CN107036888A - 模拟多环境的同步辐射原位成像拉伸试验机及其试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟多环境的同步辐射原位成像拉伸试验机及其试验方法，属于材料拉伸试验机领域，包括可旋转的单拉底座，单拉底座上方设有数显推拉力计，数显推拉力计与下夹具的下部固定连接，上夹具上部固定连接到套筒，套筒有设有弹簧和套筒轴，套筒轴顶部连接到加载机构的加载连接部位，加载机构设有棘轮和棘爪来实现自锁功能。本试验机还设有原位成像系统、加湿装置和温控装置。本试验机把力学拉伸试验与同步辐射成像技术合理地应用在一起，有利于得到材料内部的三维立体图像；并且可在高温、低温、高湿度、多氧等复杂环境下得到材料组织的微观结构变化和微观变形损伤，能更好的观察到材料的微观组织形貌和缺陷。

Description

模拟多环境的同步辐射原位成像拉伸试验机及其试验方法
技术领域
本发明涉及材料拉伸试验机领域，具体涉及到一种模拟多环境的同步辐射原位成像拉伸试验机及其试验方法。
背景技术
长期以来，随着科学技术的快速发展，新材料被大量地投入使用，人们对新材料的拉伸断裂的力学性能展开了大量的研究。一般认为，材料拉伸过程包括弹性变形、塑形变形和断裂。材料的力学性能受多种因素的影响，其所处的现实情况不同，力学性能也会有所区别。为了更好地探究材料在不同环境下的力学性能，进而s为材料的应用提供合理的参考数据，故需对材料进行拉伸试验。利用拉伸试验得到的数据可以确定材料的弹性极限、伸长率、弹性模量、比例极限、面积缩减量、拉伸强度、屈服点、屈服强度以及其它性能指标。在高温下进行拉伸试验可以得到蠕变数据。与此同时，由于外界环境的不同，在高温、多湿和多氧的环境下，空气中的H、O元素也会对材料的力学性能造成影响，形成氢致断裂或其他断裂形式。
原位成像拉伸试验通过将电子显微技术与传统的材料力学性能测试技术有效地进行结合，可对材料试样在不同环境下进行力学加载测试，在实验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的结构变化和微观变形损伤进行原位成像记录。宏观的力学测试数据和多个阶段的成像记录相结合，则能反映材料的力学性能和显微组织的演变规律，为分析固态材料的力学特性和微观组织的演变规律提供了新的方法。现有的原位拉伸试验装置中，显微成像系统一般为光学显微镜，由于其分辨率及放大倍率较低，测试效果具有很大的局限性。近年来，出现了使用扫描电子显微镜(SEM)的试验机，配合SEM的使用，可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只能得到材料表面的二维图像，而不能得到材料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，测量精度与检测灵敏度有待提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种模拟多环境的同步辐射原位成像拉伸试验机及其试验方法，用于材料的力学性能测定。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种模拟多环境的同步辐射原位成像拉伸试验机，包括位于底部能够360度旋转的单拉底座，单拉底座的上方连接有数显推拉力计，数显推拉力计的上方设有连接台，连接台的上方连接有玻璃围罩，玻璃围罩的上部连接到上盖的底部；
下夹具和上夹具位于玻璃围罩的内部，下夹具下部与数显推拉力计固定连接，上夹具上部与位于上盖内部的套筒固定连接；套筒内部设有弹簧和套筒轴，弹簧套在套筒轴上，弹簧下部顶在套筒轴下端部的突出端面上，弹簧上部顶在套筒的内顶面上，套筒的上顶面设有通孔，套筒轴穿过通孔与加载机构的加载连接部位固定连接；
加载机构包括加载底座、施力轮、棘轮、棘爪和加载连接部位；加载底座固定连接到上盖的顶面，施力轮与棘轮轴固定连接，棘轮轴上套有棘轮，棘爪通过连接销固定在加载底座上并以连接销为轴转动，棘爪的底部设有用于保证棘爪与棘轮啮合的复位弹簧；钢丝绳缠绕在棘轮轴上，钢丝绳的另一端连接到加载连接部位。
根据上述方案，还包括原位成像系统，所述原位成像系统包括同步辐射光源的光发射器和光接收器；光发射器射出的辐射光穿透玻璃围罩及上夹具和下夹具之间的试样后由光接收器接收。
根据上述方案，还包括温控装置；所述温控装置的温控台设置于玻璃围罩和夹具之间，温控台上设有用于光路通过的透明部分，温控台通过引线与温控台控制器电连接。
根据上述方案，还包括加湿装置，所述加湿装置包括空气加湿器、湿度传感器、空气加湿器喷嘴及PC机；湿度传感器设置于连接台侧面的通孔内，空气加湿器喷嘴设置于上盖侧面的通孔内；PC机分别与湿度传感器和空气加湿器电连接。
根据上述方案，还包括原位成像系统、温控装置和加湿装置；
所述原位成像系统包括同步辐射光源的光发射器和光接收器；光发射器射出的辐射光穿透玻璃围罩及上夹具和下夹具之间的试样后由光接收器接收；
所述温控装置的温控台设置于玻璃围罩和夹具之间，温控台上设有用于光路通过的透明部分，温控台通过引线与温控台控制器电连接；
所述加湿装置包括空气加湿器、湿度传感器、空气加湿器喷嘴及PC机；湿度传感器设置于连接台侧面的通孔内，空气加湿器喷嘴设置于上盖侧面的通孔内；PC机分别与湿度传感器和空气加湿器电连接。
一种如上述方案所述的模拟多环境的同步辐射原位成像拉伸试验机的试验方法，其步骤如下：
A、试样的安装
将加载机构、上盖及玻璃围罩取下，将试样夹紧于下夹具与上夹具之间，然后在连接台内部空腔内装入温控台并使试样处于温控台的内部空腔内，再将加载机构、上盖及玻璃围罩装配在连接台上，在上盖的侧面安装好空气加湿器，旋紧施力轮，保证试样安装牢固；
B、原位疲劳试验
打开温控台控制器、空气加湿器以及湿度传感器，设定试样的试验温度和湿度；一段时间后，待试样的环境温度和湿度满足试验要求时，进行数显推拉力计的校零，然后按照试验方案旋转施力轮以对试样施加一定的载荷；与此同时，温控台保持开机状态，维持温度的恒定；空气加湿器的空气加湿器喷嘴由PC机根据湿度传感器测量得到的数据对试样的环境进行负反馈调节控制，使试样的空气保持湿润；再启动同步辐射光源，单拉底座旋转，带动试样进行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玻璃围罩及温控台的透明部位，再穿透旋转的试样后由同步辐射光源的光接收器接收，完成对试样的成像；然后旋转施力轮，更改加载载荷的大小，按照上述加载载荷之后的步骤重复操作，直至达到预设定的加载力的大小。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：提供一种全新结构的拉伸试验机，提高对材料力学性能测试的准确性；本试验机把力学拉伸试验与同步辐射成像技术合理地应用在一起，有利于得到材料内部的三维立体图像；并且可在高温、低温、高湿度、多氧等复杂环境下得到材料组织的微观结构变化和微观变形损伤，能更好的观察到材料的微观组织形貌和缺陷。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，其中：
图1是本发明的总体结构示意图；
图2是本发明中加载机构的结构示意图；
图3是图2中A-A的剖视示意图。
图中各标号的释义为：1-单拉底座，2-数显推拉力计，3-旋紧螺钉，4-温控台控制器，5-光接收器，6-连接台，7-下夹具下部，8-下夹具上部，9-试样，10-温控台，11-玻璃围罩，12-上夹具下部，13-下夹具上部，14-套筒，15-弹簧，16-套筒轴，17-上盖，18-固定螺钉，19-连接销，20-加载底座，21-棘轮轴，22-施力轮，23-棘轮，24-棘爪，25-钢丝绳，26-加载连接部位，27-空气加湿器喷嘴，28-湿度传感器，29-数显推拉力计外显示屏，30-PC机，31-光发射器，32-空气加湿器，33-复位弹簧，34-连接键，35-紧固螺钉。
具体实施方式
试验机的底部为一个可360度自由旋转的圆筒形单拉底座1，单拉底座1的下方设有凹槽，凹槽内设有小突起，试验台嵌入单拉底座1下方的凹槽内，小突起则嵌入试验台的十字形空隙内，从而保证单拉底座1随试验台一起转动。单拉底座1的上方为数显推拉力计2，数显推拉力计2嵌入单拉底座1上部的凹槽内并通过单拉底座1侧方的旋紧螺钉3固定，数显推拉力计2还连接有数显推拉力计外显示屏29。
数显推拉力计2的上方嵌入到连接台6下方的凹槽内并通过连接台6侧方的紧固螺钉35固定。连接台6的侧面开设有用于放置温控台控制器4的引线和湿度传感器28的通孔。连接台6的上部连接有玻璃围罩11，在玻璃围罩11内部设有夹具和温控台10，温控台10位于夹具和玻璃围罩11之间。温控台10设有用于光线通过的透明部分，温控台10用于加热或冷却试样9。玻璃围罩11的顶部与上盖17嵌合连接，上盖17的侧面开设有通孔，通孔内放置有空气加湿器32的空气加湿器喷嘴27，空气加湿器喷嘴27用于改变试样9所处环境的空气湿度。
夹具分为上夹具和下夹具，试样9夹持在上夹具和下夹具之间。数显推拉力计2与下夹具下部7螺纹连接。下夹具下部7及上夹具上部13设有与试样9的端部形状相同的浅槽，试样9的下端和上端嵌入浅槽内。试样9下端的上表面与下夹具上部8贴合，下夹具上部8通过螺纹与下夹具下部7进行连接。试样9上端的下表面与上夹具下部12贴合，上夹具上部13通过螺纹与上夹具下部12进行连接。
上夹具上部分13通过螺纹与套筒14连接，套筒14内部设有弹簧15和套筒轴16，弹簧15套在套筒轴16上。弹簧15下部顶在套筒轴16下端部的突出端面上，弹簧15上部顶在套筒14的内顶面上。套筒14的上顶面设有通孔，套筒轴16穿过通孔与加载连接部位26螺纹连接。
加载连接部位26通过施力钢丝25与加载机构上的棘轮轴21连接，构成力的施加结构。加载机构与上盖17通过固定螺钉18连接，加载机构主要由加载底座20、棘轮23、棘爪24、施力轮22和复位弹簧33组成。
加载机构设有施力轮22，施力轮22通过连接键34与棘轮轴21连接，棘轮轴21上套有棘轮23，连接销19使棘爪24固定在加载底座20上并以连接销19为轴转动，复位弹簧33使棘爪24与棘轮23保持啮合。钢丝绳25穿过棘轮轴21上的通孔，通过旋转施力轮22使钢丝绳25缠绕在棘轮轴21上，钢丝绳25的缠绕带动与之连接的加载连接部位26和套筒轴16上升，导致弹簧15压缩，弹簧15压缩产生的力通过套筒14以及上夹具传递给试样9，从而来实现对试样9的力的加载。通过棘轮23、棘爪24和复位弹簧33来实现加载机构的自锁功能。当试验结束后，按压与复位弹簧33接触的棘爪24部位即可实现力的卸载。
本试验机还包括原位成像系统，所述原位成像系统包括同步辐射光源的光发射器31和光接收器5；光发射器31射出的辐射光穿透玻璃围罩11及上夹具和下夹具之间的试样9后由光接收器5接收。还包括用于控制装置和处理数据的PC机30。
本试验机的试验方法为：
A、试样的安装
将加载机构、上盖17及玻璃围罩11取下，将试样9夹紧于下夹具与上夹具之间，然后在连接台6内部空腔内装入温控台10并使试样9处于温控台10的内部空腔内，再将加载机构、上盖17及玻璃围罩11装配在连接台6上，在上盖17的侧面安装好空气加湿器27，旋紧施力轮22，保证试样9安装牢固。
B、原位疲劳试验
打开温控台控制器4、空气加湿器27以及湿度传感器28，设定试样9的试验温度和湿度。一段时间后，待试样9的环境温度和湿度满足试验要求时，进行数显推拉力计2的校零，然后按照试验方案旋转施力轮22以对试样9施加一定的载荷。与此同时，温控台10保持开机状态，维持温度的恒定；空气加湿器32的空气加湿器喷嘴27由PC机30根据湿度传感器28测量得到的数据对试样9的环境进行负反馈调节控制，使试样9的空气保持湿润。再启动同步辐射光源，单拉底座1旋转，带动试样9进行360度旋转。同时，同步辐射光源的光发射器31发出的同步辐射光穿透玻璃围罩11及温控台10的透明部位，再穿透旋转的试样9后由同步辐射光源的光接收器5接收，完成对试样9的成像。然后旋转施力轮22，更改加载载荷的大小，按照上述加载载荷之后的步骤重复操作，直至达到预设定的加载力的大小。

Claims (6)

1.一种模拟多环境的同步辐射原位成像拉伸试验机，其特征在于：包括位于底部能够360度旋转的单拉底座(1)，单拉底座(1)的上方连接有数显推拉力计(2)，数显推拉力计(2)的上方设有连接台(6)，连接台(6)的上方连接有玻璃围罩(11)，玻璃围罩(11)的上部连接到上盖(17)的底部；
下夹具和上夹具位于玻璃围罩(11)的内部，下夹具下部(7)与数显推拉力计(2)固定连接，上夹具上部(13)与位于上盖(17)内部的套筒(14)固定连接；套筒(14)内部设有弹簧(15)和套筒轴(16)，弹簧(15)套在套筒轴(16)上，弹簧(15)下部顶在套筒轴(16)下端部的突出端面上，弹簧(15)上部顶在套筒(14)的内顶面上，套筒(14)的上顶面设有通孔，套筒轴(16)穿过通孔与加载机构的加载连接部位(26)固定连接；
加载机构包括加载底座(20)、施力轮(22)、棘轮(23)、棘爪(24)和加载连接部位(26)；加载底座(20)固定连接到上盖(17)的顶面，施力轮(22)与棘轮轴(21)固定连接，棘轮轴(21)上套有棘轮(23)，棘爪(24)通过连接销(19)固定在加载底座(20)上并以连接销(19)为轴转动，棘爪(24)的底部设有用于保证棘爪(24)与棘轮(23)啮合的复位弹簧(33)；钢丝绳(25)缠绕在棘轮轴(21)上，钢丝绳(25)的另一端连接到加载连接部位(26)。
2.根据权利要求1所述的一种模拟多环境的同步辐射原位成像拉伸试验机，其特征在于：还包括原位成像系统，所述原位成像系统包括同步辐射光源的光发射器(31)和光接收器(5)；光发射器(31)射出的辐射光穿透玻璃围罩(11)及上夹具和下夹具之间的试样(9)后由光接收器(5)接收。
3.根据权利要求1所述的一种模拟多环境的同步辐射原位成像拉伸试验机，其特征在于：还包括温控装置；所述温控装置的温控台(10)设置于玻璃围罩(11)和夹具之间，温控台上设有用于光路通过的透明部分，温控台(10)通过引线与温控台控制器(4)电连接。
4.根据权利要求1所述的一种模拟多环境的同步辐射原位成像拉伸试验机，其特征在于：还包括加湿装置，所述加湿装置包括空气加湿器(32)、湿度传感器(28)、空气加湿器喷嘴(27)及PC机(30)；湿度传感器(28)设置于连接台(6)侧面的通孔内，空气加湿器喷嘴(27)设置于上盖(17)侧面的通孔内；PC机(30)分别与湿度传感器(28)和空气加湿器(32)电连接。
5.根据权利要求1所述的一种模拟多环境的同步辐射原位成像拉伸试验机，其特征在于：还包括原位成像系统、温控装置和加湿装置；
所述原位成像系统包括同步辐射光源的光发射器(31)和光接收器(5)；光发射器(31)射出的辐射光穿透玻璃围罩(11)及上夹具和下夹具之间的试样(9)后由光接收器(5)接收；
所述温控装置的温控台(10)设置于玻璃围罩(11)和夹具之间，温控台上设有用于光路通过的透明部分，温控台(10)通过引线与温控台控制器(4)电连接；
所述加湿装置包括空气加湿器(32)、湿度传感器(28)、空气加湿器喷嘴(27)及PC机(30)；湿度传感器(28)设置于连接台(6)侧面的通孔内，空气加湿器喷嘴(27)设置于上盖(17)侧面的通孔内；PC机(30)分别与湿度传感器(28)和空气加湿器(32)电连接。
6.一种如权利要求5所述的模拟多环境的同步辐射原位成像拉伸试验机的试验方法，其特征在于：
A、试样的安装
将加载机构、上盖(17)及玻璃围罩(11)取下，将试样(9)夹紧于下夹具与上夹具之间，然后在连接台(6)内部空腔内装入温控台(10)并使试样(9)处于温控台(10)的内部空腔内，再将加载机构、上盖(17)及玻璃围罩(11)装配在连接台(6)上，在上盖(17)的侧面安装好空气加湿器(27)，旋紧施力轮(22)，保证试样(9)安装牢固；
B、原位疲劳试验
打开温控台控制器(4)、空气加湿器(27)以及湿度传感器(28)，设定试样(9)的试验温度和湿度；一段时间后，待试样(9)的环境温度和湿度满足试验要求时，进行数显推拉力计(2)的校零，然后按照试验方案旋转施力轮(22)以对试样(9)施加一定的载荷；与此同时，温控台(10)保持开机状态，维持温度的恒定；空气加湿器(32)的空气加湿器喷嘴(27)由PC机(30)根据湿度传感器(28)测量得到的数据对试样(9)的环境进行负反馈调节控制，使试样(9)的空气保持湿润；再启动同步辐射光源，单拉底座(1)旋转，带动试样(9)进行360度旋转；同时，同步辐射光源的光发射器(31)发出的同步辐射光穿透玻璃围罩(11)及温控台(10)的透明部位，再穿透旋转的试样(9)后由同步辐射光源的光接收器(5)接收，完成对试样(9)的成像；然后旋转施力轮(22)，更改加载载荷的大小，按照上述加载载荷之后的步骤重复操作，直至达到预设定的加载力的大小。
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