[实用新型]机电热耦合应力腐蚀原位疲劳性能试验装置

说明书

本实用新型涉及一种机电热耦合应力腐蚀原位疲劳性能试验装置，属于精密驱动领域。通过对称布置的两组压电叠堆驱动器实现较大行程疲劳位移输出，结合嵌入式高温电热合金片或帕尔贴片以及含密封装置的应力腐蚀槽，可针对特征尺寸为毫米级的块体材料开展高/低温服役条件及应力腐蚀环境下的动态疲劳测试。此外，通过更换内部嵌入电极的绝缘夹具，可实现对电化学作用及电致伸缩效应的原位观测。同时，基于其小巧的体积、紧凑的结构和测试试件中心不产生位移等特性，该装置可开展多种模式下原位单轴动态疲劳测试，便于开展对各类结构材料或功能材料在复杂服役条件下的微观结构演化行为和疲劳失效机制的研究。

技术领域

本实用新型涉及精密驱动领域，特别涉及材料疲劳性能的原位力学测试领域，尤指一种机电热耦合应力腐蚀原位疲劳性能试验装置。该装置通过与扫描电子显微镜、X射线衍射仪和光学显微镜等成像仪器设备的兼容使用，可对高/低温服役环境及不同应力腐蚀状态下材料的疲劳失效机制进行研究，同时可实现对电化学作用及电致伸缩效应的原位观测，为了解、揭示材料的疲劳损伤和提升工程结构的服役可靠性和稳定性提供测试方法。

背景技术

材料、机械零件或构件在应力（主要是拉应力）和腐蚀的共同作用下产生的失效现象为应力腐蚀。处于应力腐蚀环境下的疲劳作用，虽然其所受的载荷幅值远低于其屈服强度或抗拉强度，但经过反复的变形累积以及在各种腐蚀环境的综合作用下，加速了其在单一疲劳载荷作用下的断裂破坏行为。应力腐蚀疲劳破坏，发生得不知不觉，但其已经成为危害最大的灾难性力学失效现象之一，由于缺乏对材料疲劳失效机理及疲劳微观力学性能的深入研究，各类因材料应力腐蚀下疲劳失效引起的事故因其难以预测性和极大破坏性而造成了巨大的经济损失，如1998年我国发生的大型水轮机泄水锥的疲劳断裂和2003年日本环境监测卫星的报废等。

现有的原位力学性能测试仪器大都只具有单一疲劳加载模式，难以实现在腐蚀液环境下对材料进行疲劳实验。且在微观尺度下疲劳力学性能的测试大都通过商业化的疲劳试验机的非原位测试后，再利用扫描电子显微镜等的高分辨率观测功能，对材料局部缺陷处因应力集中而产生的滑移和微裂纹成核以及疲劳断口开展研究，或利用扫描电子显微镜下小型化原位拉伸测试仪实现往复的拉伸、压缩动作，但一般应用在对加载频率要求不高的低周疲劳测试中。其中，商业化疲劳试验机以电液伺服疲劳试验机的应用最为广泛，如美国MTS等公司的产品在我国的科研院校中应用非常普遍，这些试验机通常包括液压泵站、液压阀、油缸等液压系统单元，集成高性能频率发生器，能够实现大频率范围的驱动加载功能。但由于这类试验机体积较大，难以实现与各类成像设备的集成，一般不具备实现原位疲劳测试的功能。而受限于伺服电机及步进电机的回转惯性，尤其是集成了较大减速比减速机构后，现有小型化拉伸测试仪难以实现较高频率的加载，即难以开展更加符合各类构件实际工况下的高周疲劳测试的要求。因此，原位疲劳测试仪器的研制与开发不仅面临着结构小型化以及测试频率提高的问题更面临着与应力腐蚀环境或力-热-腐蚀多场耦合的迫切需求。

在原位疲劳仪器结构小型化的问题上，压电器件因其快速响应、结构小巧紧凑、可靠性好等特性也被应用在微尺度构件的疲劳测试上。其中，PI公司推出了压电型疲劳加载模块，并成功地应用在微尺度构件的疲劳特性研究中。2010年，日本京都大学的T.Tsuchiya等亦采用压电驱动技术开发了一种用于高湿度环境下微机电材料疲劳失效性能测试的装置，被测试件为100 μm×13 μm×3.3 μm的单晶硅材料，且被置于一个具有流通气流的环境腔内，气流的温度和湿度可调。该测试装置采用PI公司的Polytec压电驱动器，并置于大装置光学显微镜的三轴手动精密操作装置上，可实现最大加载力为0.2 N，有效运动行程为±15 μm，极限加载频率为100 Hz。通过测试发现，在环境湿度为60%，应力比R为0.15的情况下，单晶硅薄膜的疲劳寿命为2.72×10⁵次。但由于压电器件的输出位移多在几十微米级别，难以实现对块体材料的大行程往复运动加载，且压电驱动器中大刚度的柔性铰链机构往往会削弱压电器件的输出位移，而小刚度的柔性铰链则由于其惯性力，难以实现较高加载频率下的快速响应。