CN211426061U - 一种可旋转式原位疲劳及拉伸试验用夹具系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可旋转式原位疲劳及拉伸试验用夹具系统，包括加载夹具系统和旋转夹具系统，加载夹具系统用于夹持试样，并通过传感器与伺服疲劳加载装置连接；旋转夹具系统包括电机，电机连接旋转轴，旋转轴通过齿轮传动与加载夹具系统连接，能够带动试样以Y轴为中心实现原位旋转，传感器能够加载位移控制和载荷控制，并将采集的信息发送至伺服疲劳加载装置完成试样的原位疲劳及拉伸试验。本实用新型提高了分析效率，提升了现有原位疲劳/拉伸台夹具的自由度，可实现原位疲劳/拉伸试样。

Description

一种可旋转式原位疲劳及拉伸试验用夹具系统

技术领域

本实用新型属于材料微观性能检测试验用辅助装置技术领域，具体涉及一种可旋转式原位疲劳及拉伸试验用夹具系统。

背景技术

原位疲劳/拉伸测试技术是原位微纳米力学性能测试的重要手段，可以借助光镜、扫描电镜或透射电镜在较高的放大倍数下实时地观察材料在载荷疲劳载荷、拉伸载荷、弯曲载荷等的作用下，裂纹的萌生与扩展情况及微观组织变化规律，可以同时采集试样力-位移，应力-位移，应力-应变曲线及数据，从而获得材料疲劳强度、抗拉强度、屈服强度及疲劳裂纹扩展门槛值等力学性能指标，同时可观察裂纹萌生和扩展与微观组织之间的内在关系和规律。

目前，市面上常见的进口微型原位拉伸台厂家主要有GATAN、MTI、K&W及岛津，国内起步比较晚，其中中机公司在微型原位拉伸台制造方面比较成熟，但无论是国外还是国内公司的原位拉伸台一般都只能固定观察一个面，样品台自由度较低。实际试验过程中，有些特殊试样需要同时观察试样侧面，或者有些微裂纹起源于样品的侧面，需要对样品进行一定角度的旋转，才能满足要求，目前原位试验设备都是只能观察试样向上的，正对着电子束的一面，无法看到侧面或者底面试样发生的微观组织变化，本发明即设计一种可旋转的原位疲劳/拉伸试验用夹具系统。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种可旋转式原位疲劳及拉伸试验用夹具系统，实现原位疲劳/拉伸试样。

本实用新型采用以下技术方案：

一种可旋转式原位疲劳及拉伸试验用夹具系统，其特征在于，包括加载夹具系统和旋转夹具系统，加载夹具系统用于夹持试样，并通过传感器与伺服疲劳加载装置连接；旋转夹具系统包括电机，电机连接旋转轴，旋转轴通过齿轮传动与加载夹具系统连接，能够带动试样以Y轴为中心实现原位旋转，传感器能够加载位移控制和载荷控制，并将采集的信息发送至伺服疲劳加载装置完成试样的原位疲劳及拉伸试验。

具体的，加载夹具系统包括夹具主体支撑框架，试样设置在夹具主体支撑框架内，包括动态加载端和固定端，动态加载端夹持在可旋转夹具上，可旋转夹具通过可旋转连杆与传感器连接，固定端夹持在可旋转试样夹具上。

进一步的，可旋转连杆上设置有第一齿轮，可旋转试样夹具通过第三齿轮固定于夹具主体支撑框架上。

更进一步的，旋转轴上设置有第二齿轮，旋转轴的一端与夹具主体支撑框架上设置的第四齿轮连接，第二齿轮与第一齿轮啮合连接，第四齿轮与第三齿轮啮合连接。

更进一步的，旋转轴与可旋转连杆平行设置，第二齿轮和第四齿轮同轴且同尺寸，第一齿轮和第三齿轮同轴且同尺寸。

进一步的，传感器上设置有连杆固定装置，连杆固定装置用于连接可旋转连杆的一端。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：

本实用新型一种可旋转式原位疲劳及拉伸试验用夹具系统，通过加载夹具系统夹持试样，通过旋转夹具系统在以Y轴为中心的方向上，进行自由旋转，弥补了目前的原位疲劳/拉伸台仅能观察试样的一个面，或者一个方向的缺陷，扩大了试样周向原位观察的视野，提高了分析效率，提升了现有原位疲劳/拉伸台夹具的自由度，可实现原位疲劳/拉伸试样。

进一步的，试样动态加载端连接的可旋转连杆、试样固定端的被动齿轮和与其啮合的主动齿轮，以及与电机连接的旋转主轴都固定于试样夹具主体框架上，保证各配件的几何相对位置及稳固性，传感器位于伺服疲劳加载系统与连杆之间，实现位移控制和载荷控制两种加载方式，对试样施加不同方式的载荷，同时可连接外部数据采集系统，对位移和载荷的数据进行采集处理。

进一步的，可旋转连杆上装配有被动齿轮，被动齿轮只带动连杆进行旋转，但在轴向上与连杆留有设备允许最大位移间隙，即允许连杆在Y轴方向上自由运动，不受齿轮限制。

进一步的，试样动态加载端连接的可旋转连杆和电机连接的旋转主轴保持平行，保证两副齿轮的啮合，以及同步旋转同样的角度，以实现样品两端同时旋转，同样的角度，避免在样品旋转时，施加不必要的扭矩。

综上所述，本实用新型可实现在试样加载的同时，通过旋转夹具来旋转试样，可对试样的不同表面进行原位微观组织观察，尤其是在拉伸或者疲劳载荷下，如果裂纹起裂于试样侧面，或者底面时，可通过旋转试样，捕捉到裂纹的起裂处，能更高效、更准确的揭示力与微观组织的本质关系。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为A截面处主动齿轮和被动齿轮的啮合示意图。

其中：1.伺服疲劳加载装置；2.传感器；3.连杆固定装置；4.第一齿轮；5.可旋转连杆；6.夹具主体支撑框架；7.可旋转试样夹具；8.第三齿轮；9.第四齿轮；10.试样；11.可旋转夹具；12.旋转轴；13.第二齿轮；14.电机。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型提供了一种可旋转式原位疲劳及拉伸试验用夹具系统，旋转夹具系统通过电机带动旋转轴旋转，旋转轴通过主动齿轮带动被动齿轮同时旋转，最终实现试样以Y轴为中心的旋转；加载夹具系统主要通过可旋转连杆连接传感器和伺服疲劳加载系统，实现载荷控制或者位移控制的加载方式。本实用新型原位疲劳及拉伸试验用夹具系统结构紧凑，集成度高，提升了现有原位疲劳/拉伸台夹具的自由度，可与高分辨显微镜联合使用，对材料微纳米尺度的原位疲劳/拉伸性能进行测试。

请参阅图1，本实用新型一种可旋转式原位疲劳及拉伸试验用夹具系统，包括伺服疲劳加载装置1、传感器2、连杆固定装置3、第一齿轮4、可旋转连杆5、夹具主体支撑框架6、可旋转试样夹具7、第三齿轮8、第四齿轮9、试样10、可旋转夹具11、旋转轴12、第二齿轮13和电机14。

试样10设置在夹具主体支撑框架6内，一端通过试样夹具7与夹具主体支撑框架6固定连接，另一端通过可旋转连杆5与伺服疲劳加载装置1连接，可旋转连杆5和试样夹具7分别通过齿轮与电机14连接，由电机14驱动试样实现原位旋转，伺服疲劳加载装置1和可旋转连杆5之间设置有传感器2，传感器2能够加载位移控制和载荷控制，并将采集的信息发送至伺服疲劳加载装置1完成原位疲劳及拉伸试验。

夹具主体支撑框架6内设置有相互啮合的第三齿轮8和第四齿轮9，可旋转试样夹具7的一端设置在第三齿轮8上，第四齿轮9与旋转轴12的一端连接，旋转轴12的另一端经第二齿轮13与电机14连接，第二齿轮13与设置在可旋转连杆5上的第一齿轮4啮合连接。

传感器2上设置有用于连接可旋转连杆5的连杆固定装置3。

试样10包括动态加载端和固定端，固定端夹持在可旋转试样夹具7上，通过被动第三齿轮8固定于夹具主体支撑框架6上，动态加载端夹持在可旋转夹具11上，与可旋转连杆5的一端连接，可旋转连杆5上配置有被动第一齿轮4，被动第一齿轮4和第三齿轮8同轴同尺寸。

可旋转连杆5的另一端通过连杆固定装置3与位移传感器2连接，传感器2位于伺服疲劳加载系统1与可旋转连杆5之间，实现位移控制和载荷控制两种加载方式，对试样施加不同方式的载荷。

电机14连接旋转轴12的一端，可带动旋转轴12旋转，旋转轴12与可旋转连杆5平行，旋转轴12的另一端与第四齿轮9连接，旋转轴12上设置有第二齿轮13，第二齿轮13和第四齿轮9同轴且同尺寸，第二齿轮13和第四齿轮9分别与被动第一齿轮4和第三齿轮8啮合，可同时带动两个同轴同尺寸主动第二齿轮13和第四齿轮9旋转，进而带动第一齿轮4和第三齿轮8转动，两副齿轮啮合结构相同，主动第一齿轮4和被动第二齿轮13啮合结构如图2所示。

可旋转连杆5、试样10固定端的被动第三齿轮8，和与其啮合的主动第四齿轮9，以及与电机连接的旋转旋转轴12都固定于试样夹具主体框架6上，保证各配件的几何相对位置及稳固性。

请参阅图2，可旋转连杆5上装配有被动第一齿轮4，该齿轮只带动可旋转连杆5进行旋转，但在Y轴向上与可旋转连杆5留有设备允许最大位移间隙，即允许可旋转连杆5在Y轴方向上自由运动，不受齿轮限制，可旋转连杆5与第一齿轮4通过六方孔传动。

旋转夹具系统组成设计及工作原理：

试样两端固定于夹具上，一端为试样固定端，通过一个被动齿轮固定于夹具主体支撑框架上，另一端为动态加载端与可旋转连杆连接，可旋转连杆上配置有另一个被动齿轮，试样两端被动齿轮分别与两个主动齿轮啮合，两个主动齿轮安装于同一个旋转旋转轴上，旋转轴与电机连接。在试样需要以Y轴为中心进行旋转时，开动电机，通过电机带动旋转轴进行旋转，旋转轴带动两个主动齿轮同时旋转，主动齿轮带动被动齿轮旋转，被动齿轮带动试样以Y轴为中心旋转从而实现试样的原位旋转，以方便在光镜、扫描电镜或者透射电镜下进行原位不同角度观察。

加载夹具系统组成设计及工作原理：

连接试样动态加载端的可旋转连杆，通过连杆固定装置与位移传感器连接，传感器位于伺服疲劳加载系统与连杆之间，可外接控制器实现位移控制和载荷控制两种加载方式，对试样施加不同方式的载荷静态拉伸/压缩，拉-拉疲劳动态载荷，拉-压疲劳载荷，同时可连接外部数据采集系统，对位移和载荷应力-应变的数据进行采集处理。

当试样需要以Y轴为中心进行旋转时，开动电机，通过电机-旋转轴-主动齿轮-被动齿轮-可旋转连杆-夹具一系列传动系统，最终带动试样旋转，并控制其旋转角度，从而实现试样的原位旋转，以方便在光镜、扫描电镜或者透射电镜下进行原位不同角度观察。

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本实用新型实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型一种可旋转式原位疲劳及拉伸试验用夹具系统的工作步骤如下：

步骤1：试样制备。根据实验需求设计试样尺寸，对试样进行磨抛，浸蚀，可观察到微观组织即可；

步骤2：试样及夹具安装。将试样两端夹持于夹具上，将可旋转夹具系统中夹具框架主体部分置于光镜下，或者SEM/TEM样品仓内，保持试样观察面与光镜、TEM或者TEM的物镜或者电子束垂直；

步骤3：试样加载。开动伺服疲劳加载系统，根据实验方案，给试样加载相应的疲劳或者拉伸载荷，通过传感器对施加力或者位移进行控制；

步骤4：试样旋转角度设定。需要对试样观察面进行旋转时，开动电机电源，通过电机控制器，对试样旋转角度进行设定；

步骤5：试样旋转。根据设定角度，启动电机，带动旋转轴-主动齿轮-被动齿轮-两端夹具，一系列传动系统，对试样进行旋转，实现下一个观察面垂直于显微镜的物镜或者电子束；

步骤6：重复步骤2～5，对需要观察的面，通过试样旋转系统对试样进行360°内任意旋转，并观察分析，采集图片及力学数据；

步骤7：更换试样，重复以上步骤。

步骤8：关闭电机，退出试样夹具系统，关机。

以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可旋转式原位疲劳及拉伸试验用夹具系统，其特征在于，包括加载夹具系统和旋转夹具系统，加载夹具系统用于夹持试样(10)，并通过传感器(2)与伺服疲劳加载装置(1)连接；旋转夹具系统包括电机(14)，电机(14)连接旋转轴(12)，旋转轴(12)通过齿轮传动与加载夹具系统连接，能够带动试样(10)以Y轴为中心实现原位旋转，传感器(2)能够加载位移控制和载荷控制，并将采集的信息发送至伺服疲劳加载装置(1)完成试样的原位疲劳及拉伸试验。

2.根据权利要求1所述的可旋转式原位疲劳及拉伸试验用夹具系统，其特征在于，加载夹具系统包括夹具主体支撑框架(6)，试样(10)设置在夹具主体支撑框架(6)内，包括动态加载端和固定端，动态加载端夹持在可旋转夹具(11)上，可旋转夹具(11)通过可旋转连杆(5)与传感器(2)连接，固定端夹持在可旋转试样夹具(7)上。

3.根据权利要求2所述的可旋转式原位疲劳及拉伸试验用夹具系统，其特征在于，可旋转连杆(5)上设置有第一齿轮(4)，可旋转试样夹具(7)通过第三齿轮(8)固定于夹具主体支撑框架(6)上。

4.根据权利要求3所述的可旋转式原位疲劳及拉伸试验用夹具系统，其特征在于，旋转轴(12)上设置有第二齿轮(13)，旋转轴(12)的一端与夹具主体支撑框架(6)上设置的第四齿轮(9)连接，第二齿轮(13)与第一齿轮(4)啮合连接，第四齿轮(9)与第三齿轮(8)啮合连接。

5.根据权利要求4所述的可旋转式原位疲劳及拉伸试验用夹具系统，其特征在于，旋转轴(12)与可旋转连杆(5)平行设置，第二齿轮(13)和第四齿轮(9)同轴且同尺寸，第一齿轮(4)和第三齿轮(8)同轴且同尺寸。

6.根据权利要求2所述的可旋转式原位疲劳及拉伸试验用夹具系统，其特征在于，传感器(2)上设置有连杆固定装置(3)，连杆固定装置(3)用于连接可旋转连杆(5)的一端。

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