CN110715862B - 拉扭复合-力热耦合工况下材料力学性能测试仪器与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种拉扭复合‑力热耦合工况下材料力学性能测试仪器与方法，属于精密仪器装备领域。包括支撑模块、拉伸加载模块、扭转加载模块、高温加载模块和原位监测模块，拉伸加载模块的拉伸电机固定在斜齿轮减速机一的一侧，斜齿轮减速机一的另一侧通过固定螺栓一固定在支撑模块的上底座上，对被测试样实现双向同步拉伸加载。本发明可在高温环境下，对被测试样开展拉伸—扭转复合载荷的加载与测试，动态测试高温、拉伸‑扭转复杂机械载荷作用下材料的力学行为与性能演化规律，具有整机结构稳定、兼容模块丰富、测试精度高、载荷加载的环境复杂度高等特点。为材料研发制备、机械装备的优化设计及其寿命预测和可靠性评估提供重要的基础与支撑。
Description
技术领域
本发明涉及精密仪器装备领域，特别涉及一种用于测试表征材料力学性能的精密仪器装备，尤指一种拉扭复合-力热耦合工况下材料力学性能测试仪器与方法。该仪器装备可实现对被测试样在高温环境下的拉伸/压缩—扭转载荷复合加载，并集成原位监测模块，实时动态地观测材料在复杂机械载荷作用下的力学行为与性能演化规律。本发明为材料在复杂静动态机械载荷、极端物理场中的服役性能研究提供了新的测试方法和思路；同时为材料研发制备、机械装备的优化设计及其寿命预测和可靠性评估提供重要的基础与支撑。
背景技术
材料的开发与应用是国家工业的发展基石，小到机械零部件的材料革新，大到飞机导弹、军舰飞船的轻量化选材，都在凸显材料在国民生活中的重要地位，因此对材料的力学性能测试研究可推动多个领域的并行发展。材料的力学性能测试技术可分宏观、介观及微观测试，常见的拉伸、压缩、扭转、弯曲、疲劳测试等均是对试样施加力学载荷；电场、磁场、温度场等物理场可与力学载荷耦合在一起，实现多物理场与多种机械载荷复合加载，模拟材料在复杂服役环境中的工况条件，但其测试一般为离位测试，无法实时动态地观测材料的内部组织形貌及断口、缺陷处的金相组织变化。随着科技的不断革新，微机电***(MEMS)及显微成像技术的迅猛发展，材料测试装备可搭载如高景深显微镜、原子力显微镜等显微成像设备，实时观察材料的微观结构变化，开展材料微观结构变化的内在机理与宏观力学性能相结合的研究工作，综合表征材料的各项性能。
从上世纪80年代开始，一些西方国家致力于研究材料的内部应变、缺陷处的残余应力等，并取得了一系列成果，开发了测试各类载荷的试验仪器，国内试验机研发领域起步较晚，在材料测试装备的精度、载荷大小和稳定性方面较国外还有一定差距。传统的对试样进行拉伸、扭转、弯曲、疲劳测试技术，多采用单一载荷加载形式，且无法在试验过程中实时监测试样的微观结构变化，诸如此类，常规的力学性能测试装备无法模拟材料在实际环境中的工况条件。复杂环境下的固体试样受多种因素的影响，如高低温、强弱磁场及电场等物理场和拉压弯扭等复杂力学载荷等。目前，国际上已研制出复合载荷试验装备并投入量产，但价格昂贵且只能实现单一加载或依次加载；再者，研究材料在高温物理场及变温加载过程中力学行为与性能演变规律是国内外研究学者的关注热点，现有研究中，鲜少有在高温环境中静动态机械载荷复合加载的原位测试装备。即较大程度地限制了人类对新型材料的探索和研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种拉扭复合-力热耦合工况下材料力学性能测试仪器与方法，解决了现有技术存在的试验机加载载荷类型单一、无外加物理场、无法将原位观测和力学载荷加载、物理场加载耦合于一体等问题。本发明所涉及的是在高温环境下，对固体试样进行多载荷预加载和多载荷复合加载，其中，拉伸加载模块、扭转加载模块和高温加载模块可独立加载也可组合式加载，模块相互独立，满足多因素耦合的模块化设计思想。试验装备集成数据采集和可视窗口，搭载原位监测模块实时监测材料在高温环境下，拉伸、扭转载荷复合加载过程中的表征形变和微观组织形貌变化，及时将图像信息反馈给终端控制单元，使整个测试***形成闭环网络。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
拉扭复合-力热耦合工况下材料力学性能测试仪器，包括支撑模块1、拉伸加载模块2、扭转加载模块3、高温加载模块4和原位监测模块，所述拉伸加载模块2的拉伸电机13固定在斜齿轮减速机一14的一侧，所述斜齿轮减速机14的另一侧通过固定螺栓一22固定在支撑模块1的上底座12上，对被测试样72实现双向同步拉伸加载；
所述扭转加载模块3通过扭转支撑座25上的法兰螺母座27与拉伸加载模块2的丝杠螺母副机构耦合在一起，扭转电机53及斜齿轮减速机二52通过电机座50与扭转支撑板42刚性连接，实现对被测试样72双端静态扭转载荷同步加载；
所述高温加载模块4通过X型支座63与支撑模块1的支撑板7刚性连接，并通过上部动密封波纹管57和下部动密封波纹管58分别与扭转加载模块3的上法兰连接件70和下法兰连接件73刚性连接，构成真空环境或填充惰性气体用以隔绝氧气，防止被测试样72在高温加载过程中发生氧化反应，影响实验结果。
所述的支撑模块1采用立式四立柱的布局方式，上底座12、下底座10和支撑板7通过锁紧螺母5与四根立柱11刚性连接，导向板一6和导向板二8与立柱11之间设有衬套32，所述衬套32通过M6螺钉33固定在导向板二8上，所述衬套32通过M5螺钉29与挡圈30固定，所述挡圈30与衬套32之间装有防尘圈31，下底座10固定在隔振台9上。
所述的拉伸加载模块2的拉伸电机13与斜齿轮减速机一14刚性连接，所述斜齿轮减速机一14的输出轴通过键连接的方式与连轴套16上端配合；所述连轴套16在轴间处成对安装角接触球轴承三21，所述角接触球轴承三21承受径向、轴向双向联合载荷，并限制连轴套16在一个方向的轴向位移，且将轴向力传递给支撑模块1的上底座12，由与立柱11配合的锁紧螺母5承受剪切力；所述连轴套16下端与丝杠19固定在一起，丝杠19将拉伸电机13输出轴的旋转运动转化为螺母18的直线运动；所述丝杠19与螺母18之间的滚动元件是均布的螺纹滚柱17。
所述的扭转加载模块3包括斜齿轮减速机二52、扭转电机53，扭转电机53与斜齿轮减速机二52固连在一起，所述斜齿轮减速机二52的另一端固定在电机座50上，所述斜齿轮减速机二52的输出轴与扭转轴51通过键连接配合，所述扭转轴51的另一端轴间处安装深沟球轴承一43，与所述深沟球轴承一43配套使用的轴承小端盖44固定在轴承座45上。
所述的扭转加载模块3的斜齿轮减速机二52降速增扭后，动力经斜齿轮减速机二52的输出轴传递给扭转轴51，所述扭转轴51与中心轴39之间通过同步带47、小带轮48和大带轮37传动，所述中心轴39一端连接圆光栅编码器24，另一端通过中间连接件一69与夹具组件相连，扭转支撑板42通过螺栓连接固定在扭转支撑座25上，所述扭转支撑座25内的角接触球轴承一36与中心轴39配合，限制中心轴39径向位移；所述中心轴39的另一侧轴间处成对安装角接触球轴承二41，所述角接触球轴承二41外径与扭转支撑座25内孔配合，扭转支撑板42、扭转支撑座25是整个扭转加载模块3的传动基础，可限制中心轴39的自由度，使其只能实现绕轴线转动，从而完成扭转载荷加载。
所述的高温加载模块4采用高温热炉的加热方式，炉体为立式方形结构，通过X型支座63与支撑模块1的支撑板7刚性连接，所述X型支座63通过滑块60在导轨62上移动，可调整高温热炉的高度，实现高温加载模块4在Z方向上的移动；所述高温加载模块4的前炉门65装有石英玻璃观测窗64和高温比色计观测孔67；双层的石英玻璃观测窗64镶嵌在前炉门65的中心观察孔处，外层石英玻璃用压板压紧，固定在前炉门65外壁上，所述石英玻璃观测窗64与高温热炉炉体59是相互独立的模块，可根据工况条件进行安装与拆卸。
所述的高温加载模块4的高温热炉的炉腔材料为氧化铝陶瓷纤维材料，在炉腔表面涂满高温氧化铝涂层，所述高温加载模块4采用三梯度保温层55结构，炉衬+纤维棉+纤维炉腔，保温材料为多晶莫来石陶瓷纤维材料+氧化铝纤维材料。
所述的高温加载模块4的加热元件为U型硅钼棒54，在陶瓷纤维炉腔56中竖直悬挂U型硅钼棒54，高温热炉设计成单侧开门的形式，选用三组U型硅钼棒54分别悬挂安装在炉体的三个平面，三组U型硅钼棒54串联在一起。
所述的高温加载模块4的前炉门65设有高温比色计观测孔67，比色计热探头与高温比色计观测孔67配合，测量试样的环境温度。
本发明的另一目的在于提供一种拉扭复合-力热耦合工况下材料力学性能测试方法，包括如下步骤：
步骤一：检查试验装备的各子模块及安装被测试样72。分析试验目的、载荷类型、载荷大小以及所需的温度环境。检查试验装备的各子模块及连接件是否正常，启动拉伸加载模块2的拉伸电机13及其配套的斜齿轮减速机一14，将高温夹具组件及中间连接件调整到适当的高度，打开高温热炉的前炉门65，将被测试样72安装到高温夹具组件当中并调整夹具使之加紧，关闭前炉门65。
步骤二：清零传感器数据及提供高温环境。在加载实验开始时，同步清零光栅尺位移传感器、圆光栅角位移传感器、拉扭复合力传感器数据，及可能存在的引伸计、温度传感器等数据。被测试样72在不同温度环境下的加载由高温加载模块4提供，利用外部设备抽取高温热炉炉腔内的空气，至达到实验所需的真空度。温度控制器向高温热炉炉腔内三段U型硅钼棒54通入大小不一的电压使其发热，加热方式为热辐射加热，使被测试样72处于不同的温度环境，通过高温比色计实时动态地监测被测试样72标距段的温度。
步骤三：对被测试样72实施等速率双边拉伸-扭转载荷加载。上、下对称的拉伸加载模块2对被测试样72实施等速率拉伸载荷加载，上、下对称的扭转加载模块3对被测试样72实施等速率的扭转载荷加载。双边同步拉伸及扭转可以保障被测试样72的中心点在实验过程中的绝对位置不发生变化，以便进行原位观测及微观尺度上的原位跟踪。
步骤四：传感器数据采集。在实验过程中，力学载荷由拉伸扭转复合传感器实时采集、实验环境温度由温度传感器实时采集、拉伸位移由光栅尺位移传感器实时采集、扭转角位移由圆光栅角位移传感器实时采集，以上数据经仪器配套软件计算后可以实时输出曲线，包括不限于拉伸力-拉伸位移曲线、扭矩-扭转角曲线、温度-时间曲线等。
步骤五：原位观测及微观尺度上的原位跟踪。原位监测模块的调整平台82实现微观组织形貌观测设备80和表征形变观测设备81的切换使用，以及二者在轴向、径向的微小位移调整。实现对被测试样72标距段的微观组织形貌和表征形变的实时动态监测。
步骤六：试验结束后对被测试样72进行卸载，对加热腔进行降温处理后取出被测试样72，导出实验数据并关闭测试仪器。
相较于现有技术，本发明的有益效果在于：提供了一种新的拉伸—扭转载荷加载方式，包括拉伸、扭转加载模块的传动机构和拉伸、扭转耦合件；并集成高温加载模块，创新性地提出了高温热炉的内部结构，包括三梯度保温层和陶瓷纤维炉腔等；本发明所涉及的试验装备采用立式结构，对中性好、同轴度较高，机体刚度高，结构紧凑，各子模块相互独立，满足多因素耦合的模块化设计思想；可在室温～1500℃的温度区间内，对试样进行单一载荷加载或多种载荷复合加载。在支撑模块中集成原位监测模块，包括微观组织形貌观测设备、表征形变观测设备等，可实时监测材料在高温环境中，拉伸—扭转载荷作用下的微观组织形貌及断口缺陷处的金相组织变化，亦可根据传感器及其他数据采集模块反馈的资料，建立本构关系和复杂载荷作用下的耦合数学模型，研究材料的宏观力学性能。
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是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明加载原位监测模块结构示意图；
图3是本发明单一载荷/复合载荷耦合加载示意图；
图4是本发明的支撑模块结构示意图；
图5是本发明的拉伸加载模块剖视图；
图6是本发明的扭转加载模块剖视图；
图7、图8是本发明的高温加载模块结构示意图；
图9是本发明的机械加载方式示意图。
图中：1、支撑模块；2、拉伸加载模块；3、扭转加载模块；4、高温加载模块；5、锁紧螺母；6、导向板一；7、支撑板；8、导向板二；9、隔震台；10、下底座；11、立柱；12、上底座；13、拉伸电机；14、斜齿轮减速机一；15、M14内六角螺栓；16、连轴套；17、螺纹滚柱；18、螺母；19、丝杠；20、轴承端盖；21、角接触球轴承三；22、固定螺栓一；23、固定螺栓二；24、圆光栅编码器；25、扭转支撑座；26、定位螺钉；27、法兰螺母座；28、内六角螺栓；29、M5螺钉；30、挡圈；31、防尘圈；32、衬套；33、M6螺钉；34、密封圈一；35、调整垫片；36、角接触球轴承一；37、大带轮；38、密封圈二；39、中心轴；40、轴承大端盖；41、角接触球轴承二；42、扭转支撑板；43、深沟球轴承一；44、轴承小端盖；45、轴承座；46、套筒；47、同步带；48、小带轮；49、深沟球轴承二；50、电机座；51、扭转轴；52、斜齿轮减速机二；53、扭转电机；54、U型硅钼棒；55、三梯度保温层；56、陶瓷纤维炉腔；57、上部动密封波纹管；58、下部动密封波纹管；59、高温热炉箱体；60、滑块；61、定位座；62、导轨；63、X型支架；64、石英玻璃观测窗；65、前炉门；66、炉门把手；67、光电比色计观测孔；68、上扭转箱体；69、中间连接件一；70、上法兰连接件；71、固定螺钉；72、被测试样；73、下法兰连接件；74、下扭转箱体、75、中间连接件二；76、下拉力传感器；77、下高温夹具；78、上高温夹具；79、上拉力传感器；80、微观组织形貌观测设备；81、表征形变观测设备；82、调整平台。
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到图9所示，本发明的拉扭复合-力热耦合工况下材料力学性能测试仪器与方法，该仪器装备主要包括：支撑模块1、拉伸加载模块2、扭转加载模块3、高温加载模块4和原位监测模块。其中，支撑模块1是整个试验装备的结构支撑，采用立式四立柱的布局方案，便于装夹与定位，且方便搭载原位监测模块在复杂工况条件下进行试验，符合多因素耦合的模块化设计思想；拉伸加载模块2由电动动力源驱动，滚柱丝杠螺母副机构传动，可对试样施加双向同步拉伸载荷；扭转加载模块3通过耦合件与拉伸加载模块耦合在一起，可对试样施加双向同步扭转载荷；高温加载模块4采用高温热炉的加热方式，用于对试样施加高温物理场，提供室温～1500℃的变温环境。可在高温环境下，对被测试样72开展拉伸—扭转复合载荷的加载与测试，动态测试高温、拉伸-扭转复杂机械载荷作用下材料的力学行为与性能演化规律，具有整机结构稳定、兼容模块丰富、测试精度高、载荷加载的环境复杂度高等特点。为材料研发制备、机械装备的优化设计及其寿命预测和可靠性评估提供重要的基础与支撑。
参见图1及图2所示，本发明的拉扭复合-力热耦合工况下材料力学性能测试仪器，包括支撑模块1、拉伸加载模块2、扭转加载模块3、高温加载模块4和原位监测模块，所述支撑模块1是整个测试仪器的结构支撑，采用立式四立柱的布局方式，便于装夹与定位，且具有减振效果；拉伸加载模块2的拉伸电机13选用商业化的交流伺服电机及其配套的斜齿轮减速机14驱动，所述拉伸电机13通过固定螺栓二23固定在斜齿轮减速机一14的一侧，所述斜齿轮减速机14的另一侧通过固定螺栓一22固定在支撑模块1的上底座12上，用于对被测试样72实现双向同步拉伸加载；
所述扭转加载模块3通过扭转支撑座25上的法兰螺母座27与拉伸加载模块2的丝杠螺母副机构耦合在一起，选用商业化的扭转电机53及其配套的斜齿轮减速机二52通过电机座50与扭转支撑板42刚性连接，选用同步带轮传递扭矩，用于实现对被测试样72双端静态扭转载荷同步加载；
所述高温加载模块4通过X型支座63与支撑模块1的支撑板7刚性连接，并通过上部动密封波纹管57和下部动密封波纹管58分别与扭转加载模块3的上法兰连接件70和下法兰连接件73刚性连接，可构成真空环境或填充惰性气体用以隔绝氧气，防止被测试样72在高温加载过程中发生氧化反应，影响实验结果。
参见图3及图6所示，所述的支撑模块1包括锁紧螺母5、导向板一6、支撑板7、导向板二8、隔振台9、下底座10、立柱11、上底座12等，所述支撑模块1是拉伸加载模块2、扭转加载模块3、高温加载模块4和原位监测模块的结构支撑，使各个子模块相互独立，并具有隔振效果。采用立式四立柱的布局方式，上底座12、下底座10和支撑板7通过锁紧螺母5与四根立柱11刚性连接，导向板一6和导向板二8与立柱11之间设有衬套32，所述衬套32通过M6螺钉33固定在导向板二8上，所述衬套32通过M5螺钉29与挡圈30固定，所述挡圈30与衬套32之间装有防尘圈31，防止导向板二8在立柱11上移动过程中，空气中的灰尘和颗粒进入导向机构中，影响试验精度。四根立柱11的选材为45钢，为防止所述立柱11与空气发生氧化反应导致生锈，可在其表面镀一层铬。应用10根M14螺钉将下底座10固定在隔振台9上，防止测试仪器在工作过程中，产生较大振动。
参见图5所示，所述的拉伸加载模块2采用电动动力源驱动，通过斜齿轮减速机一14降速，滚柱丝杠螺母副机构将旋转运动转为直线运动，从而实现准静态拉伸加载；包括拉伸电机13、斜齿轮减速机一14、M14内六角螺栓15、连轴套16、螺纹滚柱17、螺母18、丝杠19、轴承端盖20、角接触球轴承三21、固定螺栓一22、固定螺栓二23等，可对被测试样72实现双向同步拉伸载荷加载。拉伸电机13与斜齿轮减速机一14通过固定螺栓二23刚性连接，所述斜齿轮减速机一14的输出轴通过键连接的方式与自制的连轴套16上端配合；所述连轴套16在轴间处成对安装角接触球轴承三21，轴承端盖20通过M14内六角螺栓15固定在支撑模块1的上底座12下表面。所述角接触球轴承三21能承受径向、轴向双向联合载荷，接触角不同轴承所能承受的载荷也不同。所述角接触球轴承21还能限制连轴套16在一个方向的轴向位移，且可将轴向力传递给支撑模块1的上底座12，由与立柱11配合的锁紧螺母5承受剪切力；所述连轴套16下端与丝杠19通过螺栓连接固定在一起，丝杠19将拉伸电机13输出轴的旋转运动转化为螺母18的直线运动；经综合分析计算，宜选用滚柱丝杠19进行传动，相较于传统的滚珠丝杠，采用滚柱丝杠19传动的最大优势在于所述丝杠19与螺母18之间的滚动元件是均布的螺纹滚柱17。
参见图6所示，所述的扭转加载模块3包括圆光栅编码器24、扭转支撑座25、定位螺钉26、法兰螺母座27、内六角螺栓28、M5螺钉29、挡圈30、防尘圈31、衬套32、M6螺钉33、密封圈一34、调整垫片35、角接触球轴承一36、大带轮37、密封圈二38、中心轴39、轴承大端盖40、角接触球轴承二41、扭转支撑板42、深沟球轴承一43、轴承小端盖44、轴承座45、套筒46、同步带47、小带轮48、深沟球轴承二49、电机座50、扭转轴51、斜齿轮减速机二52、扭转电机53，可对被测试样72实现双向同步扭转载荷加载。拉伸加载模块2与扭转加载模块3的耦合件为法兰螺母座27，所述法兰螺母座27通过定位螺钉26固定在扭转支撑座25上；导向板二8与扭转支撑座25通过内六角螺栓28刚性连接。扭转电机53通过螺栓连接与斜齿轮减速机二52固连在一起，所述斜齿轮减速机二52的另一端固定在电机座50上，所述斜齿轮减速机二52的输出轴与扭转轴51通过键连接配合，所述扭转轴51的一端轴间处安装6004深沟球轴承二49，所述扭转轴51的另一端轴间处安装6004深沟球轴承一43，与所述深沟球轴承一43配套使用的轴承小端盖44通过螺栓连接固定在轴承座45上，所述电机座50和轴承座45作为整个驱动单元的基础和支撑，起到了限位和导向的作用。
所述的扭转加载模块3的斜齿轮减速机二52降速增扭后，动力经斜齿轮减速机二52的输出轴传递给扭转轴51，所述扭转轴51与中心轴39之间通过同步带47、小带轮48和大带轮37传动，所述小带轮48与扭转轴51之间通过键连接配合，所述扭转轴51外装有套筒46，起连接和支撑的作用。所述中心轴39一端连接圆光栅编码器24，另一端通过中间连接件一69与夹具组件相连，扭转支撑板42通过螺栓连接固定在扭转支撑座25上，所述扭转支撑座25内的角接触球轴承一36与中心轴39配合，限制中心轴39径向位移，与所述角接触球轴承一36配合使用的轴承端盖内安装密封圈一34，所述轴承端盖与扭转支撑座25之间装有调整垫片35；所述中心轴39的另一侧轴间处成对安装7316B角接触球轴承二41，所述角接触球轴承二41外径与扭转支撑座25内孔配合，所述角接触球轴承二41与轴承大端盖40配合使用，所述轴承大端盖40内部装有密封圈二38；扭转支撑板42、扭转支撑座25是整个扭转加载模块3的传动基础，可限制中心轴39的自由度，使其只能实现绕轴线转动，从而完成扭转载荷加载。
参见图7及图8所示，所述的高温加载模块4包括硅钼棒54、三梯度保温层55、陶瓷纤维炉腔56、上部动密封波纹管57、下部动密封波纹管58、高温热炉箱体59、滑块60、定位座61、导轨62、X型支座63、石英玻璃观测窗64、前炉门65、炉门把手66、光电比色计观测孔67等，采用高温热炉的加热方式，加热元件为硅钼棒54，可对被测试样72提供室温～1500℃的变温环境。高温加载模块4采用高温热炉的加热方式，炉体为立式方形结构，通过X型支座63与支撑模块1的支撑板7刚性连接，所述X型支座63通过滑块60在导轨62上移动，可调整高温热炉的高度，实现高温加载模块4在Z方向上的移动，所述导轨62与定位座61焊接在一起，所述定位座61与支撑模块1的支撑板7通过螺栓刚性连接；所述高温加载模块4的前炉门65装有石英玻璃观测窗64和高温比色计观测孔67；原位观测窗口采用双层石英玻璃制成，石英玻璃的线膨胀系数极小，由于其具有很高的耐热性和化学稳定性，内层石英玻璃可承受所设工况条件下的高温环境，双层的石英玻璃观测窗64镶嵌在前炉门65的中心观察孔处，外层石英玻璃用压板压紧，通过的螺栓固定在前炉门65外壁上，所述石英玻璃观测窗64与高温热炉炉体59是相互独立的模块，可根据工况条件进行安装与拆卸；所述前炉门65外壁装有炉门把手66，两者焊接在一起。
所述的高温加载模块4的高温热炉的炉腔材料为氧化铝陶瓷纤维材料，在设定工况条件下室温～1500℃，陶瓷材料的熔点较高，一般为2000℃以上，且相较于其他熔点高的材料，陶瓷在高温环境中具有极高的化学稳定性，且导热系数小，硬度大一般为1500HV以上，抗拉强度大，满足试验装备的设计要求；可在炉腔表面涂满高温氧化铝涂层，氧化铝的熔点为2054℃，可提高加热效率和炉腔的使用寿命；所述高温加载模块4采用三梯度保温层55结构，炉衬+纤维棉+纤维炉腔，保温材料为多晶莫来石陶瓷纤维材料+氧化铝纤维材料，具有极好的保温效果，且热能损耗较少。
所述的高温加载模块4的加热元件为U型硅钼棒54，所述U型硅钼棒54与陶瓷类似，都是耐高温抗氧化的材料，两者在常温下是脆性材料，易产生开裂现象，若温度持续升高，“U”型硅钼棒54会变成塑性材料，质地***，故在陶瓷纤维炉腔56中竖直悬挂U型硅钼棒54，高温热炉设计成单侧开门的形式，选用三组U型硅钼棒54分别悬挂安装在炉体的其他三个平面，棒体的发热温度最高可达1800℃，三组U型硅钼棒54串联在一起，用铝箔作为导线材料。所述的高温加载模块4的前炉门65设有高温比色计观测孔67，比色计热探头与高温比色计观测孔67配合，测量试样的环境温度，再将温度反馈至智能温控仪表。
参见图2所示，所述原位监测模块包括微观组织形貌观测设备80、表征形变观测设备81、调整平台82。原位监测模块通过螺钉与支撑模块1的支撑板7刚性连接，微观组织形貌观测设备80和表征形变观测设备81安装在高温加载模块4前方的调整平台82上，两者可同时使用也可切换使用，通过高温加载模块4的石英玻璃观测窗64实时动态地观测被测试样72在复杂机械载荷作用下的力学行为与性能演化规律。调整平台82可调整微观组织形貌观测设备80和表征形变观测设备81沿被测试样72的轴向、径向移动。
参见图6至图9所示，所述扭转加载模块3的上扭转箱体68内的中心轴39通过中间连接件一69与上拉力传感器79刚性连接，同理下扭转箱体74的中心轴39通过中间连接件二75与下拉力传感器76刚性连接。所述上拉力传感器79测得拉伸加载模块2对被测试样72施加的拉伸力，是绘制应力—应变曲线的重要数据资料，在此基础上获得各项拉伸性能指标；上法兰连接件70一端与上拉力传感器79固定，一端置于上高温夹具78，夹具组上、下与法兰连接件上、下均有相同的螺纹孔，用相同型号的固定螺钉71固定；所述高温加载模块4的上部动密封波纹管57、下部动密封波纹管58和上法兰连接件70、下法兰连接件74的法兰结构均有同一型号的螺纹孔，采用同一型号的螺栓刚性连接。
本发明涉及一种拉扭复合-力热耦合工况下材料力学性能测试方法与仪器，可在高温物理场中同时加载拉伸、扭转载荷，也可将两个子模块独立开来，分别对试样施加拉伸载荷、扭转载荷。试验装备集成石英可视窗端口，可搭载原位测试仪器实时监测试样在施加载荷过程中的力学性能变化。所述的拉伸加载模块2采用交流伺服电机和配套使用的斜齿轮减速机作为动力源，所述斜齿轮减速机的输出轴通过键连接与自制的连轴套16上端配合，所述连轴套16另一端与滚珠丝杠19的一端通过螺栓组配合连接，传动组件是丝杠螺母副机构，将电机轴输出的旋转运动转化为螺母的直线运动，实现准静态拉伸加载，采用滚柱丝杠传动最大的优势在于丝杠19与螺母18之间的滚动元件是均布的螺纹滚柱17，螺纹滚柱17相较于滚珠丝杠的滚动体有更多的接触点支撑拉伸载荷，使得整个传动组件有更高的抗冲击能力；所述的扭转加载模块3采用电动动力源驱动，动力经电机输出轴传递给扭转轴，扭转轴51与中心轴39之间通过同步带轮传动，实现扭转载荷加载；所述高温加载模块4采用高温热炉的加热形式，加热元件为U型硅钼棒54，将炉内抽成真空或通入惰性气体，防止试样在高温环境下，氧化变形，影响实验结果；所述的高温热炉与支撑模块1的支撑板7通过X型支座63刚性连接，所述X型支座63高度可调，方便搭载原位观测模块或其他功能模块。
本发明的另一目的在于提供一种拉扭复合-力热耦合工况下材料力学性能测试方法，包括如下步骤：
步骤一：检查试验装备的各子模块及安装被测试样72。分析试验目的、载荷类型、载荷大小以及所需的温度环境。检查试验装备的各子模块及连接件是否正常，启动拉伸加载模块2的拉伸电机13及其配套的斜齿轮减速机一14，将高温夹具组件及中间连接件调整到适当的高度，打开高温热炉的前炉门65，将被测试样72安装到高温夹具组件当中并调整夹具使之加紧，关闭前炉门65。
步骤二：清零传感器数据及提供高温环境。在加载实验开始时，同步清零光栅尺位移传感器、圆光栅角位移传感器、拉扭复合力传感器数据，及可能存在的引伸计、温度传感器等数据。被测试样72在不同温度环境下的加载由高温加载模块4提供，利用外部设备抽取高温热炉炉腔内的空气，至达到实验所需的真空度。温度控制器向高温热炉炉腔内三段U型硅钼棒54通入大小不一的电压使其发热，加热方式为热辐射加热，使被测试样72处于不同的温度环境，通过高温比色计实时动态地监测被测试样72标距段的温度。
步骤三：对被测试样72实施等速率双边拉伸-扭转载荷加载。上、下对称的拉伸加载模块2对被测试样72实施等速率拉伸载荷加载，上、下对称的扭转加载模块3对被测试样72实施等速率的扭转载荷加载。双边同步拉伸及扭转可以保障被测试样72的中心点在实验过程中的绝对位置不发生变化，以便进行原位观测及微观尺度上的原位跟踪。
步骤四：传感器数据采集。在实验过程中，力学载荷由拉伸扭转复合传感器实时采集、实验环境温度由温度传感器实时采集、拉伸位移由光栅尺位移传感器实时采集、扭转角位移由圆光栅角位移传感器实时采集，以上数据经仪器配套软件计算后可以实时输出曲线，包括不限于拉伸力-拉伸位移曲线、扭矩-扭转角曲线、温度-时间曲线等。
步骤五：原位观测及微观尺度上的原位跟踪。原位监测模块的调整平台82实现微观组织形貌观测设备80和表征形变观测设备81的切换使用，以及二者在轴向、径向的微小位移调整。实现对被测试样72标距段的微观组织形貌和表征形变的实时动态监测。
步骤六：试验结束后对被测试样72进行卸载，对加热腔进行降温处理后取出被测试样72，导出实验数据并关闭测试仪器。
参照图3所示，本发明的相关公式如下：
(1)、拉伸过程中，工程应力σ与工程应变ε的关系曲线，简称应力-应变曲线，该曲线是表征材料试样拉伸行为的重要资料，工程应力σ可表示为：
其中F为试样所受到的拉伸载荷，A0为试样未拉伸时的原始截面面积。
工程应变为：
式中，l0为试样原始标距段长度，Δl为拉伸过程中的伸长量。
但工程应变无法完全反映试样在拉伸过程中的真实情况，因为试样的截面积和长度随着拉伸力的增大而不断变化，即瞬时的真实应力为
当拉伸力F有一增量ΔF时，试样在瞬时长度l的基础上有一增量Δl,于是应变的微分增量应为则试样从l0增加至l后，真实的应变量为
工程应变与真实应变的关系为
这就说明试样在进行拉伸试验时，真实应变总是大于工程应变。
工程应力与真实应力的关系为
S＝σ(1+ε)
这就说明试样在进行拉伸试验时，真实应力总是大于工程应力。
(2)、本发明涉及的扭转测试试验一般选用圆柱形试样，对试样施加扭矩M，通过圆光栅角位移传感器测量被测试样标距段两个截面之间的扭转角得到扭转图/>曲线，可求得扭转比例极限τp
其中，W为截面系数，对于直径为d0的圆柱形试样
扭转测试过程中，若进入塑性阶段，扭转相对残余切应变为
其中，为试样断裂后的残余扭转角。
(3)、本发明涉及拉伸/压缩—扭转复合应力相关知识，运用第三理论、第四强度理论，得出计算公式
若对圆柱形试样施加双向拉伸、双向扭转载荷，已知材料的弹性模量E，泊松比μ，根据广义胡克定律，x、y、z方向的线应变εx、εy、εz分别为
(4)、本发明涉及材料的热学性能，材料在温度上升或者下降时要吸收或放出热量，若不考虑相变和化学反应的情况下，材料试样的温度每升高1k所吸收的热量Q为该材料试样的热容C，计算公式为
但热容并不是一个纯材料的参数，需要考虑材料的量，可以定义材料单位质量m的热容为比热容c，计算公式为
(5)、本发明涉及的材料在高温下的力学性能总体变化趋势为：强度下降，塑性增加，变形和断裂与载荷作用时间有关，蠕变现象明显。蠕变速率与温度的关系计算公式为
其中Qc为蠕变表现激活能。稳态蠕变速率与应力的双对数呈线性关系，较低应力下，表示为如下的幂律形式
其中n为蠕变速度应力指数。较高的应力下，幂律蠕变规律失效，表示为指数函数
/>
综合温度和应力的影响有
或
其中D为扩散系数，G为切变模量，b为位错柏氏矢量，k为玻尔兹曼常数。
上述所表示的力热耦合相关理论知识，即蠕变速率与应力、温度的关系式，被称为蠕变本构方程或蠕变方程。
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 (8)
1.一种拉扭复合-力热耦合工况下材料力学性能测试仪器，其特征在于：包括支撑模块（1）、拉伸加载模块（2）、扭转加载模块（3）、高温加载模块（4）和原位监测模块，所述拉伸加载模块（2）的拉伸电机（13）固定在斜齿轮减速机一（14）的一侧，所述斜齿轮减速机一（14）的另一侧通过固定螺栓一（22）固定在支撑模块（1）的上底座（12）上，对被测试样（72）实现双向同步拉伸加载；
所述扭转加载模块（3）通过扭转支撑座（25）上的法兰螺母座（27）与拉伸加载模块（2）的丝杠螺母副机构耦合在一起，扭转电机（53）及斜齿轮减速机二（52）通过电机座（50）与扭转支撑板（42）刚性连接，实现对被测试样（72）双端静态扭转载荷同步加载；
所述高温加载模块（4）通过X型支座（63）与支撑模块（1）的支撑板（7）刚性连接，并通过上部动密封波纹管（57）和下部动密封波纹管（58）分别与扭转加载模块（3）的上法兰连接件（70）和下法兰连接件（73）刚性连接，构成真空环境或填充惰性气体用以隔绝氧气，防止被测试样（72）在高温加载过程中发生氧化反应，影响实验结果；
所述的扭转加载模块（3）的扭转电机（53）与斜齿轮减速机二（52）固连在一起，所述斜齿轮减速机二（52）的另一端固定在电机座（50）上，所述斜齿轮减速机二（52）的输出轴与扭转轴（51）通过键连接配合，所述扭转轴（51）的另一端轴间处安装深沟球轴承一（43），与所述深沟球轴承一（43）配套使用的轴承小端盖（44）固定在轴承座（45）上；
所述的扭转加载模块（3）的斜齿轮减速机二（52）降速增扭后，动力经斜齿轮减速机二（52）的输出轴传递给扭转轴（51），所述扭转轴（51）与中心轴（39）之间通过同步带（47）、小带轮（48）和大带轮（37）传动，所述中心轴（39）一端连接圆光栅编码器（24），另一端通过中间连接件一（69）与夹具组件相连，扭转支撑板（42）通过螺栓连接固定在扭转支撑座（25）上，所述扭转支撑座（25）内的角接触球轴承一（36）与中心轴（39）配合，限制中心轴（39）径向位移；所述中心轴（39）的另一侧轴间处成对安装角接触球轴承二（41），所述角接触球轴承二（41）外径与扭转支撑座（25）内孔配合，扭转支撑板（42）、扭转支撑座（25）是整个扭转加载模块（3）的传动基础，可限制中心轴（39）的自由度，使其只能实现绕轴线转动，从而完成扭转载荷加载。
2.根据权利要求1所述的拉扭复合-力热耦合工况下材料力学性能测试仪器，其特征在于：所述的支撑模块（1）采用立式四立柱的布局方式，上底座（12）、下底座（10）和支撑板（7）通过锁紧螺母（5）与四根立柱（11）刚性连接，导向板一（6）和导向板二（8）与立柱（11）之间设有衬套（32），所述衬套（32）通过M6螺钉（33）固定在导向板二（8）上，所述衬套（32）通过M5螺钉（29）与挡圈（30）固定，所述挡圈（30）与衬套（32）之间装有防尘圈（31），下底座（10）固定在隔振台（9）上。
3.根据权利要求1所述的拉扭复合-力热耦合工况下材料力学性能测试仪器，其特征在于：所述的拉伸加载模块（2）的拉伸电机（13）与斜齿轮减速机一（14）刚性连接，所述斜齿轮减速机一（14）的输出轴通过键连接的方式与连轴套（16）上端配合；所述连轴套（16）在轴间处成对安装角接触球轴承三（21），所述角接触球轴承三（21）承受径向、轴向双向联合载荷，并限制连轴套（16）在一个方向的轴向位移，且将轴向力传递给支撑模块（1）的上底座（12），由与立柱（11）配合的锁紧螺母（5）承受剪切力；所述连轴套（16）下端与丝杠（19）固定在一起，丝杠（19）将拉伸电机（13）输出轴的旋转运动转化为螺母（18）的直线运动；所述丝杠（19）与螺母（18）之间的滚动元件是均布的螺纹滚柱（17）。
4.根据权利要求1所述的拉扭复合-力热耦合工况下材料力学性能测试仪器，其特征在于：所述的高温加载模块（4）采用高温热炉的加热方式，炉体为立式方形结构，通过X型支座（63）与支撑模块（1）的支撑板（7）刚性连接，所述X型支座（63）通过滑块（60）在导轨（62）上移动，调整高温热炉的高度，实现高温加载模块（4）在Z方向上的移动；所述高温加载模块（4）的前炉门（65）装有石英玻璃观测窗（64）和高温比色计观测孔（67）；双层的石英玻璃观测窗（64）镶嵌在前炉门（65）的中心观察孔处，外层石英玻璃用压板压紧，固定在前炉门（65）外壁上，所述石英玻璃观测窗（64）与高温热炉炉体（59）是相互独立的模块，可根据工况条件进行安装与拆卸。
5.根据权利要求1所述的拉扭复合-力热耦合工况下材料力学性能测试仪器，其特征在于：所述的高温加载模块（4）的高温热炉的炉腔材料为氧化铝陶瓷纤维材料，在炉腔表面涂满高温氧化铝涂层，所述高温加载模块（4）采用三梯度保温层（55）结构，炉衬＋纤维棉＋纤维炉腔，保温材料为多晶莫来石陶瓷纤维材料＋氧化铝纤维材料。
6.根据权利要求1所述的拉扭复合-力热耦合工况下材料力学性能测试仪器，其特征在于：所述的高温加载模块（4）的加热元件为U型硅钼棒（54），在陶瓷纤维炉腔（56）中竖直悬挂U型硅钼棒（54），高温热炉设计成单侧开门的形式，选用三组U型硅钼棒（54）分别悬挂安装在炉体的三个平面，三组U型硅钼棒（54）串联在一起。
7.根据权利要求1所述的拉扭复合-力热耦合工况下材料力学性能测试仪器，其特征在于：所述的高温加载模块（4）的前炉门（65）设有高温比色计观测孔（67），比色计热探头与高温比色计观测孔（67）配合，测量试样的环境温度。
8.一种利用权利要求1-7任一项所述的拉扭复合-力热耦合工况下材料力学性能测试仪器实现的拉扭复合-力热耦合工况下材料力学性能测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、检查试验装备的各子模块及安装被测试样（72）：启动拉伸加载模块（2）的拉伸电机（13）及其配套的斜齿轮减速机一（14），将高温夹具组件及中间连接件调整到适当的高度，打开高温热炉的前炉门（65），将被测试样（72）安装到高温夹具组件当中并调整夹具使之加紧，关闭前炉门（65）；
步骤二、清零传感器数据及提供高温环境：在加载实验开始时，同步清零光栅尺位移传感器、圆光栅角位移传感器、拉伸扭转复合传感器，及存在的引伸计、温度传感器的数据；被测试样（72）在不同温度环境下的加载由高温加载模块（4）提供，利用外部设备抽取高温热炉炉腔内的空气，至达到实验所需的真空度；温度控制器向高温热炉炉腔内三段U型硅钼棒（54）通入大小不一的电压使其发热，加热方式为热辐射加热，使被测试样（72）处于不同的温度环境，通过高温比色计实时动态地监测被测试样（72）标距段的温度；
步骤三、对被测试样（72）实施等速率双边拉伸-扭转载荷加载：上、下对称的拉伸加载模块（2）对被测试样（72）实施等速率拉伸载荷加载，上、下对称的扭转加载模块（3）对被测试样（72）实施等速率的扭转载荷加载；双边同步拉伸及扭转保障被测试样（72）的中心点在实验过程中的绝对位置不发生变化，以便进行原位观测及微观尺度上的原位跟踪；
步骤四、传感器数据采集：在实验过程中，力学载荷由拉伸扭转复合传感器实时采集、实验环境温度由温度传感器实时采集、拉伸位移由光栅尺位移传感器实时采集、扭转角位移由圆光栅角位移传感器实时采集，以上数据可以实时输出曲线，包括不限于拉伸力-拉伸位移曲线、扭矩-扭转角曲线、温度-时间曲线；
步骤五、原位观测及微观尺度上的原位跟踪：原位监测模块的调整平台（82）实现微观组织形貌观测设备（80）和表征形变观测设备（81）的切换使用，以及二者在轴向、径向的微小位移调整；实现对被测试样（72）标距段的微观组织形貌和表征形变的实时动态监测；
步骤六、试验结束后对被测试样（72）进行卸载，对加热腔进行降温处理后取出被测试样（72），导出实验数据并关闭测试仪器。
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