CN110579404A - 高温复杂机械载荷下材料力学性能原位测试仪器与方法 - Google Patents

高温复杂机械载荷下材料力学性能原位测试仪器与方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高温复杂机械载荷下材料力学性能原位测试仪器与方法，属于精密科学仪器领域。该仪器的支撑框架模块用于实现对仪器各功能模块的稳定支撑与有效隔振；高频疲劳加载模块用于实现对被测试样的高频疲劳加载；静动态机械载荷加载模块用于实现对被测试样的静动态拉伸/压缩/弯曲载荷的组合加载；高/低温加载模块用于实现对被测试样由低温到高温的变温环境加载；原位监测模块可根据实际测试需要集成表面变形损伤测量组件、三维应变测量组件、微观组织结构测量组件以及内部损伤探测组件，进而实现对被测试样微观力学行为、变形损伤模式与性能演化规律的并行精准原位测量。具有载荷环境复杂、测试内容丰富、测量精度高等优点。

Description

高温复杂机械载荷下材料力学性能原位测试仪器与方法
技术领域
本发明涉及精密科学仪器领域，特别涉及一种高温复杂机械载荷下材料力学性能原位测试仪器与方法。
背景技术
随着科学技术的不断发展，航空航天、汽车制造和核工业等众多关键领域对高温、重载、高频载荷作用下材料力学性能保障能力的要求显著提高，先进的力学测试装置和力学测试技术已成为检验材料性能、开展工艺优化的关键。面向上述众多关键领域的材料测试需求，开展高温复杂机械载荷下材料力学性能原位测试，是评估其服役条件下的力学性能及服役安全性的保障。
面向上述重大需求，国内外陆续开展了相关测试技术及测试装置的研发。针对高温环境构建，德国、美国等学者相继研究了空气、惰性气体等氛围加热方法及辐照加热、环境仓加热技术，国外一些公司推出了高温加载装置；针对疲劳测试方面，日本、美国、中国相关学者提出了高温疲劳测试技术、力热耦合高频疲劳测试技术，国内外均研发出了高温疲劳测试装置；针对复合载荷加载测试，欧洲、日本、葡萄牙相继提出了拉伸预载荷下的疲劳试验技术、拉伸—扭转与力热耦合下镍基合金疲劳失效测试技术、拉伸—弯曲多轴疲劳测试技术，并开发了相关的试验装置；针对原位测试方面，美国劳伦斯伯克利国家实验室、麻省理工学院、英国剑桥大学、瑞士洛桑理工学院、浙江大学和吉林大学等单位，相继研发了扫描电镜和数字散斑等原位监测下的压痕、拉伸、弯曲等原位测试技术，美国、英国以及中国相关公司陆续推出了商业化原位测试仪器。
上述测试装置和测试技术各具特色，对材料力学性能的测试发挥了重要作用。但截至目前，国际上关于高温复杂机械载荷下材料力学性能原位测试仪器及测试技术的研究鲜有报道。现有的测试仪器及测试技术难以满足航空航天、汽车制造和核工业等众多关键领域材料的测试需求，制约了材料性能的保障与质量严控。因此，面向国家重大需求，研发高温复杂机械载荷下材料力学性能原位测试仪器并提出高温复杂机械载荷下材料力学性能原位测试方法至关重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温复杂机械载荷下材料力学性能原位测试仪器与方法，弥补现有测试仪器及测试方法的不足。本发明基于电液伺服驱动技术、压电超声驱动技术、真空/惰性气体氛围下均布式电阻丝辐射加热技术、循环冷介质非接触式制冷技术，实现对被测试样在真空或惰性气体氛围下的高精度高/低温环境加载及多级机械传动的串并混联式静动态机械载荷复合加载，并集成表面变形损伤测量组件、三维应变测量组件、微观组织结构测量组件以及内部损伤探测组件，进而实现对被测试样微观力学行为、变形损伤模式与性能演化规律的并行精准原位测量。结合高温复杂机械载荷下材料力学性能原位测试仪器，提供了一种高温复杂机械载荷下材料力学性能原位测试方法，面向国家重大需求，为解决高温、复杂静动态机械载荷作用下接近实际工况的材料力学行为、变形损伤机制及其与复杂载荷作用和材料性能间相关性规律的科学问题提供一种革新性技术手段。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
高温复杂机械载荷下材料力学性能原位测试仪器，包括支撑框架模块1、高频疲劳加载模块2、静动态机械载荷加载模块3、高/低温加载模块4、原位监测模块5，其中支撑框架模块1通过隔振弹簧10503隔绝振动，并通过地脚螺钉10504与地面固定，高频疲劳加载模块2通过电机支撑座222与支撑框架模块1中的支撑板102刚性连接，通过滑块组件Ⅰ219与支撑框架模块1的导轨组件Ⅰ104配合，通过连接法兰214与高温加载子模块401的焊接波纹管Ⅰ40101刚性连接，实现对被测试样30108的高频疲劳加载，或者施加静态弯曲预载荷；静动态机械载荷加载模块3分别通过液压缸固定板30202、中间连接板30303与支撑框架模块1的安装平台105刚性连接，并分别通过高温连杆Ⅰ、高温连杆Ⅱ、高温连杆Ⅲ的法兰与高温加载子模块401的焊接波纹管Ⅱ40108、焊接波纹管Ⅳ40115、焊接波纹管Ⅲ40114刚性连接，实现对被测试样30108的静动态拉伸/压缩/弯曲载荷的组合加载；高/低温加载模块4的高温加载子模块401通过“L”型导轨座40105与安装平台105刚性连接，高/低温加载模块4的低温加载子模块402通过滑块组件Ⅲ40209与旋转推车403的导轨组件Ⅲ40305配合，高温加载子模块401和低温加载子模块402相互切换使用，用于实现对被测试样30108由低温到高温的变温环境加载；原位监测模块5设置在高温加载子模块401的前方及后方，并整体固定在安装平台105上，实现对被测试样30108微观组织结构演变和疲劳失效模式的动态原位监测。
所述的支撑框架模块1整体采用四立柱式结构，实现对高频疲劳加载模块2、静动态机械载荷加载模块3、高低温加载模块4、原位监测模块5的牢固支撑；所述支撑框架模块1的具体结构是：安装台面10502上表面加工有相互垂直的“T”型槽，安装台面10502下表面加工有相互垂直的加强肋，安装台面10502中间加工有凹槽，用于静动态弯曲加载子模块303的安装定位。
所述的高频疲劳加载模块2竖直布置于仪器的上方，通过电机支撑座222与支撑框架模块1的支撑板102刚性连接，实现高频疲劳加载模块2的安装定位；通过滑块组件Ⅰ219与支撑框架模块1的导轨组件Ⅰ104配合，实现高频疲劳加载模块2加载方向上的精密导向并消除试验过程中产生的侧向力影响；通过连接法兰214与高温加载子模块401的焊接波纹管Ⅰ40101刚性连接，实现与高温加载子模块401的密封；高频加载模块2由伺服电机201驱动，通过减速器223、联轴器202、丝杠221的传递，最终将动力传递至超声弯曲压头212，实现对被测试样30108的静态弯曲预加载；高频疲劳加载模块2由超声换能器208驱动，振幅经超声连接器Ⅰ210、超声连接器Ⅱ211、超声探头213的逐级放大，最终传递至超声弯曲压头212，实现对被测试样30108的高频疲劳加载。
所述的静动态机械载荷加载模块3设置在安装平台105上，包括高温连杆组件301、静动态拉伸/压缩加载子模块302、静动态弯曲加载子模块303，其中高温连杆组件301保证静动态机械载荷加载模块3能在高温环境下正常使用；静动态拉伸/压缩加载子模块302水平布置，液压缸组件Ⅰ30201与液压缸组件Ⅱ30205结构完全相同，且相对于被测试样30108对称布置，试验时液压缸组件Ⅰ30201与液压缸组件Ⅱ30205可单独动作，对被测试样30108单端进行静动态拉伸/压缩载荷加载，也可同步动作，对被测试样30108双端同步进行静动态拉伸/压缩载荷加载，保证被测试样30108标距段中心在加载过程中不发生偏移；静动态弯曲加载子模块303竖直布置与仪器的下方，通过中间连接板30303与安装平台105下表面刚性连接，可单独动作，实现对被测试样30108的静动态弯曲载荷加载，也可与静动态拉伸/压缩加载子模块302的液压缸组件Ⅰ30201、液压缸组件Ⅱ30205协同动作，实现对被测试样30108的双端同步静动态拉伸/压缩载荷—弯曲载荷复合加载，保证被测试样30108标距段中心在复合载荷加载过程中不发生偏移。
所述的高/低温加载模块4包括高温加载子模块401、低温加载子模块402、旋转推车403，高温加载子模块401通过“L”型导轨座40105与支撑框架模块1的安装平台105刚性连接，低温加载子模块402通过滑块组件Ⅲ40209与旋转推车403的导轨组件Ⅲ40305配合；旋转推车403通过四个滚轮40302移动，通过四个调节螺钉40303调节导轨组件Ⅲ40305的高度与水平度；高温加载子模块401与低温加载子模块402通过旋转推车403相互切换使用。
所述的原位监测模块5包括三自由度运动平台501、表面变形损伤测量组件502、微观组织结构测量组件503、内部损伤探测组件504、三维应变测量组件505，其中内部损伤探测组件504、三维应变测量组件505设置在高温加载子模块401的前方，分别实现对被测试样30108标距段全局的温度信息、内部损伤信息、三维应变信息的动态监测；表面变形损伤测量组件502、微观组织结构测量组件503设置在高温加载子模块401后方的三自由度运动平台501上，三自由度运动平台501通过螺钉与安装平台105刚性连接，通过三自由度运动平台501实现表面变形损伤测量组件502、微观组织结构测量组件503的切换使用以及二者沿被测试样30108轴向、径向相对位置的精密调整，分别实现对被测试样30108标距段全局表面变形损伤信息实时监测、标距段微区形貌随动监测；由表面变形损伤测量组件502、微观组织结构测量组件503、内部损伤探测组件504、三维应变测量组件505构成的四种原位监测手段可单独使用、两两组合使用、最多可三种同时使用，实现对被测试样30108微观组织结构演变和疲劳失效模式进行动态原位监测。
所述的高频加载模块2竖直布置，静动态拉伸/压缩加载子模块302水平布置，二者在空间上相互垂直；在试验时，高频加载模块2单独动作，实现对被测试样30108的静态弯曲预加载及高频疲劳加载；高频加载模块2与静动态拉伸/压缩加载子模块302协同动作，实现对被测试样30108的静态拉伸—弯曲复合加载下的高频疲劳加载。
所述的液压缸固定板30202通过T型螺栓与安装平台105刚性连接，并通过胀紧套组件30204与四根拉杆30203刚性连接，形成加强式力闭环结构，大大增加了静动态拉伸/压缩加载子模块302的刚度；并且，液压缸组件Ⅰ30201、液压缸组件Ⅱ30205沿着拉杆30203相向移动，实现二者间相对位置的精确调整。
所述的高温加载子模块401的真空腔Ⅰ40112腔体的上、下、左、右侧分别安装有焊接波纹管Ⅰ40101、焊接波纹管Ⅲ40114、焊接波纹管Ⅱ40108、焊接波纹管Ⅳ40115，并且分别与连接法兰214、高温连杆Ⅰ30101、高温连杆Ⅱ30106、高温连杆Ⅲ30306上的法兰刚性连接，实现试验过程中的运动密封；真空腔Ⅰ40112腔体的前、后侧分别设置有石英观测窗Ⅰ40118、石英观测窗Ⅱ40113，用于保证原位监测模块5对被测试样30108顺利进行动态原位监测。
本发明的另一目的在于提供一种高温复杂机械载荷下材料力学性能原位测试方法，包括如下步骤：
步骤一、被测试样30108的安装：将被测试样30108夹持端的螺纹与连接件Ⅰ30102、连接件Ⅱ30107的内螺纹配合，将连接件Ⅰ30102、连接件Ⅱ30107分别安装在高温连杆Ⅰ30101、高温连杆Ⅱ30106端部的安装孔内，拧紧高温连接件Ⅰ30103、高温连接件Ⅱ30104，完成被测试样30108的安装；
步骤二、被测试样30108高温环境的加载：被测试样30108高温环境的加载由高温加载子模块401来实现，利用机械泵对真空腔Ⅰ40112抽真空或向真空腔Ⅰ40112内持续通入惰性气体构建惰性气体氛围；温度控制器向加热炉40104内的三段电阻丝通入大小不同的电压使其发热，通过热辐射的方式实现被测试样30108不同温度的高温环境加载；红外比色计Ⅰ40119、红外比色计Ⅱ40120实时监测被测试样30108标距段的温度，取平均值后反馈至温度控制器，形成闭环控制；
步骤三、被测试样30108静态拉伸/压缩载荷的双端同步加载：被测试样30108静态拉伸/压缩载荷的双端同步加载由静动态拉伸/压缩加载子模块302来实现，运动控制器控制高压液压油驱动液压缸组件Ⅰ30201、液压缸组件Ⅱ30205的活塞杆Ⅰ3020103同步相向运动，经中间连接组件的传递，带动液压强迫夹具3020108同步相向运动，最终带动温连杆组件301两端同步相向运动，实现被测试样30108静态拉伸/压缩载荷的双端同步加载；
步骤四、被测试样30108静态弯曲载荷的加载：被测试样30108静态弯曲载荷的加载由高频疲劳加载模块2来实现，伺服电机201输出的动力，通过减速器223的多级减速和丝杠221、丝杠螺母204的转化以及连接套筒220、连接板205、拉压力传感器Ⅰ206、安装板207、传力杆217、上夹板216、下夹板215、超声连接器Ⅰ210、超声连接器Ⅱ211、超声探头213的传递，最终将动力传递至超声弯曲压头212，实现被测试样30108的静态弯曲预加载；
步骤五、被测试样30108超声疲劳载荷的加载：被测试样30108超声疲劳载荷的加载由高频疲劳加载模块2来实现，超声换能器208输出的微弱振幅经超声连接器Ⅰ210、超声连接器Ⅱ211、超声探头213的逐级放大，最终传递至超声弯曲压头212，实现对被测试样30108的高频疲劳加载；
步骤六、被测试样30108的动态原位监测：被测试样30108的动态原位监测由原位监测模块5来实现，内部损伤探测组件504、三维应变测量组件505实现对被测试样30108标距段全局的温度信息、内部损伤信息、三维应变信息的动态监测；通过三自由度运动平台501实现表面变形损伤测量组件502、微观组织结构测量组件503的切换使用以及二者沿被测试样30108轴向、径向相对位置的精密调整，分别实现对被测试样30108标距段全局表面变形损伤信息实时监测、标距段微区形貌随动监测；由表面变形损伤测量组件502、微观组织结构测量组件503、内部损伤探测组件504、三维应变测量组件505构成的四种原位监测手段单独使用、两两组合使用、最多可三种同时使用，实现对被测试样30108微观组织结构演变和疲劳失效模式进行动态原位监测。
本发明的有益效果在于：
1、采用模块化设计思路。本仪器由支撑框架、高频疲劳加载、静动态机械载荷加载、高/低温加载、原位监测等模块构成，其中静动态机械载荷加载模块主要包含静动态拉伸/压缩加载子模块、静动态弯曲加载子模块，高/低温加载模块主要包含高温加载子模块、低温加载子模块，原位监测模块主要包含表面变形损伤测量组件、微观组织结构测量组件、内部损伤探测组件、三维应变测量组件。装置整体高度模块化、标准化，便于维护保养。
2、可构建真空或惰性气体氛围。本装置的高温加载子模块、低温加载子模块均设置有真空腔，可向真空腔内持续通入惰性气体排除空气(氧气)，或利用机械泵(外部装置)抽取真空腔内的空气(氧气)，构建惰性气体氛围或真空密闭环境，有效防止被测试样表面的氧化。
3、温度环境加载范围广。本装置同时集成高温加载子模块及低温加载子模块，二者可相互切换使用，能够实现对被测试样-55℃～1200℃的高精度、大范围高/低温环境加载。
4、可模拟材料实际服役工况。本装置集成高频疲劳加载模块、静动态机械载荷加载模块、高/低温加载模块，可构建高温环境，并对被测试样进行静态拉伸—弯曲复合载荷下的高频疲劳加载，真实模拟航空航天、汽车制造和核工业等众多关键领域材料的材料实际服役工况。
5、测试功能丰富。本装置采用电液伺服驱动技术、压电超声驱动技术、真空/惰性气体氛围下均布式电阻丝辐射加热技术、循环冷介质非接触式制冷技术，并集成表面变形损伤测量组件、三维应变测量组件、微观组织结构测量组件以及内部损伤探测组件，能够实现实现对被测试样在真空或惰性气体氛围下的高精度高/低温环境加载、多级机械传动的串并混联式静动态机械载荷复合加载及试验过程中的动态原位监测。本仪器的载荷形式多样，且各种载荷间可以相互组合，测试功能十分丰富。
6、可实现并行原位监测。本装置集成表面变形损伤测量组件、三维应变测量组件、微观组织结构测量组件以及内部损伤探测组件，四种原位监测手段单独使用、两两组合使用、最多可三种同时使用，用于实现对被测试样微观组织结构演变和疲劳失效模式进行动态原位监测。
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为本发明的整体外观结构示意图；
图2为本发明的支撑框架模块结构示意图；
图3为本发明的安装平台的主视图；
图4为本发明的安装平台仰视图；
图5为本发明的高频疲劳加载模块结构示意图；
图6为本发明的静动态机械载荷加载模块结构示意图；
图7为本发明的高温连杆组件结构分解图；
图8为本发明的静动态拉伸/压缩加载子模块结构示意图；
图9为本发明的液压缸组件结构分解图；
图10为本发明的静动态弯曲加载子模块结构分解图；
图11为本发明的高/低温加载模块结构示意图；
图12为本发明的高温加载模块主视图；
图13为本发明的高温加载模块后视图；
图14为本发明的红外测温组件结构示意图；
图15为本发明的低温加载模块结构示意图；
图16为本发明的旋转推车结构示意图；
图17为本发明的原位监测模块结构示意图；
图18为本发明的高温加载原理示意图；
图19为本发明的低温加载原理示意图；
图20、图21为本发明的高/低温环境下多载荷复合加载原理示意图；
图22为本发明的多参量原位监测原理示意图；
图23为本发明的沙漏型超声试样结构示意图；
图24为本发明的超声弯曲试样的结构示意图。
图中：1、整体框架模块；2、高频疲劳加载魔块；3、静动态机械载荷加载模块；4、高/低温加载模块；5、原位监测模块；101、吊环螺钉；102、支撑板；103、导轨座Ⅰ；104、导轨组件Ⅰ；105、安装平台；106、固定套筒；107、立柱；108、安装架；109、连接块；110、锁紧螺母；10501、挡板；10502、安装台面；10503、隔振弹簧；10504、地脚螺钉；201、伺服电机；202、联轴器；203、丝杠支撑单元；204、丝杠螺母；205、连接板；206、拉压力传感器Ⅰ；207、安装板；208、超声换能器；209、螺栓；210、超声连接器Ⅰ；211、超声连接器Ⅱ；212、超声弯曲压头；213、超声探头；214、连接法兰；215、下夹板；216、上夹板；217、传力杆；218、滑块支撑座；219、滑块组件Ⅰ；220、连接套筒；221、丝杠；222、电机支撑座；223、减速器；301、高温连杆组件；302、静动态拉伸/压缩加载子模块；303、静动态弯曲加载子模块；30101、高温连杆Ⅰ；30102、连接件Ⅰ；30103、高温连接件Ⅰ；30104、高温连接件Ⅱ；30105、高温垫Ⅱ；30106、高温连杆Ⅱ；30107、连接件Ⅱ；30108、被测试样；30109、高温垫Ⅰ；30201、液压缸组件Ⅰ；30202、液压缸固定板；30203、拉杆；30204、胀紧套组件；30205、液压缸组件Ⅱ；3020101、蓄能器组件Ⅰ；3020102、阀板组件Ⅰ；3020103、活塞杆Ⅰ；3020104、螺母Ⅱ；3020105、螺母Ⅲ；3020106、拉压力传感器Ⅱ；3020107、螺母Ⅴ；3020108、液压强迫夹具；3020109、螺母Ⅵ；3020110、双头螺柱；3020111、螺母Ⅳ；3020112、中间连接杆Ⅰ；3020113、螺母Ⅰ；3020114、液压缸法兰Ⅰ；3020115、液压缸Ⅰ；30301、蓄能器组件Ⅱ；30302、液压缸法兰Ⅱ；30303、中间连接板；30304、中间连接杆Ⅱ；30305、拉压力传感器Ⅲ；30306、高温连杆Ⅲ；30307、弯曲压头；30308、螺母Ⅸ；30309、螺母Ⅷ；30310、螺母Ⅶ；30311、活塞杆Ⅱ；30312、阀板组件Ⅱ；30313、液压缸Ⅱ；401、高温加载子模块；402、低温加载子模块；403、旋转推车；40101、焊接波纹管Ⅰ；40102、真空压力表；40103、炉体支撑架；40104、加热炉；40105、“L”型导轨座；40106、滑块组件Ⅱ；40107、腔体支撑架Ⅰ；40108、焊接波纹管Ⅱ；40109、腔门锁紧器Ⅰ；40110、真空腔门Ⅰ；40111、铰链Ⅰ；40112、真空腔Ⅰ；40113、石英观测窗Ⅱ；40114、焊接波纹管Ⅲ；40115、焊接波纹管Ⅳ；40116、导轨组件Ⅱ；40117、腔门把手Ⅰ；40118、石英观测窗Ⅰ；40119、红外比色计Ⅰ；40120、红外比色计Ⅱ；40201、焊接波纹管Ⅴ；40202、腔门锁紧器Ⅱ；40203、真空腔门Ⅱ；40204、腔门把手Ⅱ；40205、铰链Ⅱ；40206、制冷腔支撑座；40207、制冷腔；40208、焊接波纹管Ⅵ；40209、滑块组件Ⅲ；40210、腔体支撑架Ⅱ；40211、石英观测窗Ⅲ；40212、真空腔Ⅱ；40213、气体弹簧组件；40214、真空波纹管组件；40301、导轨座Ⅱ；40302、滚轮；40303、调节螺钉；40304、支撑架；40305、导轨组件Ⅲ；501、三自由度运动平台；502、表面变形损伤测量组件；503、微观组织结构测量组件；504、内部损伤探测组件；505、三维应变测量组件。
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24所示，本发明的高温复杂机械载荷下材料力学性能原位测试仪器与方法，仪器由支撑框架、高频疲劳加载、静动态机械载荷加载、高/低温加载、原位监测等模块构成。其中：支撑框架模块用于实现对仪器各功能模块的稳定支撑与有效隔振；高频疲劳加载模块用于实现对被测试样的高频疲劳加载，根据实际测试需要还可施加静态弯曲预载荷；静动态机械载荷加载模块用于实现对被测试样的静动态拉伸/压缩/弯曲载荷的组合加载；高/低温加载模块用于实现对被测试样由低温到高温的变温环境加载；原位监测模块可根据实际测试需要集成表面变形损伤测量组件、三维应变测量组件、微观组织结构测量组件以及内部损伤探测组件，进而实现对被测试样微观力学行为、变形损伤模式与性能演化规律的并行精准原位测量。本发明面向国家重大需求，为复杂苛刻工况下材料力学性能测试分析提供了一种新技术新方法，具有载荷环境复杂、测试内容丰富、测量精度高等优点，为解决高温、复杂静动态机械载荷作用下材料力学性能测试分析提供一种革新性技术手段。
本发明的高温复杂机械载荷下材料力学性能原位测试仪器，包括支撑框架模块1、高频疲劳加载模块2、静动态机械载荷加载模块3、高/低温加载模块4、原位监测模块5，其中支撑框架模块1通过隔振弹簧10503隔绝振动，并通过地脚螺钉10504与地面固定，用于实现对其余各功能模块的牢固支撑，并为其提供良好的隔振处理和精确的安装定位。高频疲劳加载模块2通过电机支撑座222与支撑框架模块1中的支撑板102刚性连接，通过滑块组件Ⅰ219与支撑框架模块1的导轨组件Ⅰ104配合，通过连接法兰214与高温加载子模块401的焊接波纹管Ⅰ40101刚性连接，用于实现对被测试样30108的高频疲劳加载，根据实际测试需要还可或者施加静态弯曲预载荷；静动态机械载荷加载模块3分别通过液压缸固定板30202、中间连接板30303与支撑框架模块1的安装平台105刚性连接，并分别通过高温连杆Ⅰ、高温连杆Ⅱ、高温连杆Ⅲ的法兰与高温加载子模块401的焊接波纹管Ⅱ40108、焊接波纹管Ⅳ40115、焊接波纹管Ⅲ40114刚性连接，用于实现对被测试样30108的静动态拉伸/压缩/弯曲载荷的组合加载；高/低温加载模块4的高温加载子模块401通过“L”型导轨座40105与支撑框架模块1的安装平台105刚性连接，高/低温加载模块4的低温加载子模块402通过滑块组件Ⅲ40209与旋转推车403的导轨组件Ⅲ40305配合，高温加载子模块401和低温加载子模块402相互切换使用，用于实现对被测试样30108由低温到高温的变温环境加载；原位监测模块5设置在高温加载子模块401的前方及后方，并整体固定在支撑框架模块1的安装平台105上，用于实现对被测试样30108微观组织结构演变和疲劳失效模式的动态原位监测。
参见图2至图4所示，所述的支撑框架模块1整体采用四立柱式结构，用于实现对高频疲劳加载模块2、静动态机械载荷加载模块3、高低温加载模块4、原位监测模块5的牢固支撑，并为其提供良好的隔振处理和精确的安装定位；所述支撑框架模块1由吊环螺钉101、支撑板102、导轨座103、导轨组件Ⅰ104、安装平台105、固定套筒106、立柱107、安装架108、连接块109、锁紧螺母110、挡板10501、安装台面10502、隔振弹簧10503、地脚螺钉10504等组成，其中立柱107下端与固定套筒106过盈配合，固定套筒106通过螺钉与安装平台105刚性连接，立柱107上端通过锁紧螺母110与支撑板102刚性连接；连接块109固定在立柱107上，安装架108通过螺钉与连接块109刚性连接，导轨座103通过螺钉与安装架108刚性连接，导轨组件Ⅰ104通过螺钉与导轨座103刚性连接；吊环螺钉101固定在支撑板102上；安装平台105通过隔振弹簧10503隔绝振动，并通过地脚螺钉10504与地面固定，用于实现对其余各模块的牢固支撑，并为其提供良好的隔振处理和精确的安装定位。所述安装台面10502上表面加工有相互垂直的“T”型槽，能够满足其余各模块沿“T”型槽精密移动、定位，且便于后期拓展集成其余模块，契合装置整体的模块化设计思想；安装台面10502下表面加工有相互垂直的加强肋，以保证其具有较大的刚度；安装台面10502中间加工有凹槽，用于静动态弯曲加载子模块303的安装定位。挡板10501与安装台面10502固定连接。
参见图5所示，所述的高频疲劳加载模块2竖直布置于仪器的上方，由伺服电机201、联轴器202、丝杠支撑单元203、丝杠螺母204、连接板205、拉压力传感器Ⅰ206、安装板207、超声换能器208、螺栓209、超声连接器Ⅰ210、超声连接器Ⅱ211、超声弯曲压头212、超声探头213、连接法兰214、下夹板215、上夹板216、传力杆217、滑块支撑座218、滑块组件Ⅰ219、连接套筒220、丝杠221、电机支撑座222、减速器223等组成。其中伺服电机201通过螺钉与减速器223刚性连接，用于输出稳定的驱动扭矩；减速器223外壳通过螺钉与电机支撑座222刚性连接，减速器223的输出轴通过平键与联轴器202连接，用于实现减速增扭；丝杠221通过平键与联轴器202连接，并通过丝杠支撑单元203实现其端部的固定，丝杠221与丝杠螺母204组成丝杠螺母副，用于将伺服电机201输出的旋转运动转化为直线运动；连接套筒220两端通过螺钉分别与丝杠螺母204、连接板205刚性连接，拉压力传感器Ⅰ206两端通过螺钉分别与连接板205、安装板207刚性连接；滑块支撑座218通过螺钉分别与安装板207、滑块组件Ⅰ219刚性连接；传力杆217端部通过螺纹与安装板207刚性连接，另一端通过上夹板216、下夹板215、螺栓209与超声连接器Ⅰ210的轴肩刚性连接，上述零件用于实现对被测试样30108的静态弯曲预加载。超声连接器Ⅰ210两端通过双头螺柱分别与超声换能器208、超声连接器Ⅱ211刚性连接，连接法兰214通过螺钉与超声连接器Ⅱ211刚性连接，超声探头213两端通过双头螺柱分别与超声连接器Ⅱ211、超声弯曲压头212刚性连接，上述零件用于实现对被测试样30108的高频疲劳加载。
通过电机支撑座222与支撑框架模块1的支撑板102刚性连接，实现高频疲劳加载模块2的安装定位；通过滑块组件Ⅰ219与支撑框架模块1的导轨组件Ⅰ104配合，用于实现高频疲劳加载模块2加载方向上的精密导向并消除试验过程中产生的侧向力影响；通过连接法兰214与高温加载子模块401的焊接波纹管Ⅰ40101刚性连接，实现与高温加载子模块401的密封；高频加载模块2由伺服电机201驱动，通过减速器223、联轴器202、丝杠221等零件的传递，最终将动力传递至超声弯曲压头212，实现对被测试样30108的静态弯曲预加载；高频疲劳加载模块2由超声换能器208驱动，振幅经超声连接器Ⅰ210、超声连接器Ⅱ211、超声探头213的逐级放大，最终传递至超声弯曲压头212，实现对被测试样30108的高频疲劳加载。
参见图6所示，本发明所述的静动态机械载荷加载模块3设置在安装平台105上，包括高温连杆组件301、静动态拉伸/压缩加载子模块302、静动态弯曲加载子模块303，其中高温连杆组件301用于保证静动态机械载荷加载模块3能在高温环境下正常使用；静动态拉伸/压缩加载子模块302水平布置，通过液压缸固定板30202与安装平台105上表面刚性连接，用于实现对被测试样30108的静动态拉伸/压缩载荷加载；静动态弯曲加载子模块303竖直布置，通过中间连接板30303与安装平台105下表面刚性连接，用于实现对被测试样30108的静动态弯曲载荷加载；高温连杆组件301通过其高温连杆Ⅰ30101、高温连杆Ⅱ30106的端部整体牢固夹持与静动态拉伸/压缩加载子模块302的液压强迫夹具3020108上，用于保证静动态机械载荷加载模块3能在高温环境下正常使用。
液压缸组件Ⅰ30201与液压缸组件Ⅱ30205结构完全相同，且相对于被测试样30108对称布置，试验时液压缸组件Ⅰ30201与液压缸组件Ⅱ30205可单独动作，对被测试样30108单端进行静动态拉伸/压缩载荷加载，也可同步动作，对被测试样30108双端同步进行静动态拉伸/压缩载荷加载，保证被测试样30108标距段中心在加载过程中不发生偏移；静动态弯曲加载子模块303竖直布置与仪器的下方，通过中间连接板30303与安装平台105下表面刚性连接，可单独动作，实现对被测试样30108的静动态弯曲载荷加载，也可与静动态拉伸/压缩加载子模块302的液压缸组件Ⅰ30201、液压缸组件Ⅱ30205协同动作，最多可实现对被测试样30108的双端同步静动态拉伸/压缩载荷—弯曲载荷复合加载，保证被测试样30108标距段中心在复合载荷加载过程中不发生偏移，便于进行原位监测。
参见图7所示，本发明的高温连杆组件301由高温连杆Ⅰ30101、连接件Ⅰ30102、高温连接件Ⅰ30103、高温连接件Ⅱ30104、高温垫Ⅱ30105、高温连杆Ⅱ30106、连接件Ⅱ30107、被测试样30108、高温垫Ⅰ30109等组成，其中高温垫Ⅰ30109、高温垫Ⅱ30105分别与高温连杆Ⅰ30101、高温连杆Ⅱ30106的安装孔间隙配合，连接件Ⅰ30102、连接件Ⅱ30107通过其内螺纹与被测试样30108端部的外螺纹配合，并分别与高温连杆Ⅰ30101、高温连杆Ⅱ30106的安装孔过盈配合，高温连接件Ⅰ30103、高温连接件Ⅱ30104分别通过其外螺纹与高温连杆Ⅰ30101、高温连杆Ⅱ30106端部的外螺纹紧固，实现低频疲劳加载过程中的防松。
参见图8、图9所示，本发明的静动态拉伸/压缩加载子模块302由液压缸组件Ⅰ30201、液压缸固定板30202、拉杆30203、胀紧套组件30204、液压缸组件Ⅱ30205等组成，液压缸组件Ⅰ30201、液压缸组件Ⅱ30205在水平方向对称布置，通过其液压缸法兰Ⅰ3020114与液压缸固定板30202刚性连接，液压缸固定板30202通过T型螺栓与安装平台105刚性连接，并通过胀紧套组件30204与四根拉杆30203刚性连接，形成加强式力闭环结构，大大增加了静动态拉伸/压缩加载子模块302的刚度；并且，液压缸组件Ⅰ30201、液压缸组件Ⅱ30205可以沿着拉杆30203相向移动，实现二者间相对位置的精确调整。
其中液压缸组件Ⅰ30201由蓄能器组件Ⅰ3020101、阀板组件Ⅰ3020102、活塞杆Ⅰ3020103、螺母Ⅱ3020104、螺母Ⅲ3020105、拉压力传感器Ⅱ3020106、螺母Ⅴ3020107、液压强迫夹具3020108、螺母Ⅵ3020109、双头螺柱3020110、螺母Ⅳ3020111、中间连接杆Ⅰ3020112、螺母Ⅰ3020113、液压缸法兰Ⅰ3020114、液压缸Ⅰ3020115等组成，蓄能器组件Ⅰ3020101安装在阀板组件Ⅰ3020102上，阀板组件Ⅰ3020102通过螺钉与液压缸Ⅰ3020115刚性连接；活塞杆Ⅰ3020103端部的外螺纹与中间连接杆Ⅰ3020112的一端的内螺纹配合，并通过螺母Ⅰ3020113、螺母Ⅱ3020104锁紧、防松；中间连接杆Ⅰ3020112另一端的外螺纹与拉压力传感器Ⅱ3020106一端的内螺纹配合，并通过螺母Ⅲ3020105、螺母Ⅳ3020111锁紧、防松；拉压力传感器Ⅱ3020106的另一端通过双头螺柱3020110与液压强迫夹具3020108刚性连接，并通过螺母Ⅴ3020107、螺母Ⅵ3020109锁紧、防松。
参见图10所示，本发明的静动态弯曲加载子模块303由蓄能器组件Ⅱ30301、液压缸法兰Ⅱ30302、中间连接板30303、中间连接杆Ⅱ30304、拉压力传感器Ⅲ30305、高温连杆Ⅲ30306、弯曲压头30307、螺母Ⅸ30308、螺母Ⅷ30309、螺母Ⅶ30310、活塞杆Ⅱ30311、阀板组件Ⅱ30312、液压缸Ⅱ30313等组成，其中蓄能器组件Ⅱ30301安装在阀板组件Ⅱ30312上，阀板组件Ⅱ30312通过螺钉与液压缸Ⅱ30313刚性连接；液压缸Ⅱ30313通过液压缸法兰Ⅱ30302与中间连接板30303刚性连接；活塞杆Ⅱ30311端部的外螺纹与中间连接杆Ⅱ30304的一端的内螺纹配合，并通过螺母Ⅶ30310锁紧、防松；中间连接杆Ⅱ30304另一端的外螺纹与拉压力传感器Ⅲ30305一端的内螺纹配合，并通过螺母Ⅷ30309锁紧、防松；拉压力传感器Ⅲ30305另一端的内螺纹与高温连杆Ⅲ30306一端的外螺纹配合，并通过螺母Ⅸ30308锁紧、防松；高温连杆Ⅲ30306的另一端通过双头螺柱与弯曲压头30307刚性连接。
参见图11所示，本发明的高/低温加载模块4用于构建真空或惰性气体氛围，实现对被测试样30108由低温到高温的变温环境加载，由高温加载子模块401、低温加载子模块402、旋转推车403等组成，其中高温加载子模块401用于实现在真空或惰性气体氛围下对被测试样30108室温～1200℃的高温环境加载；低温加载子模块402用于实现在真空或惰性气体氛围下对被测试样30108室温～-55℃的低温环境加载；旋转推车403用于支撑高温加载子模块401或低温加载子模块402，实现二者间的切换；高温加载子模块401通过“L”型导轨座与支撑框架模块1的安装平台105刚性连接，低温加载子模块402通过滑块组件Ⅲ40209与旋转推车403的导轨组件Ⅲ40305配合；旋转推车403可通过四个滚轮40302移动，并可通过四个调节螺钉40303调节导轨组件Ⅲ40305的高度与水平度；高温加载子模块401与低温加载子模块402可通过旋转推车403相互切换使用，实现在真空或惰性气体氛围下对被测试样30108-55℃～1200℃的高精度、大范围高/低温环境加载。
参见图12至图14及图18所示，本发明的高温加载子模块401由焊接波纹管Ⅰ40101、真空压力表40102、炉体支撑架40103、加热炉40104、“L”型导轨座40105、滑块组件Ⅱ40106、腔体支撑架Ⅰ40107、焊接波纹管Ⅱ40108、腔门锁紧器Ⅰ40109、真空腔门Ⅰ40110、铰链Ⅰ40111、真空腔Ⅰ40112、石英观测窗Ⅱ40113、焊接波纹管Ⅲ40114、焊接波纹管Ⅳ40115、导轨组件Ⅱ40116、腔门把手Ⅰ40117、石英观测窗Ⅰ40118、红外比色计Ⅰ40119、红外比色计Ⅱ40120等组成，其中腔体支撑架Ⅰ40107与真空腔Ⅰ40112焊接在一起，滑块组件Ⅱ40106通过螺钉与腔体支撑架Ⅰ40107刚性连接，并与导轨组件Ⅱ40116配合，导轨组件Ⅱ40116通过螺钉与“L”型导轨座40105刚性连接；焊接波纹管Ⅰ40101、焊接波纹管Ⅲ40114、焊接波纹管Ⅱ40108、焊接波纹管Ⅳ40115通过螺钉分别与真空腔Ⅰ40112上、下、左、右侧的法兰刚性连接；石英观测窗Ⅰ40118通过螺钉与真空腔门Ⅰ40110的法兰刚性连接，石英观测窗Ⅱ40113通过螺钉与真空腔Ⅰ40112后侧外壁的法兰刚性连接；腔门锁紧器Ⅰ40109通过螺钉与真空腔Ⅰ40112刚性连接，实现真空腔门Ⅰ40110的锁紧；腔门把手Ⅰ40117通过螺钉与真空腔门Ⅰ40110刚性连接，铰链Ⅰ40111通过螺钉与真空腔门Ⅰ40110、真空腔Ⅰ40112刚性连接，实现真空腔门Ⅰ40110的开合；真空压力表40102安装在真空腔门Ⅰ40110上，用于实时监测真空腔Ⅰ40112内的气压；炉体支撑架40103通过螺钉分别与真空腔门Ⅰ40110、真空腔Ⅰ40112内壁刚性连接，加热炉40104与炉体支撑架40103焊接在一起；试验时，温度控制器向加热炉40104内的三段电阻丝通入大小不同的电压使其发热，通过热辐射的方式实现被测试样30108不同温度的高温环境加载；红外比色计Ⅰ40119、红外比色计Ⅱ40120呈一定角度设置在真空腔Ⅰ40112前方，透过石英观测窗Ⅰ40118实时监测被测试样30108标距段的温度，取平均值后反馈至温度控制器，形成闭环控制。
参见图15、图19所示，本发明的低温加载子模块402由焊接波纹管Ⅴ40201、腔门锁紧器Ⅱ40202、真空腔门Ⅱ40203、腔门把手Ⅱ40204、铰链Ⅱ40205、制冷腔支撑座40206、制冷腔40207、焊接波纹管Ⅵ40208、滑块组件Ⅲ40209、腔体支撑架Ⅱ40210、石英观测窗Ⅲ40211、真空腔Ⅱ40212、气体弹簧组件40213、真空波纹管组件40214等组成，其中腔体支撑架Ⅱ40210与真空腔Ⅱ40212焊接在一起，滑块组件Ⅲ40209通过螺钉与腔体支撑架Ⅱ40210刚性连接；腔门锁紧器Ⅱ40202通过螺钉与真空腔Ⅱ40212刚性连接，用于实现真空腔门Ⅱ40203的锁紧；腔门把手Ⅱ40204通过螺钉与真空腔门Ⅱ40203刚性连接，铰链Ⅱ40205通过螺钉分别与真空腔门Ⅱ40203、真空腔Ⅱ40212刚性连接，用于实现真空腔门Ⅱ40203的开合；焊接波纹管Ⅴ40201、焊接波纹管Ⅵ40208、真空波纹管组件40214分别通过螺钉与真空腔Ⅱ40212刚性连接，气体弹簧组件40213通过螺钉分别与焊接波纹管Ⅵ40208、真空腔Ⅱ40212刚性连接；石英观测窗Ⅲ40211通过螺钉与真空腔Ⅱ40212刚性连接；制冷腔支撑座40206通过螺钉与真空腔Ⅱ40212内壁刚性连接，制冷腔40207通过螺钉与制冷腔支撑座40206刚性连接。试验时，通过双级压缩机向制冷腔40207中循环通入冷却液，通过非接触方式实现被测试样30108的低温环境加载，最低温度可达-55℃。
参见图16所示，本发明的旋转推车403由导轨座40301、滚轮40302、调节螺钉40303、支撑架40304、导轨组件Ⅲ40305等组成，其中导轨座40301通过螺钉与支撑架40304上端刚性连接，导轨组件Ⅲ40305通过螺钉与导轨座40301刚性连接；滚轮40302通过螺钉与支撑架40304下端刚性连接，用于实现旋转推车403的移动及旋转运动；调节螺钉40303固定在支撑架40304下端，通过调节调节螺钉40303可以实现导轨组件Ⅲ40305高度及水平度的调整，便于进行高温加载子模块401与低温加载子模块402的切换。
参见图17、图22所示，本发明所述的原位监测模块5包括三自由度运动平台501、表面变形损伤测量组件502、微观组织结构测量组件503、内部损伤探测组件504、三维应变测量组件505，其中内部损伤探测组件504、三维应变测量组件505设置在高温加载子模块401的前方，分别用于实现对被测试样30108标距段全局的温度信息、内部损伤信息、三维应变信息的动态监测；表面变形损伤测量组件502、微观组织结构测量组件503设置在高温加载子模块401后方的三自由度运动平台501上，三自由度运动平台501通过螺钉与安装平台105刚性连接，可通过三自由度运动平台501实现表面变形损伤测量组件502、微观组织结构测量组件503的切换使用以及二者沿被测试样30108轴向、径向相对位置的精密调整，分别实现对被测试样30108标距段全局表面变形损伤信息实时监测、标距段微区形貌随动监测；由表面变形损伤测量组件502、微观组织结构测量组件503、内部损伤探测组件504、三维应变测量组件505构成的四种原位监测手段可单独使用、两两组合使用、最多可三种同时使用，用于实现对被测试样30108微观组织结构演变和疲劳失效模式进行动态原位监测。
参见图20、图21所示，图中F1为静态拉伸载荷，F2为静态压缩载荷，F3为低频拉伸/压缩载荷，F4、F5、F7、F8为静态弯曲载荷，F6为超声疲劳载荷，F9为低频弯曲载荷。
参见图1至图24所示，本发明的高温复杂机械载荷下材料力学性能原位测试方法，其特征在于：当进行高温高频材料力学性能原位测试试验时，具体步骤如下：
步骤一、被测试样30108的安装：将被测试样30108夹持端的螺纹与连接件Ⅰ30102、连接件Ⅱ30107的内螺纹配合，将连接件Ⅰ30102、连接件Ⅱ30107分别安装在高温连杆Ⅰ30101、高温连杆Ⅱ30106端部的安装孔内，拧紧高温连接件Ⅰ30103、高温连接件Ⅱ30104，完成被测试样30108的安装；
步骤二、被测试样30108高温环境的加载：被测试样30108高温环境的加载由高温加载子模块401来实现，利用机械泵(外部装置)对真空腔Ⅰ40112抽真空或向真空腔Ⅰ40112内持续通入惰性气体排除真空腔Ⅰ40112内空气(氧气)以构建惰性气体氛围；温度控制器向加热炉40104内的三段电阻丝通入大小不同的电压使其发热，通过热辐射的方式实现被测试样30108不同温度的高温环境加载；红外比色计Ⅰ40119、红外比色计Ⅱ40120实时监测被测试样30108标距段的温度，取平均值后反馈至温度控制器，形成闭环控制；
步骤三、被测试样30108静态拉伸/压缩载荷的双端同步加载：被测试样30108静态拉伸/压缩载荷的双端同步加载由静动态拉伸/压缩加载子模块302来实现，运动控制器(外部设备)控制高压液压油驱动液压缸组件Ⅰ30201、液压缸组件Ⅱ30205的活塞杆Ⅰ3020103同步相向运动，经中间连接组件的传递，带动液压强迫夹具3020108同步相向运动，最终带动温连杆组件301两端同步相向运动，实现被测试样30108静态拉伸/压缩载荷的双端同步加载；
步骤四、被测试样30108静态弯曲载荷的加载：被测试样30108静态弯曲载荷的加载由高频疲劳加载模块2来实现，伺服电机201输出的动力，通过减速器223的多级减速和丝杠221、丝杠螺母204的转化以及连接套筒220、连接板205、拉压力传感器Ⅰ206、安装板207、传力杆217、上夹板216、下夹板215、超声连接器Ⅰ210、超声连接器Ⅱ211、超声探头213的传递，最终将动力传递至超声弯曲压头212，实现被测试样30108的静态弯曲预加载；
步骤五、被测试样30108超声疲劳载荷的加载：被测试样30108超声疲劳载荷的加载由高频疲劳加载模块2来实现，超声换能器208输出的微弱振幅经超声连接器Ⅰ210、超声连接器Ⅱ211、超声探头213的逐级放大，最终传递至超声弯曲压头212，实现对被测试样30108的高频疲劳加载；
步骤六、被测试样30108的动态原位监测：被测试样30108的动态原位监测由原位监测模块5来实现，内部损伤探测组件504、三维应变测量组件505用于实现对被测试样30108标距段全局的温度信息、内部损伤信息、三维应变信息的动态监测；通过三自由度运动平台501实现表面变形损伤测量组件502、微观组织结构测量组件503的切换使用以及二者沿被测试样30108轴向、径向相对位置的精密调整，分别实现对被测试样30108标距段全局表面变形损伤信息实时监测、标距段微区形貌随动监测；由表面变形损伤测量组件502、微观组织结构测量组件503、内部损伤探测组件504、三维应变测量组件505构成的四种原位监测手段单独使用、两两组合使用、最多可三种同时使用，用于实现对被测试样30108微观组织结构演变和疲劳失效模式进行动态原位监测。
本发明的高温复杂机械载荷下材料力学性能原位测试仪器，可以在进行拉伸—压缩预加载的基础上，复合加载其他形式的静动态机械载荷，同时可构建真空密闭环境和惰性气体氛围，实现由低温到高温的变温环境加载。本装置最多可实现“高温(低温)—拉伸(压缩)—拉伸(压缩)—弯曲—低频疲劳”或“高温(低温)—拉伸(压缩)—拉伸(压缩)—弯曲—高频疲劳”的高/低温复杂载荷加载试验，构建丰富的试验条件，获取被测材料丰富的力学性能参数，也可根据不同领域的材料测试需求，模拟其实际服役工况。
参见图18所示，本发明的机械载荷加载相关公式如下：
1、拉伸条件下
应力σ计算公式：
式中，F1为拉伸力，A为被测试样的横截面积，
应变ε计算公式：
式中，Δl为被测试样伸长量，l为被测试样原长。
2、压缩条件下
应力σ计算公式：
式中，F2为压缩力，A为试件的横截面积，
应变ε计算公式：
式中，Δl为被测试样伸长量，l为被测试样原长。
3、弯曲条件下
在弹性弯曲范围内，被测试样受拉侧表面的最大弯曲应力计算公式为：
M为被测试样的进行三点弯曲加载时的最大弯矩：
式中，F7为弯曲力，L为被测试样的跨距；
W为被测试样的抗弯截面系数，其中：
对于圆柱形被测试样：
对于板状被测试样：
4、拉伸/压缩—弯曲复合载荷条件下
被测试样的标距段中间界面受拉侧为危险点，根据第三强度理论，危险点的相当应力σr3的计算公式为：
式中，M2为弯矩，W为抗弯截面系数，F1为轴向拉伸力，A为被测试样标距段横截面积，M为扭矩，WP为抗扭截面系数；
5、低周疲劳条件下
低周疲劳条件下材料的寿命估算公式：
式中，Δε是总应变，Δεe是弹性应变，Δεp是塑性应变，σ′f为疲劳强度系数，b为疲劳强度指数，ε′f为疲劳塑性系数，c疲劳塑性指数，E为被测材料试样的弹性模量；
6、超声疲劳条件下
被测试样的疲劳寿命公式：
σa＝σ′f(2Nf)b (11)
式中，σa为应力幅，σ′f为疲劳强度系数，b为疲劳强度指数。
7、沙漏型超声试样设计公式
(1)被测试样圆弧过渡段的长度为
式中，R0为被测试样过渡段圆弧半径，R1为被测试样标距段中心半径，R2为被测试样特征尺寸段半径；
(2)试样的共振长度为
α＝[arch(R2/R1)]/L1 (15)
β＝(α2-k2)1/2 (16)
式中，Ed为被测试样的动态弹性模量，ρ为被测试样的密度；
(3)试样的应力位移系数为
式中，Cs的单位是(MPa/μm)，超声疲劳试验通过控制试样端部位移A0来控制被测试样中的应力。
8、超声弯曲试样设计公式
超声弯曲试样设计公式：
超声弯曲试样的谐振长度L
超声弯曲试样的谐振长度L0
超声弯曲试样的应力位移系数(单位：MPa/μm)：
式中，h为被测材料试样的厚度，E、ρ分别为被测材料试样的弹性模量和密度，f为谐振频率(20kHz)。
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 (10)

1.一种高温复杂机械载荷下材料力学性能原位测试仪器，其特征在于：包括支撑框架模块（1）、高频疲劳加载模块（2）、静动态机械载荷加载模块（3）、高/低温加载模块（4）、原位监测模块（5），其中支撑框架模块（1）通过隔振弹簧（10503）隔绝振动，并通过地脚螺钉（10504）与地面固定，高频疲劳加载模块（2）通过电机支撑座（222）与支撑框架模块（1）中的支撑板（102）刚性连接，通过滑块组件Ⅰ（219）与支撑框架模块（1）的导轨组件Ⅰ（104）配合，通过连接法兰（214）与高温加载子模块（401）的焊接波纹管Ⅰ（40101）刚性连接，实现对被测试样（30108）的高频疲劳加载，或者施加静态弯曲预载荷；静动态机械载荷加载模块（3）分别通过液压缸固定板（30202）、中间连接板（30303）与支撑框架模块（1）的安装平台（105）刚性连接，并分别通过高温连杆Ⅰ、高温连杆Ⅱ、高温连杆Ⅲ的法兰与高温加载子模块（401）的焊接波纹管Ⅱ（40108）、焊接波纹管Ⅳ（40115）、焊接波纹管Ⅲ（40114）刚性连接，实现对被测试样（30108）的静动态拉伸/压缩/弯曲载荷的组合加载；高/低温加载模块（4）的高温加载子模块（401）通过“L”型导轨座（40105）与安装平台（105）刚性连接，高/低温加载模块（4）的低温加载子模块（402）通过滑块组件Ⅲ（40209）与旋转推车（403）的导轨组件Ⅲ（40305）配合，高温加载子模块（401）和低温加载子模块（402）相互切换使用，用于实现对被测试样（30108）由低温到高温的变温环境加载；原位监测模块（5）设置在高温加载子模块（401）的前方及后方，并整体固定在安装平台（105）上，实现对被测试样（30108）微观组织结构演变和疲劳失效模式的动态原位监测。
2.根据权利要求1所述的高温复杂机械载荷下材料力学性能原位测试仪器，其特征在于：所述的支撑框架模块（1）整体采用四立柱式结构，实现对高频疲劳加载模块（2）、静动态机械载荷加载模块（3）、高低温加载模块（4）、原位监测模块（5）的牢固支撑；所述支撑框架模块（1）的具体结构是：安装台面（10502）上表面加工有相互垂直的“T”型槽，安装台面（10502）下表面加工有相互垂直的加强肋，安装台面（10502）中间加工有凹槽，用于静动态弯曲加载子模块（303）的安装定位。
3.根据权利要求1所述的高温复杂机械载荷下材料力学性能原位测试仪器，其特征在于：所述的高频疲劳加载模块（2）竖直布置于仪器的上方，通过电机支撑座（222）与支撑框架模块（1）的支撑板（102）刚性连接，实现高频疲劳加载模块（2）的安装定位；通过滑块组件Ⅰ（219）与支撑框架模块（1）的导轨组件Ⅰ（104）配合，实现高频疲劳加载模块（2）加载方向上的精密导向并消除试验过程中产生的侧向力影响；通过连接法兰（214）与高温加载子模块（401）的焊接波纹管Ⅰ（40101）刚性连接，实现与高温加载子模块（401）的密封；高频加载模块（2）由伺服电机（201）驱动，通过减速器（223）、联轴器（202）、丝杠（221）的传递，最终将动力传递至超声弯曲压头（212），实现对被测试样（30108）的静态弯曲预加载；高频疲劳加载模块（2）由超声换能器（208）驱动，振幅经超声连接器Ⅰ（210）、超声连接器Ⅱ（211）、超声探头（213）的逐级放大，最终传递至超声弯曲压头（212），实现对被测试样（30108）的高频疲劳加载。
4.根据权利要求1所述的高温复杂机械载荷下材料力学性能原位测试仪器，其特征在于：所述的静动态机械载荷加载模块（3）设置在安装平台（105）上，包括高温连杆组件（301）、静动态拉伸/压缩加载子模块（302）、静动态弯曲加载子模块（303），其中高温连杆组件（301）保证静动态机械载荷加载模块（3）能在高温环境下正常使用；静动态拉伸/压缩加载子模块（302）水平布置，液压缸组件Ⅰ（30201）与液压缸组件Ⅱ（30205）结构完全相同，且相对于被测试样（30108）对称布置，试验时液压缸组件Ⅰ（30201）与液压缸组件Ⅱ（30205）可单独动作，对被测试样（30108）单端进行静动态拉伸/压缩载荷加载，也可同步动作，对被测试样（30108）双端同步进行静动态拉伸/压缩载荷加载，保证被测试样（30108）标距段中心在加载过程中不发生偏移；静动态弯曲加载子模块（303）竖直布置与仪器的下方，通过中间连接板（30303）与安装平台（105）下表面刚性连接，可单独动作，实现对被测试样（30108）的静动态弯曲载荷加载，也可与静动态拉伸/压缩加载子模块（302）的液压缸组件Ⅰ（30201）、液压缸组件Ⅱ（30205）协同动作，实现对被测试样（30108）的双端同步静动态拉伸/压缩载荷—弯曲载荷复合加载，保证被测试样（30108）标距段中心在复合载荷加载过程中不发生偏移。
5.根据权利要求1所述的高温复杂机械载荷下材料力学性能原位测试仪器，其特征在于：所述的高/低温加载模块（4）包括高温加载子模块（401）、低温加载子模块（402）、旋转推车（403），高温加载子模块（401）通过“L”型导轨座（40105）与支撑框架模块（1）的安装平台（105）刚性连接，低温加载子模块（402）通过滑块组件Ⅲ（40209）与旋转推车（403）的导轨组件Ⅲ（40305）配合；旋转推车（403）通过四个滚轮（40302）移动，通过四个调节螺钉（40303）调节导轨组件Ⅲ（40305）的高度与水平度；高温加载子模块（401）与低温加载子模块（402）通过旋转推车（403）相互切换使用。
6.根据权利要求1所述的高温复杂机械载荷下材料力学性能原位测试仪器，其特征在于：所述的原位监测模块（5）包括三自由度运动平台（501）、表面变形损伤测量组件（502）、微观组织结构测量组件（503）、内部损伤探测组件（504）、三维应变测量组件（505），其中内部损伤探测组件（504）、三维应变测量组件（505）设置在高温加载子模块（401）的前方，分别实现对被测试样（30108）标距段全局的温度信息、内部损伤信息、三维应变信息的动态监测；表面变形损伤测量组件（502）、微观组织结构测量组件（503）设置在高温加载子模块（401）后方的三自由度运动平台（501）上，三自由度运动平台（501）通过螺钉与安装平台（105）刚性连接，通过三自由度运动平台（501）实现表面变形损伤测量组件（502）、微观组织结构测量组件（503）的切换使用以及二者沿被测试样（30108）轴向、径向相对位置的精密调整，分别实现对被测试样（30108）标距段全局表面变形损伤信息实时监测、标距段微区形貌随动监测；由表面变形损伤测量组件（502）、微观组织结构测量组件（503）、内部损伤探测组件（504）、三维应变测量组件（505）构成的四种原位监测手段可单独使用、两两组合使用、最多可三种同时使用，实现对被测试样（30108）微观组织结构演变和疲劳失效模式进行动态原位监测。
7.根据权利要求1所述的高温复杂机械载荷下材料力学性能原位测试仪器，其特征在于：所述的高频加载模块（2）竖直布置，静动态拉伸/压缩加载子模块（302）水平布置，二者在空间上相互垂直；在试验时，高频加载模块（2）单独动作，实现对被测试样（30108）的静态弯曲预加载及高频疲劳加载；高频加载模块（2）与静动态拉伸/压缩加载子模块（302）协同动作，实现对被测试样（30108）的静态拉伸—弯曲复合加载下的高频疲劳加载。
8.根据权利要求1所述的高温复杂机械载荷下材料力学性能原位测试仪器，其特征在于：所述的液压缸固定板（30202）通过T型螺栓与安装平台（105）刚性连接，并通过胀紧套组件（30204）与四根拉杆（30203）刚性连接，形成加强式力闭环结构，大大增加了静动态拉伸/压缩加载子模块（302）的刚度；并且，液压缸组件Ⅰ（30201）、液压缸组件Ⅱ（30205）沿着拉杆（30203）相向移动，实现二者间相对位置的精确调整。
9.根据权利要求1所述的高温复杂机械载荷下材料力学性能原位测试仪器，其特征在于：所述的高温加载子模块（401）的真空腔Ⅰ（40112）腔体的上、下、左、右侧分别安装有焊接波纹管Ⅰ（40101）、焊接波纹管Ⅲ（40114）、焊接波纹管Ⅱ（40108）、焊接波纹管Ⅳ（40115），并且分别与连接法兰（214）、高温连杆Ⅰ（30101）、高温连杆Ⅱ（30106）、高温连杆Ⅲ（30306）上的法兰刚性连接，实现试验过程中的运动密封；真空腔Ⅰ（40112）腔体的前、后侧分别设置有石英观测窗Ⅰ（40118）、石英观测窗Ⅱ（40113），用于保证原位监测模块（5）对被测试样（30108）顺利进行动态原位监测。
10.一种高温复杂机械载荷下材料力学性能原位测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、被测试样（30108）的安装：将被测试样（30108）夹持端的螺纹与连接件Ⅰ（30102）、连接件Ⅱ（30107）的内螺纹配合，将连接件Ⅰ（30102）、连接件Ⅱ（30107）分别安装在高温连杆Ⅰ（30101）、高温连杆Ⅱ（30106）端部的安装孔内，拧紧高温连接件Ⅰ（30103）、高温连接件Ⅱ（30104），完成被测试样（30108）的安装；
步骤二、被测试样（30108）高温环境的加载：被测试样（30108）高温环境的加载由高温加载子模块（401）来实现，利用机械泵对真空腔Ⅰ（40112）抽真空或向真空腔Ⅰ（40112）内持续通入惰性气体构建惰性气体氛围；温度控制器向加热炉（40104）内的三段电阻丝通入大小不同的电压使其发热，通过热辐射的方式实现被测试样（30108）不同温度的高温环境加载；红外比色计Ⅰ（40119）、红外比色计Ⅱ（40120）实时监测被测试样（30108）标距段的温度，取平均值后反馈至温度控制器，形成闭环控制；
步骤三、被测试样（30108）静态拉伸/压缩载荷的双端同步加载：被测试样（30108）静态拉伸/压缩载荷的双端同步加载由静动态拉伸/压缩加载子模块（302）来实现，运动控制器控制高压液压油驱动液压缸组件Ⅰ（30201）、液压缸组件Ⅱ（30205）的活塞杆Ⅰ（3020103）同步相向运动，经中间连接组件的传递，带动液压强迫夹具（3020108）同步相向运动，最终带动温连杆组件（301）两端同步相向运动，实现被测试样（30108）静态拉伸/压缩载荷的双端同步加载；
步骤四、被测试样（30108）静态弯曲载荷的加载：被测试样（30108）静态弯曲载荷的加载由高频疲劳加载模块（2）来实现，伺服电机（201）输出的动力，通过减速器（223）的多级减速和丝杠（221）、丝杠螺母（204）的转化以及连接套筒（220）、连接板（205）、拉压力传感器Ⅰ（206）、安装板（207）、传力杆（217）、上夹板（216）、下夹板（215）、超声连接器Ⅰ（210）、超声连接器Ⅱ（211）、超声探头（213）的传递，最终将动力传递至超声弯曲压头（212），实现被测试样（30108）的静态弯曲预加载；
步骤五、被测试样（30108）超声疲劳载荷的加载：被测试样（30108）超声疲劳载荷的加载由高频疲劳加载模块（2）来实现，超声换能器（208）输出的微弱振幅经超声连接器Ⅰ（210）、超声连接器Ⅱ（211）、超声探头（213）的逐级放大，最终传递至超声弯曲压头（212），实现对被测试样（30108）的高频疲劳加载；
步骤六、被测试样（30108）的动态原位监测：被测试样（30108）的动态原位监测由原位监测模块（5）来实现，内部损伤探测组件（504）、三维应变测量组件（505）实现对被测试样（30108）标距段全局的温度信息、内部损伤信息、三维应变信息的动态监测；通过三自由度运动平台（501）实现表面变形损伤测量组件（502）、微观组织结构测量组件（503）的切换使用以及二者沿被测试样（30108）轴向、径向相对位置的精密调整，分别实现对被测试样（30108）标距段全局表面变形损伤信息实时监测、标距段微区形貌随动监测；由表面变形损伤测量组件（502）、微观组织结构测量组件（503）、内部损伤探测组件（504）、三维应变测量组件（505）构成的四种原位监测手段单独使用、两两组合使用、最多可三种同时使用，实现对被测试样（30108）微观组织结构演变和疲劳失效模式进行动态原位监测。
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