痕进给。

所述的压板26表面采用绝热涂层进行处理，阻隔热传递；加热台6的圆柱面及下表面均用隔热涂层覆盖。

所述的移动平台21表面用绝热涂层进行处理，阻隔热传递。

本发明的另一目的在于提供一种多场耦合下原位三轴拉伸疲劳测试方法，热场温度、疲劳应变幅值，频率、载荷或位移的大小由上位机的Labview人机交互界面完成设定，下发到各自控制器进行控制，热场温度、疲劳应变幅值，频率、载荷或位移大小由相应的传感器感知并输出，由A/D采集卡进行采集，测试方法具体步骤如下：

步骤1：通过计算机中的Labview人机交互界面对实验加载条件进行设定，所述条件包括热场温度、疲劳应变幅值，频率、载荷或位移加载参数；

步骤2：通过计算机将设定好的参数下发到各自的控制器中，由控制器将输出信号转换成电信号；

步骤3：经控制器分别实现驱动丝杠螺母单元移动、疲劳单元加载，悬臂压痕下压、氮化硅陶瓷加热片升温；

步骤4：由A/D采集卡采集位移，力，温度传感器信号；其中，温度加热到设定温度后，闭环控制系统会下发停止加热信号，氮化硅陶瓷加热片停止加热；

步骤5：对传感器采集的信号进行分析处理，得到试样的应力、应变、温度等大小信息；

步骤6：对比采集数据与实际测量到的数据是否相同，若相同，继续进行下一步；若不同，返回步骤2重新开始，直到满足要求；

步骤7：在数据处理系统中，根据采集到的力传感器的数值及材料相关特性，按照简化力学模型，推导出压痕深度公式；结合其他载荷与物理场测试结果，得到一条多物理场多载荷对试件影响的关系曲线，输出计算结果，测试结束。

本发明的悬臂压痕单元的压入深度，通过A/D采集卡采集的力传感器的数值，按照构建的力学模型进行计算解析，即可得到压入深度。

本发明的有益效果在于：与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：（1）首次实现了三轴拉伸下耦合热场、疲劳、压痕的测试方法；（2）使用范围的多样化，既可以进行三轴拉伸下耦合热场、疲劳、压痕的测试，同时也可进行单轴拉伸、单轴疲劳、以及悬臂压痕分别复合热场的测试；（3）系统测试方案的可行性较高，结果精度高。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的主视结构示意图；

图3为本发明的加热台结构示意图；

图4、图5为本发明的悬臂压痕加载与测量子系统的结构示意图；

图6为本发明的加热台加热方法及控制原理示意图；

图7为本发明的悬臂压痕单元力学模型工作原理示意图；

图8为本发明的系统控制方法及原理示意图；

图9为本发明的利用刚化原理求悬臂压痕压头端挠度方法中的刚化弹簧示意图；

图10为本发明的利用刚化原理求悬臂压痕压头端挠度方法中的刚化悬臂梁示意图；

图11为本发明的悬臂压痕单元力学模型压头反作用力示意图；

图12为本发明的试件弹性模量求解方法的流程示意图；

图13为本发明的原位测试原理图。

图中：1、主平台；2、三轴拉伸的电机驱动单元；3、轴向移动单元；4、疲劳及夹具单元；5、压电式悬臂压痕单元；6、加热台；7、试件；8、可调节减震脚杯；9、直流伺服电机；10、行星齿轮减速器；11、电机固定板；12、联轴器；13、一级蜗杆；14、一级蜗轮；15、二级蜗杆；16、左连接架；17、右连接架；18、二级蜗轮；19、丝杠支承座；20、连接平台；21、移动平台；22、挡板；23、拉力传感器；24、疲劳柔性铰链；25、疲劳压电陶瓷；26、压板；27、导轨；28、支座a；29、LVDT传感器；30、支座b；31、柔性铰链与压电陶瓷单元；32、悬臂梁支座；33、悬臂梁；34、挡盖；35、压头；36、销轴；37、可调支撑台；38、调节螺栓；39、压簧；40、蝶形螺母；41、称重传感器；42、内六角螺钉a；43、内六角螺钉b；44、螺母a；45、氮化硅陶瓷加热片；46、内六角螺钉c；47、内六角螺钉d；48、内六角螺钉e；49、滑块；50、螺母b。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图13所示，本发明的多场耦合下原位三轴拉伸疲劳测试装置，包括三轴拉伸、疲劳加载与测量子系统、热场加载子系统、悬臂压痕加载与测量子系统；

所述三轴拉伸、疲劳加载与测量子系统包括：主平台1、三轴拉伸的电机驱动单元2、轴向移动单元3、疲劳及夹具单元4、可调节减震脚杯8、连接平台20、拉力传感器23，所述主平台1通过六个可调节减震脚杯8进行支撑，整体放置于隔震平台上，主平台1的高度通过可调节减震脚杯8的调整来保证；三轴拉伸的电机驱动单元2通过连接平台20与轴向移动单元3连接；疲劳及夹具单元4通过三颗内六角螺钉a42固定在轴向移动单元3上，试件7与压板26通过两颗内六角螺钉b43固定在疲劳及夹具单元4上，拉力传感器23一端通过螺母a44固定在挡板22上，另一端栓接在疲劳及夹具单元4上；

所述热场加载子系统包括：加热台6、氮化硅陶瓷加热片45，所述加热台6通过内六角螺钉c46与主平台1相连，氮化硅陶瓷加热片45插在加热台6的插槽中；

所述悬臂压痕加载与测量子系统包括：柔性铰链与压电陶瓷单元31、悬臂梁支座32、悬臂梁33、挡盖34、压头35、销轴36、可调支撑台37、调节螺钉38、压簧39、蝶形螺母40、称重传感器41，所述支座32通过蝶形螺母40与主平台1连接；柔性铰链与压电陶瓷单元31通过四个内六角螺钉e48与悬臂梁支座32连接；悬臂梁33通过销轴36连接到悬臂梁支座32上；称重传感器41及压头35安装在悬臂梁33内，称重传感器41的上端通过螺母b50与挡盖34连接；可调支撑台37调节悬臂梁33在自由状态时的高度，通过调整调节螺栓38来调整可调支撑台37的高度，可调支撑台37与悬臂梁支座32之间由压簧39提供弹性支撑力。悬臂梁33通过预先制造的标准量具校准与试件7的距离，距离找正后，通过旋进或旋出调节螺栓38，使可调支撑台37向上或向下移动，完成支撑固定。

压电式悬臂压痕单元5通过螺纹连接安装在主平台1上，直流伺服电机9输出轴用螺纹连接行星齿轮减速器10，直流伺服电机9和行星齿轮减速器10通过与主平台1螺纹连接的电机固定板11固定在一起。一级蜗杆13通过联轴器12固定在行星减速器10的出轴上，一级涡轮14、二级蜗杆15安装在左连接架16和右连接架17之间的蜗杆轴上，与二级蜗杆15配合的二级涡轮18安装在丝杠输出轴上，丝杠通过与主平台1底侧螺纹连接的丝杠支承座19固定，疲劳压电陶瓷25过盈配合安装在疲劳柔性铰链24上预先加工出来的矩形凹槽中，从而来实现固定。

所述的主平台1上设置导轨27，滑块49与导轨27相互配合，移动平台e21通过内六角螺钉e48固定在滑块49上。

所述的悬臂梁33上端设置槽，减轻重量，降低刚度，便于进行压痕实验。

所述的三轴拉伸的电机驱动单元2通过LVDT传感器29测量轴向位移，LVDT传感器29通过支座a28和支座b31及内六角螺钉d47固定；三轴拉伸的电机驱动单元2中的左连接架16、右连接架17与轴连接处有轴承。

所述的柔性铰链与压电陶瓷单元31产生的位移驱动悬臂梁33绕销轴36旋转，实现压痕进给。

所述的压板26表面采用绝热涂层进行处理，阻隔热传递；加热台6的圆柱面及下表面均用隔热涂层覆盖。

所述的移动平台21表面用绝热涂层进行处理，阻隔热传递。

本发明的另一目的在于提供一种多场耦合下原位三轴拉伸疲劳测试方法，热场温度、疲劳应变幅值，频率、载荷或位移的大小由上位机的Labview人机交互界面完成设定，下发到各自控制器进行控制，热场温度、疲劳应变幅值，频率、载荷或位移大小由相应的传感器感知并输出，由A/D采集卡进行采集，测试方法具体步骤如下：

步骤1：通过计算机中的Labview人机交互界面对实验加载条件进行设定，所述条件包括热场温度、疲劳应变幅值，频率、载荷或位移加载参数；

步骤2：通过计算机将设定好的参数下发到各自的控制器中，由控制器将输出信号转换成电信号；

步骤3：经控制器分别实现驱动丝杠螺母单元移动、疲劳单元加载，悬臂压痕下压、氮化硅陶瓷加热片升温；

步骤4：由A/D采集卡采集位移，力，温度传感器信号；其中，温度加热到设定温度后，闭环控制系统会下发停止加热信号，氮化硅陶瓷加热片停止加热；

步骤5：对传感器采集的信号进行分析处理，得到试样的应力、应变、温度等大小信息；

步骤6：对比采集数据与实际测量到的数据是否相同，若相同，继续进行下一步；若不同，返回步骤2重新开始，直到满足要求；

步骤7：在数据处理系统中，根据采集到的力传感器的数值及材料相关特性，按照简化力学模型，推导出压痕深度公式；结合其他载荷与物理场测试结果，得到一条多物理场多载荷对试件影响的关系曲线，输出计算结果，测试结束。

本发明的悬臂压痕单元的压入深度，通过A/D采集卡采集的力传感器的数值，按照构建的力学模型进行计算解析，即可得到压入深度。

本发明的悬臂压痕压入深度的公式换算给出具体的推导过程。

根据材料力学理论，压头压入过程可以近似认为是一个平衡问题，因此将弹簧问题转化为分别钢化弹簧与悬臂梁来进行求解。

首先，钢化弹簧，如图9所示，由梁在简单载荷作用下的变形公式，

式中，为在重力G的作用下D点挠度；

G为传感器重力；

为悬臂梁CD之间的距离；

E为悬臂梁弹性模量；

为惯性矩；

其次，钢化悬臂梁，如图10所示，由相似三角形原理，

式中，为悬臂梁钢化后的挠度；

为悬臂梁AB之间的距离；

为悬臂梁BC之间的距离；

为悬臂梁CD之间的距离；

X为压电陶瓷驱动的柔性铰链位移；

再次，压入过程中的压头的反作用力对悬臂梁作用，如图10所示，由梁在简单载荷作用下的变形公式，

式中，为悬臂梁在压头反作用力作用下产生的挠度；

为传感器示数；

最后，将各个公式进行计算，有

式中，h为压头压入深度；

下面，由上述公式推导出试件的弹性模量E，

式中，和m为幂函数拟合参数；

为卸载时传感器的读数；

为压电陶瓷及柔性铰链的退回位移；

为残余压入深度；

式中,S为接触刚度，定义为卸载曲线顶部斜率；

式中,为试件表面凹陷量，为与压头几何形状有关的常数；

P_max为最大压入载荷；

式中，为压头与试件间的接触深度；

h_max为最大压入深度；

式中，为与有关的接触面积函数；

式中，为材料的压痕硬度；

式中，为压头形状有关常数，对于玻氏压头、维氏压头、平头压头，的取值分别为1.034，1.012和1.000；

为折合模量；

式中，为试件材料的弹性模量；

为压头材料的弹性模量；

v为试件材料的泊松比；

为压头材料的泊松比。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。