CN117420036A - 一种高通量小微样品疲劳测试平台及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料疲劳性能测试技术领域，特别涉及一种高通量小微样品疲劳测试平台及测试方法。该测试平台包括试样夹持系统、驱动及限位系统及计算系统，试样夹持系统用于夹持高通量试样组，并带动高通量试样组移动；驱动及限位系统用于对试样夹持系统夹持的高通量试样组进行疲劳加载；测量观察与运动反馈系统用于对高通量试样组周围温度场及表面形貌进行实时检测，及疲劳加载位移量的检测且输出检测信息；计算系统用于接收测量观察与运动反馈系统的检测信息，控制疲劳加载频率，从而获得高通量试样在疲劳断裂过程中的材料性能表征参数。本发明能同时给多个小微样品施加相同条件的疲劳载荷，能够快速、精准地对特殊结构件用材料进行疲劳性能评价。
Description
技术领域
本发明属于材料疲劳性能测试技术领域，特别涉及一种高通量小微样品疲劳测试平台及测试方法。
背景技术
近年来，小微试样的疲劳性能测试与评价在各个领域中得到广泛应用。在核电方面，核电技术的快速发展而催生出的辐射环境下服役一定时间后的材料服役寿命预测问题成为业界普遍关注的焦点。为了尽可能降低取样对正在服役部件完整性的破坏，现场往往取小尺寸的小微试样进行测试与分析；另一方面，距离辐射源距离的差异会导致同一构件上的材料遭受辐照的参数呈梯度变化，因此，单一部位取样不符合统计规律，多部位的取样分析更科学、精准；在增材制造方面，对于具有复杂几何结构的增材制造零部件，因其各部位的几何尺寸差异较大，在激光熔覆过程中的热输入差异往往引起构件局部组织结构有很大的差异性，使得其疲劳性能与构件的几何部位密切相关，特别是薄壁件，无法采用传统铸锻件的标准样品对其疲劳性能进行正确评价；在微电子领域，一些超薄箔材、薄膜材料等也需要采用小微试样进行快速的疲劳性能评价和测试表征。
由于高周次疲劳测试周期较长，测定金属材料应力幅-疲劳寿命关系曲线相当耗时；同时，在现有常规商业设备上的力学测试装置的工位十分有限，无法进行不同载荷下的常规试样的高通量实验，这也延长了疲劳性能的测试周期。在现有商业设备上，目前尚无能够一次同时对大量小微样品施加不同应力幅的高通量测试系统和测试方法。研制开发高通量小微样品疲劳性能测试系统及测试方法，不仅可以减少多批次疲劳实验需要消耗的测试时间，还可以消除不用批次实验加载条件带来的误差，为业界提供高效精准的特殊结构件用材料的疲劳性能评价体系。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种高通量小微样品疲劳测试平台及测试方法，利用该平台能够同时给多个小微样品施加相同条件的疲劳载荷，能够快速、精准地对特殊结构件用材料进行疲劳性能评价。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明一方面提供一种高通量小微样品疲劳测试平台，包括：
试样夹持系统，用于夹持高通量试样组，并能够带动高通量试样组移动；
驱动及限位系统，设置于试样夹持系统的下方，用于对
试样夹持系统所夹持的高通量试样组进行疲劳加载；
测量观察与运动反馈系统，用于对高通量试样组周围温度场及表面形貌进行实时检测，同时对驱动及限位系统的疲劳加载位移量进行检测，且输出检测信息；
计算系统，用于接收测量观察与运动反馈系统的检测信息，且根据接收的检测信息控制驱动及限位系统的疲劳加载频率，从而获得高通量试样在整个疲劳断裂过程中的材料性能表征参数。
所述试样夹持系统包括高通量夹持装置和三自由度运动机构，其中高通量夹持装置设置于三自由度运动机构上，三自由度运动机构用于驱动高通量夹持装置沿x、y、z方向平移，高通量夹持装置用于固定所述高通量试样组。
所述高通量夹持装置包括夹持主体和盖板，其中夹持主体设置于所述三自由度运动机构上，盖板上设有多个凹槽，所述高通量试样组的一端插设于盖板的凹槽内，盖板与夹持主体固定连接。
所述驱动及限位系统包括直线进给机构、横梁及限位机构，其中横梁设置于直线进给机构上，限位机构设置于横梁上，限位机构用于与所述高通量试样组接触，直线进给机构用于驱动横梁沿竖直方向移动，从而通过限位机构对所述高通量试样组往复加载压力。
所述限位机构包括限位体，限位体的顶部设有等深凹槽结构，通过等高凹槽结构中相同深度的各凹槽分别对所述高通量试样组中的各试样加载相同的压力；或者，
限位体的顶部设有阶梯凹槽结构，通过阶梯凹槽结构中的不同深度的凹槽对所述高通量试样组中的各试样加载不同的压力。
所述驱动及限位系统还包括与所述直线驱动机构依次连接的功率放大器和函数发生器，将函数发生器所产生的周期交流信号经过功率放大器放大后通入所述直线驱动机构，所述直线驱动机构带动与之相连的横梁做沿垂直方向的往复运动。
所述测量观察与运动反馈系统包括激光位移传感器和高分辨率高速摄像机与红外成像仪模组，其中高分辨率高速摄像机与红外成像仪模组中的高分辨率高速摄像机用于采集所述高通量试样组的图像信息且输出，高分辨率高速摄像机与红外成像仪模组中的红外成像仪对样品实验过程中裂纹扩展对样品周围温度场的变化进行记录；
激光位移传感器用于检测所述驱动及限位系统对所述高通量试样组进行疲劳加载的位移量且输出。
本发明另一方面提供一种利用如上所述的高通量小微样品疲劳测试平台的测试方法，包括以下步骤：
步骤S1：制备一组高通量悬臂梁测试样品；
步骤S2：经过表面处理后将一组高通量悬臂梁测试样品依次夹持于高通量夹持装置中；
步骤S3：调节三自由度运动机构，使高通量悬臂梁测试样品的自由端卡入限位机构的凹槽内，并调节最短悬臂梁测试样品的梁长为预设长度；
步骤S4:利用接受交流电信号的直线进给机构的驱动电机带动横梁及限位机构做往复直线运动，从而测试一组高通量悬臂梁测试样品的疲劳性能；
步骤S5:在测试过程中，通过测量观察与运动反馈系统对被测试样周围温度场及表面形貌进行实时监测；
步骤S6:计算系统对悬臂测试梁样品变形过程进行仿真，以确定每个样品的应力幅，并绘制应力幅-疲劳寿命曲线。
所述高通量悬臂梁测试样品通过薄箔制成，长度为10-15mm，宽度为2-3mm，厚度0.1-0.2mm。
在步骤S5中:利用激光位移传感器对试验过程中限位机构的位移进行实时反馈，利用高分辨率高速摄像机对高通量悬臂梁测试样品的表面形貌、断裂时间进行实时观察，利用红外成像仪对样品实验过程中裂纹扩展对样品周围温度场的变化进行记录，并将监测结果发送至计算系统进行记录及对限位机构的位移进行实时监控及闭环控制。
本发明的优点及有益效果：
1.本发明所设计的高通量小微样品疲劳测试平台可以对各种具有一维(厚度)方向上尺寸小的薄膜、箔材及薄板状材料进行高通量的弯曲疲劳性能测试，可以对受材料几何尺度限制无法进行标准疲劳测试的材料进行疲劳性能评价，高通量测试显著减少了实验的工作量和时间，大大增加了实验精度，并提高了对材料的疲劳性能的快速检测能力。本测试平台适用于小微试样几何形状可以为矩形梁或梯形型梁。
2.本发明测试平台通过计算系统可以对限位机构的位移进行实时监控及精确控制。
3.本发明所搭建的高通量小微样品疲劳测试平台在测试过程中可以对被测试样周围温度场及表面形貌进行实时监测。从而获得高通量试样在整个疲劳断裂过程中，裂纹的萌生、扩展、温度演化等一系列材料性能表征参数。
附图说明
图1为本发明一种高通量小微样品疲劳测试平台的结构示意图。
图中：1-高通量试样组；2-高通量夹持装置；3-三自由度运动机构；4-驱动电机；5-横梁；6-限位机构；7-功率放大器；8-函数发生器；9-计算机；10-高分辨率高速摄像机与红外成像仪模组；11-激光位移传感器；100-试样夹持系统；200-驱动及限位系统；300-测量观察与运动反馈系统；400-计算系统。
图2为利用该高通量小微样品悬臂梁弯曲疲劳性能测试平台，并利用该测试方法获得的F316棒材经350℃老化处理200h后的小微样件的应力幅-疲劳寿命曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明一实施例提供一种高通量小微样品疲劳测试平台，包括试样夹持系统100、驱动及限位系统200和测量观察与运动反馈系统300，其中试样夹持系统100用于夹持高通量试样组1，并能够带动高通量试样组1移动；驱动及限位系统200设置于试样夹持系统100的下方，用于对试样夹持系统100所夹持的高通量试样组1进行疲劳加载；测量观察与运动反馈系统300用于对高通量试样组1周围温度场及表面形貌进行实时检测，同时对驱动及限位系统200的疲劳加载位移量进行检测，且输出检测信息；计算系统400用于接收测量观察与运动反馈系统300的检测信息，且根据接收的检测信息控制驱动及限位系统200的疲劳加载频率，从而获得高通量试样在整个疲劳断裂过程中的材料性能表征参数。
如图1所示，本发明的实施例中，试样夹持系统100包括高通量夹持装置2和三自由度运动机构3，其中高通量夹持装置2设置于三自由度运动机构3上，三自由度运动机构3用于驱动高通量夹持装置2沿x、y、z方向平移，高通量夹持装置2用于固定高通量试样组1。
具体地，高通量夹持装置2包括夹持主体和盖板，其中夹持主体设置于三自由度运动机构3上，盖板上设有多个凹槽，高通量试样组1的一端插设于盖板的凹槽内，盖板与夹持主体固定连接，从而实现高通量试样组1的夹持固定。三自由度运动机构3包括依次连接的x轴直线运动模组、y轴直线运动模组和z轴直线运动模组，该三组直线运动模组采用现有技术中任何一种能够实现直线运动的机构，在此不做限定。工作时，通过三自由度运动系统3的运动带动高通量夹持装置2确定高通量试样组1的空间位置，高通量试样组1呈悬臂梁状态。
如图1所示，本发明的实施例中，驱动及限位系统200包括直线进给机构、横梁5及限位机构6，其中横梁5设置于直线进给机构上，限位机构6设置于横梁5上，限位机构6用于与高通量试样组1接触，直线进给机构用于驱动横梁5沿竖直方向移动，从而通过限位机构6对高通量试样组1往复加载压力。
本发明的实施例中，限位机构6包括限位体，限位体固定在横梁5上的定位槽内。限位体的顶部设有等高凹槽结构，也就是说，在限位体的顶部设有多个深度一致的凹槽，通过等高凹槽结构中相同深度的各凹槽分别对高通量试样组1中的各试样加载相同的压力；或者，限位体的顶部设有阶梯凹槽结构，阶梯凹槽结构具有深度逐级递增的多个凹槽，阶梯凹槽结构中不同深度的各凹槽分别与高通量试样组1中的各试样一一对应，通过不同深度的凹槽对高通量试样组1中的各试样加载不同的压力。具体地，阶梯凹槽结构的几何尺寸可预先设定。
本实施例中，直线进给机构包括两个驱动电机4，两个驱动电机4均采用直线电机，且分别在横梁5的两端同步驱动横梁5进行升降动作。
进一步地，驱动及限位系统200还包括与直线驱动机构中的驱动电机4依次连接的功率放大器7和函数发生器8，将函数发生器8所产生的周期交流信号经过功率放大器7放大后通入驱动电机4，驱动电机4带动与之相连的横梁5做沿垂直方向的往复直线运动。具体地，横梁5的上端预先加工成能够配合不同规格的限位机构6的定位槽。选取合适的限位机构6与横梁5装配。限位机构6的顶部预先加工阶梯凹槽结构，以容纳高通量试样组1。通过调节三自由度运动系统3的运动带动高通量夹持装置2，使高通量试样组1悬臂端平行置于限位机构6的阶梯凹槽内。调整限位机构6与高通量夹持装置2的水平距离，使其等于预设的高通量试样组1的悬臂梁长度。
如图1所示，本发明的实施例中，测量观察与运动反馈系统300包括激光位移传感器11和高分辨率高速摄像机与红外成像仪模组10，其中高分辨率高速摄像机与红外成像仪模组10中的高分辨率高速摄像机用于采集高通量试样组1的图像信息且输出，即高分辨率高速摄像机可以对试样表面形貌进行观察；高分辨率高速摄像机与红外成像仪模组10中的红外成像仪对样品实验过程中裂纹扩展对样品周围温度场的变化进行记录；激光位移传感器11用于检测驱动及限位系统200对高通量试样组1进行疲劳加载的位移量且输出。
本发明的实施例中，计算系统400包括计算机9及其中的相关软件，确定一组高通量试样1的装配情况后，计算机9采集存储激光位移传感器11和高分辨率高速摄像机与红外成像仪模组10输出的信号，并绘制出位移-时间曲线。计算机9将计算实际位移与预设位移的偏离差值，并将调整信号反馈至功率放大器7，从而校正驱动电机4的运动，实现实时调节限位机构6的运动。在计算机7对一组高通量试样1的每个试样的变形情况进行模拟仿真计算，从而确定加载在一组高通量试样1的每个试样上的应力幅的确切大小，进而快速而准确的得到被测材料的应力幅-疲劳寿命曲线。
本发明提供的一种高通量小微样品疲劳测试平台，可以对各种具有一维(厚度)方向上尺寸小的薄膜、箔材及薄板状材料进行高通量的弯曲疲劳性能测试，可以对受材料几何尺度限制无法进行标准疲劳测试的材料进行疲劳性能评价，高通量测试显著减少了实验的工作量和时间，大大增加了实验精度，并提高了对材料的疲劳性能的快速检测能力。本测试平台适用于小微试样几何形状可以为矩形梁或梯形型梁。
综上，本发明实现对各种材料进行高通量的疲劳性能测试与表征，搭建适合同时对大量小微样品进行高通量的疲劳性能测试平台，并使用该平台可以对材料进行循环加载的疲劳性能的测试与评价。
本发明另一实施例提供一种高通量小微样品疲劳测试方法，利用上述实施例中的高通量小微样品疲劳测试平台实现，该测试方法包括以下步骤：
步骤S1：制备一组高通量悬臂梁测试样品；
步骤S2：经过表面处理后将一组高通量悬臂梁测试样品依次夹持于高通量夹持装置2中；
步骤S3：调节三自由度运动机构3，使高通量悬臂梁测试样品的自由端卡入限位机构6的凹槽内，并调节最短悬臂梁测试样品的梁长为预设长度；
步骤S4:利用接受交流电信号的直线进给机构的驱动电机带动横梁5及限位机构6做往复直线运动，从而测试一组高通量悬臂梁测试样品的疲劳性能；
步骤S5:在测试过程中，通过测量观察与运动反馈系统300对被测试样周围温度场及表面形貌进行实时监测；
步骤S6:计算系统400对悬臂测试梁样品变形过程进行仿真，以确定每个样品的应力幅，并绘制应力幅-疲劳寿命曲线。
本实施例中，高通量悬臂梁测试样品通过薄箔制成，长度为10-15mm，宽度为2-3mm，厚度0.1-0.2mm。
在步骤S5中:利用激光位移传感器11对试验过程中限位机构6的位移进行实时检测，并将信号传递至计算机9进行记录；实验过程中限位机构6的位移偏离容许阈值时，计算机9将计算偏离差值，并将调整信号反馈至功率放大器7，实现实时调节限位机构6的运动。
本发明利用限位机构6的几何特征，对一组高通量小微薄箔试样施加不同的应力幅，从而通过有限次数的测试得到所测材料的应力幅-疲劳寿命曲线。在测试过程中，利用高分辨率高速摄像机对高通量悬臂梁测试样品的表面形貌、断裂时间进行实时观察与录像，记录样品疲劳寿命；利用红外成像仪对样品实验过程中裂纹扩展对样品周围温度场的变化进行记录，并将监测结果发送至计算系统400进行记录及对限位机构6的位移进行实时监控及闭环控制。
实施例
采用电火花线切割技术在F316棒材上切割尺寸为11×2×0.15mm3的薄箔状试样49片，分为7组，每组将7个试样装配到高通量小微试样疲劳性能测试用平台的高通量夹持装置2上，选择合适长度的限位机构6并安装在横梁5上。调节三自由度运动系统3使各试样的自由端卡入限位机构6顶部的阶梯凹槽结构中。调节限位机构6与高通量夹持装置2之间的距离，使此组悬臂梁试样的梁长为所设定的梁长l 11、l 12、l 13、l 14、l 15…。悬臂梁梁长由限位机构6与高通量夹持装置2之间的距离和限位机构6外轮廓共同决定。使函数发生器8产生预定频率的交变电流，经功率放大器7放大后输入到驱动电机4中，横梁5做周期性的往复直线运动，驱动试样自由端发生规律振动，达到设定振幅ΔL，从而对该组高通量试样1进行疲劳加载。加载过程中通过红外成像仪以及高分辨率高速摄像机对试样周围温度场及表面形貌进行实时监测，从而获得高通量试样1在整个疲劳断裂过程中，裂纹的萌生、扩展、温度演化等一系列材料性能表征参数。限位机构6的实时振幅由激光位移传感器11记录并通过运动反馈软件进行校正。当全部样品断裂或实验周次达到1×107时，停止实验。实验结束后卸载全部样品，记录断裂样品的疲劳寿命，装载下一组样品，将梁长设定为l21、l 22、l 23、l24、l 25…，开始下一组测试。重复上述过程，直至五组样品均测定完毕。计算机9计算在限位机构6的振幅为ΔL时，对应梁长lmn的最大应力作为样品的应力幅。测试结果如图2所示，F316棒材经过弯曲疲劳测试所测得的疲劳极限为682.086MPa。在50Hz的实验频率下7组实验共用时约388.5小时，若全部数据点利用相同频率下的拉-压疲劳方法进行测试需约1943小时。
实施例的结果表明，本发明高通量小微样品疲劳测试平台及测试方法，该平台提供了对工程用结构构件上提取的小微试样、箔材、薄膜及薄板进行快速高通量疲劳性能测试的功能和测试方法，在测试过程中可对试样表面形貌进行观察，对样品实验过程中裂纹扩展对样品周围温度场的变化进行记录。利用通电线圈在恒定磁场中所受的电磁力驱动悬臂梁试样的自由端相对其平衡位置做往复运动，从而对各类材料试样施加各种类型的循环疲劳载荷。本发明可对各类工程用结构构件上提取的小微试样、箔材、薄膜及薄板的应力幅-疲劳寿命曲线和对应的疲劳极限进行快速的确定，为后续的材料/构件疲劳性能的机器学习与数字化分析提供有效的工具，并可结合原位的微观观察及随后的扫描电镜表征可以对材料疲劳过程中的疲劳损伤演化和裂纹扩展行为进行评价与理论分析。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种高通量小微样品疲劳测试平台，其特征在于，包括：
试样夹持系统(100)，用于夹持高通量试样组(1)，并能够带动高通量试样组(1)移动；
驱动及限位系统(200)，设置于试样夹持系统(100)的下方，用于对试样夹持系统(100)所夹持的高通量试样组(1)进行疲劳加载；
测量观察与运动反馈系统(300)，用于对高通量试样组(1)周围温度场及表面形貌进行实时检测，同时对驱动及限位系统(200)的疲劳加载位移量进行检测，且输出检测信息；
计算系统(400)，用于接收测量观察与运动反馈系统(300)的检测信息，且根据接收的检测信息控制驱动及限位系统(200)的疲劳加载频率，从而获得高通量试样在整个疲劳断裂过程中的材料性能表征参数。
2.根据权利要求1所述的高通量小微样品疲劳测试平台，其特征在于，所述试样夹持系统(100)包括高通量夹持装置(2)和三自由度运动机构(3)，其中高通量夹持装置(2)设置于三自由度运动机构(3)上，三自由度运动机构(3)用于驱动高通量夹持装置(2)沿x、y、z方向平移，高通量夹持装置(2)用于固定所述高通量试样组(1)。
3.根据权利要求2所述的高通量小微样品疲劳测试平台，其特征在于，所述高通量夹持装置(2)包括夹持主体和盖板，其中夹持主体设置于所述三自由度运动机构(3)上，盖板上设有多个凹槽，所述高通量试样组(1)的一端插设于盖板的凹槽内，盖板与夹持主体固定连接。
4.根据权利要求2所述的高通量小微样品疲劳测试平台，其特征在于，所述驱动及限位系统(200)包括直线进给机构、横梁(5)及限位机构(6)，其中横梁(5)设置于直线进给机构上，限位机构(6)设置于横梁(5)上，限位机构(6)用于与所述高通量试样组(1)接触，直线进给机构用于驱动横梁(5)沿竖直方向移动，从而通过限位机构(6)对所述高通量试样组(1)往复加载压力。
5.根据权利要求4所述的高通量小微样品疲劳测试平台，其特征在于，所述限位机构(6)包括限位体，限位体的顶部设有等深凹槽结构，通过等高凹槽结构中相同深度的各凹槽分别对所述高通量试样组(1)中的各试样加载相同的压力；或者，
限位体的顶部设有阶梯凹槽结构，通过阶梯凹槽结构中的不同深度的凹槽对所述高通量试样组(1)中的各试样加载不同的压力。
6.根据权利要求4所述的高通量小微样品疲劳测试平台，其特征在于，所述驱动及限位系统(200)还包括与所述直线驱动机构依次连接的功率放大器(7)和函数发生器(8)，将函数发生器(8)所产生的周期交流信号经过功率放大器(7)放大后通入所述直线驱动机构，所述直线驱动机构带动与之相连的横梁(5)做沿垂直方向的往复运动。
7.根据权利要求2所述的高通量小微样品疲劳测试平台，其特征在于，所述测量观察与运动反馈系统(300)包括激光位移传感器(11)和高分辨率高速摄像机与红外成像仪模组(10)，其中高分辨率高速摄像机与红外成像仪模组(10)中的高分辨率高速摄像机用于采集所述高通量试样组(1)的图像信息且输出，高分辨率高速摄像机与红外成像仪模组(10)中的红外成像仪对样品实验过程中裂纹扩展对样品周围温度场的变化进行记录；
激光位移传感器(11)用于检测所述驱动及限位系统(200)对所述高通量试样组(1)进行疲劳加载的位移量且输出。
8.一种利用权利要求2-7任一项所述的高通量小微样品疲劳测试平台的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：制备一组高通量悬臂梁测试样品；
步骤S2：经过表面处理后将一组高通量悬臂梁测试样品依次夹持于高通量夹持装置(2)中；
步骤S3：调节三自由度运动机构(3)，使高通量悬臂梁测试样品的自由端卡入限位机构(6)的凹槽内，并调节最短悬臂梁测试样品的梁长为预设长度；
步骤S4:利用接受交流电信号的直线进给机构的驱动电机带动横梁(5)及限位机构(6)做往复直线运动，从而测试一组高通量悬臂梁测试样品的疲劳性能；
步骤S5:在测试过程中，通过测量观察与运动反馈系统(300)对被测试样周围温度场及表面形貌进行实时监测；
步骤S6:计算系统(400)对悬臂测试梁样品变形过程进行仿真，以确定每个样品的应力幅，并绘制应力幅-疲劳寿命曲线。
9.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于，所述高通量悬臂梁测试样品通过薄箔制成，长度为10-15mm，宽度为2-3mm，厚度0.1-0.2mm。
10.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于，在步骤S5中:利用激光位移传感器(11)对试验过程中限位机构(6)的位移进行实时反馈，利用高分辨率高速摄像机对高通量悬臂梁测试样品的表面形貌、断裂时间进行实时观察，利用红外成像仪对样品实验过程中裂纹扩展对样品周围温度场的变化进行记录，并将监测结果发送至计算系统(400)进行记录及对限位机构(6)的位移进行实时监控及闭环控制。
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