CN105181734A - 一种形状记忆合金热机械疲劳实验装置 - Google Patents

Abstract

一种形状记忆合金热机械疲劳实验装置，与MTS试验机配合实施形状记忆合金热机械疲劳实验,MTS控制器2控制力和应变数据的获取处理。MTS试验机的试样夹头通过一绝缘夹持装置10与被测试样8联接；一可控电加热电源4的输出跨接在被测试样8的两端；一用于测量被测试样即时温度的温度传感器将温度信号输入MTS控制器2，温度控制器7控制电源4的开断使被测试样保持设定的温度。本发明为形状记忆合金材料的热机械疲劳研究提供了一种试验设备，能够高效的实现材料的升温与降温循环，且材料内外升温均匀，并解决了与液压试验机之间的绝缘问题，实现了力、温度和应变数据的同步采集。

Description

一种形状记忆合金热机械疲劳实验装置

技术领域

本发明属于形状记忆合金热力学性能测试技术领域，尤其是形状记忆合金的热机械疲劳失效行为。

背景技术

近三十年来兴行的智能合金材料引起国内外众多学者进行研究。其中，形状记忆合金因其良好的生物相容性，轻质耐磨以及特有的形状记忆特性使得其广泛应用于机械，医疗，航空，汽车等行业。形状记忆特性是指材料或结构在低温下进行加载变形，卸载后的残余变形在升温后逐步恢复到加载前状态的过程。材料或结构在服役过程中，经常发生循环往复的形状记忆效应，材料必将经历重复的加载-卸载-升温-降温-加载循环过程。在此过程中，形状记忆合金的可恢复能力下降，在结构疲劳发生之前有可能发生功能疲劳，影响其正常使用。由于形状记忆合金是一种热敏感材料，形状记忆恢复过程需要温度作为驱动力。因此，该合金的疲劳失效行为是典型的热机械载荷耦合作用过程。

由于马氏体相变是瞬时发生的，热机械疲劳实验需要有快速加热和冷却的装置。现已开发的实验方法仍存在着很多的不足：

1)采用传统高温环境箱进行加热。该加热方式升降温缓慢，试验周期长，在所需大量循环实验的情况下，此种升温方式效率低，无法开展形状记忆合金的疲劳失效行为研究。

2)在形状记忆过程中，当材料升温恢复变形时，材料一旦达到马氏体相变开始温度立刻发生变形恢复。然而，环境箱加热原理是通过热辐射升温，这将导致试样表面温度高于试样内部，即试样受热不均匀，表面材料与内部材料将发生不同步的形状记忆特性，对疲劳失效寿命会产生较大的影响。

3)形状记忆合金循环过程需要获取力、温度和应变数据。传统加热方法很难同步记录力、温度和应变数据。

4)在进行形状记忆热机械疲劳实验时，升温-降温过程中的的应变响应很大，需要精确控制升温-降温过程中的机械载荷，若采用电阻加热与力学试验机组合的方式，电流若流入试验机会影响试验机液压控制系统，若电流流入应变引伸计会影响应变传感器测量精度，使其读数不断波动，因此还需解决绝缘问题。

随着形状记忆合金的形状记忆效应的广泛应用，对于材料的形状记忆效应疲劳失效研究进而进行疲劳寿命预测显得极为重要，现有的实验方法或只能获得单个循环的应力、应变和温度曲线，无法进行疲劳失效试验，或采用传统温度箱加热，使得试验周期变长，且温度数据不宜采集，无法获得多个循环的应力、应变和温度曲线，或进行多个循环实验时无法精确控制力或位移，使得实验结果误差较大，无法揭示材料形状记忆效应疲劳循环过程中的规律。故至今，仍缺少一种对于形状记忆合金材料进行热机械循环疲劳实验的高效精确装置

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的是建立一种基于MTS实验机平台的电加热的形状记忆合金热机械疲劳实验装置，使其克服加热设施与加载设施之间绝缘的难点，通过MTS的数据接口，实现了力、温度和应变的同步实时采集。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

一种形状记忆合金热机械疲劳实验装置，与MTS试验机配合实施形状记忆合金热机械疲劳实验，MTS控制器2控制试样的加载和应变数据的获取处理。MTS试验机的试样夹头通过一绝缘夹持装置与被测试样8联接；一可控电加热电源4的输出跨接在被测试样8的两端；一用于测量被测试样即时温度的温度传感器将温度信号输入MTS控制器2，温度控制器7控制电源4的开断使被测试样保持选定的温度；其中：

所述绝缘夹持装置由一对绝缘套和置于绝缘套内上传力垫块11和下传力垫块12构成，上传力垫块11和下传力垫块12夹住试样8与电热导线，绝缘套10沿着轴向套在上传力垫块11和下传力垫块12组合体的外部；传力垫块上具有在试样被拉伸时卡住试样凸部的凸出块16；所述被测试样8为两头具有凸部，中段宽度一致的外形结构。

通过如上的处理，常规的MTS试验机通过液压夹头可将绝缘套包含传力垫块以及试样一起夹持。试样绝缘套采用聚碳酸酯制备，经过测试有良好的强度及刚度，适宜做本发明的绝缘套材料，MTS试验机引伸计刀片也经过了绝缘处理。

机械加载主要由MTS试验机完成，可控制不同速率和不同轴向载荷下的多种实验工况；温度加载主要由电源与试样串联后通电生热。由于试样中部横截面积小且延长度方向一样，故在测试区域温度场趋于均匀。

MTS试验机的控制器2除控制机械载荷以外还承担和试样温度的控制。其中，机械载荷测量控制主要通过MTS配备的常规的传感器与控制系统完成。温度测量控制，如图2所示，热电偶通过耐热橡皮筋绑扎固定在试样测温点处，将热电偶连接至温度控制器即可实时显示测量所得的温度。通过变送器将温度控制器捕捉的温度信号转化为MTS控制器能记录的电压信号，从而通过MTS控制器可以同步实时采集力、应变和温度数据。

本发明形状记忆合金热机械疲劳实验装置本发明为形状记忆合金材料的热机械疲劳研究提供了一种试验设备，能够高效的实现材料的升温与降温循环，且材料内外升温均匀，并解决了与液压试验机之间的绝缘问题，实现了力、温度和应变数据的同步采集。

附图说明：

图1本发明实验方法所述系统的整体结构示意图。

图2本发明实验方法系统中MTS试验机上试样安装示意图。

图3本发明实验方法中加热系统与加载系统绝缘配件的装配示意图。

图4本发明实验方法所测得的循环应力-温度-应变曲线。

具体实施方式

下面通过附图与实施例对本发明进行进一步阐述。

实施例1

本实施例所涉及的基于电加热以及MTS力控制平台的形状记忆合金的热机械疲劳实验装置，在MTS传统机械载荷作用下，基于电阻加热原理，考虑绝缘处理，对形状记忆合金试样直接通电加热至马氏体相变温度，并将温度信号传输至MTS控制器2，进行整个实验过程数据的实时采集，整体装置装配关系如图1和图2所示：

热加载部分：电源4，将正负电极导线一端连接至MTS试验机1上的试样8，一端连接至继电器6上，继电器6的另一电极与试样8另一端相连，至此三者组成串联电路，根据焦耳热原理，被测试样8中部截面积较窄部分将均匀的生热，而且升温与降温很迅速，温度循环效率高；

温度控制部分：通过耐高温橡圈绑扎在试样8升温段表面的温度传感器热电偶9，连接至温度控制器7并且显示当前温度于显示屏上。热电偶9放置在试样8中心位置，另一端连接在温度控制器7上。引伸计13通过上下刀片14侧边的挂钩18可悬挂于试样侧面，用于测量应变。刀片14全表面采用耐高温绝缘漆喷涂，防止流经试样的电流流入引伸计13，从而导致引伸计损坏或应变测量的波动。

图3为试样、传力垫块和绝缘套之间的装配示意图：

先将绝缘套10如图3所示箭头方向套在试样8中部区域，再将上传力垫块11，下传力垫块12如图所示箭头方向夹住试样8夹持段与导线15，最后绝缘套10继续沿着轴向套在上传力垫块11和下传力垫块12组合体的外部；

上传力垫块11平面上凸出块16高度低于试样8厚度0.1mm，以便使得试样8夹持段表面能与传力垫块接触。上传力垫块11上方两凸出块间距是大于试样8试验段截面宽，小于试样8夹持段截面宽。当试样受轴向实验拉力时，拉力通过试样8夹持段与凸块16接触，以及夹持段与传力垫块横向力的摩擦力，将力传递上传力垫块11和下传力垫块12。

上传力垫块11和下传力垫块12通过与绝缘套10之间的摩擦力以及圆环形凸台17与绝缘套横截面之间的轴向力，可将力传递给绝缘套10，最后绝缘套10再将所受的力传递给MTS试验机；

需要指出的是，绝缘套10以及上传力垫块11、下传力垫块12的尺寸是契合MTS夹块尺寸的，使用时能与MTS夹块有较大的接触面，且长度方向上，上传力垫块11、下传力垫块12不会触碰到MTS试验机，绝缘套的外径也大于凸台17的外径，在夹持后凸台17不会碰触MTS夹块。

绝缘套10内径小于装配后传力垫块所形成的圆柱体外径0.1mm，由于绝缘套10采用的是聚碳酸酯，强度小于垫块强度，故易实施过盈装配，使得绝缘套10内产生一定的扩径方向的预应力，可抵消部分的加持力，使得绝缘套10处于不易破坏的受力状态，且可防止试样8上电流通过MTS夹块进而影响MTS的工作系统。

应用实施例

由于形状记忆合金的奥氏体完成温度一般在50～200度之间，本发明中所指的升温范围限定在50～200摄氏度。

在实际实验开始时，将继电器5如图1所示与温度控制器7连接，当温度达到在温度控制器4上设置的预设温度时，会断开上述热加载电路，当温度低于预设温度，上述热加载电路工作正常；

本实施例中，温度控制器7将预设2个温度点，一个为欲加热温度点，可设置保持时间，此时间即为升温时间，本实例设置为1分钟；

一个为实验室环境温度点，可设施保持时间，此时间即为降温时间，本例采用10分钟。将温度控制器7信号线与变送器5一端相连，变送器5另一端输出信号线与MTS控制器2相连，可将温度控制器7采集的温度信号通过变送器5转变成电压信号并输入MTS控制器2中。

机械加载与控制部分主要有MTS试验机1自身的液压加载系统及力传感器，位移传感器，及引伸计13。将测得的信号传入MTS控制器2中，最后一并从控制器2中将所有数据传输至计算机3，实施输出、观测和处理。

图4为通过上述实验方法获取的形状记忆合金在热机械疲劳载荷作用下前10圈的循环应力-应变-温度曲线，该曲线清晰的描述了整个热机循环过程中应力、温度和应变三者的关系以及它们随着循环圈数的增加而不断演化的规律。

Claims (3)

1.一种形状记忆合金热机械疲劳实验装置，与MTS试验机配合实施形状记忆合金热机械疲劳实验，MTS控制器2控制力和应变数据的获取处理，其特征在于，MTS试验机的试样夹头通过一绝缘夹持装置与被测试样8联接；一可控电加热电源4的输出跨接在被测试样8的两端；；一用于测量被测试样即时温度的温度传感器将温度信号输入MTS控制器2，温度控制器7控制电源4的开断使被测试样保持设定的温度；其中：

所述绝缘夹持装置由一对绝缘套和置于绝缘套内的上传力垫块11和下传力垫块12构成，上传力垫块11和下传力垫块12夹住试样8与电热导线，绝缘套10沿着轴向套在上传力垫块11和下传力垫块12组合体的外部；传力垫块上具有在试样被拉伸时卡住试样凸部的凸出块16；所述被测试样8为两头具有凸部，中段宽度一致的外形结构。

2.根据权利要求1所述的形状记忆合金热机械疲劳实验装置，其特征在于，所述温度传感器为热电偶。

3.根据权利要求1所述的形状记忆合金热机械疲劳实验装置，其特征在于，所述MTS试验机中承担试样微小位移检测的引伸计的上下刀片的全表面采用耐高温绝缘处理。