CN203643276U - 高温拉伸/压缩载荷作用下材料力学性能原位测试平台 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种高温拉伸/压缩载荷作用下材料力学性能原位测试平台，属于精密科学仪器领域。精密驱动/传动单元输出X轴方向精密位移；信号检测单元结合闭环控制系统实现高温拉伸/压缩载荷作用下材料微观力学性能测试过程的闭环控制；试件样品夹持单元采用隔热材料以减少热量损失；红外辐射加热单元采用非接触式加热，通过高能光束的照射，可在短时间内使被测试件样品达到较高温度；温控单元采用热电偶传感器实时检测试件温度，通过调节红外辐射灯管工作电压与水冷系统冷却液流量确保温度场恒定。优点在于：体积精巧、测试精度高、加热速度快、稳定性好、集成性高、实用性强。
Description
技术领域
本实用新型涉及精密科学仪器领域，特别涉及一种高温拉伸/压缩载荷作用下材料力学性能原位测试平台。本实用新型可独立作为测试装置对微小试件进行高温拉伸/压缩试验。也可与先进的显微呈像设备（如超景深显微镜， XRD摄像头等）集成使用，对整个实验过程，进行原位观测，得到材料的微观材料力学性能，以实现对载荷作用下材料变形、损伤的动态可视化原位监测。本实用新型可以揭示材料在微纳米尺度下的力学特性和损伤机理，对于新材料新工艺、精密光学、半导体技术、微机电系统（MEMS）技术等高技术产业的发展具有极为重要的推动作用。
背景技术
材料测试技术是材料科学与工程应用的重要手段和方法。所有零部件在实际使用过程中都不可避免地承受着力或温度的作用，在一定的使用条件和使用时间后，材料将发生变形、磨损、表面麻点等失效现象。显微观测是在失效分析中广泛使用的技术，通过对材料试样提供痕迹分析、裂纹分析和断口分析，以获取材料的基本性能和力学规律。
原位力学性能测试是指在微/纳米尺度下对试件材料进行力学性能测试的过程中，通过光学显微镜、电子显微镜以及原子力显微镜等仪器对各种载荷作用下材料及其制品发生的微观变形、损伤进行全程动态在线监测的一种力学测试手段。该技术从微观层面揭示了各类材料及其制品的力学行为、损伤机理以及载荷的大小、种类与材料性能间的相关性规律。
在高压蒸汽锅炉、汽轮机、柴油机、化工设备、航空发动机以及航空航天等极端工作场合下，很多机械元器件长期工作在高温条件下。并且由于在高温下，载荷持续时间对力学性能有很大的影响。对于制造这类机件的金属材料，有必要研制出一系列特种实验仪器来研究它们在高温环境下的力学性能。
目前，现有的高温拉伸材料力学性能测试装置尚存在一些不足之处：（1）商业化的高温拉伸测试装置的体积较大，无法进行材料微观力学拉伸压缩性能测试；（2）传统加热方式加热时间过长，控制精度不高，难以进行变温度场或者进行动态力学测试；（3）加热区域温度过高，缺乏隔热措施，不易直接与商业显微镜兼容使用。
因此设计一种具有体积小巧，易于集成使用，加热速度快，工作温度高，温度精度高且稳定的高温拉伸测试装置具有十分重要的意义。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种高温拉伸/压缩载荷作用下材料力学性能原位测试平台，解决了现有技术存在的上述问题。本实用新型能够运用在高温度场下材料微观形貌观测中。通过精密驱动/传动单元输出精确载荷和微小位移，信号检测/分析单元实现高温拉伸/压缩载荷作用下材料微观力学性能测试过程的闭环控制，红外辐射加热单元采用非接触式加热，通过高能光束的照射，可在短时间内使被测试件样品达到较高温度；温控单元采用热电偶传感器实时检测试件温度，通过调节红外辐射灯管工作电压与水冷系统冷却液流量确保温度场恒定。本实用新型可独立作为测试装置对微小试件进行高温拉伸/压缩试验。也可与先进的显微呈像设备（如超景深显微镜， XRD摄像头等）集成使用，对整个实验过程，进行原位观测，获得材料的微观材料力学性能。集成性高，实用性强，既可以独立使用又可以与其他设备兼容使用。
本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：
高温拉伸/压缩载荷作用下材料力学性能原位测试平台，包括精密驱动/传动单元、信号检测/控制单元、试件样品夹持单元，红外辐射加热单元14和温控单元。精密驱动/传动单元通过安装板Ⅱ6固定于温控单元上，伺服电机1通过联轴器12与精密滚珠丝杠11连接，丝杠螺母28固定于连接板5上，过渡套27上端固定于连接板5上，下端通过螺纹与夹持单元20上夹具体刚性连接，将电机提供的驱动力传递给夹持单元；信号检测/控制单元中的精密接触式电容位移传感器24固定于精密驱动/传动单元的移动板5和安装板Ⅱ6之间，通过检测连接板5的位移量来测量试件的变形量，拉压力传感器16上端通过螺纹与夹持单元20的下夹具体刚性连接，下端固定于温控单元的下保温罩中；红外辐射加热单元14固定于温控单元前保温罩与后保温罩内侧的凹槽中。实现在高温条件下拉伸/压缩载荷的准静态加载，结合光学显微镜，实现对试件在高温度场下变形过程的原位观测，进一步研究材料在温度场中的微观力学性能。
所述的精密驱动/传动单元输出X轴方向精密位移，由伺服电机1提供动力，经过减速器2减速后，驱动滚珠丝杠11，丝杠螺母28与移动板5相连，由移动板5输出直线位移，移动板5通过对称布置的四根直线导柱4支撑导向，直线导柱两端通过螺母Ⅰ21、螺母Ⅲ25分别固定于安装板Ⅰ3与安装板Ⅱ6上；所述伺服电机1通过螺钉与减速器2连接，减速器29为行星齿轮减速器，减速比为33，精度为3分；减速器2通过螺钉固定于电机法兰之上，电机法兰固定在安装板Ⅰ3相应的螺纹孔中；减速器2输出轴通过联轴器12与滚珠丝杠11的端部连接；丝杠螺母28通过螺钉固定在移动板5上，导套23安装在导轴4上，形成间隙配合，导套两端攻螺纹，通过螺母Ⅱ22将导套固定在移动板5上；过渡套27通过螺钉固定在移动板5上。
所述的信号检测/控制单元由精密接触式电容位移传感器24、拉压力传感器16和光电编码器构成，针对直流伺服电机1的脉冲/方向控制模式提供包括变形速率控制、力速率控制、位移速率控制在内的三种数字/模拟反馈信号源，其中精密接触式电容位移传感器24的前端弹性探头与安装板Ⅱ6的接触实现变形过程，其主体部分安装在移动板5上的光孔，形成过盈配合，跟随移动板5移动得到试件的变形量；拉压力传感器20分别与底座17和夹具20通过力传感器螺纹刚性连接，位移传感器24主体的伸缩方向和力传感器20的受力方向与标准试件15在载荷作用下的伸缩方向相同，以保证位移/载荷信号检测的准确性。
所述的试件样品夹持单元20由两个特质夹具体构成，夹具体上加工出锥形孔，通过锁紧螺钉夹紧试件，上夹具体通过螺纹与过渡套27刚性连接，下夹具体通过螺纹与力传感器20刚性连接，该夹具体由绝热材料玻璃陶瓷制成以减少热量损失。
所述的红外辐射加热单元14由发光体26、弧形反射罩30、聚光镜31构成，所述发光体26采用石英制成，通过插槽固定在弧形反射罩30内，弧形反射罩30内表面贴附一层镜面，聚光镜31通过卡槽固定于弧形反射罩30前端，弧形反射罩30外部接头上设置安装孔，通过螺钉8固定在后保温罩29上，并在连接表面涂以密封胶，确保腔体的密封性。
所述的红外辐射加热单元14共有四组，按照同样的安装形式，分别安装在前后保温罩上。加热时，四组加热单元同时工作，每组由发光体26向四周发出的高能光线经过弧形反射罩30的反射形成平行光，平行光经过聚光镜31折射汇聚到一起， 四组加热单元发射出的光束交叉，形成一个直径为10mm的圆柱形加热区，试件位于加热区中心，使试件快速升至较高温度。
所述的温控单元由上保温罩13、后保温罩29、前保温罩7、底座17，冷却水接头9、热电偶10构成，所述后保温罩29通过密封胶与上保温罩13和底座17，固连在一起，前保温罩7与后保温罩通过螺钉8连接，并在连接表面凃密封胶，确保整个腔体的密封性；冷却水接头9有两个接头，一个接头用于冷却液的注入，另一个用于温水的排出；热电偶10通过前保温罩7上的安装孔探入腔体内，与试件接触，共有3个触点，分别与试件15的两端和中间处接触，确保开始进行拉伸/压缩试验前，试件处于均匀的高温场中，通过将试件的温度实时反馈给外部温控系统，通过调节红外辐射灯管工作电压与水冷系统冷却液流量确保温度场恒定。
所述的保温罩7由有机玻璃制成，具有良好的透光性，显微镜头可以透过前保温罩7观测试件在高温条件下的微观变形过程。所述的底座17为中空结构，内部装有过滤层18，底部开有通气孔19，配合真空泵的使用，可在试验中保持高温腔的真空状态。
本实用新型的有益效果在于：优点在于：体积精巧、测试精度高、加热速度快、稳定性好、集成性高、实用性强，既可以独立使用测定高温状态下材料的拉伸/压缩力学性能参数，又可与金相显微镜和光学显微镜等仪器兼容使用动态原位测试载荷作用下材料的变形、损伤机制。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
图1为本实用新型的轴测视图；
图2为本实用新型的整体剖视图；
图3为本实用新型的主视图；
图4为本实用新型的侧视图；
图5为本实用新型的保温腔局部图；
图6为本实用新型的光照加热视图。
图中：1、伺服电机；2、减速机；3、安装板Ⅰ；4、直线导柱；5、移动板；6、安装板Ⅱ；7、前保温罩；8、螺钉；9、冷却水接头；10、热电偶；11、滚珠丝杠；12、联轴器；13上保温罩；14、红外辐射加热单元；15、试件；16、力传感器；17、底座；18、过滤层；19、通气口；20、夹持单元；21、螺母Ⅰ；22、螺母Ⅱ；23、导套；24、精密接触式电容位移传感器；25、螺母Ⅲ；26、发光体；27、过渡套；28、丝杠螺母；29、后保温罩；30、弧形反射罩；31、聚光镜。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图6所示，本实用新型的高温拉伸/压缩载荷作用下材料力学性能原位测试平台，包括精密驱动/传动单元、信号检测/控制单元、试件样品夹持单元，红外辐射加热单元14和温控单元。精密驱动/传动单元通过安装板Ⅱ6固定于温控单元上，伺服电机1通过联轴器12与精密滚珠丝杠11连接，丝杠螺母28固定于连接板5上，过渡套27上端固定于连接板5上，下端通过螺纹与夹持单元20上夹具体刚性连接，将电机提供的驱动力传递给夹持单元20；信号检测/控制单元中的精密接触式电容位移传感器24固定于精密驱动/传动单元的移动板5和安装板Ⅱ6之间，通过检测连接板5的位移量来测量试件的变形量，拉压力传感器16上端通过螺纹与夹持单元20的下夹具体刚性连接，下端固定于温控单元的下保温罩中；红外辐射加热单元14固定于温控单元前保温罩与后保温罩内侧的凹槽中。实现在高温条件下拉伸/压缩载荷的准静态加载，结合光学显微镜，实现对试件在高温度场下变形过程的原位观测，进一步研究材料在温度场中的微观力学性能。
参见图1至图4所示，所述的精密驱动/传动单元提供精密的X轴方向位移，由伺服电机1提供动力，经过减速器2减速后，驱动滚珠丝杠11，丝杠螺母28与移动板5相连，由移动板5输出直线位移，移动板通过对称布置的四根直线导柱4支撑导向，直线导柱两端通过螺母Ⅰ21、螺母Ⅲ25分别固定于安装板Ⅰ3与安装板Ⅱ6上；所述伺服电机1通过螺钉与减速器2连接，减速器29为行星齿轮减速器，减速比为33，精度为3分；减速器2通过螺钉固定于电机法兰之上，电机法兰固定在安装板Ⅰ3相应的螺纹孔中；减速器2输出轴通过联轴器12与滚珠丝杠11的端部连接；丝杠螺母28通过螺钉固定在移动板5上，导套23安装在导轴4上，形成间隙配合，导套两端攻螺纹，通过螺母Ⅱ22将导套固定在移动板5上；过渡套27通过螺钉固定在移动板5上。
参见图2所示，所述的信号检测/控制单元主要由精密接触式电容位移传感器24、拉压力传感器16和光电编码器构成，可针对直流伺服电机1的脉冲/方向控制模式提供包括变形速率控制、力速率控制、位移速率控制在内的三种数字/模拟反馈信号源，其中精密接触式电容位移传感器 24的前端弹性探头与安装板Ⅱ6的接触来实现变形过程，其主体部分安装于移动板上的光孔，形成过盈配合，跟随移动板移动可以得到试件的变形量；拉压力传感器20分别与底座17和夹具20通过力传感器螺纹刚性连接，位移传感器24主体的伸缩方向和力传感器20的受力方向与标准试件15在载荷作用下的伸缩方向相同，以保证位移/载荷信号检测的准确性。
参见图2所示，所述的试件样品夹持单元由两个特质夹具体构成，夹具体上加工出锥形孔，通过锁紧螺钉夹紧试件，上夹具体通过螺纹与过渡套刚性连接，下夹具体通过螺纹与力传感器20刚性连接，该夹具体由绝热材料玻璃陶瓷制成，减少了热量的耗散。
参见图2、图5、图6所示，所述的红外辐射加热单元14由发光体26、弧形反射罩30、聚光镜31构成。发光体26采用石英制成，通过插槽固定在弧形反射罩内，弧形反射罩30内表面贴附一层镜面，聚光镜31通过卡槽固定于弧形反射罩30前端，弧形反射罩30外部接头上加工出安装孔，通过螺钉固定在后保温罩29上，并在连接表面涂以密封胶，确保腔体的密封性。所述的红外辐射加热单元14共有四组，按照同样的安装形式，分别安装在前后保温罩上。加热时，四组加热单元同时工作，每组由发光体26向四周发出的高能光线经过弧形反射罩30的反射形成平行光，平行光经过聚光镜31折射汇聚到一起， 四组加热单元发射出的光束交叉，形成一个直径为10mm的圆柱形加热区，试件位于加热区中心，使试件和整个腔体快速升至较高温度。
参见图2、图5、图6所示，所述的温控单元由上保温罩13、后保温罩29、前保温罩7、底座17，冷却水接头9、热电偶10构成。后保温罩29通过密封胶与上保温罩13和底座17，固连在一起，前保温罩7与后保温罩通过螺钉8连接，并在连接表面凃密封胶，确保整个腔体的密封性。冷却水接头9有两个接头，一个接头用于冷却液的注入，另一个用于温水的排出，热电偶10通过前保温罩7上的安装孔探入腔体内，与试件接触，共有3个触点，分别与试件15的两端和中间处接触，通过调节红外辐射灯管工作电压与水冷系统冷却液流量，确保开始进行拉伸/压缩试验前，试件处于均匀的高温场中；保温罩7由有机玻璃制成，具有良好的透光性，显微镜头可以透过前保温罩7观测试件在高温条件下的微观变形过程。所述的底座17为中空结构，内部装有过滤层18，底部开有通气孔19，配合真空泵的使用，可在试验中保持高温腔的真空状态。
以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡对本实用新型所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高温拉伸/压缩载荷作用下材料力学性能原位测试平台，其特征在于：包括精密驱动/传动单元、信号检测/控制单元、试件样品夹持单元（20），红外辐射加热单元（14）和温控单元；
所述的精密驱动/传动单元通过安装板Ⅱ（6）固定于温控单元上，伺服电机（1）通过联轴器（12）与精密滚珠丝杠（11）连接，丝杠螺母（28）固定于连接板（5）上，过渡套（27）上端固定于连接板（5）上，下端通过螺纹与夹持单元（20）上夹具体刚性连接，将电机提供的驱动力传递给夹持单元（20）；信号检测/控制单元中的精密接触式电容位移传感器（24）固定于精密驱动/传动单元的移动板（5）和安装板Ⅱ（6）之间，通过检测连接板（5）的位移量来测量试件的变形量，拉压力传感器（16）上端通过螺纹与夹持单元（20）的下夹具体刚性连接，下端固定于温控单元的下保温罩中；红外辐射加热单元（14）固定于温控单元前保温罩与后保温罩内侧的凹槽中。
2.根据权利要求1所述的高温拉伸/压缩载荷作用下材料力学性能原位测试平台，其特征在于：所述的精密驱动/传动单元输出X轴方向精密位移，由伺服电机（1）提供动力，经过减速器（2）减速后，驱动滚珠丝杠（11），丝杠螺母（28）与移动板（5）相连，由移动板（5）输出直线位移，移动板（5）通过对称布置的四根直线导柱（4）支撑导向，直线导柱两端通过螺母Ⅰ（21）、螺母Ⅲ（25）分别固定于安装板Ⅰ（3）与安装板Ⅱ（6）上；所述伺服电机（1）通过螺钉与减速器（2）连接，减速器（29）为行星齿轮减速器；减速器（2）通过螺钉固定于电机法兰之上，电机法兰固定在安装板Ⅰ（3）相应的螺纹孔中；减速器（2）输出轴通过联轴器（12）与滚珠丝杠（11）的端部连接；丝杠螺母（28）通过螺钉固定在移动板（5）上，导套（23）安装在导轴（4）上，形成间隙配合，导套两端攻螺纹，通过螺母Ⅱ（22）将导套固定在移动板（5）上；过渡套（27）通过螺钉固定在移动板（5）上。
3.根据权利要求1所述的高温拉伸/压缩载荷作用下材料力学性能原位测试平台，其特征在于：所述的信号检测/控制单元由精密接触式电容位移传感器（24）、拉压力传感器（16）和光电编码器构成，针对直流伺服电机（1）的脉冲/方向控制模式提供包括变形速率控制、力速率控制、位移速率控制在内的三种数字/模拟反馈信号源，其中精密接触式电容位移传感器（24）的前端弹性探头与安装板Ⅱ（6）的接触实现变形过程，其主体部分安装在移动板（5）上的光孔，形成过盈配合，跟随移动板（5）移动得到试件的变形量；拉压力传感器（20）分别与底座（17）和夹具（20）通过力传感器螺纹刚性连接，位移传感器（24）主体的伸缩方向和力传感器（20）的受力方向与标准试件（15）在载荷作用下的伸缩方向相同。
4.根据权利要求1所述的高温拉伸/压缩载荷作用下材料力学性能原位测试平台，其特征在于：所述的试件样品夹持单元（20）由两个夹具体构成，夹具体上加工出锥形孔，通过锁紧螺钉夹紧试件，上夹具体通过螺纹与过渡套（27）刚性连接，下夹具体通过螺纹与力传感器（20）刚性连接，该夹具体由绝热材料玻璃陶瓷制成。
5.根据权利要求1所述的高温拉伸/压缩载荷作用下材料力学性能原位测试平台，其特征在于：所述的红外辐射加热单元（14）由发光体（26）、弧形反射罩（30）、聚光镜（31）构成，所述发光体（26）采用石英制成，通过插槽固定在弧形反射罩（30）内，弧形反射罩（30）内表面贴附一层镜面，聚光镜（31）通过卡槽固定于弧形反射罩（30）前端，弧形反射罩（30）外部接头上设置安装孔，通过螺钉固定在后保温罩（29）上，并在连接表面涂以密封胶。
6.根据权利要求5所述的高温拉伸/压缩载荷作用下材料力学性能原位测试平台，其特征在于：所述的红外辐射加热单元（14）共有四组，按照同样的安装形式，分别安装在前后保温罩上。
7.根据权利要求1所述的高温拉伸/压缩载荷作用下材料力学性能原位测试平台，其特征在于：所述的温控单元由上保温罩（13）、后保温罩（29）、前保温罩（7）、底座（17），冷却水接头（9）、热电偶（10）构成，所述后保温罩（29）通过密封胶与上保温罩（13）和底座（17），固连在一起，前保温罩（7）与后保温罩通过螺钉（8）连接，并在连接表面凃密封胶；冷却水接头（9）有两个接头，热电偶（10）通过前保温罩（7）上的安装孔探入腔体内，与试件接触，共有3个触点，分别与试件（15）的两端和中间处接触。
8.根据权利要求7所述的高温拉伸/压缩载荷作用下材料力学性能原位测试平台，其特征在于：所述的保温罩（7）由有机玻璃制成，所述的底座（17）为中空结构，内部装有过滤层（18），底部开有通气孔（19）。
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