[发明专利]材料微观力学性能双轴拉伸‑疲劳测试系统及其测试方法

权利要求书

1.一种材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于：包括精密加载-传动单元、疲劳单元、力学和变形信号检测单元、试件夹持单元；其中，精密加载-传动单元通过螺钉固定在底板(5)上，疲劳单元通过两个对称的导轨Ⅰa(32)、滑块Ⅰa(31)和导轨Ⅰb(36)、滑块Ⅰb(35)安装在精密加载-传动单元上，疲劳单元通过四个相同的连杆(17)分别与试件夹持单元相连，力学和变形信号检测单元安装在试件夹持单元上；

所述的精密加载-传动单元提供预加载力和用于调整试件夹持单元的位置所需要的力，由直流电机(1)提供动力，经过减速器(2)、蜗轮(25)、蜗杆(24)带动双向滚珠丝杠(11)转动；所述的直流电机(1)的输出轴经过联轴器(3)与蜗杆轴(48)相连，蜗轮(25)安装在双向滚珠丝杠(11)上，蜗轮(25)、蜗杆(24)起到降速增扭的作用；所述的双向滚珠丝杠(11)通过导轨Ⅱa(9)、滑块Ⅱa(8)、滑块Ⅱ(29)和导轨Ⅱb(12)、滑块Ⅱb(13)、滑块Ⅱe (49)及丝杠支撑座(28)定固在底板(5)上，双向滚珠丝杠(11)上安装了两个相同的丝杠螺母Ⅰ、Ⅱ(10、50)，分别与两个相同的螺母座Ⅰ、Ⅱ(14、30)相连；所述的螺母座Ⅰ、Ⅱ(14、30)分为上下两部分，通过螺钉连接，以此降低安装难度；所述的螺母座Ⅰ、Ⅱ(14、30)上分别安装了导轨Ⅰa(32)、滑块Ⅰa(31)和导轨Ⅰb(36)、滑块Ⅰb(35)，两个滑块，滑块Ⅰa、滑块Ⅰb(31、35)均安装在下支撑板(34)上，支撑柱(33)与上支撑板(44)通过螺钉相连，上支撑板(44)固定连接柔性铰链(15)；所述的丝杠螺母Ⅰ、Ⅱ(10、50)，螺母座Ⅰ、Ⅱ(14、30)，导轨Ⅰa、导轨Ⅰb(32、36)和滑块Ⅰa、滑块Ⅰb(31、35)均为对称布置；所述的导轨Ⅰa、导轨Ⅰb(32、36) 与水平面成20°夹角，因此，当滑块Ⅰa、滑块Ⅰb(31、35)分别沿着导轨Ⅰa、导轨Ⅰb(32、36)运动时，会带动支撑柱(33)上下运动而保持其水平位置不变。

2.根据权利要求1所述的材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于：所述的疲劳单元包括柔性铰链(15)、四个相同的压电叠堆(16)以及四个相同的连杆(17)，其中柔性铰链(15)为对称结构，通过螺钉安装在上支撑板 (44) 上；所述的四个相同的压电叠堆(16)分别安装在柔性铰链(15)内，并通过铜片预紧；所述的连杆(17)一端通过销轴Ⅰ(42)与柔性铰链(15)相连，另一端通过销轴Ⅱ(45)与传感器固定座(19)相连，传感器固定座(19)通过螺钉安装在滑块Ⅳ(38)上。

3.根据权利要求1所述的材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于：所述的力学和变形信号检测单元包括四个相同的拉力传感器(21)和两个位移传感器Ⅰ、Ⅱ(41、18)，拉力传感器(21)通过螺纹连接于夹具体Ⅰ(43)和传感器固定座(19)之间；位移传感器Ⅱ(18)安装在两个相对的夹具体Ⅰ、Ⅱ(43、51)之间，位移传感器Ⅰ(41)和位移传感器Ⅱ(18)垂直布置；试件(40)承受的拉力和与其对应的拉力传感器的轴线在一条直线上。

4.根据权利要求1所述的材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于：所述的试件夹持单元由四个夹具体Ⅰ(43)和与之一一对应的压板(39)组成，试件安放在夹具体Ⅰ(43)与压板(39)之间，夹具体Ⅰ(43)和压板(39)之间通过螺钉连接，并通过旋紧螺钉对试件(40)进行夹紧；所述的夹具体Ⅰ(43)安装在滑块Ⅳ(38)上，滑块Ⅱc(20)和滑块Ⅳ(38)安装在同一个导轨Ⅲa(37)上；导轨Ⅲb、导轨Ⅲc、导轨Ⅲd(52、53、54)与导轨Ⅲa(37)相同；所述的夹具体Ⅰ(43)和压板(39)上加工有滚花，以保证夹持的可靠性。

5.根据权利要求4所述的材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于：所述的导轨Ⅲa、导轨Ⅲb(37、52)安装在顶板Ⅰ(22)上，导轨Ⅲc、导轨Ⅲd(53、54)安装在顶板Ⅱ(23)上，立柱(6)通过螺纹与顶板Ⅱ(23)和底板(5)连接；顶板Ⅰ(22)的连接方式与顶板Ⅱ(23)的连接方式相同；立柱(6)将顶板Ⅱ(23)受到的拉力传导到底板(5)上。

6.根据权利要求2所述的材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于：所述的四个相同的压电叠堆(16)，其中同一个拉伸轴向上的两个压电叠堆输出一致，以保持试件的十字中心在测试过程中位置固定。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统的测试方法是通过对试件四个拉伸端同时施加拉伸载荷，使试件的十字中心在一个平面上存在两个相互垂直的拉应力，同时在拉伸载荷的基础上还可以对试件的四个拉伸端分别施加疲劳载荷，用于研究不同载荷形式及载荷大小情况下材料的微观力学性能；该测试方法基于测试系统结构的对称性，即四个拉伸端完全对称，且共用一个加载单元进行预加载，使得试件夹持单元拉动试件等速反向运动的同时，试件的十字中心保持静止，便于使用光学显微镜对材料测试过程进行动态监测；此外，双轴拉伸的四个拉伸端各使用一个压电叠堆进行疲劳加载，即各个拉伸端的疲劳加载相互独立，使疲劳加载方案选择多样性；双轴拉伸-疲劳测试方法的具体调整步骤如下：

a.进行力学测试前，首先通过直流电机(1)调整四个夹具体及对应压板的位置，以便试件的安装；

b.将已经在十字中心预制人为缺陷的试件安装、夹紧后，需要将各个力传感器和位移传感器的示数清零；

c.对测试过程进行动态监测之前，调整光学显微镜镜头与试件的相对位置，直至试件的十字中心处在视场的中心位置；

d.以上调整完成后，准备进行测试以及测试过程中对观测点进行动态监测；

e.通过直流电机(1)对试件的四个拉伸端施加拉伸载荷，并选择合适的疲劳方式，对四个拉伸端施加相同频率或不同频率的疲劳载荷；

f.通过光学系统、CCD图像传感器采集图像信息，观测、记录试件观测点处裂纹的萌生、扩展情况，并通过相应的接口电路，将图像信息传入计算机；

g.通过计算机内相应的处理软件对图像信息进行处理，计算出观测点空间位置的变化；

h.根据软件处理结果，由计算机对光学显微镜的驱动模块输入相应指令；

i.由光学显微镜的驱动器接收驱动指令，通过相应的电机对显微镜镜头的位置、高度做出调整，以使显微镜镜头跟随观测点位置的变化进行调整；

j.通过以上调整完成闭环控制，使通过光学系统、CCD图像传感器能够采集到完整、清晰的图像信息，从而达到对观测点跟随观测的目的；

k.测试结束后，通过所得数据以及图像信息对材料在拉伸-疲劳复合载荷作用下的微观力学性能进行分析。