[发明专利]一种采用X射线三维成像的悬臂式旋转弯曲原位疲劳试验机

说明书

一种采用X射线三维成像的悬臂式旋转弯曲原位疲劳试验机，主要由力加载单元、试样夹持单元、作动单元、传动单元、数据采集与控制单元组成。采用伺服电机作动，通过梅花形弹性联轴器将电机的旋转运动传递到试样下夹具上，由夹具带动试样进行旋转运动。试样上夹具连接有力加载单元，通过拧动螺钉对轴状试样施加径向力，从而使试样弯曲。在疲劳试验的过程中，同步辐射光源能够无阻挡穿透金属试样进行同步辐射成像，得到材料内部损伤的三维图像；清晰、准确地反映材料内部结构在旋转弯曲疲劳过程中的演变规律，为研究材料在旋转弯曲疲劳下的缺陷以及裂纹演变行为提供了不可或缺的技术装备。

技术领域

本发明涉及材料力学性能试验装置，具体来说是利用高能X射线进行三维成像的材料原位疲劳试验机。

背景技术

传统的光学显微镜和电子显微镜等方法仅能获得材料表面疲劳裂纹，而内部气孔、夹渣、组织等引起的三维疲劳裂纹及其耦合行为与表面完全不同。第三代高能X射线计算机断层扫描技术具备亚微米空间和微秒时间分辨率及百keV级的卓越探测能力，较常规X光机的试验水平高出几个数量级，是目前唯一可穿透大块金属材料进行疲劳损伤演变可视化研究的大型科学装置。微型的原位疲劳试验机与先进的同步辐射X射线成像相结合使得科学家能够深入到材料内部，高精度、高亮度、高准直、高效率、非破坏性和原位实时地探测到疲劳损伤和断裂的过程及其演变规律，这对于准确评估材料强度和寿命具有无可替代的科学意义。

轴类零件是高铁、飞机、船舶、汽车、冶金、石油等机械以及铁路桥梁等的主要零件和构件。旋转弯曲现象大多出现在正在服役的轴类零件上。在旋转的过程，轴类零件要承受某一恒定方向弯矩的往复加载，久而久之，轴类零件就会出现疲劳失效现象，对人们生产生活的安全产生了极大的威胁。在这种情况下，能够较为准确地预测受旋转弯矩载荷轴类零件的疲劳寿命、预防轴类零件在工作中出现疲劳失效则显得刻不容缓。旋转弯曲疲劳试验机能够模拟轴类零件在旋转过程中受到弯矩的现象，为研究在旋转过程中受往复弯矩载荷的轴类零件的疲劳寿命提供了有效的实验数据。在旋转弯曲试验中，试样旋转并承受一弯矩。产生弯矩的力恒定不变且不转动。试样可装成悬臂，在一点或两点加力;或装成横梁，在四点加力。试验一直进行到试样失效或超过预定应力循环次数。

通过调研，目前已经商业化及其他专利中所述旋转弯曲疲劳试验机结构都无法匹配同步辐射光源对试样进行原位的三维成像。其一，目前旋转弯曲疲劳试验机大都采用卧式结构，无法与同步辐射光源装置相匹配；其二，试样受到试验机不同程度的遮挡，无法进行原位成像；其三，目前已经商业化的旋转弯曲疲劳试验机所匹配的试样尺寸过大，无法利用同步辐射光源进行成像。本发明在设计时考虑到以上的问题，设计出了一款适用于同步辐射光源、可用高能X射线进行三维成像、能够进行悬臂式旋转弯曲疲劳试验的试验机。本发明采用螺钉控制夹具位移对试样施加横向力，同时加装力传感器，能够实时监测施加力的大小。

目前国内外均无发现有可用高能X射线进行三维成像的悬臂式旋转弯曲原位疲劳试验机。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题而提供一种采用X射线三维成像的悬臂式旋转弯曲原位疲劳试验机，旨在通过对轴状试样施加径向力而使试样弯曲，清晰准确地得到材料内部损伤的三维图像，最终获取材料内部结构在弯曲疲劳过程中的演变规律。