可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪

摘要

本发明涉及一种可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪，属精密科学仪器领域。主要由精密驱动单元、传动单元、夹持单元、磁场加载单元、检测单元、支撑单元组成。其中精密驱动单元电机通过减速器及传动单元中的曲柄摇杆机构，带动夹持单元的旋转端以固定的角度往复旋转，实现扭矩疲劳载荷加载；通过改变曲柄摇杆机构中曲柄、连杆及摇杆杆长，实现扭转疲劳往复偏转角度的调整；通过改变磁场加载单元极头距离，实现磁场强度的调整。本测试仪整机采用卧式结构，简单紧凑，与光学显微镜兼容性好，可对试样进行原位实时观测，为揭示材料在不同磁场强度作用下的力学特性和疲劳损伤机制提供一种可靠的测试手段。

说明书

技术领域

本发明涉及精密科学仪器领域、原位力学测试领域，特别涉及一种可控磁场强度 的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪。可以对材料开展不同磁场强度、不同扭转角下 的扭转疲劳测试，并可以集成光学显微镜对试样进行原位实时观测，为揭示材料在不同磁 场强度作用下的力学特性和疲劳损伤机制提供一种可靠的测试手段。

背景技术

材料的研究和合成的目的在于满足人类物质文明的需求，一个特定的材料具有其 特定的性能是其具有使用价值的根本。而力学性能测试的研究对象，即是针对材料在外力 作用下表现出来的性能，如弹性、刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度和断裂韧度 等。据统计，疲劳破坏在整个失效件中约占80%，严重影响了人身安全及国民经济，故对材料 进行疲劳研究有着十分重要的意义。

近年来，利用光学显微镜、高景深显微镜、电子显微镜等显微成像系统对材料力学 测试动态监测的原位测试技术，对载荷作用下材料的形变损伤进行实时观测，能深入揭示 材料的微观力学行为、损伤机理，对材料学的研究及发展起到了推动作用。

材料在实际工作中常常受到扭转疲劳载荷，如汽车传动轴、机床主轴、电机轴等， 另外电机轴、电主轴等在承受扭转疲劳载荷时也处于磁场中。而目前针对材料的扭转疲劳 测试装置，大都是以伺服电机驱动，通过输入电信号控制电机正反转实现疲劳载荷加载，体 积大无法实现原位观测，并且没能实现磁场的加载。故开发一种可控磁场强度的小型扭转 疲劳材料力学性能原位测试仪器，对研究材料在不同磁场强度作用下承受扭转疲劳载荷时 的微观力学特性及疲劳损伤机制具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测 试仪，解决了现有技术存在的上述问题。本发明利用曲柄摇杆原理将电机单向回转转换为 夹具以固定角度值往复旋转运动，通过改变曲柄摇杆机构中曲柄、连杆及摇杆杆长来调整 该固定角度的大小，通过改变磁极极头距离调整加载磁场强度的大小，通过固定端夹具连 接的扭矩传感器测量扭矩的大小，通过与旋转端夹具连接的编码器测量往复旋转角度及疲 劳周次，从而实现电机不换向工作时不同磁场强度条件下材料的扭转疲劳试验。本发明可 结合光学显微镜对加载过程中材料的变形损伤、微观组织变化及性能演变进行原位动态监 测，进而对材料在不同磁场强度作用下的力学特性和疲劳损伤机制进行深入研究。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪，整体采用卧式结构，简单紧 凑，可对不同磁场强度作用下材料扭转疲劳展现的力学特性、微观组织形貌、断裂裂纹进行 原位实时观测。包括精密驱动单元、传动单元、夹持单元、磁场加载单元、检测单元；所述精 密驱动单元通过电机支架4固定于底座20一侧，包含电机编码器1、盘式电机2、减速器3，电 机编码器1、减速器3分别与盘式电机2相连，为整机仪器提供动力；所述传动单元通过电机 联轴器5与精密驱动单元相连，由支座23固定于底座20上，与盘式电机2同侧；所述夹持单元 分为固定端夹持机构和旋转端夹持机构两部分，且分别通过夹具支座Ⅱ15、夹具支座Ⅰ21固 定在底座20的两侧；所述磁场加载单元通过螺钉固定在底座20正中间；所述检测单元包含 编码器6与扭矩传感器17，编码器6通过支撑架7固定在支座23侧面，扭矩传感器17通过传感 器支座18固定在底座20上远离盘式电机2的一侧。

所述的传动单元包括传动轴22、圆盘Ⅰ8、圆盘Ⅱ9及销轴Ⅰ、Ⅱ25、26，所述传动轴22 通过一对轴承Ⅰ24安装于支座23上，传动轴22通过销轴Ⅰ25与圆盘Ⅰ8连接，圆盘Ⅰ8通过销轴 Ⅱ26与圆盘Ⅱ9连接，构成曲柄摇杆机构；所述圆盘Ⅱ9通过其两侧的轴套Ⅰ28及卡簧在旋转 端夹具10上得到轴向定位，并通过键与旋转端夹具10连接以传递扭矩；所述传动单元将电 机联轴器5传递的整周回转运动，转换为圆盘Ⅱ9带动旋转端夹具10沿其轴线以固定角度往 复旋转，从而实现电机单向运转时的扭转疲劳载荷的加载。

所述的传动轴22、圆盘Ⅰ8、圆盘Ⅱ9设有均布的销轴孔，通过调整销轴Ⅰ25、销轴Ⅱ 26的安装孔位完成对曲柄摇杆机构中曲柄、连杆及摇杆杆长的调节，从而改变旋转端夹具 往复偏转角度大小，实现扭转疲劳往复偏转角度的调节。

所述的旋转端夹持机构由旋转端夹具10及压板Ⅰ11组成，压板Ⅰ11通过螺钉与旋转 端夹具10连接并压紧试样，两者均设置有凹槽以夹持试样32；所述旋转端夹具10通过轴承 Ⅱ27安装于夹具支座Ⅰ21上，旋转端夹具10上设置有轴肩及卡簧槽，通过卡簧压紧圆盘Ⅱ9、 轴套Ⅰ28使轴承Ⅱ30得到定位。

所述的固定端夹持机构由固定端夹具14及压板Ⅱ13组成，压板Ⅱ13通过螺钉与固 定端夹具14连接并压紧试样，两者均设置有凹槽以夹持试样32；所述固定端夹具14通过轴 承Ⅲ31安装于夹具支座Ⅱ15上，固定端夹具10上加工有轴肩，通过连接轴16压紧轴套Ⅱ30 使轴承Ⅲ31得到定位。

所述的磁场加载单元由一对磁极极头12及磁铁支座19组成，两磁极极头12对称布 置于试样32两侧，并通过磁铁支座19固定在底座20上，实现整机磁场加载；同时通过调整磁 极极头与磁铁支座间安装的垫片的厚度改变两磁极极头的间距，完成试样所处磁场强度的 调整，实现不同磁场强度作用下的试验。

所述的检测单元由编码器6与扭矩传感器17组成，其中编码器6通过编码器联轴器 29与旋转端夹具10连接，实现对旋转端夹具往复偏转角度大小及疲劳周次的测量；扭矩传 感器17与连接轴16通过螺钉连接，从而实现对由固定端夹具14通过键传递给连接轴16扭矩 大小的测量。

所述的可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪的主体尺寸为 296mm×80mm×60mm，与光学显微镜兼容性好。

本发明的有益效果在于：整机结构紧凑，与光学显微镜兼容性好，可实时观测在不 同磁场强度作用下承受扭转疲劳时材料的微观形貌、组织结构等的变化。不同于传统的扭 转疲劳力学性能测试装置，能够实现电机单向回转带动试样以固定转角往复扭转的疲劳试 验，并可结合光学显微镜，对不同磁场强度作用下材料的扭转疲劳试验进行原位实时观测。 在驱动方面，利用由两销轴连接的三圆盘构成典型的曲柄摇杆机构，达到电机不换向工作 下扭转疲劳载荷加载的目的，同时可改变销轴安装位置来改变摇杆往复摆动角度。在施加 磁场方面，该仪器采用极头间距可调的双极头式磁铁，磁场强度调节控制简单。在整体结构 方面，该仪器结构紧凑，并可以集成光学显微镜对试样进行实时监测，实现对材料微观组织 形貌改变、晶格变化、裂纹扩展的原位动态观测。综上所述，本发明具有良好的应用、开发前 景，对材料原位微观力学性能测试技术的发展有着重要意义。

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为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的传动单元的局部装配示意图；

图3为本发明的固定夹具局部装配示意图；

图4为本发明的试样安装局部示意图；

图5为本发明的主视结构示意图；

图6为本发明的俯视结构示意图；

图7为本发明的左视结构示意图；

图8本发明的加载原理图；

图9为本发明的曲柄机构调整原理图。

图中：1、电机编码器；2、盘式电机；3、减速器；4、电机支架；5、电机联轴器；6、编码 器；7、支撑架；8、圆盘Ⅰ；9、圆盘Ⅱ；10、旋转端夹具；11、压板Ⅰ；12、磁极极头；13、压板Ⅱ；14、 固定端夹具；15、夹具支座Ⅱ；16、连接轴；17、扭矩传感器；18、传感器支座；19、磁铁支座； 20、底座；21、夹具支座Ⅰ；22、传动轴；23、支座；24、轴承Ⅰ；25、销轴Ⅰ；26、销轴Ⅱ；27、轴承Ⅱ； 28、轴套Ⅰ；29、编码器联轴器；30、轴套Ⅱ；31、轴承Ⅲ；32、试样。

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7所示，本发明的可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测 试仪包括精密驱动单元、传动单元、夹持单元、磁场加载单元、检测单元、支撑单元；所述的 支撑单元由底座20及支座组成，为仪器其他部分起到支撑作用；所述的精密驱动单元通过 电机支架4固定于底座20侧边，包含电机编码器1、盘式电机2、减速器3，电机编码器1、减速 器3分别与盘式电机2相连，为整机仪器提供动力；所述的传动单元通过电机联轴器5与精密 驱动单元相连，由支座23固定于底座20上，与电机同侧；所述的夹持单元分为固定端夹持机 构和旋转端夹持机构两部分，且分别由夹具支座Ⅱ15、夹具支座Ⅰ21固定在底座20上的两 侧；所述的磁场加载单元通过螺钉固定在底座20正中间；所述的检测单元包含编码器6与扭 矩传感器17，编码器6通过支撑架7固定在支座23侧面，扭矩传感器17由传感器支座18固定 在底座20上远离电机的一侧。整机采用卧式结构，简单紧凑，可对不同磁场强度作用下材料 扭转疲劳展现的力学特性、微观组织形貌、断裂裂纹进行原位实时观测。

参见图1及图2所示，所述的传动单元主要由传动轴22、圆盘Ⅰ8、圆盘Ⅱ9及销轴25、 26组成；其中传动轴22通过一对轴承Ⅰ24安装于支座23上，其细轴端通过电机联轴器与精密 驱动单元输出轴连接，其圆盘端与圆盘Ⅰ8、圆盘Ⅰ8与圆盘Ⅱ9分别由销轴Ⅰ25、Ⅱ26连接，构 成曲柄摇杆机构；圆盘Ⅱ9两侧分别通过轴套Ⅰ28及卡簧在旋转端夹具10轴向定位，并用键 与旋转端夹具10连接以传递扭矩；所述的传动单元中，传动轴22在电机联轴器5传递的扭矩 驱动下整周回转，通过起连杆作用的圆盘Ⅰ8带动圆盘Ⅱ9、夹具10往复旋转，即所述的传动 单元将电机联轴器5传递的整周回转运动，转换为圆盘Ⅱ9带动旋转端夹具10以固定角度沿 其轴线往复旋转，从而实现电机单向运转时的扭转疲劳载荷的加载。

参见图1、图2及图4所示，所述的旋转端夹持机构由旋转端夹具10及压板Ⅰ11组成， 由螺钉连接并压紧试样，两者均加工有凹槽以方便试样32的夹持；所述的旋转端夹具10通 过轴承Ⅱ27安装于夹具支座Ⅰ21上，旋转端夹具10上加工有轴肩及卡簧槽，通过卡簧压紧圆 盘Ⅱ9、轴套Ⅰ28使轴承Ⅱ30得到定位。

参见图1、图3及图4所示，所述的固定端夹持机构由固定端夹具14及压板13组成， 由螺钉连接并压紧试样，两者均加工有凹槽以方便试样32的夹持；所述的固定端夹具14通 过轴承Ⅲ31安装于夹具支座Ⅱ15上，固定端夹具10上加工有轴肩，通过连接轴16压紧轴套 Ⅱ30使轴承Ⅲ31得到定位。

参见图1、图2及图3所示，所述的检测单元由编码器6与扭矩传感器17组成；其中编 码器6通过螺钉固定在支撑架7上，支撑架7通过螺钉固定在支座23上，编码器6通过编码器 联轴器29与旋转端夹具10连接；扭转疲劳试验时，旋转端夹具10旋转通过编码器联轴器29 带动编码器6输入轴旋转，实现对旋转端夹具往复偏转角度大小及疲劳周次的测量。扭矩传 感器17固定于传感器支座18上，并与连接轴16通过螺钉连接，而连接轴16与固定端夹具14 由键连接；扭转疲劳试验时，固定端夹具14通过连接轴16将扭矩传递给扭矩传感器17，实现 试验中扭矩大小的测量。

参见图1、图4及图8所示，所述的磁场加载单元由一对磁极极头12及磁铁支座19组 成，两磁极极头12对称布置于扭转试样32两侧，实现整机磁场加载；同时通过调整磁极极头 与磁铁支座间安装垫片的厚度改变两磁极极头的间距d，完成试样所处磁场强度的调整，实 现不同磁场强度作用下的试验。

参见图2及图9所示，所述的传动轴22、圆盘Ⅰ8、圆盘Ⅱ9打有均布的销轴孔，通过调 整销轴Ⅰ、销轴Ⅱ的安装孔位完成对曲柄摇杆机构中曲柄、连杆及摇杆杆长的调节，从而改 变旋转端夹具往复偏转角度大小，实现扭转疲劳往复偏转角度的调节。当选用不同位置的 销轴孔连接传动轴22、圆盘Ⅰ8、圆盘Ⅱ9时，曲柄摇杆机构中曲柄、连杆及摇杆分别调 整为、、，实现各杆杆长的调节，从而改变旋转端夹具往复偏转角度大小，完成扭转疲 劳往复偏转角度的调节。

参见图1、图5、图6及图7所示，所述的测试仪器整机结构紧凑，主体尺寸为296mm× 80mm×60mm，与光学显微镜兼容性好，可实时观测在不同磁场强度作用下承受扭转疲劳载 荷时材料的微观形貌、组织结构等的变化。

本发明能开展磁场作用下扭转疲劳载荷加载的力学测试，除获得不同磁场强度作 用下扭矩-扭角曲线、扭转疲劳曲线及试验中试样微观形貌外，还能根据获得扭矩-扭角曲 线线性阶段获得材料切变模量G，对预制缺口的试样测试疲劳缺口敏感度检测等，相关关 公式如下

切变模量G

其中，为扭矩增量，为扭角增量，为标距长度，为试样直径；

平均应力

应力幅

应力比r

其中为最大应力，为最小应力；

疲劳缺口敏感度

其中为理论应力集中系数，为疲劳缺口系数。

参见图1至4及图8所示，本发明的具体工作过程如下：

试验开始时，获得输入电信号的盘式电机2经减速器3降速増扭通过电机联轴器5带动 传动轴22旋转，基于曲柄摇杆原理传动轴22借助圆盘Ⅰ8带动圆盘Ⅱ9沿圆盘Ⅱ9轴以固定角 度值往复旋转，圆盘Ⅱ9带动旋转端夹具10及夹具上夹紧的扭转试样32往复旋转，而扭转试 样32经固定端夹具14夹紧，最终实现扭转疲劳载荷的加载；将磁场单元的两极头12对称布 置于扭转试样32两侧，完成磁场加载，通过增大或缩小两极头12之间距离d改变磁场强度。 同时，旋转端夹具10细轴端经编码器联轴器29带动编码器6输入轴旋转，完成对试验疲劳次 数及单次往复角度值的采集；固定端夹具14将试验扭矩通过连接轴16传递给扭矩传感器 17，完成对试验扭矩大小的采集。通过改变传动轴22、圆盘Ⅰ8、圆盘Ⅱ9之间两销轴安装孔 位，完成疲劳试验试样往复旋转角度值的调整。整机可安放在光学显微镜下，试验前试样先 经表面抛光腐蚀，即可实现对试验过程中试样微观组织形貌的原位观测。

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。