CN105334237A - 可用同步辐射光源进行原位成像的疲劳试验机及试验方法 - Google Patents

Abstract

一种可用同步辐射光源进行原位成像的疲劳试验机及试验方法，其试验机的组成是：底板底部的十字架嵌合在同步辐射光源的平台上，底板的伺服电机通过凸轮连杆机构与底板的底座上的下夹具下端连接；底座的盖板的上表面同时活动嵌合一个半圆环的有机玻璃内罩和一个半圆环的有机玻璃外罩，有机玻璃内罩及有机玻璃外罩的顶部与顶盖嵌合连接，顶盖的底面中部连接载荷传感器的上端，载荷传感器的下端与上夹具连接；上夹具位于下夹具的正上方；伺服电机、载荷传感器均与数据处理与控制装置电连接。该试验机在疲劳试验的过程中，能对准疲劳试样进行同步辐射成像，得到材料的内部的三维立体图像；更清晰、准确地反映材料的力学性能和显微组织的演变规律。

Description

可用同步辐射光源进行原位成像的疲劳试验机及试验方法

技术领域

本发明涉及一种用同步辐射光源进行原位成像的疲劳试验机及其试验方法。

背景技术

长期以来，人们就工程结构的疲劳破坏问题开展了大量的研究。一般认为，疲劳寿命主要消耗在裂纹萌生与短裂纹扩展阶段。短裂纹的扩展行为宏观上随着裂纹长度增大而发生变化，微观上还受到金属微观组织和环境等因素的影响，再加上裂纹闭合以及小裂纹效应等问题，使得服役过程中循环载荷下的短裂纹的扩展问题变得十分复杂。为更好地探究裂纹在扩展过程中与微观组织变化以及宏观力学性能的关系，进而为工程零部件的寿命设计提供更加可靠的理论依据，需要通过疲劳试验机对零部件进行试验，获取材料在外载荷作用下的宏观定量力学参数。原位疲劳试验通过将电子显微技术与传统的材料疲劳测试技术有效地结合，在对材料试样进行力学加载和疲劳测试过程中，分阶段的停机，停机时通过实验平台上集成的显微成像系统，对材料组织结构变化、微观变形损伤、进行原位成像记录；宏观的疲劳力学测试数据和多个阶段的成像记录结合，即能反映材料的力学性能和显微组织演变规律，为分析固态材料的力学特性和微观组织演变规律提供了新的方法。

现有的原位疲劳试验装置中，显微成像系统一般为光学显微镜，由于其分辨率以及放大倍率较低，测试效果有很大的局限性。近年来，出现了使用扫描电子显微镜(SEM)的疲劳试验机。如：德国的Kammrath&Weiss公司开发的原位拉伸测试仪器利用伺服伺服电机驱动，配合SEM的使用，可以对金属材料进行原位疲劳测试。SEM分辨率达微米级，能更好的观察到材料的微观组织形貌和缺陷。但是，SEM只能得到材料的表面的二维图像，而不能得到材料的内部的三维立体图像；且其光源亮度低，光信号检测信噪比低，使得测量精度与检测灵敏度有待提高。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种可用同步辐射光源进行原位成像的疲劳试验机，该疲劳试验机在疲劳试验的过程中，能够使用同步辐射光源直接原位对准疲劳试样进行同步辐射成像，得到材料的内部的三维立体图像；其图像信噪比高，成像精度与灵敏度高；进而能更清晰、准确地反映材料的力学性能和显微组织的演变规律，为工程零部件的寿命设计提供更加可靠的试验依据。

本发明实现其第一目的所采用的技术方案为，一种可用同步辐射光源进行原位成像的疲劳试验机，其组成是：

底板底部的十字架嵌合在同步辐射光源的平台上，底板上表面的中部固定有圆环状的底座；推杆通过水平的直线轴承一安装在底座的左壁和右壁上；底板上表面的左侧安装有伺服电机，伺服电机轴上安装凸轮；推杆的左端伸出底座与凸轮的右侧缘接触，推杆中部和连杆下端绞接，推杆的右端通过弹簧连接在底座的右壁上；

连杆的上端与从动杆的底端绞接，从动杆则通过竖直的直线轴承二安装在底座的盖板上，盖板螺纹固定在底座的顶部；

从动杆的顶端伸出盖板与下夹具连接，盖板的上表面同时活动嵌合一个半圆环的有机玻璃内罩和一个半圆环的有机玻璃外罩，有机玻璃内罩及有机玻璃外罩的顶部与顶盖嵌合连接，顶盖的底面中部连接载荷传感器的上端，载荷传感器的下端与上夹具连接；上夹具位于下夹具的正上方；

伺服电机、载荷传感器均与数据处理与控制装置电连接。

本发明的第二发明目的是提供一种使用上述的可用同步辐射光源进行原位成像的疲劳试验机进行原位疲劳试验的方法，该方法能够简单方便的对试样进行同步辐射光源的原位成像疲劳试验。

本发明实现第二发明目的所采用的技术方案是，一种使用上述的可用同步辐射光源进行原位成像的疲劳试验机进行原位疲劳试验的方法，其操作是：

A、试件的安装

移动有机玻璃内罩和有机玻璃外罩使二者重合，通过有机玻璃内罩和有机玻璃外罩没有罩住的部位，将试样置于下夹具正上方，并将试样上端夹持于上夹具上，再将试样下端夹持在下夹具上；重新移动有机玻璃内罩和有机玻璃外罩，使二者不再重合，将试样罩在由有机玻璃内罩和有机玻璃外罩围住的空间内；

B、原位疲劳试验

数据处理与控制装置控制电机以设定的频率转动，带动凸轮转动，进而通过推杆、连杆、从动杆带动下夹具上下往复移动，对试样施加竖向往复的位移载荷；

同时，载荷传感器检测到试样承受的载荷信号，传递给数据处理与控制装置；

当往复竖向位移载荷达到设定的成像循环次数后，数据处理与控制装置控制电机停止转动，再启动同步辐射光源，同步辐射光源的平台旋转，带动底板及底板上的试样进行360度旋转；同时，同步辐射光源的光发射器发出的同步辐射光穿透有机玻璃内罩或有机玻璃外罩，再穿透360度旋转的试样后由同步辐射光源的光接收器接收，完成对试样的360度成像；

重复以上操作，直至达到设定的完成试验的循环次数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的疲劳试验机在疲劳试验的过程中，能够使用同步辐射光源直接原位对准疲劳试样进行同步辐射成像，进而得到材料的内部的三维立体图像；能很好地反映材料的力学性能和显微组织的演变规律。同步辐射光的亮度高，其图像信噪比高，成像精度与灵敏度高，能更清晰、准确地反映材料的力学性能和显微组织的演变规律。从而本发明能为工程零部件的疲劳寿命设计提供更加可靠的试验依据。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的A-A剖面图。

具体实施方式

实施例

图1、图2示出，本发明的一种具体实施方式是，一种可用同步辐射光源进行原位成像的疲劳试验机，其组成是：

底板1底部的十字架1a嵌合在同步辐射光源的平台2上，底板1上表面的中部固定有圆环状的底座3；推杆4通过水平的直线轴承一19安装在底座3的左壁和右壁上；底板1上表面的左侧安装有伺服电机5，伺服电机5轴上安装凸轮6；推杆4的左端伸出底座3与凸轮6的右侧缘接触，推杆4中部和连杆7下端绞接，推杆4的右端通过弹簧8连接在底座3的右壁上；

连杆7的上端与从动杆9的底端绞接，从动杆9则通过竖直的直线轴承二10安装在底座3的盖板11上，盖板11螺纹固定在底座3的顶部；

从动杆9的顶端伸出盖板11与下夹具12连接，盖板11的上表面同时活动嵌合一个半圆环的有机玻璃内罩13a和一个半圆环的有机玻璃外罩13b，有机玻璃内罩13a及有机玻璃外罩13b的顶部与顶盖14嵌合连接，顶盖14的底面中部连接载荷传感器15的上端，载荷传感器15的下端与上夹具16连接；上夹具16位于下夹具12的正上方；

伺服电机5、载荷传感器15均与数据处理与控制装置20电连接。

一种使用上述的可用同步辐射光源进行原位成像的疲劳试验机进行原位疲劳试验的方法，其操作是：

A、试件的安装

移动有机玻璃内罩13a和有机玻璃外罩13b使二者重合，通过有机玻璃内罩13a和有机玻璃外罩13b没有罩住的部位，将试样置于下夹具12正上方，并将试样上端夹持于上夹具16上，再将试样下端夹持在下夹具12上；重新移动有机玻璃内罩13a和有机玻璃外罩13b，使二者不再重合，将试样罩在由有机玻璃内罩13a和有机玻璃外罩13b围住的空间内；

B、原位疲劳试验

数据处理与控制装置20控制电机5以设定的频率转动，带动凸轮6转动，进而通过推杆4、连杆7、从动杆9带动下夹具12上下往复移动，对试样施加竖向往复的位移载荷；

同时，载荷传感器15检测到试样承受的载荷信号，传递给数据处理与控制装置；

当往复竖向位移载荷达到设定的成像循环次数后，数据处理与控制装置控制电机5停止转动，再启动同步辐射光源，同步辐射光源的平台2旋转，带动底板1及底板上的试样进行360度旋转；同时，同步辐射光源的光发射器17发出的同步辐射光穿透有机玻璃内罩13a或有机玻璃外罩13b，再穿透360度旋转的试样后由同步辐射光源的光接收器18接收，完成对试样的360度成像；

重复以上操作，直至达到设定的完成试验的循环次数。

Claims (2)

1.一种可用同步辐射光源进行原位成像的疲劳试验机，其组成是：

底板(1)底部的十字架(1a)嵌合在同步辐射光源的平台(2)上，底板(1)上表面的中部固定有圆环状的底座(3)；推杆(4)通过水平的直线轴承一(19)安装在底座(3)的左壁和右壁上；底板(1)上表面的左侧安装有伺服电机(5)，伺服电机(5)轴上安装凸轮(6)；推杆(4)的左端伸出底座(3)与凸轮(6)的右侧缘接触，推杆(4)中部和连杆(7)下端绞接，推杆(4)的右端通过弹簧(8)连接在底座(3)的右壁上；

连杆(7)的上端与从动杆(9)的底端绞接，从动杆(9)则通过竖直的直线轴承二(10)安装在底座(3)的盖板(11)上，盖板(11)螺纹固定在底座(3)的顶部；

从动杆(9)的顶端伸出盖板(11)与下夹具(12)连接，盖板(11)的上表面同时活动嵌合一个半圆环的有机玻璃内罩(13a)和一个半圆环的有机玻璃外罩(13b)，有机玻璃内罩(13a)及有机玻璃外罩(13b)的顶部与顶盖(14)嵌合连接，顶盖(14)的底面中部连接载荷传感器(15)的上端，载荷传感器(15)的下端与上夹具(16)连接；上夹具(16)位于下夹具(12)的正上方；

伺服电机(5)、载荷传感器(15)均与数据处理与控制装置(20)电连接。

2.一种使用权利要求1所述的可用同步辐射光源进行原位成像的疲劳试验机进行原位疲劳试验的方法，其操作是：

A、试件的安装

移动有机玻璃内罩(13a)和有机玻璃外罩(13b)使二者重合，通过有机玻璃内罩(13a)和有机玻璃外罩(13b)没有罩住的部位，将试样置于下夹具(12)正上方，并将试样上端夹持于上夹具(16)上，再将试样下端夹持在下夹具(12)上；重新移动有机玻璃内罩(13a)和有机玻璃外罩(13b)，使二者不再重合，将试样罩在由有机玻璃内罩(13a)和有机玻璃外罩(13b)围住的空间内；

B、原位疲劳试验

数据处理与控制装置(20)控制电机(5)以设定的频率转动，带动凸轮(6)转动，进而通过推杆(4)、连杆(7)、从动杆(9)带动下夹具(12)上下往复移动，对试样施加竖向往复的位移载荷；

同时，载荷传感器(15)检测到试样承受的载荷信号，传递给数据处理与控制装置；

当往复竖向位移载荷达到设定的成像循环次数后，数据处理与控制装置控制电机(5)停止转动，再启动同步辐射光源，同步辐射光源的平台(2)旋转，带动底板(1)及底板上的试样进行360度旋转；同时，同步辐射光源的光发射器(17)发出的同步辐射光穿透有机玻璃内罩(13a)或有机玻璃外罩(13b)，再穿透360度旋转的试样后由同步辐射光源的光接收器(18)接收，完成对试样的360度成像；

重复以上操作，直至达到设定的完成试验的循环次数。