CN210427257U - 形状记忆合金热力循环功能疲劳性能测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了形状记忆合金热力循环功能疲劳性能测试系统；包括样品支架、力学加载系统、温度控制系统和数据采集系统；力学加载系统的上下夹具夹持条状形状记忆合金样品两端，重物砝码和限位挡板分别对合金条施以拉、压应力加载。温度控制系统的柔性聚酰亚胺加热膜贴在合金条一侧，冷却风扇安置于样品背部，加热膜、冷却风扇的正负极分别通过时间继电器的加热、冷却端和直流稳压电源连接。本实用新型的测试系统不仅能对形状记忆合金样品在单一热循环载荷下的功能疲劳性能进行测试，而且能够结合不同的力学加载方式对样品进行相应的力学约束，从而实现复杂的热力循环加载，继而对形状记忆合金样品在热力循环载荷下的功能疲劳性能进行测试。

Description

形状记忆合金热力循环功能疲劳性能测试系统

技术领域

本实用新型涉及形状记忆合金测试，特别是涉及金属智能材料在长期热力循环载荷下功能特性与显微组织演变测试，是一种定量评价形状记忆合金在长期热力循环服役过程中的工作稳定性、功能疲劳行为的测试系统。

背景技术

形状记忆合金是一种新型智能材料，具备形状记忆效应、超弹性以及阻尼效应等功能特性及优异的力学性能，因此被广泛应用于智能器件、微型驱动、阻尼减震和生物医疗等领域。通常，经过不同的“训练”工艺，形状记忆合金能在热驱动下发生特定的形状改变，如伸长、缩短、弯曲等，从而满足不同的应用场合。在形状记忆合金的长期服役过程中，往往会经历循环往复的热致马氏体相变，以及不同类型不同程度的应力诱发马氏体相变，长时间的热力循环过程将会导致功能特性的改变、退化甚至丧失，主要包括相变温度改变、可回复应变减小、相变滞后增大、相变临界应力减小、伪弹性或阻尼能力的损失等。以上功能疲劳现象的产生不仅会影响材料在功能执行层面的服役寿命，还会进一步造成材料显微组织的改变及结构的损伤甚至断裂，从而极大地降低了材料的使用寿命。目前，对于形状记忆合金功能疲劳层面的研究还相对较少，对于功能疲劳性能的评价手段也相对单一。为实现形状记忆合金在实际服役过程中的复杂工况下功能疲劳行为的评估，一种能在热力循环加载下，对形状记忆合金进行安全、可靠的功能疲劳测试的评价系统应运而生。

中国实用新型专利申请“一种形状记忆合金热机械疲劳实验装置”(公布号为CN105181734A)以及“形状记忆合金丝材用多功能测试仪”(公布号为CN 101122559A)，以上专利仅涉及热循环过程中测试样品的疲劳情况研究，并且加热手段为电流加热，对于电阻或者尺寸较大的样品，需要采取较大的电流进行加热，存在一定的安全隐患；同时，在加热过程中，由于样品夹持处的电阻较大，导致样品加热不均的现象；此外，电流本身对样品功能疲劳的影响难以独立评估，从而增加了实验的不确定性。“基于电-热耦合场的形状记忆合金材料功能疲劳性能测试系统”(公布号为CN206270163U)采用加热膜加热方式实现了对形状记忆合金样品快速稳定的加热，但该专利采用摄像法获取样品测试过程中的形状变化数据，会带来数据量过大，数据处理耗时的不足；“一种形状记忆合金热循环功能疲劳性能测试系统”(公布号为CN206563723U)采用位移传感器采集形状记忆合金样品在测试过程中的形状变化数据，但以上装置的无法对形状记忆合金样品同时施加力载荷，由于形状记忆合金在实际服役过程中都不可避免会受到外加力的作用，上述现有技术的加载测试方式与形状记忆合金实际服役过程所受载荷情况有所差别。

实用新型内容

本实用新型目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种形状记忆合金热力循环功能疲劳性能测试系统，可对形状记忆合金进行四种稳定的热力循环加载，并对形状记忆合金在长期循环过程中的位移和温度数据进行同步采集和存储，通过对实验数据的分析可定量评价形状记忆合金的功能疲劳性能。

本实用新型弥补现有技术空白，开发出一套能够稳定模拟形状记忆合金的热力循环过程的装置，对于循环过程的温度及变形量能够全面监测和记录，从而为后续功能疲劳行为的评价提供数据支撑，最终实现为形状记忆合金的成分及制备工艺的设计提供可靠的参考和依据。

为实现上述目的，本实用新型采取如下技术方案：

形状记忆合金热力循环功能疲劳性能测试系统，包括样品支架、力学加载系统、控温系统和数据采集系统；所述的样品支架为T型镂空铝合金支架；

所述的力学加载系统包括夹具、长螺栓、固定板、重物砝码和限位挡板；所述的夹具包括夹头、滑座、滑杆；滑座、夹头、滑杆均分为上下两部分，滑座包括上滑座和下滑座；夹头包括上夹头和下夹头；滑杆包括上滑杆和下滑杆；上夹头和下夹头分别与形状记忆合金样品的两端刚性连接；上夹头和下夹头分别与上滑杆和下滑杆铰接；上滑杆和下滑杆分别与上滑座和下滑座活动连接；上滑座还设有锁紧装置，锁紧上滑杆；固定板有三块，间隔设置在样品支架上，上端的两个固定板开有通孔，上滑座和下滑座分别通过通孔安装在上端的两个固定板上；长螺栓一端连接重物砝码，另一端穿过限位挡板连接下滑杆；限位挡板通过T型螺栓固定在样品支架上，限位挡板上设有通孔，通孔的直径介于长螺栓的直径与滑杆的直径之间；

所述的控温系统包括冷却风扇、时间继电器、直流稳压电源、柔性聚酰亚胺加热膜；柔性聚酰亚胺加热膜贴在形状记忆合金样品上，柔性聚酰亚胺加热膜的正负极导线分别与直流稳压电源、时间继电器连接，时间继电器与直流稳压电源相连，组成加热电路；冷却风扇安装在样品支架上，正对着夹具上的形状记忆合金样品；冷却风扇与时间继电器、直流稳压电源相连，时间继电器与直流稳压电源相连，组成冷却电路；

所述的数据采集系统包括激光位移传感器、K型热电偶、热电偶信号调理模块、数据采集卡和计算机；激光位移传感器和热电偶信号调理模块分别连接数据采集卡，数据采集卡连接计算机，K型热电偶补偿端连接热电偶信号调理模块；激光位移传感器安装在第三个固定板上，激光位移传感器位于重物砝码的正下方。

为进一步实现本实用新型目的，优选地，所述数据采集卡采用USB-6001数据采集卡；热电偶信号调理模块采用S1101D型热电偶型号调理模块。

优选地，所述的限位挡板的材质为铝合金板材。

优选地，所述固定板选择条状高强度尼龙板。

优选地，所述K型热电偶的丝径小于0.5mm。

优选地，所述的滑座、夹头和滑杆的材质为不锈钢。

优选地，所述的固定板上的通孔为圆角过渡的长方形通孔。

优选地，所述的固定板和限位挡板都通过T型螺栓连接于样品支架上。

优选地，所述的重物砝码由多干个不锈钢小球组成，每颗小球重量相同。

优选地，所述的限位挡板上的通孔优选为圆角过渡的长方形通孔。

测试时，将柔性聚酰亚胺加热膜贴于条状样品一侧，柔性聚酰亚胺加热膜的正负极导线与时间继电器的加热端相连，时间继电器与直流稳压电源相连；冷却风扇固定在样品支架背部，与时间继电器的冷却端相连，吹气方向为从后至前。当时间继电器与柔性聚酰亚胺加热膜相连的加热端处于导通状态时，直流稳压电源对柔性聚酰亚胺加热膜进行加热；当加热结束时，时间继电器与冷却风扇相连的冷却端处于导通状态，冷却风扇运行，对加热后的条状样品进行空气对流冷却，其中，加热和冷却时间由时间继电器设定。将丝径小于0.5mm的K型热电偶的测量端通过高温胶粘在条状形状记忆合金样品表面，补偿端连接至热电偶信号调理模块，热电偶信号调理模块可对K型热电偶输出的电压信号进行冷端补偿、降噪、信号隔离等处理。限位挡板位于下夹具下方，固定在样品支架上并保持水平，可上下调节位置，从而限制下滑杆的下行，实现对合金样品所受压应力大小的控制。重物砝码通过长螺栓与下滑杆相连，通过控制不锈钢小球的数量来调节重物砝码的重量，实现对样品所受拉应力大小的控制。激光位移传感器安装在固定板上，固定板位置可调，以满足测量基准的要求，激光位移传感器位于重物砝码的正下方，精度30μm，以准确监测重物砝码的垂直位移，从而实时监测条状样品在加热或冷却过程中的变形量，进而通过内置的信号调理模块对监测到的信号进行调理。热电偶信号调理模块和激光位移传感器均连接至数据采集卡，由数据采集卡将采集到的电压信号转换为数字信号传输给计算机，计算机通过NI Labview中DAQ编程软件对采集到的温度和位移信号进行显示和存储，数据存储的文件夹位置可由软件设定，并自动命名，采集速率亦可根据实际情况进行调整。通过对存储后的数据进行分析，得到时间与相应位移的循环曲线，即可评价形状记忆合金的疲劳行为。

本实用新型限位挡板可根据需要调整高度。冷却风扇以吹气方向从后至前的方式安装在样品背部。所述形状记忆合金样品在热力循环过程中的变形量监测传感器使用激光位移传感器。数据采集系统使用数据采集卡对温度信号和位移信号同步采集。

与现有技术相比，本实用新型的特点和优越性主要为：

1、本实用新型对条状形状记忆合金的加热采取柔性聚酰亚胺加热膜传热的方式，实现了低压直流电源快速加热，在保障系统安全性的同时，保证了柔性聚酰亚胺加热膜不会对样品的变形产生影响。

2、本实用新型可在进行热循环的同时对样品进行应力加载及应变约束，使样品的循环测试过程更加接近实际工况，评价结果更有应用价值。

3、本实用新型可对温度数据和位移数据进行同步采集和存储，实现温度数据和位移数据的实时对应。

4、本实用新型的测试样品为垂直放置，样品在重物砝码的拉力作用下可实现自动对中。

5、本实用新型的测试模式可以自由切换，可选热循环测试、恒应力-热循环测试、固定应变-热循环测试、恒应力固定应变-热循环测试4种模式。

附图说明

图1为本实用新型形状记忆合金热力循环功能疲劳测试系统主视图。

图2为本实用新型形状记忆合金热力循环功能疲劳测试系统侧视图。

图3为本实用新型形状记忆合金热力循环功能疲劳测试系统夹具构造示意图。

图中示出：滑座1、上滑座101、下滑座102、夹头2、上夹头201、下夹头为202、滑杆3、上滑杆301、下滑杆302、长螺栓4、冷却风扇5、固定板6、重物砝码7、激光位移传感器8、时间继电器9、直流稳压电源10、K型热电偶11、限位挡板12、热电偶信号调理模块13、计算机14、数据采集卡15、样品支架16、柔性聚酰亚胺加热膜17、形状记忆合金样品18。

具体实施方式

为更好地理解本实用新型，下面结合附图对本实用新型做进一步的说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

如图1和2所示，形状记忆合金热力循环功能疲劳测试系统，包括样品支架16、力学加载系统、控温系统和数据采集系统。

如图2所示，样品支架16优选为T型镂空铝合金支架。

如图1-3所示，力学加载系统包括夹具，长螺栓4、固定板6、重物砝码7、限位挡板12；夹具包括夹头2、滑座1、滑杆3；滑座1、夹头2、滑杆3均分为上下两部分，滑座1 包括上滑座101和下滑座102；夹头2包括上夹头201和下夹头202；滑杆3包括上滑杆 301和下滑杆302；上夹头201和下夹头202分别与形状记忆合金样品18的两端刚性连接；上夹头201和下夹头202分别与上滑杆301和下滑杆302铰接；上滑杆301和下滑杆302 分别与上滑座101和下滑座102活动连接；上滑座101还设有锁紧装置，能将上滑杆301 锁紧；柔性聚酰亚胺加热膜17贴附于形状记忆合金样品18上。滑座1、夹头2、滑杆3优选高强度不锈钢。通过设计不同规格的样品夹具可实现对不同形状规格以及尺寸形状合金样品的热力循环功能疲劳测试。

滑座1与滑杆3采取间隙配合，上滑座101具有锁紧装置，能将上滑杆301锁紧，下滑杆302与下滑座102可相对滑动。

固定板6优选为长条状高强度尼龙板，夹具的滑座1和限位挡板12通过固定板6固定在样品支架16上；固定板6有三块，间隔设置在样品支架16上，上端的两个固定板6开有通孔，通孔优选为圆角过渡的长方形通孔，上滑座101和下滑座102分别通过通孔安装在上端的两个固定板6上；激光位移传感器8安装在第三个固定板6上；固定板6通过T 型螺栓刚性连接于样品支架上16上，竖直和水平位置均可调。

长螺栓4一端连接重物砝码7，另一端穿过限位挡板12连接下滑杆302，使样品在重物砝码7的作用下实现对中，即垂直水平面。限位挡板12通过T型螺栓固定在样品支架上，限位挡板12上设有通孔，通孔优选为圆角过渡的长方形通孔，通孔的直径介于长螺栓4的直径与滑杆3的直径之间，以限制下滑杆302的下行，限位挡板12材料优选铝合金板材。力学载荷由长螺栓4、重物砝码7组成，重物砝码7的重量可按需调节，对形状记忆合金样品18施加向下的拉应力。限位挡板12的高度可按需调节，对形状记忆合金样品18施加向上的压应力。

控温系统包括冷却风扇5、时间继电器9、直流稳压电源10、柔性聚酰亚胺加热膜17；如图2、3所示，柔性聚酰亚胺加热膜17贴在形状记忆合金样品18上，柔性聚酰亚胺加热膜17的正负极导线分别与直流稳压电源10、时间继电器9连接，时间继电器9与直流稳压电源10相连，整体组成加热电路。如图1、2所示，冷却风扇5安装在样品支架16上，正对着夹具上的形状记忆合金样品18。冷却风扇5也与时间继电器9、直流稳压电源10相连，时间继电器9与直流稳压电源10相连，整体组成冷却电路。时间继电器9通过设定时间对加热、冷却两条电路进行开路和闭合切换。

如图1、2所示，数据采集系统包括激光位移传感器8、K型热电偶11、热电偶信号调理模块13、数据采集卡15和计算机14；计算机14中安装有基于NI Labview DAQ模块进行编程的数据采集软件；激光位移传感器8和热电偶信号调理模块13分别连接数据采集卡 15，数据采集卡15连接计算机14，K型热电偶11补偿端连接热电偶信号调理模块13，测量端连接用耐高温隔热胶带贴于形状记忆合金样品18表面；激光位移传感器8安装在固定板6上，激光位移传感器位于重物砝码的正下方；可以通过调节固定板6高度来调节激光位移传感器8的位置，以满足测量基准距离要求，激光位移传感器8位于重物砝码7正下方，用于对形状记忆合金样品18在热力循环功能疲劳测试过程中发生的变形量进行实时监测，并通过内置信号调理模块对监测到的位移信号进行调理。

热电偶信号调理模块13优选北京阿尔泰科技发展有限公司生产的S1101D热电偶信号调理模块。

本实用新型形状记忆合金热力循环功能疲劳测试系统可进行四种不同循环加载模式测试，包括热循环加载，热循环测试、恒应力-热循环测试、固定应变-热循环测试、恒应力固定应变-热循环测试，具体实施方式如下：

1、热循环测试模式。在不挂重物砝码7、限位挡板12的高度不足以阻挡形状记忆合金18变形的前提下，当时间继电器9与柔性聚酰亚胺加热膜17相连接的加热电路处于闭合状态时，直流稳压电源10对柔性聚酰亚胺加热膜17进行通电加热，在设定好的加热时间内，柔性聚酰亚胺加热膜17处于通电加热状态，通过热传递将形状记忆合金样品18加热到设定温度。随着形状记忆合金样品18温度逐渐升高，形状记忆合金样品18的形状由平直状自由地变为弯曲状(如图1或3所示)；当加热时间结束后，时间继电器3将加热电路切换至开路状态并使冷却电路处于闭合状态，冷却风扇5开始工作，通过空气对流对形状记忆合金样品18快速降温，随着形状记忆合金样品18温度逐渐降低，形状记忆合金样品18的形状由弯曲状自由地回复为平直状。

2、恒应力-热循环测试。在限位挡板12的高度不足以限制形状记忆合金18变形的前提下，悬挂重物砝码7施加向下的拉应力。柔性聚酰亚胺加热膜17处于通电加热状态时，随着形状记忆合金样品18温度逐渐升高，形状记忆合金样品18的形状由平直状逐渐自由地变为弯曲状(如图1或3所示)，由于形状记忆合金样品18在变形过程中始终受到拉应力，样品的变形量随着重物砝码7的重量增大而减小；当加热时间结束后，时间继电器3 将加热电路切换至开路状态并使冷却电路处于闭合状态，冷却风扇5开始工作，随着形状记忆合金样品18温度逐渐降低，形状记忆合金样品18发生回复过程，形状由弯曲状回复为平直状。

3、固定应变-热循环测试。将限位挡板12的高度调节到合适高度，在不挂重物砝码7 的前提下，柔性聚酰亚胺加热膜17处于通电加热状态时，随着形状记忆合金样品18温度逐渐升高，形状记忆合金样品18的形状由平直状逐渐自由地变为弯曲状(如图1或3所示)；当加热时间结束后，冷却风扇5开始工作，随着形状记忆合金样品18温度逐渐降低，由于限位挡板12对形状记忆合金样品18将产生向上的压应力，限制形状记忆合金样品18完全回复到平直状态，在进一步的冷却过程中，形状记忆合金样品18将持续受到向上的压应力，从而固定其应变量。

4、恒应力固定应变-热循环测试。悬挂重物砝码7对形状记忆合金样品18施加向下的拉应力，同时向上调节限位挡板12的高度，使对样品构成向上的压应力。当柔性聚酰亚胺加热膜17处于通电加热状态时，随着形状记忆合金样品18温度逐渐升高，形状记忆合金样品18在变形过程中始终受到拉应力，样品的变形量随着重物砝码7的重量增大而减小；当加热时间结束后，冷却风扇5开始工作，随着形状记忆合金样品18温度逐渐降低，由于限位挡板12的存在，形状记忆合金样品18的形状难以回复到平直状，始终固定其应变量。

将K型热电偶11测量端通过耐高温隔热胶带贴在形状记忆合金样品18表面，K型热电偶11补偿端连接至热电偶信号调理模块13，通过热电偶信号调理模块13对K型热电偶 11输出的电压信号进行冷端补偿、降噪、信号隔离等处理；激光位移传感器8安装在固定板6上，通过调节固定板6高度调节激光位移传感器8的位置，以满足测量基准距离要求，激光位移传感器8对形状记忆合金样品18在热力循环功能疲劳测试过程中发生的变形量进行实时监测，并通过内置信号调理模块对监测到的信号进行调理，热电偶信号调理模块13 和激光管位移传感器5连接至数据采集卡15，通过数据采集卡15将经过调理的电压信号转换成数字信号传输到计算机14(PC)，计算机14通过NI Labview中DAQ编程软件对测量得到的温度信号和位移信号进行显示和存储；数据采集软件能实现数据采集、数据实时显示、文件夹自动命名、采集速率设置等功能。通过分析采集的数据可得到形状记忆合金在热力循环过程中的变形情况，以此来评价形状记忆合金的功能疲劳行为。

需要指出的是，上面所述的直流稳压电源、时间继电器、冷却风扇、K型热电偶、计算机等可采用本领域普通技术人员已知的任何合适的型号。

本实用新型通过上述测试系统可以对形状记忆合金材料进行热力循环功能疲劳测试，并且能实时采集热力循环过程中形状记忆合金发生的形状变形量和温度数据，通过对获得的数据进行统计处理和量化分析，可评价所述形状记忆材料在热力循环加载中的功能疲劳性能。

在本实用新型的基础上，本领域技术人员可以设计出很多其它的修改和实施方式，这些修改和实施方式也落在本申请公开的原理范围和技术框架之内。

Claims (10)

1.形状记忆合金热力循环功能疲劳性能测试系统，其特征在于，包括样品支架、力学加载系统、控温系统和数据采集系统；所述的样品支架为T型镂空铝合金支架；

所述的力学加载系统包括夹具、长螺栓、固定板、重物砝码和限位挡板；所述的夹具包括夹头、滑座、滑杆；滑座、夹头、滑杆均分为上下两部分，滑座包括上滑座和下滑座；夹头包括上夹头和下夹头；滑杆包括上滑杆和下滑杆；上夹头和下夹头分别与形状记忆合金样品的两端刚性连接；上夹头和下夹头分别与上滑杆和下滑杆铰接；上滑杆和下滑杆分别与上滑座和下滑座活动连接；上滑座还设有锁紧装置，锁紧上滑杆；固定板有三块，间隔设置在样品支架上，上端的两个固定板开有通孔，上滑座和下滑座分别通过通孔安装在上端的两个固定板上；长螺栓一端连接重物砝码，另一端穿过限位挡板连接下滑杆；限位挡板通过T型螺栓固定在样品支架上，限位挡板上设有通孔，通孔的直径介于长螺栓的直径与滑杆的直径之间；

所述的控温系统包括冷却风扇、时间继电器、直流稳压电源、柔性聚酰亚胺加热膜；柔性聚酰亚胺加热膜贴在形状记忆合金样品上，柔性聚酰亚胺加热膜的正负极导线分别与直流稳压电源、时间继电器连接，时间继电器与直流稳压电源相连，组成加热电路；冷却风扇安装在样品支架上，正对着夹具上的形状记忆合金样品；冷却风扇与时间继电器、直流稳压电源相连，时间继电器与直流稳压电源相连，组成冷却电路；

所述的数据采集系统包括激光位移传感器、K型热电偶、热电偶信号调理模块、数据采集卡和计算机；激光位移传感器和热电偶信号调理模块分别连接数据采集卡，数据采集卡连接计算机，K型热电偶补偿端连接热电偶信号调理模块；激光位移传感器安装在第三个固定板上，激光位移传感器位于重物砝码的正下方。

2.根据权利要求1所述的形状记忆合金热力循环功能疲劳性能测试系统，其特征在于，所述数据采集卡采用USB-6001数据采集卡；热电偶信号调理模块采用S1101D型热电偶型号调理模块。

3.根据权利要求1所述的形状记忆合金热力循环功能疲劳性能测试系统，其特征在于，所述的限位挡板的材质为铝合金板材。

4.根据权利要求1所述的形状记忆合金热力循环功能疲劳性能测试系统，其特征在于，所述固定板选择条状高强度尼龙板。

5.根据权利要求1所述的形状记忆合金热力循环功能疲劳性能测试系统，其特征在于，所述K型热电偶的丝径小于0.5mm。

6.根据权利要求1所述的形状记忆合金热力循环功能疲劳性能测试系统，其特征在于，所述的滑座、夹头和滑杆的材质为不锈钢。

7.根据权利要求1所述的形状记忆合金热力循环功能疲劳性能测试系统，其特征在于，所述的固定板上的通孔为圆角过渡的长方形通孔。

8.根据权利要求1所述的形状记忆合金热力循环功能疲劳性能测试系统，其特征在于，所述的固定板和限位挡板都通过T型螺栓连接于样品支架上。

9.根据权利要求1所述的形状记忆合金热力循环功能疲劳性能测试系统，其特征在于，所述的重物砝码由多干个不锈钢小球组成，每颗小球重量相同。

10.根据权利要求1所述的形状记忆合金热力循环功能疲劳性能测试系统，其特征在于，所述的限位挡板上的通孔优选为圆角过渡的长方形通孔。

Images