[发明专利]用于高频疲劳试验的多级静动态耦合力学加载装置

说明书

本发明涉及一种用于高频疲劳试验的多级静动态耦合力学加载装置，属于科学仪器与材料力学性能测试领域。由高频疲劳加载单元、低频疲劳加载单元、拉伸加载与检测单元、同步回转单元组成。本发明通过伺服电机、压电叠堆、超声振子组件实现拉伸疲劳加载，同时通过力学传感器和光纤位移传感器实现载荷与位移的检测。通过电机驱动回转机构，实现同步辐射光源对样品进行实时动态的晶体衍射表征。此外，双V缺口特征缺陷样品，可实现拉伸‑剪切或拉伸‑弯曲等接近材料实际受力形式的复合载荷测试模式。本发明装置结构紧凑，可集成多种测试方法，为材料高频疲劳试验提供有效测试工具。

技术领域

本发明涉及科学仪器与材料力学性能测试领域，用于高频疲劳试验的多级静动态耦合力学加载装置。该发明是一种集成高频疲劳服役条件下，具备同步辐射分析功能的多级静动态耦合力学加载装置。可对施加小幅静态拉伸载荷（50N，30μm），低频交变载荷（＜50Hz）或高频交变载荷（20kHz），通过同步辐射分析的实时表征，可研究材料微结构疲劳演化行为，为深入理解材料高频疲劳服役性能提供测试装备。

背景技术

现代工程很多领域（如工程机械、汽车、船舶、飞机等）的主要零件和构件都持续承受循环变化的载荷。据相关文献统计，80%~90%各类零件和构件的破坏是由疲劳断裂引起的，而疲劳断裂过程通常不会产生明显的塑性变形，事先很难察觉，常造成灾难性的事故，给国民经济带来了巨大的经济损失。传统的疲劳断裂研究常按材料所经历的载荷循环周次将疲劳分为低周疲劳（循环周次为10⁴~10⁵）和高周疲劳（循环周次为10⁵以上）。其中，高周疲劳因受限于试验条件和试验设备的载荷频率，实际试验循环次数通常限定在10⁷以下。然而，随着材料研究的发展，相关研究表明很多材料在经历10⁷以上循环周次的超高周疲劳后仍会发生疲劳断裂，特别是在交通运输、航空航天、核工业等领域，结构常经历10⁹以上超高周次循环载荷的作用。现有的常规疲劳试验设备，加载频率 f 300Hz，这种加载方式费时费力（需要持续进行几个月的试验），很难实现超高周疲劳试验。1950年，Mason基于压电磁致伸缩原理并应用波动谐振技术，建立了超声疲劳试验方法，使振动频率达到了20000Hz。这一技术的诞生使10⁹周次的疲劳试验可在十几个小时内完成。

目前，商业化的超高频疲劳试验设备仅可在定频（15-22kHz）驱动模式下对材料进行单一载荷的疲劳实验，而实际工况下服役的结构材料通常承受静动态耦合载荷的作用，且相同材料在不同静动态载荷模式下表现出迥然不同的力学行为。而小型化原位拉伸测试仪器尽管能够实现载荷的准静态加载，但由于伺服电机、减速机构和传动机构的回转惯性，通常这类仪器仅可应用于加载频率较低的低周疲劳试验。在此基础上，采用电液伺服液压驱动、高频电磁致动或压电驱动式的交变载荷加载方式也无法实现超高频疲劳测试。因此，急需开发具备基于任意初始静应力状态的超声疲劳测试系统，以满足多种静动态应力比加载模式下超高频疲劳试验的需求。

近些年，同步辐射X射线技术在物质材料结构的表征方面发挥了很大的作用，已较为成熟应用于材料间界面和表面相变的研究。相较于一般的X射线源，同步辐射X射线能在材料的散射、衍射以及吸收实验中提供更为精确和详细的结构信息，可以表征多尺度微结构在服役条件下的演化规律。在同步辐射X射线衍射实际检测中，样品需要绕铅垂轴线旋转一个角度，以覆盖更大的倒易空间。而现有的超高频疲劳试验设备商业化产品一般体积巨大，相对于小型低周疲劳试验机笨重，不易实现绕铅垂轴线旋转运动。另一方面，如今市场上的超高频疲劳试验机根据Mason原型机研制发展而来，为实现超高频超声振动，其设计结构相对固定，也无法实现振动单元的旋转，使被测试件获得以其铅垂轴线为旋转轴的转动自由度。因此，需要设计一种以超高频疲劳试验模块为核心的力学加载装置，使被测试件具备以其铅垂轴线为旋转轴的转动自由度，从而满足同步辐射X射线衍射的检测实验要求。