多場耦合下原位三軸拉伸疲勞測試裝置的制造方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本實用新型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。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(xiàn)出 的力學性能。
【背景技術(shù)】
[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(chǎn)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(nèi)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(chuàng)新與科學進步，其產(chǎn)生的社會效益與經(jīng)濟效益不可估量。
[0003] 首先，材料在單一物理場作用下會產(chǎn)生一定的力學性能變化，表現(xiàn)在材料的特征 力學參數(shù)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(huán)境更接近于真實服役狀態(tài)，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(xiàn)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(huán)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(jīng)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(xiàn)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(fā)展具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本實用新型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，解決了 現(xiàn)有技術(shù)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(zhì)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。本實用新型著重關(guān)注材料在受三向力 作用下耦合熱場、疲勞、壓痕載荷，表現(xiàn)出的材料力學性能。測試精度高，數(shù)據(jù)準確可靠且測 量與分析完全實現(xiàn)自動化。
[0006] 本實用新型的上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0007] 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(tǒng)、 熱場加載子系統(tǒng)、懸臂壓痕加載與測量子系統(tǒng)；
[0008] 所述三軸拉伸、疲勞加載與測量子系統(tǒng)包括：主平臺1、三軸拉伸的電機驅(qū)動單元 2、軸向移動單元3、疲勞及夾具單元4、可調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)減震腳杯8的調(diào)整來保證；三軸拉伸的電機驅(qū)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(nèi)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(nèi)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；
[0009] 所述熱場加載子系統(tǒng)包括：加熱臺6、氮化硅陶瓷加熱片45,所述加熱臺6通過內(nèi) 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；
[0010] 所述懸臂壓痕加載與測量子系統(tǒng)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(diào)支撐臺37、調(diào)節(jié)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(nèi)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(nèi)，稱重傳感器41的上端通過螺母 b50與擋蓋34連接；可調(diào)支撐臺37調(diào)節(jié)懸臂梁33在自由狀態(tài)時的高度，通過調(diào)整調(diào)節(jié)螺 栓38來調(diào)整可調(diào)支撐臺37的高度，可調(diào)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(diào)節(jié)螺栓38,使可調(diào)支撐臺37向上或向下移動，完成支撐固定。
[0011] 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(nèi) 六角螺釘e48固定在滑塊49上。
[0012] 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。
[0013] 所述的三軸拉伸的電機驅(qū)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(nèi)六角螺釘d47固定；三軸拉伸的電機驅(qū)動單元2中的左 連接架16、右連接架17與軸連接處有軸承。
[0014] 所述的柔性鉸鏈與壓電陶瓷單元31產(chǎn)生的位移驅(qū)動懸臂梁33繞銷軸36旋轉(zhuǎn)，實 現(xiàn)壓痕進給。
[0015] 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。
[0016] 所述的移動平臺21表面用絕熱涂層進行處理，阻隔熱傳遞。
[0017] 本實用新型的有益效果在于：與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點及突出性效果：（1) 首次實現(xiàn)了三軸拉伸下耦合熱場、疲勞、壓痕的測試；（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(tǒng)測試方案的可行性較高，結(jié)果精度高。
【附圖說明】
[0018] 此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分， 本實用新型的示意性實例及其說明用于解釋本實用新型，并不構(gòu)成對本實用新型的不當限 定。
[0019] 圖1為本實用新型的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2為本實用新型的主視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖3為本實用新型的加熱臺結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖4、圖5為本實用新型的懸臂壓痕加載與測量子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖6為本實用新型的加熱臺加熱方法及控制原理示意圖；
[0024] 圖7為本實用新型的懸臂壓痕單元力學模型工作原理示意圖；
[0025] 圖8為本實用新型的系統(tǒng)控制方法及原理示意圖；
[0026] 圖9為本實用新型的利用剛化原理求懸臂壓痕壓頭端撓度方法中的剛化彈簧示 意圖；
[0027] 圖10為本實用新型的利用剛化原理求懸臂壓痕壓頭端撓度方法中的剛化懸臂梁 示意圖；
[0028] 圖11為本實用新型的懸臂壓痕單元力學模型壓頭反作用力示意圖；
[0029] 圖12為本實用新型的試件彈性模量求解方法的流程示意圖；
[0030] 圖13為本實用新型的原位測試原理圖。
[0031] 圖中：1、主平臺；2、三軸拉伸的電機驅(qū)動單元；3、軸向移動單元；4、疲勞及夾具 單元；5、壓電式懸臂壓痕單元；6、加熱臺；7、試件；8、可調(diào)節(jié)減震腳杯；9、直流伺服電機； 10、行星齒輪減速器；11、電機固定板；12、聯(lián)軸器；13、一級蝸桿；14、一級蝸輪；15、二級蝸 桿；16、左連接架；17、右連接架；18、二級蝸輪；19、絲杠支承座；20、連接平臺；21、移動平 臺；22、擋板；23、拉力傳感器；24、疲勞柔性鉸鏈；25、疲勞壓電陶瓷；26、壓板；27、導軌； 28、支座a ;29、LVDT傳感器；30、支座b ;31、柔性鉸鏈與壓電陶瓷單元；32、懸臂梁支座；33、 懸臂梁；34、擋蓋；35、壓頭；36、銷軸；37、可調(diào)支撐臺；38、調(diào)節(jié)螺栓；39、壓簧；40、蝶形螺 母；41、稱重傳感器；42、內(nèi)六角螺釘a ;43、內(nèi)六角螺釘b ;44、螺母a ;45、氮化硅陶瓷加熱 片；46、內(nèi)六角螺釘c ;47、內(nèi)六角螺釘d ;48、內(nèi)六角螺釘e ;49、滑塊；50、螺母b。
【具體實施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖進一步說明本實用新型的詳細內(nèi)容及其【具體實施方式】。
[0033] 參見圖1至圖13所示，本實用新型的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(tǒng)、熱場加載子系統(tǒng)、懸臂壓痕加載與測量子系統(tǒng)；
[0034] 所述三軸拉伸、疲勞加載與測量子系統(tǒng)包括：主平臺1、三軸拉伸的電機驅(qū)動單元 2、軸向移動單元3、疲勞及夾具單元4、可調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)減震腳杯8的調(diào)整來保證；三軸拉伸的電機驅(qū)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(nèi)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(nèi)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；
[0035] 所述熱場加載子系統(tǒng)包括：加熱臺6、氮化硅陶瓷加熱片45,所述加熱臺6通過內(nèi) 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；
[0036] 所述懸臂壓痕加載與測量子系統(tǒng)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(diào)支撐臺37、調(diào)節(jié)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