CN117607172A - 基于同步辐射x射线进行同步原位成像与衍射的高温高频疲劳试验系统及试验方法 - Google Patents

基于同步辐射x射线进行同步原位成像与衍射的高温高频疲劳试验系统及试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于同步辐射X射线进行同步原位成像与衍射的高温高频疲劳试验系统和试验方法，包括疲劳加载机构、成像探测机构、衍射探测机构、时序同步机构和控制平台，入射的X射线对试样的穿透率为20％～30％，入射X射线穿过试样后产生的透射X射线进入成像探测系统，产生的衍射X射线进入衍射探测系统；控制平台用于控制疲劳加载机构及时序同步机构，时序同步机构用于使成像探测机构和衍射探测机构同时分别对试样进行原位成像和衍射。本发明的疲劳试验系统，能够调控成像与衍射光强一致，使得一次触发即可同步对试样进行成像和衍射采样，对于研究材料疲劳试验过程中的微结构与损伤缺陷演变，揭示材料服役失效行为和机理具有重要指导意义。

Description

基于同步辐射X射线进行同步原位成像与衍射的高温高频疲 劳试验系统及试验方法
技术领域
本发明属于材料损伤测试技术领域，具体涉及一种基于同步辐射X射线进行同步原位成像与衍射的高温高频疲劳试验系统及试验方法。
背景技术
疲劳失效是工程结构失效的典型破坏形式。随着现代工业的发展，一些重大工程用金属结构材料，其疲劳寿命要求大于传统的107周次，传统的以107周次为极限的疲劳强度评价方法已不再适用。利用低频或中高频疲劳试验机进行高周(约107周次循环)或超高周(大于107周次循环)，一次实验时间通常需要几个月，耗费大量的时间和经济成本。超声振动疲劳加载技术是目前开展金属材料超长寿命疲劳研究的最高效方法，若以20KHz的频率测试一根寿命为109周次的试样，仅需一天左右的时间即可完成。
在航空、航天、核电等重大工程应用中，金属结构材料往往面临高温高频疲劳失效，这是一种材料在交变载荷和高温环境联合作用下发生损伤的一种失效模式，本质上是高温与疲劳协同作用的结果。构件处于高温环境中疲劳强度大幅度降低，易产生疲劳裂纹，因此研究高温对构件疲劳行为的影响是十分必要的。超声疲劳测试中，尤其是对于阻尼比较大的材料，控制试样发热量，进而使得试样温度与实际工况接近，同时保证控温方式不对疲劳测试产生影响，尤其是对于小试样，是需要解决的技术难题。在常规的解决方案中，环境箱存在无法快速反馈并调节温度等问题；而常规喷射液氮的方式不适用于高温控制，也不适用于小试样疲劳测试，测试结果不可靠。如何实现高温温度场及高频机械载荷的高精度加载，模拟材料接近实际服役工况，并结合原位监测装置开展材料接近实际服役工况下的原位监测，是评估材料高温疲劳性能和服役安全性的关键。
疲劳裂纹形核及扩展机理是建立疲劳寿命模型的基础，短裂纹的扩展微观上受到金属微观组织和环境等因素的影响，因此需获得裂纹扩展过程中材料微结构、损伤缺陷演变以及宏观力学性能变化。但是，常规超声疲劳测试仅能获得宏观力学性能参数，无法同步获得材料微结构、损伤缺陷演变。先进同步辐射光源X射线具有高能量、高亮度、高准直等特性，可穿透块体金属材料成像。建立基于同步辐射X射线进行同步原位成像与衍射的高温高频疲劳试验系统及试验方法，将超声疲劳试验与同步辐射X射线成像与衍射同步进行，可以在材料疲劳试验过程中非破坏性地原位探测内部微结构、损伤缺陷演变和断裂行为，这对于建立材料表面/亚表面/内部微观结构特征的服役寿命模型具有重要科学意义。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种基于同步辐射X射线进行同步原位成像与衍射的高温高频疲劳试验系统及试验方法，可对试样在高温高频条件下进行疲劳测试，同时，同步开展同步辐射X射线成像与衍射原位实时表征，并且能够对疲劳试样进行同步成像和衍射采样，从而丰富材料原位测量信息。
为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：
本发明的一个目的是提供一种基于同步辐射X射线进行同步原位成像与衍射的高温高频疲劳试验系统，包括疲劳加载机构、成像探测机构、衍射探测机构、时序同步机构和控制平台，所述疲劳加载机构用于在300～1000℃、15～50KHz条件下对试样进行超声疲劳试验，入射的所述X射线对所述试样的穿透率为20％～30％，入射X射线穿过所述试样后产生的透射X射线进入所述成像探测系统，产生的衍射X射线进入所述衍射探测系统；所述控制平台用于控制所述疲劳加载机构及时序同步机构，所述时序同步机构用于使所述成像探测机构和衍射探测机构同时分别对所述试样进行原位成像和衍射。
根据本发明的一些优选实施方面，所述疲劳加载机构包括超声疲劳加载模块、控温模块、机架、驱动模块、超声疲劳加载控制模块及红外热成像仪，所述机架与所述驱动模块连接，所述驱动模块与所述超声疲劳加载模块连接，所述驱动模块用于对所述超声疲劳加载模块进行对中、升降及旋转调整，所述超声疲劳加载模块包括变幅杆，所述变幅杆与所述试样连接。机架用于对驱动模块及超声疲劳加载模块提供支撑；红外成像仪位于试样的附近，能够实时测量试样的温度；控温模块包括电感加热组件、风冷散热组件及电感线圈，能够对试样进行加热或降温以保证试样的温度始终保持在300～1000℃范围内；电感线圈绕设在线圈的外周。本发明的一些实施例中，试样可为哑铃状、板状、直线型和悬臂梁弯曲试样，其厚度应保证使X射线的透射率在20％～30％的范围内。
由于试验过程中X射线光斑的位置和高度固定，成像探测机构和衍射探测机构的视场固定，需要通过驱动模块让疲劳加载的试样在试验过程中始终处于视场之内，因此设置了驱动模块，用于对与试样连接的超声疲劳加载模块进行对中、升降及旋转调整。本发明的一些实施例中，驱动模块与控制平台信号连接，控制平台能够控制驱动模块进行相应的动作。驱动模块包括第一滑台，旋转台，第二滑台和第三滑台以及对应的驱动器。其中，超声疲劳加载模块通过双头螺栓与旋转台连接，通过控制平台控制第一滑台的驱动器驱动第一滑台上下移动以调整试样相对于光斑和视场的高度，从而将试样需要观察的位置调整至光斑和视场的中心；在旋转台的驱动器的驱动作用下，旋转台可带动试样绕试样中心线进行0～180°的旋转，并且配合成像探测机构和衍射探测机构在固定角度间隔采集图像，旋转台的旋转精度大于或等于0.002°；第二滑台和第三滑台位于同一水平面上且二者相互垂直，此外，第二滑台和第三滑台均与旋转台固定连接，使得第二滑台和第三滑台均能够随着旋转台一起旋转，使得旋转台在旋转过程中，试样始终在探测器视场中心位置原地旋转。第二滑台的驱动器用于驱动第二滑台沿左右方向来回移动以带动试样移动，第三滑台的驱动器用于驱动第三滑台沿前后方向来回移动以带动试样移动。第二滑台和第三滑台的行程范围均为0～5mm，步距大于或等于0.2μm，第一滑台上下移动的行程范围为0～25mm。
根据本发明的一些优选实施方面，所述超声疲劳加载控制模块与所述超声疲劳加载模块之间信号连接；所述控温模块的电感线圈套设在所述试样的外周，所述控温模块与控制平台之间信号连接，所述红外热成像仪与所述控制平台之间信号连接；所述红外热成像仪用于实时测量所述试样的温度并将试样的温度反馈给所述控制平台。控温模块在接收到控制平台的指令后对试样进行温度控制，以保证试样的温度始终维持在300～1000℃，避免在超声作用下试样的温度过高，对试验结果产生影响。
根据本发明的一些优选实施方面，所述成像探测机构包括依次设置的第一闪烁晶体、光学放大模块、第一高速相机；所述衍射探测机构包括依次设置的第二闪烁晶体，透镜耦合模块、像增强器、第二高速相机；所述时序同步机构包括超声信号采集器，延时控制器、数字信号发生器。透射X射线依次穿透成像探测机构中的第一闪烁晶体、光学放大模块后进入第一高速相机；衍射X射线依次穿透衍射探测机构中的第二闪烁晶体、透镜耦合模块和像增强器后进入第二高速相机。其中，第一闪烁晶体将穿过试样的透射X射线转化成可见光，光学放大模块则利用显微透镜组将第一闪烁晶体上的透射像放大5～20倍，并将放大后的像投射到后方的第一高速相机的探测面上，第一高速相机可以用数十万帧每秒的帧率记录下疲劳过程中试样缺陷的高速变化。第二闪烁晶体的主要作用是将试样发出的衍射X射线转化为可见光，透镜耦合模块则将第二闪烁晶体上的衍射像成像到后方的像增强器的物面上，像增强器内部包含一块布满光电倍增管的微通道板，可以将微弱的衍射花样强度提升4～5个量级，第二高速相机可以用数十万帧每秒的帧率记录疲劳过程中高速变化中的衍射花样。高精度的时序同步机构主要负责振动疲劳、衍射和成像的严格同步。
具体地，入射X射线照射在高温高频原位超声疲劳加载模块的试样上，穿过试样后分为透射光路和衍射光路，透射光路包含了结构缺陷的成像信息，衍射光路包含了晶格缺陷的衍射信息。衍射X射线投射到瞬态的衍射探测机构时，第二闪烁晶体将X射线衍射花样转化为可见光，并通过透镜耦合模块将衍射花样成像到像增强器的物面上，使像增强器可以获得清晰的图像，由于衍射信号本身相对于透射信号弱3～4个量级，透镜耦合模块的传输也会存在损失，衍射信号会进一步减弱，因此在进入第二高速相机之前需要使用像增强器将衍射花样的强度提升4～5个量级，最后再利用第二高速相机将高速变化的衍射信号记录下来发送到电脑，从而获得疲劳过程中晶格的畸变信息。透射X射线透射到高速高分辨的成像探测机构时，第一闪烁晶体将包含了试样结构缺陷的X射线图像转化成可见光图像，光学放大模块将第一闪烁晶体上的可见光图像放大5～20倍后投射在第一高速相机的探测元上，从而获得微米级的空间分辨率，最后第一高速相机记录下疲劳过程中宏观缺陷从萌发到扩展的演化。
根据本发明的一些优选实施方面，所述超声信号采集器与所述超声疲劳加载控制模块之间信号连接，所述数字信号发生器与所述控制平台之间信号连接，所述数字信号发生器还分别与所述第一高速相机、第二高速相机及像增强器之间信号连接。
根据本发明的一些优选实施方面，所述超声信号采集器用于采集所述超声疲劳加载模块的超声发生器的周期性电信号，以用于作为振动疲劳信号的波峰波谷的参比信号，所述延时控制器用于同步控制所述第一高速相机、第二高速相机和像增强器三者相对于振动疲劳信号的延时，所述数字信号发生器用于根据所述延时控制器设定的参数向所述第一高速相机、第二高速相机及像增强器发送触发信号。
根据本发明的一些优选实施方面，设所述第一高速相机的信号为S1，所述像增强器的信号为S2，所述第二高速相机的信号为S3，所述超声信号采集器采集的所述周期性电信号为S4，则S3落后于S2且落后于S4；设所述周期性电信号S4的周期为T，S1相对S4之间的延时为T4-1，S2相对S4之间的延时为T4-2，S3相对S4之间的延时T4-3，成像探测机构的固有延时为T1，衍射探测机构的固有延时为T2，则T4-1＝T－T1，T4-2＝T－T2，T4-3＝T－0.75T2。具体地，数字信号发生器可以产生TTL(Transistor-Transistor Logic，晶体管-晶体管逻辑)方波信号，触发成像探测机构的成像光路上的第一高速相机的信号S1、触发衍射探测机构的衍射光路上的像增强器的信号S2和触发第二高速相机的信号S3与超声信号采集器采样的超声发生器的周期性电信号S4之间的关系是：S1相对S4之间的延时T4-1等于S4的周期T减去成像探测机构的固有延时T1，这是因为，若给成像探测机构一个触发信号，那么成像探测机构由于有固有延时，所以会在触发信号之后延时动作，为了保证成像探测机构在第二个振动疲劳信号到来时同步拍摄，必须控制S1相对S4之间的延时T4-1与成像探测机构的固有延时之和等于超声发生器的振动周期。此外，S3落后于S2，且落后于S4，并且衍射探测机构的第二高速相机收到的触发信号落后于像增强器收到的触发信号，落后的时间是0.25倍的衍射探测机构的固有延时T2，因此S2相对S4之间的延时T4-2等于S4的周期T减去衍射探测机构的固有延时T2，S3相对S4之间的延时T4-3等于S4的周期T与衍射探测系统的固有延时T2的四分之三的差。
总的来说，为了严格同步振动疲劳、成像和衍射三者的时序关系，时序同步机构的工作时序为：超声信号采集器首先获得超声发生器的正弦电信号，并转化为数字化TTL方波信号，作为成像和衍射的参比信号，延时控制器则通过调整成像光路上第一高速相机触发信号相对于振动信号的延时，衍射光路上像增强器触发信号相对于振动信号的延时，衍射光路上第二高速相机触发信号相对于振动信号的延时，来消除设备接收到触发信号后的固有延迟。数字信号发生器按照设定好的时序先后向第一高速相机，像增强器和第二高速相机发送触发信号，最终实现振动疲劳、成像和衍射的三者的严格同步。
根据本发明的一些优选实施方面，所述像增强器用于将所述衍射X射线的强度提高104～105倍，所述像增强器为微通道板。通过像增强器将衍射X射线的强度提高104～105倍，使之与透射X射线的强度相当，有利于保证同步成像与衍射。
本发明的另一个目的是提供一种基于同步辐射X射线进行同步原位成像与衍射的高温高频疲劳试验方法，所述高温高频疲劳试验方法利用如上所述的高温高频疲劳试验系统进行。
根据本发明的一些优选实施方面，所述高温高频疲劳试验方法包括如下步骤：
步骤1：确定多个试样的初始振幅；
步骤2：对多个试样分别进行超声疲劳试验以获取试样的疲劳断裂循环周次，记录当试样的疲劳断裂循环周次大于或等于109时的加载振幅；
步骤3：更换新的试样并采用所述步骤2中的加载振幅对试样进行超声疲劳试验；
步骤4：在设定的采样时刻，由时序同步机构同时触发成像探测机构和衍射探测机构分别对试样进行同步成像和衍射，直至达到设定的疲劳断裂循环周次或试样发生疲劳失效，停止试验。具体地，步骤4中设定的疲劳断裂循环周次为109。
根据本发明的一些优选实施方面，所述步骤1中确定多个试样的初始振幅的方法为：获取多个试样的准静态拉伸曲线，由准静态拉伸曲线确定试样的屈服强度，在所述准静态拉伸曲线上，以25％～30％的屈服强度所对应的位移为试样的初始振幅。
根据本发明的一些优选实施方面，所述步骤1中的试样的数量至少为三个，所述步骤2中每个试样仅进行一次超声疲劳试验。
根据本发明的一些优选实施方面，所述步骤2中对多个试样分别进行超声疲劳试验以获取试样的疲劳断裂循环周次的方法为：将试样安装在超声疲劳加载模块上，在控制平台上调节驱动模块使试样保持垂直，使试样的轴线与超声疲劳加载模块的超声振动方向保持一致，设定应力比为-1～1，温度为300～1000℃，按照所述步骤1中确定的初始振幅依次对各个试样进行超声疲劳试验以获得试样的疲劳断裂循环周次，当试样的疲劳断裂循环周次大于或等于109且至少有三个试样进行了超声疲劳试验时，记录该次超声疲劳试验的加载振幅；当试样的疲劳断裂循环周次小于109时，更换试样并减小超声疲劳试验的加载振幅，继续试验。
根据本发明的一些优选实施方面，所述步骤3中更换新的试样并采用所述步骤2中的加载振幅对试样进行超声疲劳试验的方法为：将试样安装在超声疲劳加载模块上，在控制平台上调节驱动模块使试样保持垂直，使试样的轴线与超声疲劳加载模块的超声振动方向保持一致，调节驱动模块使入射X射线、试样的标距段的中心与成像探测机构的第一闪烁晶体共轴，使试样的标距段的中心与成像探测机构的第一闪烁晶体的中轴线的夹角等于试样的衍射角，设定应力比为-1～1，温度为300～1000℃，并设置采样频率，按照所述步骤2中记录的加载振幅开始超声疲劳试验。本发明的一些实施例中，在还未开始疲劳加载试验时，利用第一高速相机和第二高速相机对试样的初始状态采样一次；此外，在开始超声疲劳试验后的采样频率为：当振动次数小于5×108次时，每振动10000次采样一次；当振动次数为5×108～7.5×108时，每振动5000次采样一次；当振动次数大于7.5×108时，每振动1000次采样一次。
根据本发明的一些优选实施方面，所述步骤4中的采样模式包括瞬态二维采样和旋转三维采样，所述瞬态二维采样的方法为：在每次达到设定的采样时刻时，超声信号采集器给出基准信号，由数字信号发生器同时触发第一高速相机和第二高速相机分别对试样进行一次或多次瞬态成像和衍射，直至达到设定的疲劳断裂循环周次或试样发生疲劳失效，停止试验。
根据本发明的一些优选实施方面，所述旋转三维采样的方法为：在每次达到设定的采样时刻时，超声疲劳加载模块停止工作，驱动模块每次带动试样以小于或等于0.18°(保证在一个采样时刻，第一高速相机和第二高速相机至少能够拍到1000张照片)的旋转角度步进旋转步进旋转，试样每旋转一次，成像探测机构和衍射探测机构就会同时分别对试样进行一次成像和衍射，直至试样旋转至终止角度并完成成像和衍射后，超声疲劳加载模块再次启动；直至达到设定的疲劳断裂循环周次或试样发生疲劳失效，停止试验。本发明的一些实施例中，终止角度为180°。
本发明的高温高频疲劳试验方法具体包括如下步骤：
步骤1：获取多个试样的准静态拉伸曲线，由准静态拉伸曲线确定试样的屈服强度，在准静态拉伸曲线上，以25％～30％的屈服强度所对应的位移为试样的初始振幅。
步骤2：将试样安装在超声疲劳加载模块上，在控制平台上调节驱动模块使试样保持垂直，使试样的轴线与超声疲劳加载模块的超声振动方向保持一致，设定应力比为-1～1，温度为300～1000℃，按照步骤1中确定的初始振幅依次对各个试样进行超声疲劳试验以获得试样的疲劳断裂循环周次，若试样的疲劳断裂循环周次小于109时，更换试样并减小超声疲劳试验的加载振幅继续试验；直至试样的疲劳断裂循环周次大于或等于109且至少有三个试样进行了超声疲劳试验时，记录该次超声疲劳试验的加载振幅。
步骤3：将试样安装在超声疲劳加载模块上，在控制平台上调节驱动模块使试样保持垂直，使试样的轴线与超声疲劳加载模块的超声振动方向保持一致，调节驱动模块使入射X射线、试样的标距段的中心与成像探测机构的第一闪烁晶体共轴，使试样的标距段的中心(即振幅为0、应力最大处)与成像探测机构的第一闪烁晶体的中轴线的夹角等于试样的衍射角，设定应力比为-1～1，温度为300～1000℃，并设置采样频率，在开始超声疲劳试验前，利用第一高速相机和第二高速相机对试样的初始状态进行拍照，再按照步骤2中记录的加载振幅开始超声疲劳试验。其中，采样频率为：当振动次数小于5×108次时，每振动10000次采样一次；当振动次数为5×108～7.5×108时，每振动5000次采样一次；当振动次数大于7.5×108时，每振动1000次采样一次。
步骤4：根据实际测试要求，可选择瞬态二维采样模式或旋转三维采样模式对试样进行采样。当需要对试样进行二维瞬态衍射和成像时，根据步骤3设置的采样频率，在每次达到设定的采样时刻(载荷谱峰值处)时，超声信号采集器给出基准信号，由数字信号发生器同时触发第一高速相机和第二高速相机分别对试样进行一次或多次瞬态成像和衍射，直至达到设定的疲劳断裂循环周次或试样发生疲劳失效，停止试验；二维瞬态衍射无需将超声疲劳加载模块停机。
当需要对试样进行三维的衍射和成像时，根据步骤3设置的采样频率，在每次达到设定的采样时刻时，超声疲劳加载模块停机，驱动模块每次带动试样以小于或等于0.18°的旋转角度步进旋转至180°，旋转台带动试样每按照设定的旋转角度旋转一次，数字信号发生器就会输出一次TTL方波信号，第一高速相机和第二高速相机就会拍摄一次照片，直至旋转台带动试样旋转至180°并完成拍照后，旋转台归回0°，超声疲劳加载模块继续启动。每个采样时刻的采样步骤相同，直至疲劳断裂循环周次达到109或试样发生疲劳失效，停止试验。
此外，本发明的一些实施例中，所述试样下方还可以通过设置连接杆连接静载荷传感器，以实现对试样的可调应力比轴向拉压。
由于采用了以上的技术方案，相较于现有技术，本发明的基于同步辐射X射线进行同步原位成像与衍射的高温高频疲劳试验系统及试验方法，通过设置疲劳加载机构，使其不依赖真空环境且不需要透明护罩保护，可有效降低护罩对同步辐射光源的损耗；通过设置时序同步机构和衍射探测机构，能够调控成像与衍射光强一致，使得一次触发即可同步对试样进行成像和衍射采样，能够同时获得试样的结构缺陷和晶格缺陷，从而丰富材料原位测量信息，对于研究材料疲劳试验过程中的微结构与损伤缺陷演变，揭示材料服役失效行为和机理具有重要的指导意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一中的疲劳试验系统的结构示意图；
图2为本发明实施例一中的时序同步机构的时序控制的示意图；
其中，附图标记为：疲劳加载机构-1，超声疲劳加载模块-11，控温模块-12，机架-13，驱动模块-14，超声疲劳加载控制模块-15，红外热成像仪-16，试样-17，成像探测机构-2，第一闪烁晶体-21，光学放大模块-22，第一高速相机-23，衍射探测机构-3，第二闪烁晶体-31，透镜耦合模块-32，像增强器-33，第二高速相机-34，时序同步机构-4，超声信号采集器-41，延时控制器-42，数字信号发生器-43，控制平台-5。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例一：同步辐射X射线进行同步原位成像与衍射的高温高频疲劳试验系统
参照图1和图2，本实施例的疲劳试验系统包括疲劳加载机构1、成像探测机构2、衍射探测机构3、时序同步机构4和控制平台5。其中，疲劳加载机构1用于在300～1000℃、15～50KHz条件下对试样17进行超声疲劳试验，入射X射线对试样17的穿透率为20％～30％，入射X射线穿过试样17后产生的透射X射线进入成像探测系统，产生的衍射X射线进入衍射探测系统；控制平台5用于控制疲劳加载机构1及时序同步机构4，时序同步机构4用于使成像探测机构2和衍射探测机构3同时分别对试样17进行原位成像和衍射。
进一步地，如图1所示，疲劳加载机构1包括超声疲劳加载模块11、控温模块12、机架13、驱动模块14、超声疲劳加载控制模块15及红外热成像仪16。其中，机架13与驱动模块14连接，驱动模块14与超声疲劳加载模块11连接，机架13用于对驱动模块14及超声疲劳加载模块11提供支撑。超声疲劳加载模块11包括变幅杆，变幅杆与试样17连接。控温模块12包括电感加热组件、风冷散热组件及电感线圈，能够对试样17进行加热或降温以保证试样17的温度始终保持在300～1000℃范围内；电感线圈绕设在线圈的外周。超声疲劳加载控制模块15与超声疲劳加载模块11之间信号连接，控温模块12与控制平台5之间信号连接，驱动模块14与控制平台5之间信号连接，红外热成像仪16与控制平台5之间信号连接，红外热成像仪16用于实时测量试样17的温度并将试样17的温度反馈给控制平台5，控温模块12在接收到控制平台5的指令后对试样17进行温度控制，以保证试样17的温度始终维持在300～1000℃，避免在超声作用下试样17的温度过高，对试验结果产生影响。
驱动模块14用于对超声疲劳加载模块11进行对中、升降及旋转调整，具体地，驱动模块14包括第一滑台，旋转台，第二滑台和第三滑台以及对应的驱动器。超声疲劳加载模块11通过双头螺栓与旋转台连接，通过控制平台5控制第一滑台的驱动器驱动第一滑台上下移动以调整试样17相对于光斑和视场的高度，从而将试样17需要观察的位置调整至光斑和视场的中心，第一滑台上下移动的行程范围为0～25mm。在旋转台驱动器的驱动作用下，旋转台可带动试样17绕试样17的中心线旋转0～180°，并且配合成像探测机构2和衍射探测机构3在固定角度间隔采集图像，旋转台的旋转精度小于或等于0.002°。第二滑台和第三滑台位于同一水平面上且二者相互垂直，此外，第二滑台和第三滑台均与旋转台固定连接，使得第二滑台和第三滑台均能够随着旋转台一起旋转，使得旋转台在旋转过程中，试样17始终在探测器视场中心位置原地旋转。第二滑台的驱动器用于驱动第二滑台沿左右方向来回移动以带动试样17移动，第三滑台的驱动器用于驱动第三滑台沿前后方向来回移动以带动试样17移动。第二滑台和第三滑台的行程范围均为0～5mm，步距大于或等于0.2μm。
进一步地，如图1所示，成像探测机构2包括依次设置的第一闪烁晶体21、光学放大模块22、第一高速相机23，透射X射线依次穿透成像探测机构2中的第一闪烁晶体21、光学放大模块22后进入第一高速相机23。衍射探测机构3包括依次设置的第二闪烁晶体31，透镜耦合模块32、像增强器33、第二高速相机34，衍射X射线依次穿透衍射探测机构3中的第二闪烁晶体31、透镜耦合模块32和像增强器33后进入第二高速相机34；像增强器33用于将衍射X射线的强度提高104～105倍，本实施例的像增强器33为微通道板。时序同步机构4包括超声信号采集器41，延时控制器42、数字信号发生器43。其中，超声信号采集器41与超声疲劳加载控制模块15之间信号连接，数字信号发生器43与控制平台5之间信号连接，数字信号发生器43还分别与第一高速相机23、第二高速相机34及像增强器33之间信号连接。超声信号采集器41用于采集超声疲劳加载模块11的超声发生器的周期性电信号，以用于作为振动疲劳信号的波峰波谷的参比信号；延时控制器42用于同步控制第一高速相机23、第二高速相机34和像增强器33三者相对于振动疲劳信号的延时；数字信号发生器43用于根据延时控制器42设定的参数向第一高速相机23、第二高速相机34及像增强器33发送触发信号。
具体地，如图2所示，本实施例中，数字信号发生器43可以产生TTL方波信号，触发成像探测机构2的成像光路上的第一高速相机23的信号S1、触发衍射探测机构3的衍射光路上的像增强器33的信号S2和触发第二高速相机34的信号S3与超声信号采集器41采样的超声发生器的周期性电信号S4之间的关系是：S1相对S4之间的延时T4-1等于S4的周期T减去成像探测机构2的固有延时T1，这是因为，若给成像探测机构2一个触发信号，那么成像探测机构2由于有固有延时，所以会在触发信号之后延时动作，为了保证成像探测机构2在第二个振动疲劳信号到来时同步拍摄，必须控制S1相对S4之间的延时T4-1与成像探测机构2的固有延时之和等于超声发生器的振动周期。此外，S3落后于S2，且落后于S4，并且衍射探测机构3的第二高速相机34收到的触发信号落后于像增强器33收到的触发信号，落后的时间是0.25倍的衍射探测机构3的固有延时T2，因此S2相对S4之间的延时T4-2等于S4的周期T减去衍射探测机构3的固有延时T2，S3相对S4之间的延时T4-3等于S4的周期T与衍射探测系统的固有延时T2的四分之三的差。
实施例二：同步辐射X射线进行同步原位成像与衍射的高温高频疲劳试验方法
本实施例中，疲劳试验方法具体包括如下步骤：
步骤1：获取多个试样17的准静态拉伸曲线，由准静态拉伸曲线确定试样17的屈服强度，在准静态拉伸曲线上，以30％的屈服强度所对应的位移为试样的初始振幅。
步骤2：将试样17安装在超声疲劳加载模块11的变幅杆上，通过控制平台5控制驱动模块14的第二滑台和第三滑台使试样17保持垂直，使试样17的轴线与超声疲劳加载模块11的超声振动方向保持一致，设定应力比为-1，温度为300℃，按照步骤1中确定的初始振幅开展至少三次离线超声疲劳试验，以获得试样17的疲劳断裂循环周次，若试样17的疲劳断裂循环周次小于109时，更换试样17并减小超声疲劳试验的加载振幅，再进行试验；直至试样17的疲劳断裂循环周次大于或等于109且至少有三个试样17进行了超声疲劳试验时，记录该次超声疲劳试验的加载振幅。
步骤3：更换新的试样17并将试样17安装在超声疲劳加载模块11的变幅杆上，通过控制平台5控制驱动模块14的第二滑台和第三滑台使试样17保持垂直，使试样17的轴线与超声疲劳加载模块11的超声振动方向保持一致，再调节驱动模块14的第一滑台使入射X射线、试样17的标距段的中心(即振幅为0、应力最大处)与成像探测机构2的第一闪烁晶体21共轴，使试样17的标距段的中心与成像探测机构2的第一闪烁晶体21的中轴线的夹角等于试样17的衍射角，设定应力比为-1，温度为300℃，并设置采样频率为：当振动次数小于5×108次时，每振动104次采样一次；当振动次数为5×108～7.5×108时，每振动5000次采样一次；当振动次数大于7.5×108时，每振动1000次采样一次；采样频率设置好后，在开始超声疲劳试验前，利用第一高速相机23和第二高速相机34对试样17的初始状态进行拍照，再按照步骤2中记录的加载振幅开始超声疲劳试验。
步骤4：根据步骤3设置的采样频率，当达到第一个设定的采样时刻时，超声疲劳加载模块11停机，驱动模块14的旋转台以0.146°步进旋转一次以带动试样以0.146°步进旋转一次，与此同时，数字信号发生器43会输出一次TTL方波信号，第一高速相机23和第二高速相机34就会拍摄一次照片以同时对试样17进行原位成像与衍射；紧接着驱动模块14的旋转台会再次以0.146°步进旋转一次以再次带动试样以0.146°步进旋转一次，同样地，第一高速相机23和第二高速相机34会再次拍摄照片以同时对试样17进行原位成像与衍射；重复前述过程直至旋转台旋转至180°且第一高速相机23和第二高速相机34完成该次的拍照后，旋转台会归回0°，此时超声疲劳加载模块11会再次启动，至此，在第一个设定的采样时刻对试样17的采样工作完成，在每个设定的采样时刻，对试样17的采样工作的过程相同，直至试样17的疲劳断裂循环周次达到109或试样17发生疲劳失效时，停止试验。根据试验过程中采集到的试样17的成像与衍射信息，进一步对试样17的结构缺陷和晶格缺陷进行分析。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种基于同步辐射X射线进行同步原位成像与衍射的高温高频疲劳试验系统，其特征在于，包括疲劳加载机构、成像探测机构、衍射探测机构、时序同步机构和控制平台，所述疲劳加载机构用于在300～1000℃、15～50KHz条件下对试样进行超声疲劳试验，入射的所述X射线对所述试样的穿透率为20％～30％，入射X射线穿过所述试样后产生的透射X射线进入所述成像探测系统，产生的衍射X射线进入所述衍射探测系统；所述控制平台用于控制所述疲劳加载机构及时序同步机构，所述时序同步机构用于使所述成像探测机构和衍射探测机构同时分别对所述试样进行原位成像和衍射。
2.根据权利要求1所述的高温高频疲劳试验系统，其特征在于，所述疲劳加载机构包括超声疲劳加载模块、控温模块、机架、驱动模块、超声疲劳加载控制模块及红外热成像仪，所述机架与所述驱动模块连接，所述驱动模块与所述超声疲劳加载模块连接，所述驱动模块用于对所述超声疲劳加载模块进行对中、升降及旋转调整，所述超声疲劳加载模块包括变幅杆，所述变幅杆与所述试样连接。
3.根据权利要求2所述的高温高频疲劳试验系统，其特征在于，所述超声疲劳加载控制模块与所述超声疲劳加载模块之间信号连接；所述控温模块的电感线圈套设在所述试样的外周，所述控温模块与控制平台之间信号连接，所述红外热成像仪与所述控制平台之间信号连接；所述红外热成像仪用于实时测量所述试样的温度并将试样的温度反馈给所述控制平台。
4.根据权利要求1所述的高温高频疲劳试验系统，其特征在于，所述成像探测机构包括依次设置的第一闪烁晶体、光学放大模块、第一高速相机；所述衍射探测机构包括依次设置的第二闪烁晶体，透镜耦合模块、像增强器、第二高速相机；所述时序同步机构包括超声信号采集器，延时控制器、数字信号发生器。
5.根据权利要求4所述的高温高频疲劳试验系统，其特征在于，所述超声信号采集器与所述超声疲劳加载控制模块之间信号连接，所述数字信号发生器与所述控制平台之间信号连接，所述数字信号发生器还分别与所述第一高速相机、第二高速相机及像增强器之间信号连接。
6.根据权利要求5所述的高温高频疲劳试验系统，其特征在于，所述超声信号采集器用于采集所述超声疲劳加载模块的超声发生器的周期性电信号，所述延时控制器用于同步控制所述第一高速相机、第二高速相机和像增强器三者相对于振动疲劳信号的延时，所述数字信号发生器用于根据所述延时控制器设定的参数向所述第一高速相机、第二高速相机及像增强器发送触发信号。
7.根据权利要求6所述的高温高频疲劳试验系统，其特征在于，设所述第一高速相机的信号为S1，所述像增强器的信号为S2，所述第二高速相机的信号为S3，所述超声信号采集器采集的所述周期性电信号为S4，则S3落后于S2且落后于S4；设所述周期性电信号S4的周期为T，S1相对S4之间的延时为T4-1，S2相对S4之间的延时为T4-2，S3相对S4之间的延时T4-3，成像探测机构的固有延时为T1，衍射探测机构的固有延时为T2，则T4-1＝T－T1，T4-2＝T－T2，T4-3＝T－0.75T2。
8.根据权利要求4所述的高温高频疲劳试验系统，其特征在于，所述像增强器用于将所述衍射X射线的强度提高104～105倍，所述像增强器为微通道板。
9.一种基于同步辐射X射线进行同步原位成像与衍射的高温高频疲劳试验方法，其特征在于，所述高温高频疲劳试验方法利用如权利要求1～8任意一项所述的高温高频疲劳试验系统进行。
10.根据权利要求9所述的高温高频疲劳试验方法，其特征在于，所述高温高频疲劳试验方法包括如下步骤：
步骤1：确定多个试样的初始振幅；
步骤2：对多个试样分别进行超声疲劳试验以获取试样的疲劳断裂循环周次，记录当试样的疲劳断裂循环周次大于或等于109时的加载振幅；
步骤3：更换新的试样并采用所述步骤2中的加载振幅对试样进行超声疲劳试验；
步骤4：在设定的采样时刻，由时序同步机构同时触发成像探测机构和衍射探测机构分别对试样进行同步成像和衍射，直至达到设定的疲劳断裂循环周次或试样发生疲劳失效，停止试验。
11.根据权利要求10所述的高温高频疲劳试验方法，其特征在于，所述步骤1中确定多个试样的初始振幅的方法为：获取多个试样的准静态拉伸曲线，由准静态拉伸曲线确定试样的屈服强度，在所述准静态拉伸曲线上，以25％～30％的屈服强度所对应的位移为试样的初始振幅。
12.根据权利要求10所述的高温高频疲劳试验方法，其特征在于，所述步骤2中对多个试样分别进行超声疲劳试验以获取试样的疲劳断裂循环周次的方法为：将试样安装在超声疲劳加载模块上，在控制平台上调节驱动模块使试样保持垂直，使试样的轴线与超声疲劳加载模块的超声振动方向保持一致，设定应力比为-1～1，温度为300～1000℃，按照所述步骤1中确定的初始振幅依次对各个试样进行超声疲劳试验以获得试样的疲劳断裂循环周次，当试样的疲劳断裂循环周次大于或等于109且至少有三个试样进行了超声疲劳试验时，记录该次超声疲劳试验的加载振幅；当试样的疲劳断裂循环周次小于109时，更换试样并减小超声疲劳试验的加载振幅，继续试验。
13.根据权利要求10所述的高温高频疲劳试验方法，其特征在于，所述步骤3中更换新的试样并采用所述步骤2中的加载振幅对试样进行超声疲劳试验的方法为：将试样安装在超声疲劳加载模块上，在控制平台上调节驱动模块使试样保持垂直，使试样的轴线与超声疲劳加载模块的超声振动方向保持一致，调节驱动模块使入射X射线、试样的标距段的中心与成像探测机构的第一闪烁晶体共轴，使试样的标距段的中心与成像探测机构的第一闪烁晶体的中轴线的夹角等于试样的衍射角，设定应力比为-1～1，温度为300～1000℃，并设置采样频率，按照所述步骤2中记录的加载振幅开始超声疲劳试验。
14.根据权利要求10所述的高温高频疲劳试验方法，其特征在于，所述步骤4中的采样模式包括瞬态二维采样和旋转三维采样，所述瞬态二维采样的方法为：在每次达到设定的采样时刻时，超声信号采集器给出基准信号，由数字信号发生器同时触发第一高速相机和第二高速相机分别对试样进行一次或多次瞬态成像和衍射，直至达到设定的疲劳断裂循环周次或试样发生疲劳失效，停止试验。
15.根据权利要求14所述的高温高频疲劳试验方法，其特征在于，所述旋转三维采样的方法为：在每次达到设定的采样时刻时，超声疲劳加载模块停止工作，驱动模块每次带动试样以小于或等于0.18°的旋转角度步进旋转，试样每旋转一次，成像探测机构和衍射探测机构就会同时分别对试样进行一次成像和衍射，直至试样旋转至终止角度并完成成像和衍射后，超声疲劳加载模块再次启动；直至达到设定的疲劳断裂循环周次或试样发生疲劳失效，停止试验。
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