[发明专利]高温原位拉伸‑疲劳测试系统及其测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及科学仪器与材料测试技术领域，特别涉及一种高温原位拉伸-疲劳测试系统及其测试方法。用于精确的检测高温环境下试件的力学性能和其微观组织结构与变形损伤机制的相关性规律。

背景技术

原位测试技术的应用对材料学的发展起到了推动作用，材料测试过程中，通过光学显微镜等仪器对载荷作用下材料发生的微观变形损伤进行全程动态监测，能够更深入地揭示各类材料及其制品的微观力学行为、损伤机理及其材料性能与所受载荷间的相关性规律。

众所周知，材料的力学性能通常会随着其所在的温度场和应力场的复合作用发生改变。特别是，随着航空航天、微电子等高技术产业的迅猛发展，工业界对材料的性能又提出了新的要求，因此，探究材料在温度场、机械场等多场耦合条件下的力学性能演化机制显得尤为重要。可控温度的拉伸疲劳测试可实现在不同温度、不同拉伸载荷、不同疲劳载荷下的材料微观力学性能的精准测试，对解析高温条件、复合载荷模式作用下材料的力学性能及其变性损伤机制有着不可忽视的现实意义。

目前，已有的高温拉伸装置无法进行高温环境下的拉伸-疲劳复合载荷测试，且不能对载荷作用下材料发生的微观变形损伤的全程动态监测，因此，开发高温原位拉伸-疲劳测试系统，对研究不同温度场下材料在拉伸-疲劳复合载荷下的力学性能及材料的变形损伤机制具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温原位拉伸-疲劳测试系统及其测试方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明通过调节温度，实现在高温500℃-1700℃范围内进行单轴拉伸或单轴拉伸-疲劳测试，并结合光学显微镜对材料力学性能测试过程进行实时观察，如对材料的裂纹萌生、裂纹扩展和材料的失效破坏过程进行原位监测，实现原位测试。此外，通过力学和变形信号检测单元对测试过程中试件承受的拉伸力、试件的拉伸变形等信号的采集，可以拟合被测材料在相应载荷作用下的应力应变历程，进而对材料在高温环境、拉伸-疲劳载荷作用下的微观力学行为、变形损伤机制进行深入研究。可变温度场的施加通过高温炉实现，由硅钼棒提供高温环境并通过控制系统实现对温度的调节。可集成在真空腔内实现真空条件或特殊气体环境中的高温下材料微观力学性能的拉伸-疲劳测试。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

高温原位拉伸-疲劳测试系统，包括拉伸加载与检测单元、疲劳加载与检测单元、原位观测单元、高温加载与检测单元，整体水平布置，其中拉伸加载与检测单元、疲劳加载与检测单元分别安装在高温炉的两侧，且拉伸加载与疲劳加载的方向在同一个轴线上，拉伸加载与检测单元、疲劳加载与检测单元安装在基座14上，原位观测单元置于高温加载与检测单元的上方，并通过支架1安装在基座14上。

所述的拉伸加载与检测单元由伺服电机12提供动力，通过蜗轮Ⅱ9、蜗杆Ⅱ10、蜗轮Ⅰ5、蜗杆Ⅰ7、丝杠28、螺母27对试件施加拉伸载荷；所述的伺服电机12通过电机座11安装到基座14上，蜗杆Ⅱ10安装到电机的输出轴上；所述的蜗轮Ⅱ9、蜗杆Ⅰ7安装在轴31上，轴通过轴承Ⅰ30、轴承座Ⅰ6和轴承Ⅱ32、轴承座Ⅱ8安装到基座14上；所述的蜗轮Ⅰ5安装到丝杠28上，丝杠28通过丝杠座42安装在底板Ⅰ29上；所述的螺母27安装在螺母座3上，螺母座3通过滑块Ⅰb24、滑块Ⅰc34分别安装到导轨Ⅰa25和导轨Ⅰb33上，导轨Ⅰa25和导轨Ⅰb33安装到底板Ⅰ29上；拉力传感器13两端分别与螺母座3和夹具体2相连，夹具体2通过滑块Ⅰa23、滑块Ⅰd35分别安装到导轨Ⅰa25和导轨Ⅰb33上；位移传感器Ⅰ4采用分离式LVDT，传感器的主体部分安装在底板Ⅰ29上，传感器的铁心通过螺纹安装在顶板Ⅰ22上，顶板Ⅰ22安装在夹具体2上，所述的底板Ⅰ29通过支撑块Ⅰ26固定在基座14上。

所述的疲劳加载与检测单元包括柔性铰链18、压电陶瓷19、夹具体Ⅱ41以及位移传感器Ⅱ20，所述压电陶瓷19安装在柔性铰链18内，柔性铰链18固定端通过螺钉固定在底板Ⅱ17上，柔性铰链18的活动端与夹具体Ⅱ41相连，夹具体Ⅱ41通过滑块Ⅱa37、滑块Ⅱ45分别安装在导轨Ⅱa38和导轨Ⅱb44上，导轨Ⅱa38和导轨Ⅱb44安装在底板Ⅱ17上；所述位移传感器Ⅱ20安装在底板Ⅱ17上，用来测量疲劳测试时夹具体Ⅱ41的位移量；所述底板Ⅱ17通过支撑块Ⅱ15固定在基座14上。

所述的原位观测单元包括光学显微镜21及支架1，所述光学显微镜21的工作距离足够大，从高温炉上方的视窗46覆盖试件的待观测表面，光学显微镜21的位置通过支架1调整。