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高温双轴同步拉伸力学性能测试仪器及测试方法.pdf

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高温 同步 拉伸 力学性能 测试 仪器 方法
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摘要
申请专利号:

CN201611223705.5

申请日:

2016.12.27

公开号:

CN106706440A

公开日:

2017.05.24

当前法律状态:

实审

有效性:

审中

法?#19978;?#24773;: 实质审查的生效IPC(主分类):G01N 3/18申请日:20161227|||公开
IPC分类号: G01N3/18; G01N3/02 主分类号: G01N3/18
申请人: 吉林大学
发明人: 赵宏伟; ?#33258;?#20803;; 马志超; 吴迪; 乔元森; 于淼; 洪坤; 李瑞
地址: 130000 吉?#36136;?#38271;春市前进大街2699号
优?#28909;ǎ?/td>
专利代理机构: 吉林长春新纪元专利代理有限责任公司 22100 代理人: 王怡敏
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法律状态
申请(专利)号:

CN201611223705.5

授权公告号:

|||

法律状态公告日:

2017.06.16|||2017.05.24

法律状态类型:

实质审查的生效|||公开

摘要

本发明涉及一种高温双轴同步拉伸力学性能测试仪器及测试方法,属于精密科学仪器领域。装置由一个交流伺服电动机带动三个相互正交的锥齿轮,进而实现X轴、Y轴的等速同步拉伸,亦可实现X轴、Y轴的非等速拉伸测试,还可以实现沿X轴方向的单轴拉伸。高温加热炉配有光学视窗,可与光学显微镜集成使用,实现对材料变温拉伸测试过程中的微观力学行为与损伤机制的动态原位监测。通过创新提出的新颖结构,有效的解决了双轴拉伸难以实现同步加载的难题,同时又兼具非等速拉伸加载以及单轴拉伸等功能,结构紧凑、占地面积小,便于集成和控制,具有良好的应用前景,对于高温条件下材?#26174;?#25215;受复杂应力状态时力学性能的测试研究具有十?#31181;?#35201;的意义。

权利要求书

1.一种高温双轴同步拉伸力学性能测试仪器,其特征在于:整体结构采用卧式布置,包
括驱动单元、传动单元、拉伸单元及检测单元、十?#20013;?#35797;件的夹持单元以及高温加载单元,
其中驱动单元采用一个交流伺服电机(8),通过蜗轮(25)、蜗杆(23)减速增扭后进行驱动,
从而保证X、Y轴加载的同步性;传动单元采用三个相互正交的锥齿轮Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ(20、27、28)进
行动力的传递,从而实现单电机驱动下X轴、Y轴的双向动力传递;拉伸单元及检测单元设置
在高温加载单元的高温加热炉(4)外部,防止高温对整个测试仪器造成的损伤并减小温度
变化对于检测单元的影响;拉伸单元通过丝杠螺母副将交流伺服电机(8)的旋转运动转化
为螺母基座Ⅱ(16)的直线运动,检测单元采用拉力传感器Ⅰ、Ⅱ以及直线光栅位移传感器Ⅰ、
Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ进行力和位移的测量;十?#20013;?#35797;件的夹持单元螺纹连接到螺母基座Ⅱ(16)上,螺
母基座Ⅱ(16)通过滑块Ⅱ(17)固连在直线导轨Ⅱ(15)上,从而使十?#20013;?#35797;件的夹持单元以
及拉伸单元整体沿直线导轨Ⅱ运动,实现力的加载;高温加载单元的高温加热炉(4)通过螺
纹连接的方式固定在仪器的?#35013;澹?0)上;原?#36824;?#27979;显微镜置于高温加载单元的正上方,通
过高温加载单元的光学视窗对被测样品的力学行为和损伤机制进行动态原?#36824;?#27979;。
2.根据权利要求1所述的高温双轴同步拉伸力学性能测试仪器,其特征在于:所述的驱
动单元采用一个交流伺服电机(8)提供驱动动力,经过蜗轮(25)、蜗杆(23)减速增扭后,将
动力传递到X向丝杠Ⅰ(22)上,之后通过丝杠螺母副对试件施加载荷;其中,交流伺服电机
(8)通过电机支座(24)固定在?#35013;澹?0)上,蜗杆(23)安装到交流伺服电机(8)的输出轴上;
蜗轮(25)通过键连接固定在X向丝杠Ⅰ(22)上,从而将交流伺服电机输出的动力进行减速增
扭,最后通过丝杠螺母副将交流伺服电机(8)的旋转运动转变为螺母基座Ⅱ(16)的直线运
动,所述螺母基座Ⅱ(16)通过滑块Ⅱ(17)安装到直线导轨Ⅱ(15)上。
3.根据权利要求1所述的高温双轴同步拉伸力学性能测试仪器,其特征在于:所述的传
动单元采用三个相互正交的的锥齿轮Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ(20、27、28)进行动力的传递,具体包括:两个
旋向相反的X向丝杠Ⅰ、Ⅱ(22、32),两个旋向相同的Y向丝杠Ⅰ、Ⅱ(19、26),三个相互正交的
锥齿轮Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ(20、27、28),爪牙式离合器(31),其中,所述X向丝杠Ⅱ(32)通过轴承支座Ⅲ
(33)安装到仪器?#35013;?#19978;,在X向丝杠Ⅱ(32)上布置一个带有爪牙式结构的锥齿轮Ⅲ(28),其
通过滚针轴承(39)空套在X向丝杠Ⅱ(32)上,所述爪牙式离合器(31)通过平键(38)固连在X
向丝杠Ⅱ(32)上,通过摆动爪牙式离合器(31)上的滑动?#30452;?0),实现爪牙式离合器(31)
与带爪牙式结构的锥齿轮Ⅲ(28)的啮合与否,从而实现单轴或者双轴同步拉伸的功能,滑
动?#30452;?0)通过销(37)连接到爪牙式离合器(31)上;所述X向丝杠Ⅱ(32)通过套筒式联轴
器(40)与X向丝杠Ⅰ(22)连接,所述Y向丝杠Ⅰ、Ⅱ(19、26)上对称布置两个完全相同的锥齿轮
Ⅰ、Ⅱ(20、27),所述锥齿轮Ⅰ、Ⅱ(20、27)通过轴肩和锁紧螺母进行定位以及锁紧;所述X向丝
杠Ⅰ、Ⅱ(22、32)、Y向丝杠Ⅰ、Ⅱ(19、26)通过轴承支座Ⅰ、Ⅱ(18、21)连接到?#35013;澹?0)上;动力
通过X向丝杠Ⅰ(22)输入,经过套筒式联轴器(40)传递给X向丝杠Ⅱ(32),通过锥齿轮Ⅰ、Ⅱ、
Ⅲ(20、27、28)传动传递给Y向丝杠Ⅰ、Ⅱ(19、26),从而实现单电机驱动下的双轴同步拉伸功
能。
4.根据权利要求1所述的高温双轴同步拉伸力学性能测试仪器,其特征在于:所述的拉
伸单元及检测单元包括拉力传感器Ⅰ、Ⅱ(2、14),直线光栅位移传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ(7、9、29、
34),螺母基座Ⅰ、Ⅱ(1、16)以及夹具体支座Ⅰ、Ⅱ(3、13),其中,所述拉力传感器Ⅰ、Ⅱ(2、14)
一端固连在螺母基座Ⅰ、Ⅱ(1、16)上,另一端固连在夹具体支座Ⅰ、Ⅱ(3、13)上;所述螺母基
座Ⅱ(16)以及夹具体支座Ⅱ(13)分别通过滑块Ⅰ、Ⅱ(12、17)安装到直线导轨Ⅰ、Ⅱ(6、15)
上,螺母基座Ⅱ(16)通过拉力传感器Ⅱ(14)带动夹具体支座Ⅱ(13)运动,从而实现拉伸力
的测量;所述直线光栅位移传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ(7、9、29、34)布置在高温加载单元的高温加
热炉(4)的四周;直线光栅位移传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ(7、9、29、34)的光栅尺固定在?#35013;澹?0)
上,读数头通过螺纹固定连接在夹具体支座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ(3、13、5)上,通过测量夹具体支座Ⅰ、
Ⅱ、Ⅲ的位移间接测量试件的变形量。
5.根据权利要求1所述的高温双轴同步拉伸力学性能测试仪器,其特征在于:所述的十
?#20013;?#35797;件的夹持单元由四对完全相同的上、下夹具体组成,其中,下夹具体(11)通过螺纹固
连在夹具体支座Ⅱ(13)上,并且将夹具体支座Ⅱ(13)的平面作为下夹具体(11)的定位基面
进行精加工;所述下夹具体(11)加工有菱?#20255;?#27133;,从而实现十?#20013;?#35797;件的定位,防止在上夹
具体锁紧过程中试件发生窜动而影响试件的对中性;所述上夹具体(35)通过螺纹连接将十
?#20013;?#35797;件(36)压在下夹具体(11)上,所述上夹具体(35)具有菱形外凸式结构,从而实现试
件的夹紧,避免了拉伸过程中出现试件以及夹具体的相对滑动;上、下夹具体(35、11)和十
?#20013;?#35797;件(36)夹持位置均进行滚花处理。
6.根据权利要求5所述的高温双轴同步拉伸力学性能测试仪器,其特征在于:所述的下
夹具体(11)和夹具体支座Ⅱ(13)之间贴有TDD真空多层保温材料以减少热传导,此外夹具
体支座Ⅱ(13)通过循环水冷的方式避免温度的升高,从而使仪器整体处于常温下运行。
7.根据权利要求1所述的高温双轴同步拉伸力学性能测试仪器,其特征在于:所述的高
温加载单元采用高温加热炉(4),加热温度可达1600℃,所述高温加热炉(4)与?#35013;澹?0)螺
纹固定连接;高温加热炉(4)的加热元件安装在加热腔底部以及四周,陶?#19978;宋?#26495;安装在高
温加热炉内壁以及底部和顶部,在高温加热炉(4)顶部配有石英玻璃光学视窗,与光学显微
镜配合可以从试件正上方对其变形损伤机制实施原?#36824;?#27979;。
8.一种高温双轴同步拉伸力学性能测试方法,其特征在于:具体步骤如下:
a. 在每次实验开始之前,首先检查夹具体是否在零位,记录夹具体零点的绝对位置,
从而使夹具体每次实验之后都可以精准的回到零点,便于十?#20013;?#35797;件的装夹;
b. 将十?#20013;?#35797;件放入下夹具体的凹槽之中,夹紧,并且将拉力传感器Ⅰ、Ⅱ和直线光栅
位移传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的示数全部清零;
c. 进行高温加载:首先,打开水冷系?#24120;?#23545;于夹具体支座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ以及高温箱外侧进行
循环水冷;之后设定高温加载温度,进行温度加载;在高温加载过程中,为了减少高温变形
对于实验结果的影响,通过力保持模式,使高温加载过程中,拉力传感器Ⅰ、Ⅱ的示数始终为
零;
d. 高温加载结束之后,根据不同的实验目的,可以实现高温下单轴拉伸,双轴拉伸多
种不同实验条件下的拉伸实验;
e. 如果实验过程中需要进?#24615;还?#27979;,首先需要通过电机驱动调整显微镜镜头的高
度,从而使显微镜清晰成像;试件也需要进行抛光腐?#21019;?#29702;,以便实时动态观测材?#26174;?#39640;温
拉伸?#26149;?#21152;载条件下的失效机制。

说明书

高温双轴同步拉伸力学性能测试仪器及测试方法

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,特别涉及一种高温
双轴同步拉伸力学性能测试仪器及测试方法。该仪器可以对在高温条件下承受复杂应力状
态的材料失效机制进行研究,可精确地测试材?#26174;?#39640;温条件下承受同步双轴拉伸时的力学
行为、损伤机制与性能弱化规律。

背景技术

材料作为21世纪的三大支柱产业之一,其重要性是不言而喻的。在现代社会中,材
料与国民工业的联系也越来越紧密。但是,在实际服役状态下,材料通常不是承受单一载荷
的作用。然而传统的测试技术仅仅是在单一载荷作用下测材料的力学性能,所以不能完全
?#20174;?#26500;件的受力状态,这也是零件提前失效的主要原因之一。随着板壳理论的提出,板材的
应用也越来越广泛,尤其在航天以及国防工业中得到广泛应用。板材的受力状态一般是典
型的二向应力。显然,如果应用传统的测试装置不能完全体现它的受力状态,所以测得的力
学参数也不具有绝对的参?#25216;?#20540;。再者通常较薄的板材将表现出一种各向异性,所以单轴
拉伸试验很难准确描述薄板的力学性能。

此外,部分航空航天器结构件和机械装备元件经常会在较高的温度下工作,而温
度会对材料的力学性能造成较大影响,所以此时在常温下用单向拉伸测得的力学参数是不
准确的,依据这样的参数去设计,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?#26174;?#23454;际服役条件下的力学性能。

现有的双轴拉伸装置驱动单元较多,一般采用X向以及Y向单独驱动,例如2013年
张鹏等人申请的力热耦合加载的双轴双向拉伸/压缩原位测试系统(CN203337479U);有些
双轴拉伸仪器采用4个驱动器对于4个拉伸端分别进行驱动,例如2015年陈务军等人申请的
一种双轴拉伸测试装置(CN104568591A)。这样设计的缺点是:(1)由于驱动单元较多,导致
仪器结构较为复杂;(2)由于驱动单元不唯一,难以完全实现完全的同步加载。此外,之前的
双轴拉伸仪器很难实现室温~1600℃的高温加载温度区间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温双轴同步拉伸力学性能测试仪器及测试方法,解
决了现有技术存在的上述问题。本发明具有以下特点:(1)采用单电机驱动,通过三个相互
正交的锥齿轮传动,从而实现双轴同步拉伸;(2)通过爪牙式离合器结构实现单轴拉伸,双
轴拉伸的切换;(3)通过更换不同传动比的锥齿轮,可以实现不同比例加载。(4)通过高温加
热炉实现高达1600℃的高温加载。(5)可以与光学显微镜集成使用,从而观察材?#26174;?#39640;温条
件下,承受双向拉力下的裂纹扩展等微观结构变化。本发明提供了一种可以模拟材料真实
服役状态下的高温双轴拉伸的实验方法,对于揭示材料失效的微观变化具有重要意义。本
装置通过巧妙的结构设计,由一个交流伺服电动机带动三个相互正交的锥齿轮,进而实现X
轴、Y轴的等速同步拉伸;通过更换不同传动比的锥齿轮,亦可实现X轴、Y轴的非等速拉伸测
试;通过?#30452;?#30340;滑动切换,还可以实现沿X轴方向的单轴拉伸。高温加载模块采用高温加热
炉,选用硅钼棒作为加热元件,最高加热温度可达1600℃,从而实现高温下材?#26174;?#25215;受双向
拉力时其相关力学性能的测试研究。其中高温加热炉配有光学视窗,可与光学显微镜集成
使用,实现对材料变温拉伸测试过程中的微观力学行为与损伤机制的动态原位监测。本装
置通过创新提出的新颖结构,有效的解决了双轴拉伸难以实现同步加载的难题,同时又兼
具非等速拉伸加载以及单轴拉伸等功能,测试装置结构紧凑、占地面积小,便于集成和控
制,具有良好的应用前景,对于高温条件下材?#26174;?#25215;受复杂应力状态时力学性能的测试研
究具有十?#31181;?#35201;的意义。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现:

高温双轴同步拉伸力学性能测试仪器,整体结构采用卧式布置,包括驱动单元、传
动单元、拉伸单元及检测单元、十?#20013;?#35797;件的夹持单元以及高温加载单元,其中驱动单元采
用一个交流伺服电机8,通过蜗轮25、蜗杆23减速增扭后进行驱动,从而保证X、Y轴加载的同
步性;传动单元采用三个相互正交的锥齿轮Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ20、27、28进行动力的传递,从而实现单
电机驱动下X轴、Y轴的双向动力传递;拉伸单元及检测单元设置在高温加载单元的高温加
热炉4外部,防止高温对整个测试仪器造成的损伤并减小温度变化对于检测单元的影响;拉
伸单元通过丝杠螺母副将交流伺服电机8的旋转运动转化为螺母基座Ⅱ16的直线运动,检
测单元采用拉力传感器Ⅰ、Ⅱ以及直线光栅位移传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ进行力和位移的测量;十
?#20013;?#35797;件的夹持单元螺纹连接到螺母基座Ⅱ16上,螺母基座Ⅱ16通过滑块Ⅱ17固连在直线
导轨Ⅱ15上,从而使十?#20013;?#35797;件的夹持单元以及拉伸单元整体沿直线导轨Ⅱ运动,实现力
的加载;高温加载单元的高温加热炉4通过螺纹连接的方式固定在仪器的?#35013;?0上;原?#36824;?br />测显微镜置于高温加载单元的正上方,通过高温加载单元的光学视窗对被测样品的力学行
为和损伤机制进行动态原?#36824;?#27979;。

所述的驱动单元采用一个交流伺服电机8提供驱动动力,经过蜗轮25、蜗杆23减速
增扭后,将动力传递到X向丝杠Ⅰ22上,之后通过丝杠螺母副对试件施加载荷;其中,交流伺
服电机8通过电机支座24固定在?#35013;?0上,蜗杆23安装到交流伺服电机8的输出轴上;蜗轮
25通过键连接固定在X向丝杠Ⅰ22上,从而将交流伺服电机输出的动力进行减速增扭,最后
通过丝杠螺母副将交流伺服电机8的旋转运动转变为螺母基座Ⅱ16的直线运动,所述螺母
基座Ⅱ16通过滑块Ⅱ17安装到直线导轨Ⅱ15上。

所述的传动单元采用三个相互正交的的锥齿轮Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ20、27、28进行动力的传
递,具体包括:两个旋向相反的X向丝杠Ⅰ、Ⅱ22、32,两个旋向相同的Y向丝杠Ⅰ、Ⅱ19、26,三
个相互正交的锥齿轮Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ20、27、28,爪牙式离合器31,其中,所述X向丝杠Ⅱ32通过轴承
支座Ⅲ33安装到仪器?#35013;?#19978;,在X向丝杠Ⅱ32上布置一个带有爪牙式结构的锥齿轮Ⅲ28,其
通过滚针轴承39空套在X向丝杠Ⅱ32上,所述爪牙式离合器31通过平键38固连在X向丝杠Ⅱ
32上,通过摆动爪牙式离合器31上的滑动?#30452;?0,实现爪牙式离合器31与带爪牙式结构的
锥齿轮Ⅲ28的啮合与否,从而实现单轴或者双轴同步拉伸的功能,滑动?#30452;?0通过销37连
接到爪牙式离合器31上;所述X向丝杠Ⅱ32通过套筒式联轴器40与X向丝杠Ⅰ22连接,所述Y
向丝杠Ⅰ、Ⅱ19、26上对称布置两个完全相同的锥齿轮Ⅰ、Ⅱ20、27,所述锥齿轮Ⅰ、Ⅱ20、27通
过轴肩和锁紧螺母进行定位以及锁紧;所述X向丝杠Ⅰ、Ⅱ22、32、Y向丝杠Ⅰ、Ⅱ19、26通过轴
承支座Ⅰ、Ⅱ18、21连接到?#35013;?0上;动力通过X向丝杠Ⅰ22输入,经过套筒式联轴器40传递给
X向丝杠Ⅱ32,通过锥齿轮Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ20、27、28传动传递给Y向丝杠Ⅰ、Ⅱ19、26,从而实现单电
机驱动下的双轴同步拉伸功能。

所述的拉伸单元及检测单元包括拉力传感器Ⅰ、Ⅱ2、14,直线光栅位移传感器Ⅰ、
Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ7、9、29、34,螺母基座Ⅰ、Ⅱ1、16以及夹具体支座Ⅰ、Ⅱ3、13,其中,所述拉力传感器
Ⅰ、Ⅱ2、14一端固连在螺母基座Ⅰ、Ⅱ1、16上,另一端固连在夹具体支座Ⅰ、Ⅱ3、13上;所述螺
母基座Ⅱ16以及夹具体支座Ⅱ13分别通过滑块Ⅰ、Ⅱ12、17安装到直线导轨Ⅰ、Ⅱ6、15上,螺
母基座Ⅱ16通过拉力传感器Ⅱ14带动夹具体支座Ⅱ13运动,从而实现拉伸力的测量;所述
直线光栅位移传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ7、9、29、34布置在高温加载单元的高温加热炉4的四周;直
线光栅位移传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ7、9、29、34的光栅尺固定在?#35013;?0上,读数头通过螺纹固定
连接在夹具体支座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3、13、5上,通过测量夹具体支座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的位移间接测量试件的
变形量。

所述的十?#20013;?#35797;件的夹持单元由四对完全相同的上、下夹具体组成,其中,下夹具
体11通过螺纹固连在夹具体支座Ⅱ13上,并且将夹具体支座Ⅱ13的平面作为下夹具体11的
定位基面进行精加工;所述下夹具体11加工有菱?#20255;?#27133;,从而实现十?#20013;?#35797;件的定位,防止
在上夹具体锁紧过程中试件发生窜动而影响试件的对中性;所述上夹具体35通过螺纹连接
将十?#20013;?#35797;件36压在下夹具体11上,所述上夹具体35具有菱形外凸式结构,从而实现试件
的夹紧,避免了拉伸过程中出现试件以及夹具体的相对滑动;上、下夹具体35、11和十?#20013;?br />试件36夹持位置均进行滚花处理。

所述的下夹具体11和夹具体支座Ⅱ13之间贴有TDD真空多层保温材料以减少热传
导,此外夹具体支座Ⅱ13通过循环水冷的方式避免温度的升高,从而使仪器整体处于常温
下运行。

所述的高温加载单元采用高温加热炉4,加热温度可达1600℃,所述高温加热炉4
与?#35013;?0螺纹固定连接;高温加热炉4的加热元件安装在加热腔底部以及四周,陶?#19978;宋?#26495;
安装在高温加热炉内壁以及底部和顶部,在高温加热炉4顶部配有石英玻璃光学视窗,与光
学显微镜配合可以从试件正上方对其变形损伤机制实施原?#36824;?#27979;。

本发明的另一目的在于提供高温双轴同步拉伸力学性能测试方法,具体步骤如
下:

a.在每次实验开始之前,首先检查夹具体是否在零位,记录夹具体零点的绝对位
置,从而使夹具体每次实验之后都可以精准的回到零点,便于十?#20013;?#35797;件的装夹;

b.将十?#20013;?#35797;件放入下夹具体的凹槽之中,夹紧,并且将拉力传感器Ⅰ、Ⅱ和直线
光栅位移传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的示数全部清零;

c.进行高温加载:首先,打开水冷系?#24120;?#23545;于夹具体支座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ以及高温箱外侧
进行循环水冷;之后设定高温加载温度,进行温度加载。在高温加载过程中,为了减少高温
变形对于实验结果的影响,通过力保持模式,使高温加载过程中,拉力传感器Ⅰ、Ⅱ的示数始
终为零;

d.高温加载结束之后,根据不同的实验目的,可以实现高温下单轴拉伸,双轴拉伸
多种不同实验条件下的拉伸实验;

e.如果实验过程中需要进?#24615;还?#27979;,首先需要通过电机驱动调整显微镜镜头的
高度,从而使显微镜清晰成像;试件也需要进行抛光腐?#21019;?#29702;,以便实时动态观测材?#26174;?#39640;
温拉伸?#26149;?#21152;载条件下的失效机制。

与现有其他双轴拉伸设备相比,本发明的有益效果在于:

(1)测试精度较高,结构较为简单,易于实现。

(2)可以通过单电机驱动实现X轴和Y轴的同步加载。

(3)可以实现单轴拉伸,不同比例拉伸等多种加载条件下的拉伸实验。

(4)可以实现高达1600℃的高温加载条件。

(5)可以与光学显微镜集成使用,从而观察材?#26174;?#23454;际服役状态下的微观断裂机
制。

总之,本发明为高温下在承受复杂受力状态时的材料断裂机制的研究提供了有效
方法,具有很强的实用性。

附图说明

此处所说明的附?#21152;?#26469;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?#36824;?#25104;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为本发明的仰视结构示意图;

图3为本发明的俯视结构示意图;

图4为本发明的夹具体装夹方式示意图;

图5为本发明的爪牙式离合器结构示意图;

图6为本发明的工作原理框图。

图中:1、螺母基座Ⅰ;2、拉力传感器Ⅰ;3、夹具体支座Ⅰ;4、高温加热炉;5、夹具体支
座Ⅲ;6、直线导轨Ⅰ;7、直线光栅位移传感器Ⅰ;8、交流伺服电机;9、直线光栅位移传感器Ⅱ;
10、?#35013;澹?1、下夹具体;12、滑块Ⅰ;13、夹具体支座Ⅱ;14、拉力传感器Ⅱ;15、直线导轨Ⅱ;
16、螺母基座Ⅱ;17、滑块Ⅱ;18、轴承支座Ⅰ;19、Y向丝杠Ⅰ;20、锥齿轮Ⅰ;21、轴承支座Ⅱ;22、
X向丝杠Ⅰ;23、蜗杆;24、电机支座;25、涡轮;26、Y向丝杠Ⅱ;27、锥齿轮Ⅱ;28、锥齿轮Ⅲ;29、
直线光栅位移传感器Ⅲ;30、滑动?#30452;?1、爪牙式离合器;32、X向丝杠Ⅱ;33、轴承支座Ⅲ;
34、直线光栅位移传感器Ⅳ;35、上夹具体;36、十?#20013;?#35797;件;37、销;38、平键;39、滚针轴承;
40、套筒式联轴器。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详?#25913;?#23481;及其具体实施方式。

参见图1至图5所示,本发明的高温双轴同步拉伸力学性能测试仪器,整体结构采
用卧式布置,包括驱动单元、传动单元、拉伸单元及检测单元、十?#20013;?#35797;件的夹持单元以及
高温加载单元,其中驱动单元采用一个交流伺服电机8,通过蜗轮25、蜗杆23减速增扭后进
行驱动,从而保证X、Y轴加载的同步性;传动单元采用三个相互正交的锥齿轮Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ20、
27、28进行动力的传递,从而实现单电机驱动下X轴、Y轴的双向动力传递;拉伸单元及检测
单元设置在高温加热炉4外部,防止高温对整个测试仪器造成的损伤并减小温度变化对于
检测单元的影响;拉伸单元通过丝杠螺母副将交流伺服电机8的旋转运动转化为螺母基座
Ⅱ16的直线运动,检测单元采用拉力传感器Ⅰ、Ⅱ以及直线光栅位移传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ进行
力和位移的测量;十?#20013;?#35797;件的夹持单元螺纹连接到螺母基座Ⅱ16上,螺母基座Ⅱ16通过
滑块Ⅱ17固连在直线导轨Ⅱ15上,从而使十?#20013;?#35797;件的夹持单元以及拉伸单元整体沿直线
导轨Ⅱ运动,实现力的加载;高温加载单元的高温加热炉4通过螺纹连接的方式固定在仪器
的?#35013;?0上;原?#36824;?#27979;显微镜置于高温加载单元的正上方,通过高温加载单元的光学视窗
对被测样品的力学行为和损伤机制进行动态原?#36824;?#27979;。

参见图2所示,本发明所述的驱动单元采用一个交流伺服电机8提供驱动动力,经
过蜗轮25、蜗杆23减速增扭后,将动力传递到X向丝杠Ⅰ22上,之后通过丝杠螺母副对试件施
加载荷;其中,交流伺服电机8通过电机支座24固定在?#35013;?0上,蜗杆23安装到交流伺服电
机8的输出轴上;蜗轮25通过键连接固定在X向丝杠Ⅰ22上,从而将交流伺服电机输出的动力
进行减速增扭,最后通过丝杠螺母副将交流伺服电机8的旋转运动转变为螺母基座Ⅱ16的
直线运动,所述螺母基座Ⅱ16通过滑块Ⅱ17安装到直线导轨Ⅱ15上。

所述的传动单元采用三个相互正交的的锥齿轮Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ20、27、28进行动力的传
递,具体包括:两个旋向相反的X向丝杠Ⅰ、Ⅱ22、32,两个旋向相同的Y向丝杠Ⅰ、Ⅱ19、26,三
个相互正交的锥齿轮Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ20、27、28,爪牙式离合器31,其中,所述X向丝杠Ⅱ32通过轴承
支座Ⅲ33安装到仪器?#35013;?#19978;,在X向丝杠Ⅱ32上布置一个带有爪牙式结构的锥齿轮Ⅲ28,其
通过滚针轴承39空套在X向丝杠Ⅱ32上,所述爪牙式离合器31通过平键38固连在X向丝杠Ⅱ
32上,通过摆动爪牙式离合器31上的滑动?#30452;?0,实现爪牙式离合器31与带爪牙式结构的
锥齿轮Ⅲ28的啮合与否,从而实现单轴或者双轴同步拉伸的功能,滑动?#30452;?0通过销37连
接到爪牙式离合器31上;所述X向丝杠Ⅱ32通过套筒式联轴器40与X向丝杠Ⅰ22连接,从而减
小轴向上的位移误差,所述Y向丝杠Ⅰ、Ⅱ19、26上对称布置两个完全相同的锥齿轮Ⅰ、Ⅱ20、
27,所述锥齿轮Ⅰ、Ⅱ20、27通过轴肩和锁紧螺母进行定位以及锁紧;所述X向丝杠Ⅰ、Ⅱ22、
32、Y向丝杠Ⅰ、Ⅱ19、26通过轴承支座Ⅰ、Ⅱ18、21连接到?#35013;?0上;动力通过X向丝杠Ⅰ22输
入,经过套筒式联轴器40传递给X向丝杠Ⅱ32,通过锥齿轮Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ20、27、28传动传递给Y向
丝杠Ⅰ、Ⅱ19、26,从而实现单电机驱动下的双轴同步拉伸功能。

参见图3所示,本发明所述的拉伸单元及检测单元包括拉力传感器Ⅰ、Ⅱ2、14,直线
光栅位移传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ7、9、29、34,螺母基座Ⅰ、Ⅱ1、16以及夹具体支座Ⅰ、Ⅱ3、13,其
中,所述拉力传感器Ⅰ、Ⅱ2、14一端固连在螺母基座Ⅰ、Ⅱ1、16上,另一端固连在夹具体支座
Ⅰ、Ⅱ3、13上;所述螺母基座Ⅱ16以及夹具体支座Ⅱ13分别通过滑块Ⅰ、Ⅱ12、17安装到直线
导轨Ⅰ、Ⅱ6、15上,螺母基座Ⅱ16通过拉力传感器Ⅱ14带动夹具体支座Ⅱ13运动,从而实现
拉伸力的测量;所述直线光栅位移传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ7、9、29、34布置在高温加载单元的高
温加热炉4的四周;直线光栅位移传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ7、9、29、34的光栅尺固定在?#35013;?0上,
读数头通过螺纹固定连接在夹具体支座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3、13、5上,通过测量夹具体支座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的
位移间接测量试件的变形量。

所述的十?#20013;?#35797;件的夹持单元由四对完全相同的上、下夹具体组成,其中,下夹具
体11通过螺纹固连在夹具体支座Ⅱ13上,并且将夹具体支座Ⅱ13的平面作为下夹具体11的
定位基面进行精加工;所述下夹具体11加工有菱?#20255;?#27133;,从而实现十?#20013;?#35797;件的定位,也便
于安装,防止在上夹具体锁紧过程中试件发生窜动而影响试件的对中性;所述上夹具体35
通过螺纹连接将十?#20013;?#35797;件36压在下夹具体11上,所述上夹具体35具有菱形外凸式结构,
从而实现试件的夹紧,避免了拉伸过程中出现试件以及夹具体的相对滑动;为了增大摩擦,
上、下夹具体35、11和十?#20013;?#35797;件36夹持位置均进行滚花处理。

所述的下夹具体11和夹具体支座Ⅱ13之间贴有TDD真空多层保温材料以减少热传
导,此外夹具体支座Ⅱ13通过循环水冷的方式避免温度的升高,从而使仪器整体基本?#28304;?br />于常温下运行。

参见图1所示,本发明所述的高温加载单元采用高温加热炉4,加热温度可达1600
℃,所述高温加热炉4与?#35013;?0螺纹固定连接;高温加热炉4的加热元件安装在加热腔底部
以及四周,陶?#19978;宋?#26495;安装在高温加热炉内壁以及底部和顶部,以保证加热炉以外的温度
可以基本维持在室温或者略高于室温。此外为了实现原?#36824;?#27979;,在高温加热炉4顶部配有石
英玻璃光学视窗,与光学显微镜配合可以从试件正上方对其变形损伤机制实施原?#36824;?#27979;。

本发明高温双轴同步拉伸力学性能测试仪器由于采用单电机驱动,保证了四个拉
伸端的同步拉伸,所以十?#20013;?#35797;件(36)的中心区域沿水平方向基本保持不变,从而更加有
利于进?#24615;还?#27979;。

参见图1到图6所示,发明的高温双轴同步拉伸测试仪,在测试仪器安装前,首先需
要对两个拉力传感器Ⅰ、Ⅱ和四个直线光栅位移传感器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,必须将夹具体回归原位,以便下一次实验试
件的装?#23567;?br />

本发明的高温双轴同步拉伸力学性能测试方法,具体步骤如下:

a.在每次实验开始之前,首先检查夹具体是否在零位,可以利用软件记录夹具体
零点的绝对位置,从而使夹具体每次实验之后都可以精准的回到零点,便于十?#20013;?#35797;件的
装?#23567;?br />

b.将十?#20013;?#35797;件放入下夹具体的凹槽之中,夹紧,并且将力和直线光栅位移传感
器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的示数全部清零。

c.之后进行高温加载。首先,需要打开水冷系?#24120;?#23545;于夹具体基座以及高温箱外侧
进行循环水冷。之后设定高温加载温度,进行温度加载。在高温加载过程中,为了减少高温
变形对于实验结果的影响,通过力保持模式,使高温加载过程中,拉力传感器Ⅰ、Ⅱ的示数始
终为零。

d.高温加载结束之后,根据不同的实验目的,可以实现高温下单轴拉伸,双轴拉伸
等多种不同实验条件下的拉伸实验。

e.如果实验过程中需要进?#24615;还?#27979;,首先需要通过电机驱动调整显微镜镜头的
高度,从而使显微镜清晰成像。试件也需要进行抛光腐?#21019;?#29702;,以便实时动态观测材?#26174;?#39640;
温拉伸?#26149;?#21152;载条件下的失效机制。

本发明的拉伸加载模式可以采用力加载模?#20132;?#32773;速度加载模式,力加载模式即通
过拉力传感器Ⅰ、Ⅱ的实时测量来反馈控制加载力的大小,速度加载模式即通过直线光栅位
移传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的实时测量量进行反馈控制加载速度的大小。根据不同的实验需求可
以选用不同的加载模式,从而实现多种不同实验条件下的高温双轴拉伸实验。

本发明通过更换不同传动比的锥齿轮,可以实现X、Y轴的等速以及非等速加载。其
中X轴上的主动锥齿?#31181;本?#20445;持不变,通过改变Y轴上锥齿?#31181;本叮?#20174;而改变传动比,最终实
现等速以及非等速加载。其中传动比为1时,仪器实现等速加载。锥齿轮不同变速比的切换
及其与非等速拉伸的对应关?#31561;?#19979;:

锥齿轮传动比:

主动锥齿?#31181;本?d1=mz1

从动锥齿?#31181;本?d2=d1×u

主动锥齿轮分度圆锥角:

从动锥齿轮分度圆锥角:

本发明通过测量试件的拉伸力以及位移量,可以测得材料的应力-应变曲线,从而
得到材料的弹性模量E、屈服强度σs、强度极限σb、断后延伸率A等一系列力学参数。其中:

弹性模量:

屈服强度:

强度极限:

断后延伸率

其中,FeL:下屈服点对应的材?#26174;?#33655;;Fb:材料的最大载荷;L0:试件的初始长度;S0:
材?#26174;?#22987;截面积;Δl:试件的变形量。

材料的力学性能主要表现在材?#26174;?#36733;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。通过拉伸测试
能够测量材料的弹性模量、屈服强度、强度极限、断后伸长率和断面收缩率,从而衡量材料
在承受拉伸载荷时的力学性能。而材?#26174;?#39640;温下一般会表现出随温度升高屈服强度?#26723;停?br />断后延伸率升高的现象。本发明可以进行高温以及常温下的单轴、双轴拉伸实验,对于探究
力热耦合下材料力学性能的研究具有重要意义。

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。

关于本文
本文标题:高温双轴同步拉伸力学性能测试仪器及测试方法.pdf
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