CN112881195A - 一种冷热原位拉伸显微应力测试*** - Google Patents

一种冷热原位拉伸显微应力测试*** Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种冷热原位拉伸显微应力测试***，包括原位拉伸台，原位拉伸台设有拉伸腔体；温度控制***，温度控制***连接至拉伸腔体，用于实现拉伸腔体中的温度稳定；湿度控制***，湿度控制***连接至拉伸腔体，用于实现拉伸腔体内的湿度稳定；DIC显微应变测量***，DIC显微应变测量***的取像镜头正对拉伸腔体的透明窗口设置，用于结合数字图像相关法与双目体式显微镜技术，显微观察并测量拉伸腔体中的试样变形过程中试样表面的三维坐标、位移及应变。该测试***能够实现拉伸腔体内的温湿度稳定并可根据试验需要灵活调节，DIC显微应变测量***对试验过程实时成像以及全场应变分析，有助于实现温湿度稳定环境下试样测试，并提高拉伸腔体内的试样的试验精度。

Description

一种冷热原位拉伸显微应力测试***
技术领域
本申请涉及材料原位拉伸测试装置技术领域，尤其涉及一种冷热原位拉伸显微应力测试***。
背景技术
在不同的温度情况下，材料的受载情况及其微观结构性能决定了其使用寿命，观察材料载荷作用下的微观结构变形、损伤、破坏机理，对材料力学性能进行测试具有重大的意义。原位拉伸测试可以实现材料载荷作用下的微观结构观测和力学性能测试，将材料测试过程中的微观结构变化与获得的力学性能曲线结合起来进行分析，有助于材料微观机理的深入研究。
在材料的测试过程中，温度变化对材料性能的影响是非常关键的参数。然而，现有的原位拉伸仪器往往不具备温度调节功能，即使部分现有原位拉伸装置能够提供温度调节功能，控温范围和控温精度往往也难以达到要求，因此，亟需开发一种冷热原位拉伸显微应力测试***，实现在拉伸试验过程中为样品提供稳定的测试环境条件以提高实验精度。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本申请提供一种冷热原位拉伸显微应力测试***，能够实现拉伸腔体内的温湿度稳定并可根据试验需要灵活调节，DIC显微应变测量***对试验过程实时成像以及全场应变分析，有助于提高拉伸腔体内的试样的试验精度。
本申请提供了一种冷热原位拉伸显微应力测试***，包括：
原位拉伸台，所述原位拉伸台设有拉伸腔体；
温度控制***，所述温度控制***连接至所述拉伸腔体，用于实现所述拉伸腔体中的温度稳定；
湿度控制***，所述湿度控制***连接至所述拉伸腔体，用于实现所述拉伸腔体内的湿度稳定；
DIC显微应变测量***，所述DIC显微应变测量***的取像镜头正对所述拉伸腔体的透明窗口设置，用于结合数字图像相关法与双目体式显微镜技术，显微观察并测量所述拉伸腔体中的试样变形过程中试样表面的三维坐标、位移及应变。
优选的，所述温度控制***包括PID温度控制器及连接至所述PID温度控制器的加热装置、冷却装置以及温度传感器；所述温度传感器设置在所述拉伸腔体内，所述PID温度控制器被配置为基于所述温度传感器的检测结果触发所述加热装置加热或者所述冷却装置制冷，以使所述拉伸腔体内保持温度稳定。
优选的，所述加热装置包括设置在所述拉伸腔体内的电热丝，所述电热丝连接至所述PID温度控制器。
优选的，所述冷却装置包括液氮存储器、设置在所述拉伸腔体上的液氮输入口、液氮输出口以及连通所述液氮输入口和所述液氮输出口的液氮通道。
优选的，所述湿度控制***包括湿度传感器、加湿装置、除湿装置和湿度控制器，所述湿度传感器设置在所述拉伸腔体内，用于检测所述拉伸腔体内的湿度数据，所述湿度控制器被配置为基于所述湿度传感器的检测结果触发所述加湿装置加湿或者所述除湿装置除湿，以使所述拉伸腔体内保持湿度稳定。
优选的，所述加湿装置包括汽化发生器，所述汽化发生器的第一输入端口连通至气瓶，所述气瓶和所述汽化发生器之间还设有用于控制气体流通量的气体控制器；所述汽化发生器的第二输入端口连通至盛水容器，所述盛水容器和所述汽化发生器之间还设有用于控制水流量的水泵。
优选的，还包括原位拉伸控制***，所述原位拉伸控制***、所述温度控制***、所述湿度控制***和所述DIC显微应变测量***集成在一个软件***内。
本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：该冷热原位拉伸显微应力测试***能够通过温度控制***和湿度控制***实现拉伸腔体内的温湿度稳定并可灵活调节，试样在恒温恒湿的拉伸腔体内进行载荷拉伸、挤压或者疲劳试验等，有助于提高试验精度，DIC显微应变测量***的取像镜头能够透过拉伸腔体上的透明窗口对试样的拉伸试验等过程进行实时成像以及全场应变分析，实现试样变形过程中的试样变形过程中的三维坐标、位移及应变的测量，在一定程度上避免了由于人员操作不当引起的试样位移，使得分析结果更加可靠准确，构成一个整体的精度较高的材料性能测试方案。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种冷热原位拉伸显微应力测试***的组成结构示意图；
图2为一种高低温原位拉伸台的结构示意图；
图3为高低温原位拉伸台的另一种结构示意图。
图标：
10、原位拉伸台；101、拉伸腔体；20、温度控制***；201、液氮存储器；30、湿度控制***；301、汽化发生器；302、气瓶；303、气体控制器；304、盛水容器；305、水泵；40、DIC显微应变测量***；1、台体；2、拉伸腔；3、透明窗口；4、第一夹持部；5、第二夹持部；6、丝杆；7、第一滑台；8、第二滑台；9、驱动马达；10、力学传感器；11、高低温加载台；12、电源接口；13、液氮输出口；14、腔体门。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为了便于理解，下面对本申请实施例提供的一种冷热原位拉伸显微应力测试***进行详细介绍，参见图1，一种冷热原位拉伸显微应力测试***，包括：
原位拉伸台10，所述原位拉伸台设有拉伸腔体101；
温度控制***20，所述温度控制***连接至所述拉伸腔体，用于实现所述拉伸腔体中的温度稳定；
湿度控制***30，所述湿度控制***连接至所述拉伸腔体，用于实现所述拉伸腔体内的湿度稳定；
DIC(digital image correlation，数字图像相关法)显微应变测量***40，所述DIC显微应变测量***的取像镜头正对所述拉伸腔体的透明窗口设置，用于结合数字图像相关法与双目体式显微镜技术，显微观察并测量所述拉伸腔体中的试样变形过程中试样表面的三维坐标、位移及应变。
在本申请的一些具体实施例中，拉伸腔体可以为密闭结构的腔体，温度控制***和湿度控制***能够实现密闭结构的拉伸腔体内的温湿度稳定并可根据试验需要灵活调节(比如温度控制***能够实现-190度-600度的变温，精度为±0.1度，在这个温度范围内实现试样材料的原位拉伸测试)，减少因为温湿度偏差对试样的试验精度造成的不利影响。在本申请的一些具体实施例中，所述DIC显微应变测量***包括XTDIC-Micro显微三维全场应变测量分析***。XTDIC-Micro系列显微应变测量***，将数字图像相关法(DIC)与双目体式显微镜技术结合，通过追踪获取显微镜下材料表面变形过程的序列二维散斑图像，解算出被测物体在各变形状态微观尺度的三维全场位移场和应变场，实现微小物体变形过程中物体表面的三维坐标、位移及应变的测量，广泛的应用于生物力学、动态应变测量、高速变形测量、断裂力学、及动态材料试验中测量材料特性参数等。XTDIC-Micro显微三维全场应变测量分析***基于双目体式显微镜光路，在实现显微观察的同时，可以实现微小物体的全场应变、位移的实时测量，具有速度快、精度高、易操作等特点。XTDIC-Micro显微三维全场应变测量分析***的多功能的控制箱提供了各种A/D采集，D/A输出及相机触发功能，并配有高精度的四维运动位移控制装置、显微应变测量专用微型拉力试验机和细微散斑制备装置，弥补了传统手段无法进行微小物体变形测量的不足，成为微观尺度领域变形应变测量的一个了有力测量手段，对于微结构件、生物材料、仿生学的力学性能测试具有重要意义。
DIC显微三维全场应变测量分析***组成：双光路体式显微镜、两台工业相机、物镜、定制环形LED光源，全自动标定多轴电动转台、具有双频阻尼隔振***的抗震台，相机同步控制触发控制箱、光刻标定板、三维数字散斑动态变形分析软件、载荷加压控制通讯接口、计算机***等组成。在本申请的一些具体实施例中，原位拉伸台在全自动标定多轴电动转台的带动下能够自由旋转，两台工业相机(记为左相机和右相机)对拉伸腔体的试样的试验过程进行拍照，相机同步控制触发控制箱控制左相机和右相机进行同时拍照，提高试验精度，光刻标定板对拍摄的试样图像进行标定，抗震台能够减小外界震动对原位拉伸台的影响，载荷加压控制通讯接口用于接入拉伸控制信号，对试样的拉伸过程进行控制，拍摄的照片上传至三维数字散斑动态变形分析软件中进行试验的全场应力分析。
在本申请的一些具体实施例中，所述温度控制***包括PID温度控制器及连接至所述PID温度控制器的加热装置、冷却装置以及温度传感器；所述温度传感器设置在所述拉伸腔体内，所述PID温度控制器被配置为基于所述温度传感器的检测结果触发所述加热装置加热或者所述冷却装置制冷，以使所述拉伸腔体内保持温度稳定。
拉伸腔体内的加热装置和冷却装置由PID温度控制器控制，温度传感器检测拉伸腔体内的实时温度，并将检测的温度数据反馈给PID温度控制器，PID温度控制器根据温度数据的输入值(用户设定温度值)和温度传感器测得的拉伸腔体内的实时温度值，可以控制加热装置加热或者冷却装置制冷，通过使用PID控制器，能够大大减少加热装置和冷却装置对输入值得响应时间，实现对拉伸腔体内的温度的快速精准调节。
在本申请的一些具体实施例中，所述加热装置包括设置在所述拉伸腔体内的电热丝，所述电热丝连接至所述PID温度控制器。
在本申请的一些具体实施例中，所述冷却装置包括液氮存储器201、设置在所述拉伸腔体上的液氮输入口、液氮输出口以及连通所述液氮输入口和所述液氮输出口的液氮通道。液氮存储器中存储有液氮，其设置位置能够是拉伸腔体外的原位拉伸台的台体上，具体的这里不做限制，液氮自液氮存储器中输出至液氮输入口，经液氮通道，吸收拉伸腔体内的热量，由液体状态变成气体状态，最终经液氮输出口输出。在本申请的一些具体实施例中，液氮输出口和液氮存储器之间设有回流通道，两者之间还能够设有冷却机构，实现液氮的循环利用。
在本申请的一些具体实施例中，所述湿度控制***包括湿度传感器、加湿装置、除湿装置和湿度控制器，所述湿度传感器设置在所述拉伸腔体内，用于检测所述拉伸腔体内的湿度数据，所述湿度控制器被配置为基于所述湿度传感器的检测结果触发所述加湿装置加湿或者所述除湿装置除湿，以使所述拉伸腔体内保持湿度稳定。
在本申请的一些具体实施例中，所述加湿装置包括汽化发生器301，所述汽化发生器的第一输入端口连通至气瓶302，所述气瓶和所述汽化发生器之间还设有用于控制气体流通量的气体控制器303；所述汽化发生器的第二输入端口连通至盛水容器304，所述盛水容器和所述汽化发生器之间还设有用于控制水流量的水泵305。气体控制器能够包括第一电磁阀，水泵能够是精密恒流泵。在本申请的一些具体实施例中，除湿装置能够包括抽湿用的除湿风机。
在本申请的一些具体实施例中，还包括原位拉伸控制***，所述原位拉伸控制***、所述温度控制***、所述湿度控制***和所述DIC显微应变测量***集成在一个软件***内。
在本申请的一些具体实施例中，原位拉伸控制***能够是指用于对试样的原位拉伸试验进行控制的控制***，该控制***能够对试样拉伸试验的拉伸时间、应力等条件进行设定和控制，比如，原位拉伸控制***能够使对试样原位拉伸进行控制的PC拉伸控制器，PC拉伸控制器可采用现有结构，在此不再赘述，作为一个示例，原位拉伸控制***能够是基于PC104的嵌入式微拉伸台控制***。
该冷热原位拉伸显微应力测试***能够通过温度控制***和湿度控制***实现拉伸腔体内的温湿度稳定并可灵活调节，试样在恒温恒湿的拉伸腔体内进行载荷拉伸、挤压或者疲劳试验等，有助于提高试验精度，DIC显微应变测量***的取像镜头能够透过拉伸腔体上的透明窗口对试样的拉伸试验等过程进行实时成像以及全场应变分析，实现试样变形过程中的试样变形过程中的三维坐标、位移及应变的测量，在一定程度上避免了由于人员操作不当引起的试样位移，使得分析结果更加可靠准确，构成一个整体的精度较高的材料性能测试方案。
冷热原位拉伸显微应力测试***的使用方法：
第一步：将原位拉伸台放置在DIC显微应变测量***的全自动标定多轴电动转台上，并利用具有双频阻尼隔振***的抗震台对原位拉伸台进行固定和减震防护；调整DIC显微应变测量***的取像镜头(即左相机和右相机)的位置，使得左相机和右相机均能够通过拉伸腔体上的透明窗口拍摄试样的试样过程，让试件表面能够填满DIC显微应变测量***的成像视野；
第二步：根据试验要求，将温度控制***和湿度控制***连接至拉伸腔体；
第三步：开启湿度控制***，调节拉伸腔体内的湿度至预设湿度并保持稳定；
第四步：开启温度控制***，进行温度调节，让试件有充分的时间达到预定温度；
第五步：待试件达到预定温度，拉伸腔体内达到预定湿度后，开启原位拉伸控制***，按设定好的拉伸速率进行拉伸试验，同时开启DIC显微应变测量***，DIC显微应变测量***按预设的扫描周期进行成像扫描，直至试验结束；
第六步：试验结束后关闭原位拉伸控制***、温度控制***、湿度控制***和DIC显微应变测量***；
第七步：在DIC显微应变测量***中进行全场应变分析，得出试验结果。
在本申请的又一些具体实施例中，上述温度控制***和/或者湿度控制***能够集成到原位拉伸台上，其中，集成有上述温度控制***的原位拉伸台的具体结构参见图2和图3，一种高低温原位拉伸台，包括：台体1、设置在所述台体上的拉伸腔2以及连接至所述拉伸腔的温度控制***和/或湿度控制***，所述温度控制***连用于实现所述拉伸腔中的温度稳定；所述湿度控制***用于实现所述拉伸腔内的湿度稳定；所述拉伸腔上设有用于观察试验过程的透明窗口3，所述拉伸腔内设有丝杆滑块组件以及沿所述丝杆滑块组件相对运动的第一夹持部4和第二夹持部5。
其中，所述丝杆滑块组件包括丝杆6、套设在所述丝杆上的第一滑台7和第二滑台8以及用于驱动所述丝杆正反转的驱动马达9，所述丝杆的一端连接至所述驱动马达，所述丝杆的另一端与所述拉伸腔的内壁旋转连接，所述第一夹持部设在所述第一滑台上，所述第二夹持部设在所述第二滑台上，所述丝杆上设有第一螺纹段和第二螺纹段，所述第一螺纹段和所述第二螺纹段的螺纹旋向相反且间距相同，所述第一滑台与所述第一螺纹段螺纹传动连接，所述第二滑台和所述第二螺纹段螺纹传动连接。
第一夹持部和第一滑台之间或者第二夹持部和第二夹具之间至少有一处设有力学传感器10，该力学传感器用于测量施加在试样上的力的大小，结合上述示例所描述的原位拉伸控制***，驱动马达和该力学传感器测得的力学数据均传输至原位拉伸控制***，原位控制***中设有的拉伸控制器被配置为基于该力学传感器的检测结果触发驱动马达正反转。其中，所述温度控制***包括：设置在所述台体上的PID温度控制器、设置在所述拉伸腔内的温度传感器以及设置在所述拉伸腔内的高低温加载台11，所述高低温加载台内设有电热丝和冷却装置，所述温度传感器、所述电热丝和所述冷却装置均连接至所述PID温度控制器，所述PID温度控制器被配置为基于所述温度传感器的检测结果触发所述电热丝加热或者所述冷却装置制冷，以使所述拉伸腔内的温度保持稳定。
所述冷却装置包括液氮存储器、设置在所述高低温加载台上的液氮输入口、液氮输出口以及连通所述液氮输入口和所述液氮输出口的液氮通道。台体上设有为电热丝通电的电源接口12以及液氮输出口13。
所述湿度控制***包括设置在所述拉伸腔内的湿度传感器、加湿装置和除湿装置，以及设置在所述台体上的PID湿度控制器；所述湿度传感器、所述加湿装置和所述除湿装置均连接至所述PID湿度控制器。
所述加湿装置包括汽化发生器，所述汽化发生器的第一输入端口连通至气瓶，所述气瓶和所述汽化发生器之间还设有用于控制气体流通量的气体控制器；所述汽化发生器的第二输入端口连通至盛水容器，所述盛水容器和所述汽化发生器之间还设有用于控制水流量的水泵。
所述拉伸腔具有腔体门14，所述透明窗口设于所述腔体门上。
集成有上述温度控制***的原位拉伸台可应用于光学显微镜、扫描探针显微镜、扫描电子显微镜、X射线仪以及其它显微镜，作为所测试材料的附件。也可与DIC显微应变测量***形成整体的***。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种冷热原位拉伸显微应力测试***，其特征在于，包括：
原位拉伸台，所述原位拉伸台设有拉伸腔体；
温度控制***，所述温度控制***连接至所述拉伸腔体，用于实现所述拉伸腔体中的温度稳定；
湿度控制***，所述湿度控制***连接至所述拉伸腔体，用于实现所述拉伸腔体内的湿度稳定；
DIC显微应变测量***，所述DIC显微应变测量***的取像镜头正对所述拉伸腔体的透明窗口设置，用于结合数字图像相关法与双目体式显微镜技术，显微观察并测量所述拉伸腔体中的试样变形过程中试样表面的三维坐标、位移及应变。
2.根据权利要求1所述的冷热原位拉伸显微应力测试***，其特征在于，所述温度控制***包括PID温度控制器及连接至所述PID温度控制器的加热装置、冷却装置以及温度传感器；所述温度传感器设置在所述拉伸腔体内，所述PID温度控制器被配置为基于所述温度传感器的检测结果触发所述加热装置加热或者所述冷却装置制冷，以使所述拉伸腔体内保持温度稳定。
3.根据权利要求2所述的冷热原位拉伸显微应力测试***，其特征在于，所述加热装置包括设置在所述拉伸腔体内的电热丝，所述电热丝连接至所述PID温度控制器。
4.根据权利要求2所述的冷热原位拉伸显微应力测试***，其特征在于，所述冷却装置包括液氮存储器、设置在所述拉伸腔体上的液氮输入口、液氮输出口以及连通所述液氮输入口和所述液氮输出口的液氮通道。
5.根据权利要求1所述的冷热原位拉伸显微应力测试***，其特征在于，所述湿度控制***包括湿度传感器、加湿装置、除湿装置和湿度控制器，所述湿度传感器设置在所述拉伸腔体内，用于检测所述拉伸腔体内的湿度数据，所述湿度控制器被配置为基于所述湿度传感器的检测结果触发所述加湿装置加湿或者所述除湿装置除湿，以使所述拉伸腔体内保持湿度稳定。
6.根据权利要求5所述的冷热原位拉伸显微应力测试***，其特征在于，所述加湿装置包括汽化发生器，所述汽化发生器的第一输入端口连通至气瓶，所述气瓶和所述汽化发生器之间还设有用于控制气体流通量的气体控制器；所述汽化发生器的第二输入端口连通至盛水容器，所述盛水容器和所述汽化发生器之间还设有用于控制水流量的水泵。
7.根据权利要求1至6任一所述的冷热原位拉伸显微应力测试***，其特征在于，还包括原位拉伸控制***，所述原位拉伸控制***、所述温度控制***、所述湿度控制***和所述DIC显微应变测量***集成在一个软件***内。
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