CN109540709A - 一种用于材料裂纹扩展测试的试验系统 - Google Patents

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周青华
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Abstract

本发明公开涉及材料技术领域，尤其是一种用于材料裂纹扩展测试的试验系统，其包括真空发生组件、高温发生组件、低温发生组件、加载夹具组件、控制器、激振装置，在对材料进行裂纹扩展测试时，将试样通过加载夹具组件中的上夹具、下夹具固定住，真空发生组件、高温发生组件、低温发生组件、激振装置在控制器的控制下运行，为试验系统提供真空、高温、低温、高低温交替、高频振动的环境，各测试部件对试验系统中的数据和试件的变化数据进行检测，并将测得的数据传递给控制器进行记录和分析，从而完成对太空环境用材料进行裂纹扩展和力学性能的测试，为太空环境用材料的使用提供理论依据，提高太空环境用材料的使用安全性。

Description

一种用于材料裂纹扩展测试的试验系统
技术领域
本发明涉及材料技术领域，尤其是一种用于材料裂纹扩展测试的试验系统。
背景技术
太空中存在的环境振动是加快航天器材料失效的一个主要原因，由于处于无重力或微重力状态的太空环境中，航天器在太空中受环境振动的影响要远大于在地面环境中所受的影响。航天器关键重要部件长期处于振动状态下，会加速航天器关键重要部件材料失效，如裂纹的产生等，进而降低航天器服役寿命。同时，航天器在真空环境中，由于没有空气传热和散热，其向阳侧和背阳侧的温度变化非常大，例如，国际空间站的向阳侧温度可达120℃，而背阳侧的温度却低至-160℃，极端温度和大幅度冷热交变会影响晶体材料中的应力分布，降低材料的安全服役寿命。综上所述，航天器关键重要部件往往处于高频振动、高温、低温、交变温度等联合作用状况下。因此，研究材料在高频振动和太空环境下的裂纹扩展规律具有重要意义，提高太空环境用材料的使用安全性。
发明内容
发明所要解决的技术问题是提供一种用于材料裂纹扩展测试的试验系统，该试验系统结构简单，实现对太空环境用材料进行裂纹扩展测试，提高太空环境用材料的使用安全性。
本发明解决其技术问题所采用的一种用于材料裂纹扩展测试的试验系统，包括真空发生组件、高温发生组件、低温发生组件、加载夹具组件、控制器、激振装置；
真空发生组件包括真空室、分子泵、真空检测件、真空管道，真空管道一端与分子泵相连接，另一端与真空室相连接，真空检测件设置在真空管道上；
加载夹具组件包括伺服电机、减速机、丝杆副、移动横梁、固定底座、连接杆、连接框、支撑杆、上夹具、下夹具，减速机与伺服电机的输出轴相连接，丝杆副与减速机的输出轴相连接，固定底座上设置有第一过孔，移动横梁上设置有螺纹孔，丝杆副穿过第一通孔、螺纹孔设置，且丝杆副与螺纹孔相匹配连接，丝杆副竖直设置，移动横梁与丝杆副相垂直连接，移动横梁设置在固定底座的上方，真空室的顶面上设置有第二通孔，真空室的底面上设置有第三通孔，连接杆的上端与移动横梁相连接，连接杆的下端穿过第二通孔与连接框相连接，连接框设置在真空室中，激振装置设置连接框中，上夹具连接固定在连接框的下部，支撑杆的下端设置在固定底座上，支撑杆的上端穿过第三通孔与下夹具相连接；
高温发生组件设置在真空室中，低温发生组件包括液氮罐、液氮进液管道、电磁开关阀门、温控仪、温度传感器，液氮进液管道一端与液氮罐相连接，另一端与真空室相连接，电磁开关阀门设置在液氮进液管道上，温度传感器设置在真空室中，温度传感器通过信号数据线与温控仪相连接；
高温发生组件、激振装置、分子泵、真空检测件、伺服电机、低温发生组件、温控仪均通过信号数据线与控制器相连接。
进一步的是，真空室的内表面设置有隔热层。
进一步的是，真空检测件包括电磁压力表和热电偶真空计，真空管道上还设置有第一电磁散气阀门，第一电磁散气阀门通过信号数据线与控制器相连接。
进一步的是，第三通孔处均设置有密封结构，所述密封结构为波纹管，支撑杆设置在波纹管中。
进一步的是，激振装置为换能器，还包括纵向位移放大器，纵向位移放大器设置在连接框中，激振装置通过螺栓设置在纵向位移放大器的上方。
进一步的是，高温发生组件为电磁加热电阻丝，温度传感器为热电偶温度传感器。
进一步的是，还包括电磁高低温显微镜，电磁高低温显微镜设置在真空室中，电磁高低温显微镜通过信号数据线与控制器相连接，通过电磁高低温显微镜能够观测到材料裂纹扩展方式。
进一步的是，液氮进液管道上设置有第二电磁散气阀门，第二电磁散气阀门通过信号数据线与控制器相连接。
进一步的是，加载夹具组件还包括导杆，移动横梁上设置有导孔，导杆一端固定在固定底座上，另一端匹配穿过导孔设置。
进一步的是，控制器为可编程控制器，还包括操作按钮、显示屏，操作按钮设置在工作台上，操作按钮、显示屏通过信号数据线与控制器相连接。
本发明的有益效果是：本发明用于材料裂纹扩展测试的试验系统，该试验系统主要对太空环境用材料的裂纹扩展性能进行测试，该试验系统设置有真空发生组件、高温发生组件、低温发生组件、加载夹具组件、控制器、激振装置，真空发生组件能够将空气抽走，提供试验系统所需的真空环境，高温发生组件为试验系统提供所需的高温环境，低温发生组件为试验系统提供所需的低温环境，加载夹具组件能够将测试的试件固定住，激振装置为试验系统提供所需的高频振动环境，控制器自动控制各电气部件运行，各测试部件试验系统中的数据和试件的变化数据进行检测，并将测得的数据传递给控制器进行记录和分析，提高整个试验系统的自动化水平。
在对材料进行裂纹扩展测试时，将试样通过加载夹具组件中的上夹具、下夹具固定住，真空发生组件、高温发生组件、低温发生组件、激振装置在控制器的控制下运行，为试验系统提供真空、高温、低温、高低温交替、高频振动的环境，各测试部件对试验系统中的数据和试件的变化数据进行检测，并将测得的数据传递给控制器进行记录和分析，从而完成对太空环境用材料进行裂纹扩展和力学性能的测试，而且，该测试系统还可以观测到试样是沿晶界扩展还是沿晶内扩展方式，为太空环境用材料的使用提供理论依据，提高太空环境用材料的使用安全性。本发明的用于材料裂纹扩展测试的试验系统结构简单，自动化程度高，方便使用，结果的准确性高、误差小，利于推广。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是低温发生组件的结构示意图；
图3是试样的结构示意图；
图中标记为：高温发生组件1、激振装置2、真空室31、分子泵32、真空管道33、隔热层34、电磁压力表35、和热电偶真空计36、第一电磁散气阀门37、下夹具40、导杆401、伺服电机41、减速机42、丝杆副43、移动横梁44、固定底座45、连接杆46、连接框47、支撑杆48、上夹具49、液氮罐51、液氮进液管道52、电磁开关阀门53、温控仪54、温度传感器55、第二电磁散气阀门56、液氮出液管道57、波纹管6、纵向位移放大器7、电磁高低温显微镜8、工作台9、试样10、显示屏11。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明一种用于材料裂纹扩展测试的试验系统，包括真空发生组件、高温发生组件1、低温发生组件、加载夹具组件、控制器、激振装置2。
真空发生组件为试验系统提供所需的真空的环境，真空发生组件包括真空室31、分子泵32、真空检测件、真空管道33，真空管道一端与分子泵32相连接，另一端与真空室31相连接，真空检测件设置在真空管道33上，分子泵32运行将真空室31中的真空抽走，使真空室31为真空环境，真空检测件包括电磁压力表35和热电偶真空计36，电磁压力表35和热电偶真空计36对真空管道33上的压力和真空度进行检测，真空管道33与真空室31是相连通的，也即是实现对真空室31的压力和真空度检测，电磁压力表35和热电偶真空计36将检测的数据传递给控制器，实现对真空室31的真空度的检测和调控。
加载夹具组件能够将测试的试件固定住，提供部分部件安装支撑点，加载夹具组件包括伺服电机41、减速机42、丝杆副43、移动横梁44、固定底座45、连接杆46、连接框47、支撑杆48、上夹具49、下夹具40，减速机42与伺服电机41的输出轴相连接，丝杆副43与减速机42的输出轴相连接，固定底座45上设置有第一过孔，移动横梁44上设置有螺纹孔，丝杆副43穿过第一通孔、螺纹孔设置，且丝杆副43与螺纹孔相匹配连接，丝杆副43竖直设置，移动横梁44与丝杆副43相垂直连接，移动横梁44设置在固定底座45的上方，真空室31的顶面上设置有第二通孔，真空室31的底面上设置有第三通孔，连接杆46的上端与移动横梁44相连接，连接杆46的下端穿过第二通孔与连接框47相连接，连接框47设置在真空室31中，激振装置2设置连接框47中，为了便于激振装置2的放置，连接框47为中空的矩形形状，上夹具49连接固定在连接框47的下部，支撑杆48的下端设置在固定底座45上，支撑杆48的上端穿过第三通孔与下夹具40相连接。工作时，控制器控制伺服电机41顺时针旋转，伺服电机41顺时针旋转带动减速机42旋转，减速机42旋转带动丝杆副43旋转，在丝杆副43与螺纹孔螺纹连接作用下，使移动横梁44向上运动，移动横梁44向上运动带动上夹具49向上运动，上夹具49向上运动一定距离后，控制器控制伺服电机41停止转动，将试样10竖直安装在下夹具40上，然后控制器控制伺服电机41逆时针转动，使上夹具49向下运动至将试样10固定住。在试样10被上夹具49和下夹具40固定住后，还可控制伺服电机41转动，对试样10进行拉伸，从而实现对试样10进行拉伸的力学性能的测试。
高温发生组件1为试验系统提供所需的高温环境，低温发生组件为试验系统提供所需的低温环境，高温发生组件1与低温发生组件一起为试验系统提供所需的高低温交替环境。高温发生组件1设置在真空室31中，高温发生组件1优选为电磁加热电阻丝。低温发生组件包括液氮罐51、液氮进液管道52、电磁开关阀门53、温控仪54、温度传感器55、液氮出液管道57，液氮进液管道52一端与液氮罐51相连接，另一端与真空室31相连接，液氮出液管道57一端与真空室31相连接，另一端与液氮罐51相连接，电磁开关阀门53设置在液氮进液管道52上，温度传感器55设置在真空室31中，温度传感器55为热电偶温度传感器，使用时，温度传感器55紧贴在试样10上，温度传感器5对真空室31中的温度进行检测，温度传感器55通过信号数据线与温控仪54相连接，低温发生组件采用液氮制冷的方式提供低温。温控仪54实现对真空室31内的温度进行实时监测与调控。
高温发生组件1、激振装置2、分子泵32、真空检测件、伺服电机41、低温发生组件、温控仪54均通过信号数据线与控制器相连接。通过控制器的自动控制，使整个系统的自动化水平高，方便使用。
具体的，为了降低外部环境对真空室31内的温度影响，在真空室31的内表面设置有隔热层34。为了提高真空发生组件的使用安全性，在真空管道33上还设置有第一电磁散气阀门37，第一电磁散气阀门37通过信号数据线与控制器相连接。
为了保证真空室31处于密闭的空间，在第三通孔处均设置有密封结构，所述密封结构为波纹管6，支撑杆48设置在波纹管6中。激振装置2优选为换能器，换能器实现对试样10进行高频振动加载，控制器对振动的频率进行控制。为了方便观测试样10产生的纵向位移，还设置有纵向位移放大器7，纵向位移放大器7设置在连接框47中，激振装置2通过螺栓设置在纵向位移放大器7的上方。为了方便观测试样10的裂纹扩展及晶粒变形状态，本发明还设置有电磁高低温显微镜8，电磁高低温显微镜8设置在真空室31中，电磁高低温显微镜8通过信号数据线与控制器相连接，通过电磁高低温显微镜8能够观测到裂纹扩展方式，也即是通过电磁高低温显微镜8观察试样10的裂纹扩展及晶粒变形状态，观测到试样10是沿晶界扩展还是沿晶内的扩展方式，同时并将结果反映给控制器并在显示屏11上显示。
为了提高低温发生组件的使用安全性，能够对液氮进行放空排放，液氮进液管道52上设置有第二电磁散气阀门56，第二电磁散气阀门56通过信号数据线与控制器相连接。
为了防止移动横梁44在运动时出现偏移，加载夹具组件还包括导杆401，移动横梁44上设置有导孔，导杆401一端固定在固定底座45上，另一端匹配穿过导孔设置。
控制器为可编程控制器，还包括操作按钮、显示屏11，操作按钮设置在工作台9上，操作按钮、显示屏11通过信号数据线与控制器相连接。操作者可通过工作台9上的操作按钮进行操作，各电气部件运行，各测试部件的检测数据均在显示屏11上显示，方便使用。
为了方便控制裂纹产生部位，以及进一步便于显微镜观察裂纹的扩展情况，试件10中间部位两侧含有预置的V型缺口。
为了方便试件10进行装夹，试件10中间部位两侧含有预置的V型缺口，两端为长方体形状，试件10中间部位只有几个晶粒厚度的薄板形。
综上所述，本发明用于材料裂纹扩展测试的试验系统，该试验系统主要对太空环境用材料的裂纹扩展性能进行测试，该试验系统设置有真空发生组件、高温发生组件1、低温发生组件、加载夹具组件、控制器、激振装置2，真空发生组件能够将空气抽走，提供试验系统所需的真空环境，高温发生组件1为试验系统提供所需的高温环境，低温发生组件为试验系统提供所需的低温环境，加载夹具组件能够将测试的试件固定住，激振装置2为试验系统提供所需的高频振动环境，控制器自动控制各电气部件运行，各测试部件试验系统中的数据和试件的变化数据进行检测，并将测得的数据传递给控制器进行记录和分析，提高整个试验系统的自动化水平。
在对材料进行裂纹扩展测试时，将试样10通过加载夹具组件中的上夹具49、下夹具40固定住，真空发生组件、高温发生组件1、低温发生组件、激振装置2在控制器的控制下运行，为试验系统提供真空、高温、低温、高低温交替、高频振动的环境，各测试部件对试验系统中的数据和试件的变化数据进行检测，并将测得的数据传递给控制器进行记录和分析，从而完成对太空环境用材料进行裂纹扩展和力学性能的测试，为太空环境用材料的使用提供理论依据，提高太空环境用材料的使用安全性。本发明的用于材料裂纹扩展测试的试验系统结构简单，自动化程度高，方便使用，结果的准确性高、误差小，利于推广。

Claims (10)

1.一种用于材料裂纹扩展测试的试验系统，其特征在于：包括真空发生组件、高温发生组件(1)、低温发生组件、加载夹具组件、控制器、激振装置(2)；
真空发生组件包括真空室(31)、分子泵(32)、真空检测件、真空管道(33)，真空管道一端与分子泵(32)相连接，另一端与真空室(31)相连接，真空检测件设置在真空管道(33)上；
加载夹具组件包括伺服电机(41)、减速机(42)、丝杆副(43)、移动横梁(44)、固定底座(45)、连接杆(46)、连接框(47)、支撑杆(48)、上夹具(49)、下夹具(40)，减速机(42)与伺服电机(41)的输出轴相连接，丝杆副(43)与减速机(42)的输出轴相连接，固定底座(45)上设置有第一过孔，移动横梁(44)上设置有螺纹孔，丝杆副(43)穿过第一通孔、螺纹孔设置，且丝杆副(43)与螺纹孔相匹配连接，丝杆副(43)竖直设置，移动横梁(44)与丝杆副(43)相垂直连接，移动横梁(44)设置在固定底座(45)的上方，真空室(31)的顶面上设置有第二通孔，真空室(31)的底面上设置有第三通孔，连接杆(46)的上端与移动横梁(44)相连接，连接杆(46)的下端穿过第二通孔与连接框(47)相连接，连接框(47)设置在真空室(31)中，激振装置(2)设置连接框(47)中，上夹具(49)连接固定在连接框(47)的下部，支撑杆(48)的下端设置在固定底座(45)上，支撑杆(48)的上端穿过第三通孔与下夹具(40)相连接；
高温发生组件(1)设置在真空室(31)中，低温发生组件包括液氮罐(51)、液氮进液管道(52)、电磁开关阀门(53)、温控仪(54)、温度传感器(55)，液氮进液管道(52)一端与液氮罐(51)相连接，另一端与真空室(31)相连接，电磁开关阀门(53)设置在液氮进液管道(52)上，温度传感器(55)设置在真空室(31)中，温度传感器(55)通过信号数据线与温控仪(54)相连接；
高温发生组件(1)、激振装置(2)、分子泵(32)、真空检测件、伺服电机(41)、低温发生组件、温控仪(54)均通过信号数据线与控制器相连接。
2.如权利要求1所述的一种用于材料裂纹扩展测试的试验系统，其特征在于：真空室(31)的内表面设置有隔热层(34)。
3.如权利要求1所述的一种用于材料裂纹扩展测试的试验系统，其特征在于：真空检测件包括电磁压力表(35)和热电偶真空计(36)，真空管道(33)上还设置有第一电磁散气阀门(37)，第一电磁散气阀门(37)通过信号数据线与控制器相连接。
4.如权利要求1所述的一种用于材料裂纹扩展测试的试验系统，其特征在于：第三通孔处均设置有密封结构，所述密封结构为波纹管(6)，支撑杆(48)设置在波纹管(6)中。
5.如权利要求1所述的一种用于材料裂纹扩展测试的试验系统，其特征在于：激振装置(2)为换能器，还包括纵向位移放大器(7)，纵向位移放大器(7)设置在连接框(47)中，激振装置(2)通过螺栓设置在纵向位移放大器(7)的上方。
6.如权利要求1所述的一种用于材料裂纹扩展测试的试验系统，其特征在于：高温发生组件(1)为电磁加热电阻丝，温度传感器(55)为热电偶温度传感器。
7.如权利要求1所述的一种用于材料裂纹扩展测试的试验系统，其特征在于：还包括电磁高低温显微镜(8)，电磁高低温显微镜(8)设置在真空室(31)中，电磁高低温显微镜(8)通过信号数据线与控制器相连接，通过电磁高低温显微镜(8)能够观测到材料裂纹扩展方式。
8.如权利要求1所述的一种用于材料裂纹扩展测试的试验系统，其特征在于：液氮进液管道(52)上设置有第二电磁散气阀门(56)，第二电磁散气阀门(56)通过信号数据线与控制器相连接。
9.如权利要求1所述的一种用于材料裂纹扩展测试的试验系统，其特征在于：加载夹具组件还包括导杆(401)，移动横梁(44)上设置有导孔，导杆(401)一端固定在固定底座(45)上，另一端匹配穿过导孔设置。
10.如权利要求1至9任意一项所述的一种用于材料裂纹扩展测试的试验系统，其特征在于：控制器为可编程控制器，还包括操作按钮、显示屏(11)，操作按钮设置在工作台(9)上，操作按钮、显示屏(11)通过信号数据线与控制器相连接。
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