CN103115826B - 一种用于中子衍射技术的原位应力-温度加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于中子衍射技术的原位应力-温度加载装置。所述装置中的机架设计成“门框式”结构，利用空心轴伺服电机经减速机带动多级同种规格尺寸的齿轮旋转，再经导向组件和夹具实现对试样的水平运动操作。通过控制空心轴伺服电机正转（反转），实现对试样的双向同步拉伸（压缩），通过控制空心轴伺服电机电机的转速，实现对试样拉伸（压缩）的速度调节。设计基于电阻热辐射结构的腔体式高温炉配合机架使用，通过温控仪控制高温炉体腔内的温度，在中子入射方向与散射方向分别开设扇形通孔，并用石英玻璃封口。本发明的用于中子衍射技术的原位应力-温度加载装置可以在多种中子散（衍）射谱仪上使用，实现中子散（衍）射原位应力-温度加载测试技术。

Description

一种用于中子衍射技术的原位应力-温度加载装置

技术领域

本发明属于在中子衍射结合应力-温度加载环境下，材料结构与性能的原位测量技术领域，具体涉及一种用于中子衍射技术的原位应力-温度加载装置，适用于多种拉伸（压缩）运动方式、不同拉伸速率以及不同温度条件下测量材料的结构与力学性能的装置。

背景技术

中子衍射分析技术同X射线分析方法类似，均是根据衍射峰的位移计算应变，然后转化为应力结果。对比后者，中子在穿透深度以及区分相邻元素等方面具有明显优势，业界普遍认为中子衍射分析技术是目前多晶材料内部三维应力无损检测的唯一技术手段。材料的内部结构变化与其外部加载环境之间的对应关系是材料领域的重要研究方向。研究人员首先采用中子衍射手段获得材料内部深层结构信息，然后将分析得到的材料内部信息与使用拉伸试验机结合高温炉检测材料在不同温度场下的力学性能参数之间建立联系，间接获得材料内部结构变化与外部加载环境的关系。由于上述两个过程非同时进行，因此建立起来的联系具有较大不确定性。解决这一科学难题的有效办法是首先将拉伸（压缩）试验机与高温炉装置结合一体化，然后将其固定在用于检测材料内部结构的中子衍射谱仪装置上面，在材料拉伸（压缩）力学性能结合温度的动态测试过程中，实时对其内部结构进行原位测试，建立一一对应关系。与中子衍射谱仪配套使用的原位应力-温度加载装置应满足以下要求：一，高温炉与拉伸（压缩）机应有机结合，并可随时拆分，配套夹具应方便安装拆卸。二，高温炉腔内温度分布均匀，避免由于受热不均导致的试样应变出现梯度变化。三，温度控制精度高，恒温加热时温度稳定性良好。四，拉伸（压缩）机应为双向拉伸方式，避免常见拉伸（压缩）机由于单向拉伸，导致试样测试点的移动，为试验结果引入误差。五，装置体积及质量不能太大，通常中子衍射谱仪的样品台周围空间及承重有限，如果装置体积或质量超过谱仪承受范围，则其无法安装在谱仪样品台上。综上，原位应力-温度加载系统应具备高精度位移，精密控温，体积小巧，质量轻便等特点。

目前，国内中子散（衍）射技术处于起步阶段，尚未发现有公司针对中子衍射谱仪设计研发此类配套设备。部分从事X射线研究的实验室根据自身装置特点有过类似探索，但是都具有较大局限性，不适合中子衍射测试技术。国际上，美国洛斯-阿拉莫斯中子实验室为其中子衍射应力谱仪配备此类环境加载设备，但是体积庞大，质量重，不具有普遍推广的能力。法国、韩国等多家中子散（衍）射实验室拉伸（压缩）机与温度加载设备是分离的，不满足原位应力-温度同时加载条件。

发明内容

为了克服现有中子衍射技术谱仪配备环境加载设备，体积大，质量重，推广难度大的不足，本发明提供一种用于中子衍射技术的原位应力-温度加载装置，可以在多种中子散（衍）射谱仪上使用的小型应力-温度加载装置，实现中子散（衍）射原位应力-温度加载测试技术。

本发明的一种用于中子衍射技术的原位应力-温度加载装置，其特点是，所述加载装置包括驱动组件、动力传动及转换组件、导向组件、信号探测组件、高温炉组件、机架及控制软件部分。所述驱动组件包括空心轴伺服电机、第一减速机和第二减速机。所述动力传动及转换组件包括第一联轴器、第二联轴器、第一主动齿轮、第二主动齿轮、第一从动齿轮、第二从动齿轮、第三从动齿轮、第四从动齿轮、第一夹具、第二夹具。所述导向组件包括第一导向基座、第二导向基座、第一导向轴、第二导向轴。所述信号探测组件包括力学传感器、温度传感器。所述高温炉组件包括高温炉体、电阻丝、耐高温陶瓷管、隔热层、惰性气体注入端口、中子入射窗口、中子散射窗口、电缆接口。高温炉组件支撑架、隔热板支撑架。控制软件包括PLC和温控仪。其中，机架由底座、左右两个立板构成：其连接关系是，所述机架右立板外侧装有第一主动齿轮、第一从动齿轮、第二从动齿轮、第一导向基座和第一导向轴。机架左立板外侧对应装有第二主动齿轮、第三从动齿轮、第四从动齿轮、第二导向基座和第二导向轴。高温炉体置于机架内，并通过高温炉组件支撑架与支架的底座固定连接，穿过高温炉体右端的第一夹具通过丝杠与第一导向基座连接，第一导向基座通过第一导向轴与机架右立板固定连接，高温炉体底端设置有惰性气体注入端口，外接惰性气瓶。高温炉体右端与第一夹具接合处安装有第一冷水循环封圈，在第一冷水循环封圈设置有第一冷水注入端口，在第一冷水循环封圈与第一导向基座之间设置有力学传感器。高温炉体左端第二夹具通过第二导向基座的第二导向轴与机架的左立板固定连接，高温炉体左端安装有第二冷水循环封圈，温度传感器经左端穿入高温炉体内，试样通过销钉分别与第一夹具、第二夹具固定连接。驱动组件平行设置于高温炉组件上方，驱动组件中的空心轴伺服电机的两端分别连接有第一减速机和第二减速机，第一减速机通过第一联轴器与第一主动齿轮轴连接，第二减速机通过第二联轴器与第二主动齿轮轴连接。在高温炉组件和驱动组件之间设置隔热板，隔热板通过隔热板支撑架与高温炉体固定连接，高温炉体通过高温炉组件支撑架与机架底座固定相连。升降台安装在机架底座下方，用于调节原位应力温度加载装置的高度。机架整体通过屏蔽罩覆盖，屏蔽罩选择含硼材料设计，阻止灰尘等杂物进入装置内部，屏蔽环境中的中子对试验结果产生影响。

所述高温炉组件包括高温炉体、电阻丝、耐高温陶瓷管、隔热层、惰性气体注入端口、中子入射窗口、中子散射窗口、电缆接口。高温炉体设置成圆筒形状，在中子入射方向设置中子入射窗口，散射方向设置中子散射窗口，数组电阻丝和耐高温陶瓷管组合体等间距置于高温炉体内壁与外壁之间，电阻丝和耐高温陶瓷管周围填充隔热层，控制电阻丝电流的电缆经过高温炉的电缆接口与外接温控仪。

所述温度传感器采用S型铂铑热电偶。缠绕在夹具及试样表面，温度传感器探头位于试样测试中心，实时探测试样表面温度。

第一减速机，第二减速机、第一主动齿轮，第二主动齿轮，第一从动齿轮，第二从动齿轮，第三从动齿轮，第四从动齿轮，第一导向基座，第二导向基座，第一导向轴和第二导向轴均为统一规格型号。

所述的机架的底座，第一主动齿轮，第二主动齿轮，第一从动齿轮，第二从动齿轮，第三从动齿轮，第四从动齿轮均为镂空设置。

所述的隔热层采用陶瓷纤维制成。

所述的控制软件由两部分构成：使用PLC实现对装置的运动控制，主要包括拉伸（压缩）运动控制及拉力数据获取，可以实现对试样恒速度拉伸（压缩）、固定应力加载及固定应变加载，并可实时监测当前拉伸的状态，如应力，应变等；使用温控仪实现对高温炉体内温度的控制。

本发明的用于中子衍射技术的原位应力-温度加载装置，使用空心轴伺服电机经减速机带动第一主动齿轮和第二主动齿轮旋转，再经第一从动齿轮和第四从动齿轮传递后，间接控制第二从动齿轮和第三从动齿轮做同步旋转运动。在第二从动齿轮和第三从动齿轮旋转过程中，通过导向组件及夹具实现对试样的水平移动操作。空心轴伺服电机的正转（反转）实现对试样拉伸（压缩）运动控制，空心轴伺服电机转速的调整实现对试样水平拉伸（压缩）速度控制。力学传感器经夹具与试样水平连接，试样做拉伸（压缩）运动时，拉力传感器内部的应变片将产生轻微的变形，输出电压信号变化，经PLC接收以后转换成力学信号。温度传感器缠绕在夹具及试样表面，探头位于试样测试中心，实时探测试样表面温度。本发明的用于中子衍射技术的原位应力-温度加载装置可以在多种中子散（衍）射谱仪上使用，实现中子散（衍）射原位应力-温度加载测试技术。

附图说明

图1为本发明的用于中子衍射技术的原位应力-温度加载装置结构示意图；

图2a为本发明中的高温炉体截面图；

图2b为本发明中的高温炉体正面图；

图2c为本发明中的高温炉体背面图；

图中，1.屏蔽罩 2.第二联轴器 3.第二减速机 4.空心轴伺服电机 5.第一减速机 6.第一联轴器 7.第一冷水循环封圈 8.第一主动齿轮 9.第一从动齿轮 10.第二从动齿轮 11.第一导向轴 12.第一导向基座 13.力学传感器 14.第一冷水注入端口 15.第一夹具 16.第一销钉 17.惰性气体注入端口 18.机架 19.升降台控制按钮 20.升降台 21.高温炉体 22.试样 23.第二销钉 24.第二夹具 25.第二冷水注入端口 26.温度传感器 27.第二导向基座 28.第二导向轴 29.第三从动齿轮 30.第四从动齿轮 31.第二主动齿轮 32.第二冷水循环封圈 33.隔热板 34.电阻丝 35.陶瓷管 36.隔热层 37.中子入射窗口 39.中子散射窗口 40.高温炉组件支撑架 41.电缆接口 42.隔热板支撑架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

实施例1

图1为本发明的用于中子衍射技术的原位应力-温度加载装置结构示意图，图2a为本发明中的高温炉体21截面图，图2b为本发明中的高温炉体正面图，图2c为本发明中的高温炉体背面图。在图1～图2中，本发明的用于中子衍射技术的原位应力-温度加载装置包括驱动组件、动力传动及转换组件、导向组件、信号探测组件、高温炉组件、机架及控制软件部分；所述驱动组件包括空心轴伺服电机4、第二减速机3和第一减速机5；所述动力传动及转换组件包括第二联轴器2、第一联轴器6、第一主动齿轮8、第二主动齿轮31、第一从动齿轮9、第二从动齿轮10、第三从动齿轮29、第四从动齿轮30、第一夹具15、第二夹具24；所述导向组件包括第一导向基座12、第二导向基座27、第一导向轴11、第二导向轴28；所述信号探测组件包括力学传感器13、温度传感器26；所述高温炉组件包括高温炉体21、电阻丝34、耐高温的陶瓷管35、隔热层36、惰性气体注入端口17、中子入射窗口37、中子散射窗口39、电缆接口41；高温炉组件支撑架40、隔热板支撑架42；控制软件包括PLC和温控仪；其中，机架18由底座、左右两个立板构成：其连接关系是，所述机架18右立板外侧装有第一主动齿轮8、第一从动齿轮9、第二从动齿轮10、第一导向基座12和第一导向轴11；机架18左立板外侧对应装有第二主动齿轮31，第三从动齿轮29，第四从动齿轮30，第二导向基座27和第二导向轴28；高温炉体21置于机架18内，并通过高温炉组件支撑架40与支架18的底座固定连接，穿过高温炉体21右端的第一夹具15通过丝杠与第一导向基座12连接，第一导向基座12通过第一导向轴11与机架18右立板固定连接，高温炉体21底端设置有惰性气体注入端口17，外接惰性气瓶；高温炉体21右端与第一夹具15接合处安装有第一冷水循环封圈7，在第一冷水循环封圈7设置有第一冷水注入端口14，在第一冷水循环封圈7与第一导向基座12之间设置有力学传感器13；穿过高温炉体21左端的第二夹具24通过丝杠与第二导向基座27连接，第二导向基座27通过第二导向轴28与机架18左立板固定连接；高温炉体21左端与第二夹具24接合处安装有第二冷水循环封圈32，在第二冷水循环封圈32设置有第二冷水注入端口25；温度传感器26经左端穿入高温炉体21内。本实施例中设置有数个销钉，第一销钉16、第二销钉23为其中两个，试样22通过第一销钉16与第一夹具15相连。通过第二销钉23与第二夹具24相连。驱动组件平行设置于高温炉组件上方，驱动组件中的空心轴伺服电机4的两端分别连接有第一减速机5和第二减速机3，第一减速机5通过第一联轴器6与第一主动齿轮轴连接，第二减速机3通过第二联轴器2与第二主动齿轮轴连接。

在高温炉组件和驱动组件之间设置隔热板33，隔热板33通过隔热板支撑架42与高温炉体21固定连接，高温炉体21通过高温炉组件支撑架40与机架18底座固定相连；升降台20安装在机架18底座下方，通过升降台20上设置的升降台控制按钮19调节原位应力温度加载装置的高度。机架18整体通过屏蔽罩1覆盖，屏蔽罩1使用含硼材料设计加工，防止灰尘进入并具备一定屏蔽效果。

由于安装在空心轴伺服电机两侧的第二减速机3，第一减速机5为统一型号，传动组件中包括六个齿轮为同种规格尺寸，所以试样22在水平拉伸（压缩）过程中，中间点（束流入射点）不发生移动。第一主动齿轮8，第一从动齿轮9和第二从动齿轮10三级齿轮传动比为1：1：1，第二主动齿轮31，第三从动齿轮29和第四从动齿轮30三级齿轮传动比为1：1：1，理想情况下，第二减速机3和第一减速机5的输出扭矩经过第一夹具15和第二24直接作用在试样22两侧。当空心轴伺服电机4收到控制信号，开始正转（反转）时，带动第二减速机3和第一减速机5同步运动，实现对试样22的拉伸（压缩）功能。通过对空心轴伺服电机4转速的调节，实现对试样22拉伸（压缩）速度控制；第一夹具15和第二夹具24及试样22位于高温炉体21内部，使用过程中，首先将试样22与第二夹具24连接固定后，将高温炉组件套装在其上面并移动至第二夹具24的末端，再将试样22与第一夹具15连接，然后移动高温炉组件至指定位置，确保试样22测试中心与高温炉体21轴向中心处吻合；由于第一夹具15和第二夹具24将长时间处于高温环境中，所以对其耐高温性能提出要求，装置使用高温镍基合金材料设计第一夹具15和第二夹具24，理论上，在1000^oC高温时，其强度不小于800Mpa。

所述高温炉组件包括高温炉体21、电阻丝34、耐高温的陶瓷管35、隔热层36、惰性气体注入端口38、中子入射窗口37、中子散射窗口39、电缆接口41；高温炉体21设置成圆筒形状，炉外壁直径10厘米，炉内壁直径6厘米，炉体总长度15厘米，因为该装置应用于中子衍射测试环境下，为了确保不阻挡束流，在中子入射及反射方向开设扇形通孔作为中子入射窗口37，入射方向开设扇形角度范围0^o～45^o，散射方向开设扇形通孔作为中子散射窗口39，角度－135^o～＋135^o，两种通孔的孔高均为2厘米，通孔口安装石英玻璃，防止高温炉腔内温度外泄。数组电阻丝和耐高温陶瓷管组合体等间距置于高温炉组件内壁与外壁之间，电阻丝和耐高温陶瓷管周围填充隔热层36，控制电阻丝电流的电缆经过高温炉体21的电缆接口41外接温控仪。高温炉体21内部径向受热均匀，高温炉轴向存在温度梯度，中心处向两端温度递减。采用经惰性气体注入端口17向高温炉体21内部注入惰性气体的方式实现高温炉体21内部热辐射均匀的要求。

所述温度传感器26采用S型铂铑热电偶。缠绕在第二夹具24及试样22表面，探头位于试样22测试中心，实时探测试样表面温度。

所述的机架18的底座，第一主动齿轮8，第二主动齿轮31，第一从动齿轮9，第二从动齿轮10，第三从动齿轮29，第四从动齿轮30均做镂空设置。

所述的隔热层36采用陶瓷纤维制成。本实施例中，电阻丝34为数个电阻丝中的一个，陶瓷管35为数个耐高温的陶瓷管中的一个。

本实施例中，中子衍射技术使用的中子源采用反应堆中子源。

实施例2

本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是，中子衍射技术使用的中子源采用脉冲堆中子源。

实施例3

本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是，中子衍射技术使用的中子源采用散裂中子源。

Claims (6)

1.一种用于中子衍射技术的原位应力-温度加载装置，其特征在于，所述加载装置包括驱动组件、动力传动及转换组件、导向组件、信号探测组件、高温炉组件、机架及控制软件部分；所述驱动组件包括空心轴伺服电机（4）、第一减速机（5）和第二减速机（3）；所述动力传动及转换组件包括第一联轴器（2）、第二联轴器（6）、第一主动齿轮（8）、第二主动齿轮（31）、第一从动齿轮（9）、第二从动齿轮（10）、第三从动齿轮（29）、第四从动齿轮（30）、第一夹具（15）、第二夹具（24）；所述导向组件包括第一导向基座（12）、第二导向基座（27）、第一导向轴（11）、第二导向轴（28）；所述信号探测组件包括力学传感器（13）、温度传感器（26）；所述高温炉组件包括高温炉体（21）、电阻丝、耐高温陶瓷管、隔热层（36）、惰性气体注入端口（38）、中子入射窗口（37）、中子散射窗口（39）、电缆接口（41）；高温炉组件支撑架（40）、隔热板支撑架（42）；控制软件包括PLC和温控仪；其中，机架（18）由底座、左右两个立板构成：其连接关系是，所述机架（18）右立板外侧装有第一主动齿轮（8）、第一从动齿轮（9）、第二从动齿轮（10）、第一导向基座（12）和第一导向轴（11）；机架（18）左立板外侧对应装有第二主动齿轮（31）、第三从动齿轮（29）、第四从动齿轮（30）、第二导向基座（27）和第二导向轴（28）；高温炉体（21）置于机架（18）内，并通过高温炉组件支撑架（40）与支架（18）的底座固定连接，穿过高温炉体（21）右端的第一夹具（15）通过丝杠与第一导向基座（12）连接，第一导向基座（12）通过第一导向轴（11）与机架（18）右立板固定连接，高温炉体（21）底端设置有惰性气体注入端口（17）；高温炉体（21）右端与第一夹具（15）接合处安装有第一冷水循环封圈（7），在第一冷水循环封圈（7）设置有第一冷水注入端口（14），在第一冷水循环封圈（7）与第一导向基座（12）之间设置有力学传感器（13）；高温炉体（21）左端第二夹具（24）通过第二导向基座（27）的第二导向轴（28）与机架（18）的左立板固定连接，高温炉体（21）左端安装有第二冷水循环封圈（32），温度传感器（26）经左端穿入高温炉体（21）内，试样（22）通过销钉分别与第一夹具（15）、第二夹具（24）固定连接；驱动组件平行设置于高温炉组件上方，驱动组件中的空心轴伺服电机（4）的两端分别连接有第一减速机（5）和第二减速机（3），第一减速机（5）通过第一联轴器（6）与第一主动齿轮轴连接，第二减速机（3）通过第二联轴器（2）与第二主动齿轮轴连接；在高温炉组件和驱动组件之间设置隔热板（33），隔热板（33）通过隔热板支撑架（42）与高温炉体（21）固定连接，高温炉体（21）通过高温炉组件支撑架（40）与机架（18）底座固定相连；升降台（20）安装在机架（18）底座下方，机架（18）整体通过屏蔽罩（1）覆盖。

2.根据权利要求1所述的用于中子衍射技术的原位应力-温度加载装置，其特征在于，所述高温炉组件包括高温炉体（21）、电阻丝（34）、耐高温陶瓷管（35）、隔热层（36）、惰性气体注入端口（17）、中子入射窗口（37）、中子散射窗口（39）、电缆接口（41）；高温炉体（21）设置成圆筒形状，在中子入射方向设置中子入射窗口（37），散射方向设置中子散射窗口（43），数组电阻丝和耐高温陶瓷棒组合体等间距置于高温炉组件内壁与外壁之间，电阻丝和耐高温陶瓷棒周围填充隔热层（36），控制电阻丝电流的电缆经过高温炉体（21）的电缆接口（41）外接温控仪。

3.根据权利要求1所述的用于中子衍射技术的原位应力-温度加载装置，其特征在于，所述温度传感器（26）采用S型铂铑热电偶。

4.根据权利要求1所述的用于中子衍射技术的原位应力-温度加载装置，其特征在于，所述的机架（18）的底座，第一主动齿轮，第二主动齿轮，第一从动齿轮，第二从动齿轮，第三从动齿轮，第四从动齿轮均为镂空设置。

5.根据权利要求2所述的用于中子衍射技术的原位应力-温度加载装置，其特征在于，隔热层（36）采用陶瓷纤维制成。

6.根据权利要求1所述的用于中子衍射技术的原位应力-温度加载装置，其特征在于，所述的中子衍射技术使用的中子源采用反应堆中子源、脉冲堆中子源、散裂中子源中的一种。