CN104034613A - 一种用于x射线显微成像的材料振动加载试验*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于X射线显微成像的材料振动加载试验***，由加载驱动机构、载荷检测机构及试样夹持机构三部分构成，加载驱动机构通过固定座与试样夹持机构同轴固装，在固定座内固装加载驱动机构；在加载驱动机构上端的试样夹持机构内同轴固装载荷检测机构，在载荷检测机构上端的试样夹持机构内设置试样。本发明***在使用时，将用于X射线显微成像的材料振动加载试验***放置在X射线显微成像仪器内部，并调整X射线中心高度与试样中心高度重合，在进行试样疲劳试验的同时，可对试样进行X射线显微成像，即可对试样在疲劳试验过程中试样内部的变形及裂纹的扩展等内部信息进行表征与监测，从而准确获得引起材料疲劳破坏的循环次数，及准确评价材料的疲劳性能。

Description

一种用于X射线显微成像的材料振动加载试验***
技术领域
本发明属于显微CT扫描成像技术领域，涉及一种用于X射线显微成像的材料振动加载试验***。
背景技术
疲劳是循环加载条件下，发生在材料某点处局部的、永久性的损伤递增过程。该材料经足够的应力或应变循环后，其损伤积累可使材料发生裂纹，或是裂纹进一步扩展至完全断裂。材料在足够大的交变应力作用下，在构件外形突变或表面刻痕或内部缺陷等部位，都可能因较大的应力集中引发微观裂纹。分散的微观裂纹经过集结沟通将形成宏观裂纹，已形成的宏观裂纹逐渐缓慢地扩展，构件横截面逐步削弱，当达到一定限度时，构件会突然断裂。材料因交变应力引起的上述失效现象，称为材料的疲劳。对于静载下塑性性能很好的材料，当承受交变应力时，往往在应力低于屈服极限且没有明显塑性变形的情况下突然断裂。统计数据表明，机械零件的失效，约有70％左右是疲劳引起的，而且造成的事故大多数是灾难性的。因此，通过实验研究材料抗疲劳的性能是有实际意义的。
现有材料疲劳试验一般采用两种方法，一种是根据零件寿命的要求，在规定的某一循环次数下，测出不破坏材料的最大应力，即测量材料的疲劳强度；另一种是测量材料在给定应力条件下材料可承受的最大循环次数。但无论采用何种测量方法，所做疲劳试验得到的是一个最终的数值，至于材料在疲劳试验过程中内部的变形及裂纹的扩展等内部信息利用现有试验手段无法表征与监测，且所测结果与材料实际疲劳破坏结果有一定误差。
通过调研，并未见过与本发明申请的用于X射线显微成像的材料振动加载试验***相似的技术应用于X射线显微成像及疲劳试验技术中。
发明内容
本发明的目的是针对现有疲劳试验的局限性，提出了一种用于X射线显微成像的材料振动加载试验***，该***可配合X射线显微成像技术，对在进行疲劳试验时材料内部的变形及裂纹的扩展情况进行表征与监测，从而准确、直观地评价材料的疲劳性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于X射线显微成像的材料振动加载试验***，由加载驱动机构、载荷检测机构及试样夹持机构三部分构成，加载驱动机构通过固定座与试样夹持机构同轴固装，在固定座内固装加载驱动机构；在加载驱动机构上端的试样夹持机构内同轴固装载荷检测机构，在载荷检测机构上端的试样夹持机构内设置试样。
而且，所述加载驱动机构由驱动体、压电陶瓷、复位弹簧、弹簧调节螺钉和锁紧螺钉构成，驱动体为柔性铰链机构，在驱动体的下底中心轴部位制有轴向的盲孔，在盲孔内同轴通过锁紧螺钉固装压电陶瓷，压电陶瓷与盲孔的底端顶装；压电陶瓷驱动器的两端均为半球和锥面接触，实现自动对中，控制力的传递通过轴心；在盲孔两端柔性铰链处对称安装有两个弹簧调节螺钉，每一弹簧调节螺钉上穿装有复位弹簧。
而且，所述载荷检测机构由连接法兰、传感器座和力传感器构成，连接法兰的下端底面与加载驱动机构的上端面紧密贴合连接，并通过对称布置的连接螺钉固定在一起；在连接法兰的上端固装传感器座，该传感器座内安装力传感器；传感器座上部与试样夹持机构定位嵌装，在传感器座上端面设置试样。
而且，所述试样夹持机构由外壳、支撑管、上夹具、调节螺钉、上盖和导向杆构成，其中外壳、支撑管和上盖均采用胶接方式同轴连接为一体，在支撑管内同轴滑动安装上夹具，在上夹具上方的上盖上同轴竖直啮合安装调节螺钉，该调节螺钉的下端顶装在上夹具的上端面，该上夹具通过竖直对称的导向杆实施导向，该导向杆的下端固装在载荷检测机构的传感器座上，在上夹具与载荷检测机构传感器座上端面之间定位安装试样。
而且，所述支撑管由高强度轻质材料制成，X射线可容易穿透支撑管，并容易从显微成像中将支撑管图像去除；上盖所安装的调节螺钉保证样品与加载机构和传感器接触及保证一定的预紧力，并由锁紧机构锁紧，导向杆的上部与上盖的两个通孔配合，下端与传感器座连接固定。
本发明的优点和积极效果是：
本发明***在使用时，将用于X射线显微成像的材料振动加载试验***放置在X射线显微成像仪器内部，并调整X射线中心高度与试样中心高度重合，在进行试样疲劳试验的同时，可对试样进行X射线显微成像，即可对试样在疲劳试验过程中试样内部的变形及裂纹的扩展等内部信息进行表征与监测，从而准确获得引起材料疲劳破坏的循环次数，及准确评价材料的疲劳性能。
附图说明
图1是本发明的立体结构剖视示意图；
图2是图1的加载驱动机构结构简图；
图3是图1的载荷检测机构结构简图；
图4是图1的试样夹持机构结构简图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
一种用于X射线显微成像的材料振动加载试验***，其总体结构如图1所示，由加载驱动机构、载荷检测机构及试样夹持机构三部分构成，加载驱动机构通过固定座14与试样夹持机构同轴固装，在固定座内固装加载驱动机构；在加载驱动机构上端的试样夹持机构内同轴固装载荷检测机构，在载荷检测机构上端的试样夹持机构内设置试样5。加载驱动机构提供试样的加载及卸载，载荷检测机构用于对加载驱动机构输出的载荷大小进行检测，试样夹持机构用以试样的安装固定及位置调整。整个***的工作原理是：加载驱动机构提供大小及频率均可改变的交变载荷，该交变载荷通过载荷检测机构传递到试样，将该振动加载试验***放置在X射线显微成像仪器内，并将试样中心与X射线中心对齐，开启振动加载试验***，即可为试样提供交变载荷，对试样进行内部成像，即可实现在交变载荷作用下对试样内部的变形及裂纹等内部特征的表征与监测。
上述三个部件的具体结构参见图2、3、4，其中：
一、加载驱动机构的具体结构如图2所示，加载驱动机构由驱动体12、压电陶瓷9、复位弹簧16、弹簧调节螺钉15和锁紧螺钉13构成，驱动体为柔性铰链机构，在驱动体的下底中心轴部位制有轴向的盲孔，在盲孔内同轴通过锁紧螺钉固装压电陶瓷，压电陶瓷与盲孔的底端顶装；压电陶瓷驱动器的两端均为半球和锥面接触，实现自动对中，控制力的传递通过轴心；在盲孔两端柔性铰链处对称安装有两个弹簧调节螺钉，每一弹簧调节螺钉上穿装有复位弹簧。该加载驱动机构的原理是：加载和卸载是通过控制压电陶瓷的通电与断电方式来实现的，且通过控制压电陶瓷输入电压的大小和周期即可控制输出载荷的大小和频率。加载时，给压电陶瓷通一电压，通电时压电陶瓷发生逆压电效应产生伸长，而压电陶瓷一端被锁紧螺钉固定，压电陶瓷只能沿另一端(盲孔底端)向固定方向产生伸长变形，推动驱动体的柔性铰链向上产生变形，即将压电陶瓷产生的变形向上方传递完成加载过程，柔性铰链机构起到轴向自由传递加载力，横向提供约束；断电时压电陶瓷收缩，驱动体的柔性铰链在复位弹簧提供的弹性预紧力作用下恢复变形，完成卸载过程，复位弹簧预紧力的大小可通过弹簧调节螺钉进行调节。
二、所述载荷检测机构的具体结构如图3所示，由连接法兰11、传感器座8和力传感器7构成，连接法兰的下端底面与加载驱动机构的上端面紧密贴合连接，并通过对称布置的连接螺钉(没有标号)固定在一起；在连接法兰的上端固装传感器座，该传感器座内安装力传感器；传感器座上部与试样夹持机构定位嵌装，在传感器座上端面设置试样。载荷检测机构的工作原理是：传感器座的上部为一柔性铰链机构，当加载驱动机构加载时，传感器座可将加载驱动机构产生的变形传递到试样，完成对试样的加载与卸载。
三、所述试样夹持机构的具体结构如图4所示，由外壳10、支撑管6、上夹具4、调节螺钉1、上盖3和导向杆2构成，其中外壳、支撑管和上盖均采用胶接方式同轴连接为一体，在支撑管内同轴滑动安装上夹具，在上夹具上方的上盖上同轴竖直啮合安装调节螺钉，该调节螺钉的下端顶装在上夹具的上端面，该上夹具通过竖直对称的导向杆实施导向，该导向杆的下端固装在载荷检测机构的传感器座上，在上夹具与载荷检测机构传感器座上端面之间定位安装试样。在外壳下部外壳与固定座实现同轴固装，外壳内定位嵌装载荷检测机构的传感器座。支撑管由高强度轻质材料制成，X射线可容易穿透支撑管，并容易从显微成像中将支撑管图像去除；上盖所安装的调节螺钉保证样品与加载机构和传感器接触及保证一定的预紧力，并由锁紧机构锁紧，导向杆的上部与上盖的两个通孔配合，下端与传感器座连接固定。
本发明进行试样振动加载试验时的方法与步骤如下：
将试样固定在传感器座上端，将上夹具顺导向杆放置在试样上端，并将试样固定在上夹具下端，将中壳、支撑管、及上盖放置在上夹具上部，并将中壳与固定座相连，调节调节螺钉，固定好试样位置，安装试样完毕后，将整个装置放置在X射线显微成像仪器内部，给压电陶瓷输入电压，该输入电压的波形、幅值及频率可根据试验需要设定，压电陶瓷在输入电压作用下产生伸长和缩短变形，该变形通过驱动体的柔性铰链和传感器座的柔性铰链传递给试样，完成对试样的加载与卸载循环，力传感器实时检测施加在试样上的载荷大小和频率，并反馈给控制器，对输入电压的幅值和频率进行闭环控制，从而确保施加于试样的载荷大小和频率为设定值；在疲劳试验的过程中对样品进行X射线显微成像扫描，通过内部成像监测试样在交变载荷作用下其内部变形及裂纹扩展情况。

Claims (5)

1.一种用于X射线显微成像的材料振动加载试验***，其特征在于：由加载驱动机构、载荷检测机构及试样夹持机构三部分构成，加载驱动机构通过固定座与试样夹持机构同轴固装，在固定座内固装加载驱动机构；在加载驱动机构上端的试样夹持机构内同轴固装载荷检测机构，在载荷检测机构上端的试样夹持机构内设置试样。
2.根据权利要求1所述的用于X射线显微成像的材料振动加载试验***，其特征在于：所述加载驱动机构由驱动体、压电陶瓷、复位弹簧、弹簧调节螺钉和锁紧螺钉构成，驱动体为柔性铰链机构，在驱动体的下底中心轴部位制有轴向的盲孔，在盲孔内同轴通过锁紧螺钉固装压电陶瓷，压电陶瓷与盲孔的底端顶装；压电陶瓷驱动器的两端均为半球和锥面接触，实现自动对中，控制力的传递通过轴心；在盲孔两端柔性铰链处对称安装有两个弹簧调节螺钉，每一弹簧调节螺钉上穿装有复位弹簧。
3.根据权利要求1所述的用于X射线显微成像的材料振动加载试验***，其特征在于：所述载荷检测机构由连接法兰、传感器座和力传感器构成，连接法兰的下端底面与加载驱动机构的上端面紧密贴合连接，并通过对称布置的连接螺钉固定在一起；在连接法兰的上端固装传感器座，该传感器座内安装力传感器；传感器座上部与试样夹持机构定位嵌装，在传感器座上端面设置试样。
4.根据权利要求1所述的用于X射线显微成像的材料振动加载试验***，其特征在于：所述试样夹持机构由外壳、支撑管、上夹具、调节螺钉、上盖和导向杆构成，其中外壳、支撑管和上盖均采用胶接方式同轴连接为一体，在支撑管内同轴滑动安装上夹具，在上夹具上方的上盖上同轴竖直啮合安装调节螺钉，该调节螺钉的下端顶装在上夹具的上端面，该上夹具通过竖直对称的导向杆实施导向，该导向杆的下端固装在载荷检测机构的传感器座上，在上夹具与载荷检测机构传感器座上端面之间定位安装试样。
5.根据权利要求4所述的用于X射线显微成像的材料振动加载试验***，其特征在于：所述支撑管由高强度轻质材料制成，X射线可容易穿透支撑管，并容易从显微成像中将支撑管图像去除；上盖所安装的调节螺钉保证样品与加载机构和传感器接触及保证一定的预紧力，并由锁紧机构锁紧，导向杆的上部与上盖的两个通孔配合，下端与传感器座连接固定。
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Denomination of invention: A material vibration loading test system for X-ray microscopic imaging

Effective date of registration: 20210520

Granted publication date: 20160420

Pledgee: Bank of Beijing Limited by Share Ltd. Tianjin branch

Pledgor: TIANJIN SANYING PRECISION INSTRUMENTS Co.,Ltd.

Registration number: Y2021120000019

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Date of cancellation: 20220428

Granted publication date: 20160420

Pledgee: Bank of Beijing Limited by Share Ltd. Tianjin branch

Pledgor: TIANJIN SANYING PRECISION INSTRUMENTS CO.,LTD.

Registration number: Y2021120000019

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Denomination of invention: A material vibration loading test system for X-ray microscopic imaging

Effective date of registration: 20220815

Granted publication date: 20160420

Pledgee: Bank of China Limited Tianjin Dongli sub branch

Pledgor: TIANJIN SANYING PRECISION INSTRUMENTS CO.,LTD.

Registration number: Y2022980012554

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Granted publication date: 20160420

Pledgee: Bank of China Limited Tianjin Dongli sub branch

Pledgor: TIANJIN SANYING PRECISION INSTRUMENTS CO.,LTD.

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