CN107941624A - 高温高频材料力学性能原位测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高温高频材料力学性能原位测试装置，属于材料试验机及精密仪器技术领域。主要由静态拉/压‑低周疲劳加载模块、原位监测模块、温度加载与监测模块、静态弯曲加载模块、超声疲劳加载模块和超声疲劳与静态弯曲加载模块位置切换机构组成。本发明利用换能器、变幅杆和探针等组件实现对试件的高频加载，利用高频伺服液压缸组件实现拉/压载荷和低频交变载荷的加载，利用卤素加热灯施加高温载荷，并通过原位监测模块采用非接触测量方式对试件的应变实时测量。本发明结构简单、布局紧凑，可以实现弯曲超声疲劳与拉伸载荷复合加载并与温度场耦合，能够较真实地模拟航空、航天等关键领域服役材料在高温高频交变载荷作用下的复杂工况。
Description
技术领域
本发明涉及精密传感器与精密仪器领域，特别涉及一种高温高频材料力学性能原位测试装置。可实现对试件施加“拉伸-弯曲”复合载荷以及施加低频交变载荷，同时还可实现非对称拉压超声疲劳加载以及弯曲超声疲劳与拉伸载荷复合加载，且均可与温度场耦合加载，能够较为真实地模拟航空、航天和核工业等关键领域服役材料在高温高频交变载荷作用下的复杂工况。采用模块化设计并集成有可自动控制的温度加载与监测模块，结合原位监测模块可进一步研究材料在高温高频交变载荷作用下的变形损伤机理、微观组织变化与性能演变等规律。为接近服役条件下材料微观力学性能测试提供有效的手段和方法。
背景技术
随着技术进步以及国民经济的不断发展，人们对机械装备提出更为苛刻的使用寿命、安全性能以及提高经济效益等方面的要求。工程实际中，航空、航天和核工业等关键领域服役材料在高温高频交变载荷作用下，常会导致航天器和其他机械结构的断裂破坏。
目前，国内外开发研制的一系列高温高频材料力学性能装置，尤其是已经产业化的商业高温疲劳试验机，主要还是以传统的伺服液压试验机为主，但是，其频率往往只能达到50~300Hz。然而，随着疲劳科学研究的不断发展，相关领域研究已不满足于107次以下的低周疲劳和高周疲劳寿命试验，在进行超高周疲劳寿命试验时，传统试验机要耗时数月甚至数年，但是基于压电磁致伸缩原理的超声疲劳试验方法（工作频率一般在15~40KHz，典型的工作频率为20KHz）则只需要十几分钟至几小时，有效地缩短试验周期，应用前景十分广泛。
针对航空发动机单晶高温合金、锆基非晶合金、高熵合金等典型结构材料服役条件下疲劳失效的主导因素的研究受到国内外学术界和工程界的广泛关注，尤其是用于研究力-热耦合疲劳失效机制与显微结构演化之间关系的材料力学性能测试装置的设计还不是很多，并且一般无法将原位观测技术与其他在位测试技术集成，如中国专利（CN 202256076U），利用圆柱形延长杆延伸至高温箱内，采用对称式拉压超声疲劳试验系统设计，并且由于高温箱对试样的温度加载比较均匀，因此该装置只能做恒温或慢速变温试验，很难开展快速变温、温度疲劳及预载荷下高频疲劳等试验。再如中国实用新型（CN 203365257 U），基于感应加热的加热原理实现高温加载，并利用红外测温仪对整个试件温度场分布进行在位监测，虽然该试验系统可以实现快速升温及温度闭环控制，但是仍然无法实现试验过程的原位观测及温度疲劳加载、变温度梯度加载等接近复杂服役工况的试验研究。
因此，设计开发用于高温高频材料力学性能原位测试装置也已成为研究航空、航天领域关键服役材料初始疲劳裂纹萌生、扩展、分布规律与载荷作用的相关性、疲劳寿命预测以及材料微观组织形貌与宏观疲劳裂纹关系研究等重要课题的发展趋势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温高频材料力学性能原位测试装置，解决了现有技术无法实现试验过程的原位观测及温度疲劳加载、预载荷下高频疲劳等接近复杂服役工况的试验研究等问题。本发明模拟航空、航天和核工业等关键领域服役材料在高温高频交变载荷作用下的材料性能测试，可以实现温度疲劳加载与原位监测、耦合超声拉伸（弯曲）疲劳载荷以及预载荷下高频疲劳等试验研究，可进一步研究材料在高温高频交变载荷作用下的微观力学性能。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
高温高频材料力学性能原位测试装置，包括气浮隔振台1、静态拉/压-低周疲劳加载模块2、原位监测模块、温度加载与监测模块5、静态弯曲加载模块6、超声疲劳加载模块7和超声疲劳与静态弯曲加载模块位置切换机构8，其特征在于：所述原位监测模块由数字散斑原位测试系统3和光学原位观测单元4组成；所述静态拉/压-低周疲劳加载模块2、数字散斑原位测试系统3和温度加载与监测模块5均通过螺栓固连在气浮隔振台1上；所述光学原位观测单元4、静态弯曲加载模块6和超声疲劳加载模块7经由超声疲劳与静态弯曲加载模块位置切换机构8固连在气浮隔振台1，保证超声疲劳加载模块7与光学原位观测单元4和静态弯曲加载模块6平行度以及与静态拉/压-低周疲劳加载模块2垂直度，且保证彼此运动不产生干涉；所述光学原位观测单元4与静态弯曲加载模块6相对于静态拉/压-低周疲劳加载模块2对称布置，并保持光学原位观测单元4的观测镜筒轴线与静态弯曲加载模块6的加载轴线相重合。
所述的静态拉/压-低周疲劳加载模块2是：两套高频伺服液压缸组件23分别固连在两侧的支架24上，其活塞杆伸出端经由连接套25与力传感器I26相连；下夹具体27与力传感器I26螺纹相连，并设有与薄板试件29夹持端相吻合的凹槽，配合上夹具体28完成对薄板试件29的夹紧和加载；下夹具体27内设有“U”形循环冷却回路，以阻隔高温载荷传递到力传感器I26；两侧的支架24分别通过四个内六角圆柱头螺钉22固定在气浮隔振台1上，并通过两个圆柱销21进行定位。
所述的光学原位观测单元4是：改进型体式显微镜412固定于安装支架413上，进而通过螺钉固连在螺母座I46上；弹性联轴器I72封装于联轴器保护壳I49，通过前端盖48和后端盖410密封防尘，两端分别与直流伺服电机I411、丝杠模组I44相连，传递扭矩；直流伺服电机I411固定在后端盖410上进而与底座I43固连；螺母座I46通过四个滑块45与两根直线导轨47装配在一起，安装在底座I43上；激光位移传感器I42固定在激光位移传感器支架41上，并位于直线导轨47两端极限位置之内的底座I43上。
所述的温度加载与监测模块5是：两盏卤素加热灯52和监测设备53分别与三个多自由度机械臂51的连接端相连，并固定在气浮隔振台1上。
所述的静态弯曲加载模块6是：直流伺服电机II61通过电机安装板62固连在底座II612上；丝杠模组II610通过弹性联轴器II83与直流伺服电机II61外伸轴相连，并采用一端固定一端游动的安装方式；弹性联轴器II83置于联轴器保护壳II63内，并通过电机安装板62密封防尘；力传感器II67分别与压头68、连接套筒66螺纹连接，并固定在“L”形支座64上；“L”形支座64固连在螺母座II65上，螺母座II65与直线导轨滑块组件I611相连，直线导轨滑块组件I611连接在底座II612上；两个限位行程开关69分别固定在行程极限位置之内的底座II612上；增量式直线光栅尺Ⅰ615连接在螺母座II65上；外部读数头I614固定在外部读数头安装板Ⅰ613上，外部读数头安装板Ⅰ613与底座II612固连。
所述的超声疲劳加载模块7是：直流伺服电机III71通过弹性联轴器I72与双向丝杠718相连，并固定在底座III717上；双向丝杠718采用一端固定一端游动的安装方式，通过两个旋向相反的丝杠螺母711分别与螺母座IV720、螺母座III710相连，实现同步反向运动；左侧变幅杆75与换能器74、左侧探头76螺纹连接，并固定在与螺母座IV720相连的左侧变幅杆安装支架73上；右侧变幅杆75A与右侧探头76A螺纹连接，并固定在与滑台715相连的右侧变幅杆安装支架73A上；右侧变幅杆安装支架73A与力传感器III714螺纹连接，并固定在连接块713上；连接块713通过螺钉固定在“L”形连接板712上，进而与螺母座III710相连，实现对疲劳试件719的预加载；疲劳试件719与左侧散热铜棒77、右侧散热铜棒77A螺纹连接，在左侧散热铜棒77、右侧散热铜棒77A两侧均匀布置多组压缩空气喷嘴78；螺母座III710、螺母座IV720和滑台715通过直线导轨滑块组件II716安装在底座III717上；增量式直线光栅尺Ⅱ723连接在螺母座IV720上；外部读数头II722固定在外部读数头安装板II721上，并与底座III717相连。
所述的“L”形连接板712设有两腰鼓孔，与右侧散热铜棒77A、右侧变幅杆76A的螺纹装配；左侧散热铜棒77和右侧散热铜棒77A的端部均设有倒角，通过安装在底座III（717）上的激光位移传感器II79可对疲劳试件719端部振动位移幅值进行精确测量。
所述的超声疲劳与静态弯曲加载模块位置切换机构8是：直流伺服电机IV82通过弹性联轴器II83与丝杠模组III86相连，并固定在底座IV84；光学原位观测单元4的底座I43和静态弯曲加载模块6的底座II612分别与超声疲劳加载模块7的底座III717连接构成整体，并与固定在气浮隔振台1上的直线导轨滑块组件III85、辅助导轨滑块组件81相连。
所述数字散斑原位测试系统3与监测设备53中的摄像设备需要根据温度载荷安装必要的冷却防护装置，以及使用耐高温的蓝宝石玻璃材质镜片；所述数字散斑原位测试系统3与监测设备53中的摄像设备的光路与卤素加热灯52聚焦光路不发生干涉，从而减小测试误差。
本发明的有益效果在于：
1、本发明结构简单，布局紧凑，可实现对试件施加“拉伸-弯曲”复合载荷以及施加低频交变载荷，同时本发明还可实现非对称拉压超声疲劳加载以及弯曲超声疲劳与拉伸载荷复合加载，且均可与温度场耦合加载，不仅能够较为真实地模拟航空、航天和核工业等关键领域服役材料在高温高频交变载荷作用下的复杂工况，还具备模拟其他简单工况的加载能力，具有“一机多用”的优势。
2、本发明采用模块化设计，以静态拉/压-低周疲劳加载模块和超声疲劳加载模块为基础，集成静态弯曲和温度等加载模块，结合光学原位观测单元、数字散斑原位测试系统与温度监测等模块实现对试件的实时监测，利用超声疲劳与静态弯曲加载模块位置切换机构实现超声疲劳加载模块与静态弯曲加载模块和光学原位观测单元功能转换，便于模拟多种服役工况下的材料性能测试，同时模块化设计也有利于整机组合安装、改进优化及维护保养。
3、本发明集成由多自由度机械臂自动控制的温度加载与监测模块，可实现对试件的温度疲劳加载、变温度梯度等不同形式的温度加载，可以对材料在高温高频交变载荷作用下的材料初始疲劳裂纹萌生、扩展、分布规律与载荷作用的相关性以及疲劳寿命预测等课题开展研究，结合原位监测模块可进一步开展材料微观组织形貌与宏观裂纹关系研究。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的整体布置轴测图；
图2为本发明的整体布置俯视图；
图3为本发明的静态拉/压-低周疲劳加载模块轴测图；
图4为本发明的光学原位观测单元轴测图；
图5为本发明的温度加载与监测原理图；
图6 为本发明的静态弯曲加载模块轴测图；
图7为本发明的超声疲劳加载模块轴测图；
图8为本发明主要加载模块的布置及超声疲劳与静态弯曲加载模块位置切换机构俯视图；
图9为本发明的拉-弯复合载荷加载俯视图。
图中：1、气浮隔振平台；2、静态拉/压-低周疲劳加载模块；21、圆柱销；22、内六角圆柱头螺钉；23、高频伺服液压缸组件；24、支架；25、连接套；26、力传感器I；27、下夹具体；28、上夹具体；29、薄板试件；3、数字散斑原位测试系统；4、光学原位观测单元；41、激光位移传感器支架；42、激光位移传感器I；43、底座I；44、丝杠模组I；45、滑块；46、螺母座I；47、直线导轨；48、前端盖；49、联轴器保护壳I；410、后端盖；411、直流伺服电机I；412、改进型体式显微镜；413、安装支架；5、温度加载与监测模块；51、多自由度机械臂；52、卤素加热灯；53、监测设备；6、静态弯曲加载模块；61、直流伺服电机II；62、电机安装板；63、联轴器保护壳II；64、“L”形支座；65、螺母座II；66、连接套筒；67、力传感器II；68、压头；69、限位行程开关；610、丝杠模组II；611、直线导轨滑块组件I；612、底座II；613、外部读数头安装板I；614、外部读数头I；615、增量式直线光栅尺I；7、超声疲劳加载模块；71、直流伺服电机III；72、弹性联轴器I；73、左侧变幅杆安装支架；73A、右侧变幅杆安装支架；74、换能器；75、左侧变幅杆；75A、右侧变幅杆；76、左侧探头；76A、右侧探头；77、左侧散热铜棒；77A、右侧散热铜棒；78、压缩空气喷嘴；79、激光位移传感器II；710、螺母座III；711、丝杠螺母；712、“L”形连接板；713、连接块；714、力传感器III；715、滑台；716、直线导轨滑块组件II；717、底座III；718、双向滚珠丝杠；719、疲劳试件；720、螺母座IV；721、外部读数头安装板II；722、外部读数头II；723、增量式直线光栅尺II；8、超声疲劳与静态弯曲加载模块位置切换机构；81、辅助导轨滑块组件；82、直流伺服电机IV；83、弹性联轴器II；84、底座IV；85、直线导轨滑块组件III；86、丝杠模组III。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图8所示，本发明的高温高频材料力学性能原位测试装置，可以实现弯曲超声疲劳与拉伸载荷复合加载并与温度场耦合，能够较为真实地模拟航空、航天和核工业等关键领域服役材料在高温高频交变载荷作用下的真实工况，可进一步研究服役材料的微观力学性能。本发明采用模块化设计并集成有原位监测模块，具有结构简单、布局紧凑等优点，能够对材料表面微观组织形貌进行监测，对于研究材料的微观组织形貌和宏观力学性能之间的内在联系提供有效地测试方法。利用换能器、变幅杆和探针等组件实现对试件的高频加载，利用高频伺服液压缸组件实现拉/压载荷和低频交变载荷的加载，利用卤素加热灯施加高温载荷，并通过原位监测模块采用非接触测量方式对试件的应变实时测量。本发明可以实现弯曲超声疲劳与拉伸载荷复合加载并与温度场耦合，能够较真实地模拟航空航天等关键领域服役材料在高温高频交变载荷作用下的复杂工况。主要由气浮隔振台1、静态拉/压-低周疲劳加载模块2、原位监测模块、温度加载与监测模块5、静态弯曲加载模块6、超声疲劳加载模块7和超声疲劳与静态弯曲加载模块位置切换机构8组成。所述原位监测模块由数字散斑原位测试系统3和光学原位观测单元4组成。所述静态拉/压-低周疲劳加载模块2、数字散斑原位测试系统3和温度加载与监测模块5均利用螺栓固连在气浮隔振台1上。所述光学原位观测单元4、静态弯曲加载模块6和超声疲劳加载模块7经由超声疲劳与静态弯曲加载模块位置切换机构8固连在气浮隔振台1，保证超声疲劳加载模块7与光学原位观测单元4和静态弯曲加载模块6平行度以及与静态拉/压-低周疲劳加载模块2垂直度，且保证彼此运动不产生干涉。所述光学原位观测单元4与静态弯曲加载模块6相对于静态拉/压-低周疲劳加载模块2对称布置，并保持光学原位观测单元4的观测镜筒轴线与静态弯曲加载模块6的加载轴线相重合。
参见图3所示，本发明的静态拉/压-低周疲劳加载模块2，主要由高频伺服液压缸组件23、支架24、连接套25、力传感器I26、下夹具体27和上夹具体28组成。其中，两套高频伺服液压缸组件23分别固连在两侧的支架24上，其活塞杆伸出端经由连接套25与力传感器I26相连。下夹具体27与力传感器I26螺纹相连，并设有与薄板试件29夹持端相吻合的凹槽，配合上夹具体28完成对薄板试件29的夹紧和加载，并且其内设有“U”形循环冷却回路，用于阻隔高温载荷传递到力传感器I26，避免影响测量精度。两侧的支架24分别利用四个内六角圆柱头螺钉22固定在气浮隔振台1上，并利用两个圆柱销21进行定位。利用该模块不仅能够对试件施加静态拉伸/压缩载荷，还可以进行基于静态拉伸预载荷下的低周疲劳测试试验。
参见图4所示，本发明的光学原位观测单元4，主要由激光位移传感器I42、底座I43、丝杠模组I44、直线导轨47、直流伺服电机I411、改进型体式显微镜412、安装支架413等组成，其中改进型体式显微镜412固定于安装支架413上，进而利用螺钉固连在螺母座I46上，并且螺母座I46通过四块滑块45与两根直线导轨47装配在一起，安装在底座I43上。弹性联轴器I72封装在联轴器保护壳I49，利用前端盖48和后端盖410密封防尘，两端分别与直流伺服电机I411与丝杠模组I44相连传递扭矩，进而实现改进型体式显微镜412沿镜头方向精确进给，用于调整实际工作距离，其中直流伺服电机I411固定在后端盖410上进而与底座I43固连。激光位移传感器I42固定在激光位移传感器支架41上，并位于直线导轨47两端极限位置之内的底座I43上，用于对实际工作距离进行精确测量并与直流伺服电机I411内部编码器间接测量值构成位移闭环控制。利用该模块能够动态监控整个试验过程中材料的变性损伤机制、微观组织变化以及性能演变规律。
参见图5所示，本发明的温度加载与监测模块5，主要由多自由度机械臂51、卤素加热灯52和监测设备53组成。其中，两盏卤素加热灯52和监测设备53分别与三个多自由度机械臂51的连接端相连，并固定在气浮隔振台1上，其中卤素加热灯52具有抛物形聚光面，其发光点位于虚拟正六面体的两个顶点处，而被测高温样品位于其外接虚拟球体的球心处，而对于监测设备53可以根据试验需要更换为双比色红外测温仪、高速相机以及红外成像仪等在线监测设备。多自由度机械臂51中各单元均可沿铰链处实现自由转动，可实现自动控制的复杂温度载荷加载（包括均匀加载、快速变温加载等）和实时监测。结合光学原位观测单元4对研究力-热耦合疲劳失效机制与显微结构演化之间关系有着重要的意义。
参见图6所示，本发明的静态弯曲加载模块6，主要由直流伺服电机II61、力传感器II67、压头68、限位行程开关69、丝杠模组II610、直线导轨滑块组件I611、底座II612和增量式直线光栅尺I615等组成。其中，直流伺服电机II61通过电机安装板62固连在底座II612上。丝杠模组II610通过弹性联轴器II83与直流伺服电机II61外伸轴相连，并采用一端固定一端游动的安装方式，其中弹性联轴器II83置于联轴器保护壳II63内，并利用电机安装板62密封防尘。力传感器II67与压头68和连接套筒66螺纹连接，固定在“L”形支座64上，并且“L”形支座64固连在螺母座II65上，并与直线导轨滑块组件I611相连，连接在底座II612上，用于精确测量弯曲加载载荷的大小。两个限位行程开关69分别固定在行程极限位置之内的底座II612上，避免螺母座Ⅱ65在加载过程中超出其最大允许行程。增量式直线光栅尺Ⅰ615连接在螺母座II65上，与其配套使用的外部读数头I614固定在外部读数头安装板Ⅰ613上，外部读数头安装板Ⅰ613与底座II612固连，用于对弯曲加载位移大小进行精确测量并与直流伺服电机II61内部编码器间接测量值构成位移闭环控制。
参见图7所示，本发明的超声疲劳加载模块7，主要由直流伺服电机III71、左侧变幅杆安装支架73、右侧变幅杆安装支架73A、换能器74、左侧变幅杆75、右侧变幅杆75A、左侧探头76、右侧探头76A、左侧散热铜棒77、右侧散热铜棒77A、激光位移传感器II79和增量式直线光栅尺II723等组成。其中，直流伺服电机III71通过弹性联轴器I72与双向丝杠718相连，并固定在底座III717上，其中双向丝杠718采用一端固定一端游动的安装方式，通过两个旋向相反的丝杠螺母711分别与螺母座IV720、螺母座III710相连，实现同步反向运动用于对疲劳试件719施加预载，从而改变其所受平均应力大小。左侧变幅杆75与换能器74和左侧探头76均采用螺纹连接，并在各安装结合面处放置塑料垫片，避免划伤结合面，固定在与螺母座IV720相连的左侧变幅杆安装支架73上，同理右侧变幅杆75A与右侧探头76A也采用螺纹连接，并在各安装结合面处放置塑料垫片避免划伤结合面，并固定在与滑台715相连的右侧变幅杆安装支架73A上，其中右侧变幅杆安装支架73A与力传感器III714螺纹连接，固定在连接块713上。连接块713通过螺钉固定在“L”形连接板712上，进而与螺母座III710相连，其中“L”形连接板712设有两腰鼓孔，可方便实现右侧散热铜棒77A与右侧变幅杆76A的螺纹装配。疲劳试件719与左侧散热铜棒77、右侧散热铜棒77A螺纹连接，为增加散热量避免左侧探头76、右侧探头76A因过热导致超声疲劳加载模块7固有频率发生改变，故在左侧散热铜棒77、右侧散热铜棒77A两侧均匀布置多组压缩空气喷嘴78，其中左侧散热铜棒77和右侧散热铜棒77A的端部均设有倒角，利用安装在底座III717上的激光位移传感器II79可对疲劳试件719端部振动位移幅值进行精确测量，由于超声疲劳加载测试时，疲劳试件719处于弹性变形阶段，根据此时被测材料固有属性弹性模量及振动位移，即可确定此时被测试件应力大小，并最终获得被测材料的S-N曲线。螺母座III710、螺母座IV720和滑台715通过直线导轨滑块组件II716安装在底座III717上。增量式直线光栅尺Ⅱ723连接在螺母座IV720上，与其配套使用的外部读数头II722固定在外部读数头安装板II721上，并与底座III717相连。利用该模块既可单独实现非对称拉压超声疲劳加载，也可以通过更换左侧探头76与静态拉/压-低周疲劳加载模块2实现弯曲超声疲劳与拉伸载荷复合加载，进而可以开展服役材料预载荷下高频疲劳等试验研究。
参见图8所示，本发明的超声疲劳与静态弯曲加载模块位置切换机构8，主要由辅助导轨滑块组件81、直流伺服电机IV82、底座IV84、直线导轨滑块组件III85和丝杠模组III86等组成。其中，直流伺服电机IV82通过弹性联轴器II83与丝杠模组III86相连，并固定在底座IV84。光学原位观测单元4的底座I43和静态弯曲加载模块6的底座II 612分别与超声疲劳加载模块7的底座III717经由连接板构成整体，并与固定在气浮隔振台1上的直线导轨滑块组件III85和辅助导轨滑块组件81相连，并固定在气浮隔振台1上。利用该模块可以实现静态弯曲加载模块6和光学原位观测单元4与超声疲劳加载模块7转换，进而实现弯曲载荷、高频交变载荷与拉伸载荷的耦合加载。
参见图1、图2、图5以及图9所示，在具体的测试过程中，测试之前首先确定需要施加载荷的类型以及模拟服役环境的温度，通过超声疲劳与静态弯曲加载模块位置切换机构8实现所需施加载荷的模块转换，包括实现弯曲超声疲劳与拉伸载荷复合加载或者进行“拉伸-弯曲”复合加载并结合显微观测的试验研究。同时通过控制温度加载与监测模块5中的多自由度机械臂51实现所需复杂温度载荷加载，并利用监测设备53实现对被测试件温度的精确测量、空间温度场的描述以及常温下由超声疲劳加载所致产生的疲劳裂纹及扩展时温度的变化。
测试过程中，通过工控机多路控制器控制静态拉/压-低周疲劳加载模块2、静态弯曲加载模块6、超声疲劳加载模块7以及温度加载与监测模块5的加载过程，实现预定的试验要求。同时，通过多路采集卡获取各加载模块中的载荷、位移数据以及利用数字散斑原位测试系统3对试件采用非接触式应变测量所获得的数据，连同光学原位观测单元4采集的图像信息一同传递到工控机调试软件中，实时动态的将材料表面微观组织形貌显示在相应的成像屏幕上，完成整个基于航空、航天关键服役材料高温高频材料力学性能原位测试试验。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高温高频材料力学性能原位测试装置，包括气浮隔振台（1）、静态拉/压-低周疲劳加载模块（2）、原位监测模块、温度加载与监测模块（5）、静态弯曲加载模块（6）、超声疲劳加载模块（7）和超声疲劳与静态弯曲加载模块位置切换机构（8），其特征在于：所述原位监测模块由数字散斑原位测试系统（3）和光学原位观测单元（4）组成；所述静态拉/压-低周疲劳加载模块（2）、数字散斑原位测试系统（3）和温度加载与监测模块（5）均通过螺栓固连在气浮隔振台（1）上；所述光学原位观测单元（4）、静态弯曲加载模块（6）和超声疲劳加载模块（7）经由超声疲劳与静态弯曲加载模块位置切换机构（8）固连在气浮隔振台（1），保证超声疲劳加载模块（7）与光学原位观测单元（4）和静态弯曲加载模块（6）平行度以及与静态拉/压-低周疲劳加载模块（2）垂直度，且保证彼此运动不产生干涉；所述光学原位观测单元（4）与静态弯曲加载模块（6）相对于静态拉/压-低周疲劳加载模块（2）对称布置，并保持光学原位观测单元（4）的观测镜筒轴线与静态弯曲加载模块（6）的加载轴线相重合。
2.根据权利要求1所述的高温高频材料力学性能原位测试装置，其特征在于：所述的静态拉/压-低周疲劳加载模块（2）是：两套高频伺服液压缸组件（23）分别固连在两侧的支架（24）上，其活塞杆伸出端经由连接套（25）与力传感器I（26）相连；下夹具体（27）与力传感器I（26）螺纹相连，并设有与薄板试件（29）夹持端相吻合的凹槽，配合上夹具体（28）完成对薄板试件（29）的夹紧和加载；下夹具体（27）内设有“U”形循环冷却回路，以阻隔高温载荷传递到力传感器I（26）；两侧的支架（24）分别通过四个内六角圆柱头螺钉（22）固定在气浮隔振台（1）上，并通过两个圆柱销（21）进行定位。
3.根据权利要求1所述的高温高频材料力学性能原位测试装置，其特征在于：所述的光学原位观测单元（4）是：改进型体式显微镜（412）固定于安装支架（413）上，进而通过螺钉固连在螺母座I（46）上；弹性联轴器I（72）封装于联轴器保护壳I（49），通过前端盖（48）和后端盖（410）密封防尘，两端分别与直流伺服电机I（411）、丝杠模组I（44）相连，传递扭矩；直流伺服电机I（411）固定在后端盖（410）上进而与底座I（43）固连；螺母座I（46）通过四个滑块（45）与两根直线导轨（47）装配在一起，安装在底座I（43）上；激光位移传感器I（42）固定在激光位移传感器支架（41）上，并位于直线导轨（47）两端极限位置之内的底座I（43）上。
4.根据权利要求1所述的高温高频材料力学性能原位测试装置，其特征在于：所述的温度加载与监测模块（5）是：两盏卤素加热灯（52）和监测设备（53）分别与三个多自由度机械臂（51）的连接端相连，并固定在气浮隔振台（1）上。
5.根据权利要求1所述的高温高频材料力学性能原位测试装置，其特征在于：所述的静态弯曲加载模块（6）是：直流伺服电机II（61）通过电机安装板（62）固连在底座II（612）上；丝杠模组II（610）通过弹性联轴器II（83）与直流伺服电机II（61）外伸轴相连，并采用一端固定一端游动的安装方式；弹性联轴器II（83）置于联轴器保护壳II（63）内，并通过电机安装板（62）密封防尘；力传感器II（67）分别与压头（68）、连接套筒（66）螺纹连接，并固定在“L”形支座（64）上；“L”形支座（64）固连在螺母座II（65）上，螺母座II（65）与直线导轨滑块组件I（611）相连，直线导轨滑块组件I（611）连接在底座II（612）上；两个限位行程开关（69）分别固定在行程极限位置之内的底座II（612）上；增量式直线光栅尺Ⅰ（615）连接在螺母座II（65）上；外部读数头I（614）固定在外部读数头安装板Ⅰ（613）上，外部读数头安装板Ⅰ（613）与底座II（612）固连。
6.根据权利要求1所述的高温高频材料力学性能原位测试装置，其特征在于：所述的超声疲劳加载模块（7）是：直流伺服电机III（71）通过弹性联轴器I（72）与双向丝杠（718）相连，并固定在底座III（717）上；双向丝杠（718）采用一端固定一端游动的安装方式，通过两个旋向相反的丝杠螺母（711）分别与螺母座IV（720）、螺母座III（710）相连，实现同步反向运动；左侧变幅杆（75）与换能器（74）、左侧探头（76）螺纹连接，并固定在与螺母座IV（720）相连的左侧变幅杆安装支架（73）上；右侧变幅杆（75A）与右侧探头（76A）螺纹连接，并固定在与滑台（715）相连的右侧变幅杆安装支架（73A）上；右侧变幅杆安装支架（73A）与力传感器III（714）螺纹连接，并固定在连接块（713）上；连接块（713）通过螺钉固定在“L”形连接板（712）上，进而与螺母座III（710）相连，实现对疲劳试件（719）的预加载；疲劳试件（719）与左侧散热铜棒（77）、右侧散热铜棒（77A）螺纹连接，在左侧散热铜棒（77）、右侧散热铜棒（77A）两侧均匀布置多组压缩空气喷嘴（78）；螺母座III（710）、螺母座IV（720）和滑台（715）通过直线导轨滑块组件II（716）安装在底座III（717）上；增量式直线光栅尺Ⅱ（723）连接在螺母座IV（720）上；外部读数头II（722）固定在外部读数头安装板II（721）上，并与底座III（717）相连。
7.根据权利要求6所述的高温高频材料力学性能原位测试装置，其特征在于：所述的“L”形连接板（712）设有两腰鼓孔，与右侧散热铜棒（77A）、右侧变幅杆（76A）的螺纹装配；左侧散热铜棒（77）和右侧散热铜棒（77A）的端部均设有倒角，通过安装在底座III（717）上的激光位移传感器II（79）可对疲劳试件（719）端部振动位移幅值进行精确测量。
8.根据权利要求1所述的高温高频材料力学性能原位测试装置，其特征在于：所述的超声疲劳与静态弯曲加载模块位置切换机构（8）是：直流伺服电机IV（82）通过弹性联轴器II（83）与丝杠模组III（86）相连，并固定在底座IV（84）；光学原位观测单元（4）的底座I（43）和静态弯曲加载模块（6）的底座II（612）分别与超声疲劳加载模块（7）的底座III（717）连接构成整体，并与固定在气浮隔振台（1）上的直线导轨滑块组件III（85）、辅助导轨滑块组件（81）相连。
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