CN108519291A - 基于电动缸驱动的高温拉伸-疲劳力学性能测试仪及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电动缸驱动的高温拉伸‑疲劳力学性能测试仪及方法，属于力学性能测试领域。包括移动平台，高温模块、测试模块，测试模块通过电动缸直接驱动，中间传动环节少，实现拉伸、疲劳单一载荷以及拉伸‑疲劳复合载荷的加载。高温模块采用双腔式高温加热炉，测试模块的夹具体单元可待双腔式高温加热炉达到指定温度后由移动平台带动，进入加热腔内部进行相关力学性能测试，以满足特定材料的测试需求。结构简单，传动环节少，测量精度高，有效的解决了温度加载过程中夹具的热变形对力学性能测试的影响。为揭示材料在温度场以及复合载荷耦合作用下的力学性能提供了新方法，对于指导未来资源探索、航空航天等方面都具有重要的现实意义。

Description

基于电动缸驱动的高温拉伸-疲劳力学性能测试仪及方法

技术领域

本发明涉及材料微观力学性能测试领域的精密科学仪器领域，特别涉及一种基于电动缸驱动的高温拉伸-疲劳力学性能测试仪及方法。该仪器可以对在高温条件下承受拉伸-疲劳载荷材料的失效机制进行研究，为揭示材料在温度场以及复合载荷耦合作用下的力学性能及微结构演化行为提供了新方法。

背景技术

材料是国民经济的基础和高新技术的支撑与先导。提高材料性能测试水平，是保障产品性能与使用寿命的关键。材料及其制品在交变载荷作用时，虽然其所受的载荷幅值远低于其屈服强度或抗拉强度，但经过反复的、长期的变形累积，最终仍会发生断裂破坏的行为。实践表明，机械部件或结构的破坏绝大多数是由疲劳引起的。由于缺乏对材料疲劳失效机理及疲劳微观力学性能的深入研究，各类因材料疲劳失效引起的事故因其难以预测性和极大破坏性而造成了巨大的经济损失。因此，开发研制能与原位观测手段集成的疲劳力学性能测试仪器迫在眉睫。

此外，材料及其制品服役环境复杂，不可避免受到多载荷多物理场耦合作用。而多数高压蒸汽锅炉、汽轮机、航空发动机等长期在高温条件下服役，此时依据常温下测得的力学参数进行设计，难以保证结构的安全性。因此，如果能在材料力学性能测试中，开发一种可以提供接近材料真实受力情况，模拟材料所处的真实环境的力学测试仪器，就能更加准确的获得材料在实际服役条件下的力学性能。

现有的高温拉伸-疲劳力学性能测试仪器，一般结构复杂，中间传动环节较多，例如2015年刘阳等人设计的高温原位拉伸-疲劳测试***及其测试方法（CN104913981A）；有些高温疲劳装置加载力小且加热环境为空气，例如2015年马志超等人设计开发的复合应力下微构件高温疲劳性能测试装置及方法（CN104677746A）；这样设计的缺点是：（1）中间传动环节多导致试件变形测量存在较大误差；（2）空气中加热会致使试件产生严重的氧化；（3）加载力小导致试件无法在塑性区域进行疲劳试验，使用受限。此外，现有多数高温力学性能测试仪器的夹具部分随加热腔同时升温，夹具热变形会对试验结果产生影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电动缸驱动的高温拉伸-疲劳力学性能测试仪及方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明具有以下特点：（1）中间传动环节小，试件变形测量相对精确；（2）采用电动缸驱动，疲劳加载力较大；（3）采用双腔式高温加热炉，夹具体可直接伸入指定温度的真空环境中进行相关力学性能测试。本发明提供了一种可以模拟材料真实服役状态下的高温拉伸-疲劳的实验方法，对于揭示材料疲劳失效的微观变化具有重要意义。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

基于电动缸驱动的高温拉伸-疲劳力学性能测试仪，整体采用卧式布置，包括力学性能测试模块、高温加载模块以及移动平台，所述力学性能测试模块置于移动平台上，移动平台实现力学性能测试模块的轴向运动；所述高温加载模块的双腔式高温加热炉7置于力学性能测试模块的一侧；双腔式高温加热炉达到设定温度后，移动平台带动力学性能测试模块的夹具体单元，进入双腔式高温加热炉的高温腔22内部进行力学性能测试。

所述的力学性能测试模块包括电动缸10、拉压传感器8、LVDT位移传感器14及夹具体单元，所述电动缸10通过电动缸支架9固连在平台Ⅰ5上，并通过法兰连接的方式经由拉压传感器8直接驱动夹具体单元的下夹具体Ⅰ18实现拉伸及往复疲劳运动；所述下夹具体Ⅰ18两侧装有水咀，以实现高温试验下的循环水冷却；夹具体单元的下夹具体Ⅱ30通过夹具体支架12固连在平台Ⅰ5上，下夹具体Ⅰ18与夹具体支架12之间采用O型圈密封；所述LVDT位移传感器14一端与下夹具体Ⅰ伸出端13接触，一端通过支架Ⅰ15固连在平台Ⅰ5上，通过测量下夹具体Ⅰ18的位移间接测量试件拉伸位移；所述下夹具体Ⅰ伸出端13通过螺栓连接的方式固连在下夹具体Ⅰ18上；夹具体单元的上夹具体Ⅰ、Ⅱ16、21通过螺纹连接的方式分别与下夹具体Ⅰ、Ⅱ18、30相连，实现试件的夹紧。

所述的高温加载模块加热温度可达1200℃，包括双腔式高温加热炉7、真空泵以及水冷***，所述双腔式高温加热炉7置于支架Ⅲ2上，由高温腔22和常温腔25组成，在温度加载过程中夹具体单元置于常温腔25中，待高温腔22达到设定温度后，夹具体单元移动到高温腔22内进行力学性能测试；所述常温腔25与下夹具体Ⅰ伸出端13采用O型圈密封；所述高温腔22采用钼块29进行加热，并采用钨网26进行隔热保温；所述钨网通过支架Ⅱ28固连到高温腔22腔体底部；高温腔22内部通过热电偶27实现温度的测量，实时监测调控高温腔22腔体内温度，通过PID调节实现温度的闭环控制；高温腔22腔体底部设有法兰盘连接口，用以连接真空泵；高温腔22腔体外壁装有水咀24，以实现高温试验下的循环水冷却；高温腔顶部留有观察视窗23，与光学显微镜集成，实现原位力学性能测试。

所述的移动平台通过电机6驱动，经由丝杠3、螺母副实现轴向移动；平台Ⅰ5通过滑块4置于导轨11上，整个力学性能测试模块置于移动平台上，从而实现轴向运动。

所述的夹具体单元包括上夹具体Ⅰ、Ⅱ16、21、下夹具体Ⅰ、Ⅱ18、30、导杆19以及定位销20，所述上夹具体Ⅰ、Ⅱ16、21、下夹具体Ⅰ、Ⅱ18、30采用仿形设计，与试件接触表面加工有凹槽；所述定位销20与下夹具体Ⅰ、Ⅱ18、30过盈配合；所述导杆19位于下夹具体Ⅰ、Ⅱ18、30之间，避免试件17在拉伸过程中产生剪切力；所述上夹具体Ⅰ、Ⅱ16、21通过螺栓与下夹具体Ⅰ、Ⅱ18、30固连。

所述的移动平台整体置于底板1上，双腔式高温加热炉置于支架Ⅲ2上，所述支架Ⅲ2通过螺纹连接的方式固连在底板1上。

本发明的另一目的在于提供一种基于电动缸驱动的高温拉伸-疲劳力学性能测试方法，采用钼棒实现室温~1200℃的加载温度，并对材料的损伤机制进行动态监测，具体步骤如下：

a、实验开始前，首先将夹具体单元复位，使用销将试件定位固定，并用上夹具体Ⅰ、Ⅱ将试件夹紧；

b、试件装夹完毕后，启动移动平台的电机，将夹具体单元及试件整体移入常温腔中；

c、准备工作结束后，进行高温加载：首先启动水冷***，对高温腔以及夹具体单元进行循环水冷；之后启动真空泵，当达到真空度要求后，关闭真空泵；然后设定加载温度，启动高温腔加热按钮；

d、当高温腔达到指定温度后，采用温度保持模式，然后移动平台的电机启动，将常温腔中的夹具体单元及试件送入高温腔中，保温2分钟；

e、高温加载结束后，将力传感器以及位移传感器示数清零，根据试验目的，设定拉伸、疲劳试验参数，启动电动缸，进行力学性能测试；

f、试验结束后，打开充气阀，使双腔式高温加热炉的气压与外界平衡，开启前门，待高温腔内温度与外界温度一致后，取出试件。

本发明的有益效果在于：本发明的基于电动缸驱动的高温拉伸-疲劳力学性能测试仪，结构简单，传动环节少，测量精度高，有效的解决了温度加载过程中夹具的热变形对力学性能测试的影响，为揭示材料在温度场以及复合载荷耦合作用下的力学性能提供了新方法，对于指导未来资源探索、航空航天等方面都具有重要的现实意义。

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为本发明的整体外观结构示意图；

图2为本发明的正视图；

图3为本发明的夹具体局部放大图；

图4为本发明的双腔式高温加热炉示意图；

图5为本发明的工作流程图。

图中：1、底板；2、支架Ⅲ；3、丝杠；4、滑块；5、平台Ⅰ；6、电机；7、高温加热炉；8、拉压传感器；9、电动缸支架；10、电动缸；11、导轨；12、夹具体支架；13、下夹具体Ⅰ伸出端；14、LVDT位移传感器；15、支架Ⅰ；16、上夹具体；17、试件；18、下夹具体Ⅰ；19、导杆；20、定位销；21、上夹具体；22、高温腔；23、观察视窗；24、水咀；25、常温腔；26、钨网；27、热电偶；28、支架Ⅱ；29、钼块；30、下夹具体Ⅱ。

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5所示，本发明的基于电动缸驱动的高温拉伸-疲劳力学性能测试仪，整体采用卧式布置，包括力学性能测试模块、高温加载模块以及移动平台，所述力学性能测试模块置于移动平台上，移动平台实现力学性能测试模块的轴向运动；所述高温加载模块的双腔式高温加热炉7置于力学性能测试模块的一侧；双腔式高温加热炉达到设定温度后，移动平台带动力学性能测试模块的夹具体单元，进入双腔式高温加热炉的高温腔22内部进行相关力学性能测试。

参见图1及图2所示，所述的力学性能测试模块包括电动缸10、拉压传感器8、LVDT位移传感器14及夹具体单元，所述电动缸10通过电动缸支架9固连在平台Ⅰ5上，并通过法兰连接的方式经由拉压传感器8直接驱动夹具体单元的下夹具体Ⅰ18实现拉伸及往复疲劳运动；所述下夹具体Ⅰ18两侧装有水咀，以实现高温试验下的循环水冷却；夹具体单元的下夹具体Ⅱ30通过夹具体支架12固连在平台Ⅰ5上，下夹具体Ⅰ18与夹具体支架12之间采用O型圈密封；所述LVDT位移传感器14一端与下夹具体Ⅰ伸出端13接触，一端通过支架Ⅰ15固连在平台Ⅰ5上，通过测量下夹具体Ⅰ18的位移间接测量试件拉伸位移；所述下夹具体Ⅰ伸出端13通过螺栓连接的方式固连在下夹具体Ⅰ18上；夹具体单元的上夹具体Ⅰ、Ⅱ16、21通过螺纹连接的方式分别与下夹具体Ⅰ、Ⅱ18、30相连，实现试件的夹紧。

参见图1及图4所示，所述的高温加载模块加热温度可达1200℃，包括双腔式高温加热炉7、真空泵以及水冷***，所述双腔式高温加热炉7置于支架Ⅲ2上，由高温腔22和常温腔25组成，在温度加载过程中夹具体单元置于常温腔25中，待高温腔22达到设定温度后，夹具体单元移动到高温腔22内进行相关力学性能测试；所述常温腔25与下夹具体Ⅰ伸出端13采用O型圈密封；所述高温腔22采用钼块29进行加热，并采用钨网26进行隔热保温；所述钨网通过支架Ⅱ28固连到高温腔22腔体底部；高温腔22内部通过热电偶27实现温度的测量，并与加热***形成闭环反馈，实时监测调控高温腔22腔体内温度，通过PID调节实现温度的闭环控制；高温腔22腔体底部设有法兰盘连接口，用以连接真空泵；高温腔22腔体外壁装有水咀24，以实现高温试验下的循环水冷却；高温腔顶部留有观察视窗23，与光学显微镜集成，实现原位力学性能测试。

参见图1及图2所示，所述的移动平台通过电机6驱动，经由丝杠3、螺母副实现轴向移动；平台Ⅰ5通过滑块4置于导轨11上，整个力学性能测试模块置于移动平台上，从而实现轴向运动。

参见图3所示，所述的夹具体单元包括上夹具体Ⅰ、Ⅱ16、21、下夹具体Ⅰ、Ⅱ18、30、导杆19以及定位销20，所述上夹具体Ⅰ、Ⅱ16、21、下夹具体Ⅰ、Ⅱ18、30采用仿形设计，与试件接触表面加工有凹槽，以增大摩擦；所述定位销20与下夹具体Ⅰ、Ⅱ18、30过盈配合，起定位作用，以保证试件与加载轴严格同轴；所述导杆19位于下夹具体Ⅰ、Ⅱ18、30之间，起导向作用，避免试件17在拉伸过程中产生剪切力；所述上夹具体Ⅰ、Ⅱ16、21通过螺栓与下夹具体Ⅰ、Ⅱ18、30固连。

参见图1所示，所述的移动平台整体置于底板1上，双腔式高温加热炉置于支架Ⅲ2上，所述支架Ⅲ2通过螺纹连接的方式固连在底板1上。

本发明的基于电动缸驱动的高温拉伸-疲劳力学性能测试仪的加热炉采用双腔式，有效的解决了温度加载过程中夹具的热变形对力学性能测试的影响，测量精度更高。

参见图1至图5所示，发明的基于电动缸驱动的高温拉伸-疲劳力学性能测试仪，在测试仪器安装前，首先需要对力传感器位移传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ进行标定与校准，之后在进行仪器的安装与调试。在每次实验结束之后，必须将夹具体单元回归原位，以便下一次实验试件的装夹。

发明的基于电动缸驱动的高温拉伸-疲劳力学性能测试仪的测试方法，采用钼棒实现室温~1200℃的加载温度，并对材料的损伤机制进行动态监测，具体步骤如下：

a、实验开始前，首先将夹具体单元复位，使用销将试件定位固定，并用上夹具体Ⅰ、Ⅱ将试件夹紧；

b、试件装夹完毕后，启动移动平台的电机，将夹具体单元及试件整体移入常温腔中；

c、准备工作结束后，进行高温加载：首先启动水冷***，对高温腔以及夹具体单元进行循环水冷；之后启动真空泵，当达到真空度要求后，关闭真空泵；然后设定加载温度，启动高温腔加热按钮；

d、当高温腔达到指定温度后，采用温度保持模式，然后移动平台的电机启动，将常温腔中的夹具体单元及试件送入高温腔中，保温2分钟；

e、高温加载结束后，将力传感器以及位移传感器示数清零，根据试验目的，设定拉伸、疲劳相关试验参数，启动电动缸，进行相关力学性能测试；

f、试验结束后，打开充气阀，使双腔式高温加热炉的气压与外界平衡，开启前门，待高温腔内温度与外界温度一致后，取出试件。

本发明的测试模块通过电动缸直接驱动，中间传动环节少，实现拉伸、疲劳单一载荷以及拉伸-疲劳复合载荷的加载。高温模块采用双腔式高温加热炉，测试模块的夹具部分可以待双腔式高温加热炉达到指定温度后由移动平台带动，进入加热腔内部进行相关力学性能测试，以满足特定材料的测试需求。本发明结构简单，传动环节少，测量精度高，有效的解决了温度加载过程中夹具的热变形对力学性能测试的影响。为揭示材料在温度场以及复合载荷耦合作用下的力学性能提供了新方法，对于指导未来资源探索、航空航天等方面都具有重要的现实意义。

材料的力学性能主要表现在材料在载荷作用下的变形和破坏性能等，材料的弹性模量、断裂极限、疲劳强度等参数是材料力学性能测试中最主要的测试对象。而材料在高温条件下往往会表现出与常温下截然不同的力学性能。金属在高温短时载荷的作用下，塑性增加，但是在高温长时载荷下，塑性却显著降低；此外温度和时间的联合作用还会影响金属材料的断裂路径。因此，研究力热耦合下材料的力学性能具有实际意义和应用价值。而本发明提供了一种高温拉伸-疲劳力学性能测试仪器，对于揭示材料在高温，复杂载荷作用下的损伤机制具有重要意义。

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。

Claims (7)

1.一种基于电动缸驱动的高温拉伸-疲劳力学性能测试仪，其特征在于：整体采用卧式布置，包括力学性能测试模块、高温加载模块以及移动平台，所述力学性能测试模块置于移动平台上，移动平台实现力学性能测试模块的轴向运动；所述高温加载模块的双腔式高温加热炉（7）置于力学性能测试模块的一侧；双腔式高温加热炉达到设定温度后，移动平台带动力学性能测试模块的夹具体单元，进入双腔式高温加热炉的高温腔（22）内部进行力学性能测试。

2.根据权利要求1所述的基于电动缸驱动的高温拉伸-疲劳力学性能测试仪，其特征在于：所述的力学性能测试模块包括电动缸（10）、拉压传感器（8）、LVDT位移传感器（14）及夹具体单元，所述电动缸（10）通过电动缸支架（9）固连在平台Ⅰ（5）上，并通过法兰连接的方式经由拉压传感器（8）直接驱动夹具体单元的下夹具体Ⅰ（18）实现拉伸及往复疲劳运动；所述下夹具体Ⅰ（18）两侧装有水咀，以实现高温试验下的循环水冷却；夹具体单元的下夹具体Ⅱ（30）通过夹具体支架（12）固连在平台Ⅰ（5）上，下夹具体Ⅰ（18）与夹具体支架（12）之间采用O型圈密封；所述LVDT位移传感器（14）一端与下夹具体Ⅰ伸出端（13）接触，一端通过支架Ⅰ（15）固连在平台Ⅰ（5）上，通过测量下夹具体Ⅰ（18）的位移间接测量试件拉伸位移；所述下夹具体Ⅰ伸出端（13）通过螺栓连接的方式固连在下夹具体Ⅰ（18）上；夹具体单元的上夹具体Ⅰ、Ⅱ（16、21）通过螺纹连接的方式分别与下夹具体Ⅰ、Ⅱ（18、30）相连，实现试件的夹紧。

3.根据权利要求1所述的基于电动缸驱动的高温拉伸-疲劳力学性能测试仪，其特征在于：所述的高温加载模块加热温度可达1200℃，包括双腔式高温加热炉（7）、真空泵以及水冷***，所述双腔式高温加热炉（7）置于支架Ⅲ（2）上，由高温腔（22）和常温腔（25）组成，在温度加载过程中夹具体单元置于常温腔（25）中，待高温腔（22）达到设定温度后，夹具体单元移动到高温腔（22）内进行力学性能测试；所述常温腔（25）与下夹具体Ⅰ伸出端（13）采用O型圈密封；所述高温腔（22）采用钼块（29）进行加热，并采用钨网（26）进行隔热保温；所述钨网通过支架Ⅱ（28）固连到高温腔（22）腔体底部；高温腔（22）内部通过热电偶（27）实现温度的测量，实时监测调控高温腔（22）腔体内温度，通过PID调节实现温度的闭环控制；高温腔（22）腔体底部设有法兰盘连接口，用以连接真空泵；高温腔（22）腔体外壁装有水咀（24），以实现高温试验下的循环水冷却；高温腔顶部留有观察视窗（23），与光学显微镜集成，实现原位力学性能测试。

4.根据权利要求1所述的基于电动缸驱动的高温拉伸-疲劳力学性能测试仪，其特征在于：所述的移动平台通过电机（6）驱动，经由丝杠（3）、螺母副实现轴向移动；平台Ⅰ（5）通过滑块（4）置于导轨（11）上，整个力学性能测试模块置于移动平台上，从而实现轴向运动。

5.根据权利要求1或2或3所述的基于电动缸驱动的高温拉伸-疲劳力学性能测试仪，其特征在于：所述的夹具体单元包括上夹具体Ⅰ、Ⅱ（16、21）、下夹具体Ⅰ、Ⅱ（18、30）、导杆（19）以及定位销（20），所述上夹具体Ⅰ、Ⅱ（16、21）、下夹具体Ⅰ、Ⅱ（18、30）采用仿形设计，与试件接触表面加工有凹槽；所述定位销（20）与下夹具体Ⅰ、Ⅱ（18、30）过盈配合；所述导杆（19）位于下夹具体Ⅰ、Ⅱ（18、30）之间，避免试件（17）在拉伸过程中产生剪切力；所述上夹具体Ⅰ、Ⅱ（16、21）通过螺栓与下夹具体Ⅰ、Ⅱ（18、30）固连。

6.根据权利要求1所述的基于电动缸驱动的高温拉伸-疲劳力学性能测试仪，其特征在于：所述的移动平台整体置于底板（1）上，双腔式高温加热炉置于支架Ⅲ（2）上，所述支架Ⅲ（2）通过螺纹连接的方式固连在底板（1）上。

7.一种基于电动缸驱动的高温拉伸-疲劳力学性能测试方法，其特征在于：采用钼棒实现室温至1200℃的加载温度，并对材料的损伤机制进行动态监测，具体步骤如下：

a、实验开始前，首先将夹具体单元复位，使用销将试件定位固定，并用上夹具体Ⅰ、Ⅱ将试件夹紧；

b、试件装夹完毕后，启动移动平台的电机，将夹具体单元及试件整体移入常温腔中；

c、准备工作结束后，进行高温加载：首先启动水冷***，对高温腔以及夹具体单元进行循环水冷；之后启动真空泵，当达到真空度要求后，关闭真空泵；然后设定加载温度，启动高温腔加热按钮；

d、当高温腔达到指定温度后，采用温度保持模式，然后移动平台的电机启动，将常温腔中的夹具体单元及试件送入高温腔中，保温2分钟；

e、高温加载结束后，将力传感器以及位移传感器示数清零，根据试验目的，设定拉伸、疲劳试验参数，启动电动缸，进行力学性能测试；

f、试验结束后，打开充气阀，使双腔式高温加热炉的气压与外界平衡，开启前门，待高温腔内温度与外界温度一致后，取出试件。