CN215985471U - 一种适用于x射线显微镜的原位力学研究系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种适用于X射线显微镜的原位力学研究系统，包括CT成像单元、多维台、力学试验单元、加热单元和拉伸台；CT成像单元包括X射线源和X射线探测器，多维台安装在X射线光源和X射线探测器的中间；力学试验单元包括加载机构、力传感器、光源和CCD相机，CCD相机的中心位置和光源、试样在同一高度上；加载机构的动力输出端通过力传感器连接拉伸台；拉伸台的外罩将加载机构整体包裹在内部；拉伸台的支撑座用于包裹拉力杆；支撑座的顶部为上夹具用于对试样的上部进行夹持，在支撑座的侧壁为蓝宝石窗口用于通过透X射线和可见光；加热单元包括激光器、热电偶和温控仪构成控制回路，对试样温度进行控制，实现高温力学特性研究。
Description
技术领域
本实用新型属于分析测试仪器领域，提供了一种可以与X射线显微镜相结合，用于材料力学特性研究的原位装置。
背景技术
X射线显微镜，也叫X射线显微CT，是一种利用X射线投影再构，无损检测物体内部结构的分析仪器。结构材料是生产和生活中最常见的材料种类之一，其力学性能和失效行为的研究一直是工业应用和科学研究上最关注的内容。X射线显微镜作为一种新兴的材料分析测试技术，以其高分辨率、高穿透性和无损检测的优点，十分适合于结构材料在外力作用下结构与缺陷的演化机制的原位研究。由于X射线显微镜试样台承载小，空间有限，常规力学性能研究设备无法在X射线显微镜上应用，小型化的试验台是利用X射线显微镜进行原位力学实验的关键设备。在实验过程中无法准确测量材料的应力-应变曲线是目前已有的用于X射线CT或同步辐射X光成像的小型化原位力学试验装置的共同的不足，这极大限制了X射线显微镜CT在材料不同变形阶段与其微观组织结构演化关系的研究的潜力发挥。
实用新型内容
为了解决现有技术中的不足，本实用新型提出了一种适用于X射线显微镜的原位力学研究系统，可以准确测量材料应力-应变曲线的小型原位力学试验系统，结合激光加热和液氮制冷附件，可以测量材料从液氮温区到1000℃范围内材料的力学特性，可以广泛的应用于航天、航空、核电、空间等领域的结构材料性能研究。
本实用新型所采用的技术方案如下：
一种适用于X射线显微镜的原位力学研究系统，包括CT成像单元、多维台、力学试验单元、加热单元和拉伸台；所述CT成像单元、多维台、力学试验单元、加热单元和冷却单元均设置在水平工作台面上；
CT成像单元包括X射线源和X射线探测器，X射线光源和X射线探测器设置在同一根滑轨上；
多维台安装在X射线光源和X射线探测器的中间；
力学试验单元包括加载机构、力传感器、光源和CCD相机，加载机构的动力输出端通过力传感器连接拉伸台；
拉伸台包括外罩和固定在外罩上的支撑座，外罩将加载机构整体包裹在内部；支撑座设置在外罩的上部，用于包裹拉力杆；支撑座的顶部为上夹具用于对试样的上部进行夹持，在支撑座(相对的两个)侧壁设置蓝宝石窗口，用于通过透X射线和可见光；拉力杆的底部通过力传感器连接加载机构的动力输出端；
加热单元包括激光器、热电偶和温控仪构成控制回路，对试样温度进行控制，实现高温力学特性研究。
进一步，加载机构包括在框架上自下往上设置的一级蜗轮、一级蜗杆、二级蜗轮、二级蜗杆、梯形螺纹杆、梯形螺纹螺母、承载横梁、力传感器和拉力杆；一级蜗杆与电机的动力输出轴连接，由电机带动一级蜗杆旋转；一级蜗杆与一级蜗轮啮合传动；一级蜗轮与二级蜗杆同轴设置(键传动等方式)，由一级蜗轮带动二级蜗杆同步转动；二级蜗杆同时啮合2个二级蜗轮，即二级蜗轮平行设置在二级蜗杆的两侧。上述二级蜗轮水平设置且每个二级蜗轮套装在梯形螺纹杆的底部，由二级蜗轮带动梯形螺纹杆同步转动；在该竖直轴的上部套装有梯形螺纹螺母。2根二级蜗轮轴上的梯形螺纹旋向相反。梯形螺纹螺母与承载横梁固定连接，由梯形螺纹螺母将旋转运动转为直线上下运动，并由螺母带动承载横梁沿竖直方向直线运动。
进一步，在承载横梁的顶部通过力传感器连接拉力杆的底部，将加载机构的动力传递到拉力杆，再通过拉力杆将拉力传递到待测材料试样。
进一步，所述光源采用面光源形式，光源中心位置与试样中心位置等高，光线垂直照射于试样上。
进一步，通过将光照射于试样上，产生一个试样的投影；CCD相机的中心位置和光源用于拍摄试样的投影，利用试样上事先预制的标记段位置的变化计算拉伸过程样品的应变。
进一步，在外罩上还设置拉力杆导向轴套，起到导向作用。
进一步，在加热试验中，小型拉伸台采用水冷外罩进行冷却，在外罩的上部加工好凹槽，将冷却水管设置在凹槽内，同时在外罩的上部盖上上盖，并通过紧固件将外罩和上盖之间固定连接。
进一步，在原位力学研究系统的外部装有防护罩，对防护罩配有冷却单元，实现对整个原位力学研究系统进行冷却。
进一步，冷却单元包括铜块，在铜块内部加工液氮流通管道，液氮流通管道的一端通过管道连接装有液氮的杜瓦里，另一端通过管道连接吸气泵，利用吸气泵在管道内部形成负压，利用大气压力将杜瓦里的液氮压至铜块内；铜块还通过铜冷链连接上夹具，并且在铜冷链外部套装有隔热套；试样上的热量通过上夹具、铜冷链传至铜块，液氮在铜块的液氮流通管道内部流动吸收热量气化，对铜块制冷降温实现试样的低温制冷。
进一步，在铜块连接吸气泵的管道上装有流量计，通过流量计控制管道内气压，控制管道内液氮的流量，达到对铜块和试样温度的控制。
本实用新型的有益效果：
1、结合光学成像实时、准确测量材料的应力-应变曲线，可以原位测试材料力学特征曲线上不同变形阶段与其结构和缺陷的演化及发展关系。
2、采用激光远程加热，力学加载结构小型化，整个装置布置灵活，与不同型号X射线显微镜兼容性强。
3、X光源可以近距离靠近实验试样，有利于获得高分辨率、缩短测试时间、提高信噪比。
附图说明
图1中，图1a是X射线显微镜的原位力学研究系统构成及控制原理图；图1b是原位力学研究系统与X射线显微镜空间布局图。
图2中，图2a是拉伸台加载机构结构与原理图；图2b为拉伸台整体结构原理图。
图3是水冷外罩结构示意图。
图4液氮制冷结构示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
如图1所示的一种适用于X射线显微镜的原位力学研究系统，该系统包括CT成像单元、多维台、力学试验单元和加热单元；CT成像单元、多维台、力学试验单元、加热单元和冷却单元均设置在水平工作台面上。
CT成像单元包括X射线源和X射线探测器，X射线光源和X射线探测器设置在同一根滑轨上，且X射线光源和X射线探测器均可沿该滑轨移动；X射线源和X射线探测器相对设置。
多维台安装在X射线光源和X射线探测器的中间，多维台也设置在滑轨上，从而调节X射线光源、多维台和X射线探测器之间的相对距离。多维台由XYZ三维台和旋转台组成，旋转台安装于XYZ三维台上。
力学试验单元包括加载机构、力传感器、光源和CCD相机，其中，加载机构、力传感器为载荷控制单元，光源和CCD相机为应变测量单元。加载机构设置在多维台上；加载机构如图2a和2b所示，包括框架，在框架上自下往上设有一级蜗轮、一级蜗杆、二级蜗轮、二级蜗杆、梯形螺纹杆、梯形螺纹螺母、承载横梁、力传感器和拉力杆，具体地，一级蜗杆与电机的动力输出轴连接，由电机带动一级蜗杆旋转；一级蜗杆与一级蜗轮啮合传动；一级蜗轮与二级蜗杆同轴设置(键传动等方式)，由一级蜗轮带动二级蜗杆同步转动；二级蜗杆同时啮合2个二级蜗轮，即二级蜗轮平行设置在二级蜗杆的两侧。上述二级蜗轮水平设置且每个二级蜗轮套装在梯形螺纹杆的底部，由二级蜗轮带动梯形螺纹杆同步转动；在该竖直轴的上部套装有梯形螺纹螺母。2根二级蜗轮轴上的梯形螺纹旋向相反。梯形螺纹螺母与承载横梁固定连接，由梯形螺纹螺母将旋转运动转为直线上下运动，并由螺母带动承载横梁沿竖直方向直线运动。在承载横梁的顶部通过力传感器连接拉力杆的底部(力传感器和拉力杆之间可以通过螺母利用螺纹实现两者之间的连接，并实现动力传递)；进而将加载机构的动力传递到拉力杆，再通过拉力杆将拉力传递到待测材料试样，力传感器位于拉力杆和承载横梁之间，用于反馈作用于试样上载荷大小。通过二级蜗轮蜗杆减速，将电机扭矩放大，实现大载荷加载。在本实施例中，拉力杆的底部用于固定试样，试样通过螺纹与拉力杆连接。
另外，光源采用面光源形式，光源中心位置与试样中心位置等高，光线垂直照射于试样上；通过将光照射于试样上，产生一个试样的投影。CCD相机的中心位置和光源、试样在同一高度上，轴线在同一平面内，并且均垂直于台面；用于拍摄试样的投影，利用试样上事先预制的标记段位置的变化计算拉伸过程样品的应变。
在加载机构的外部套装有拉伸台如图2b所示，拉伸台包括外罩和固定在外罩上的支撑座，外罩将加载机构整体包裹在内部；支撑座设置在外罩的上部，用于包裹拉力杆。支撑座的顶部为上夹具用于对试样的上部进行夹持(具体可以通过在试样的表面与上夹具的内壁面设置螺纹，通过螺纹实现上夹具与试样之间的可拆卸连接)，在支撑座(相对的两个)侧壁设置蓝宝石窗口，用于通过透X射线和可见光。另外，在外罩上还设置拉力杆导向轴套，起到导向作用。
加热单元包括激光器、热电偶(或红外测温仪)和温控仪构成控制回路，对试样温度进行控制，实现高温力学特性研究。激光器朝向试样设置(可以根据实际情况垂直或倾斜照射加热试样；用热电偶(或红外测温仪)检测加热后试样的温度。在加热试验中，小型拉伸台采用水冷外罩进行冷却，热量导出的路径为拉力杆→导热硅脂→拉力杆导向轴套→水冷外罩。图3为水冷外罩结构，在外罩的上部加工好凹槽，将冷却水管设置在凹槽内，同时在外罩的上部盖上上盖，并通过紧固件将外罩和上盖之间固定连接。
为了实现对本申请原位力学研究系统进行冷却，可以设有冷却单元，具体地，在原位力学研究系统的外部装有防护罩(或顶部框架)，冷却单元采用液氮制冷，具体如图4所示，在原位力学研究系统防护罩上安装一个铜块，采用液氮对铜块进行制冷。具体地，在铜块内部加工液氮流通管道，液氮流通管道的一端通过管道连接装有液氮的杜瓦里，另一端通过管道连接吸气泵，并在该管道上装有流量计；利用吸气泵在管道内部形成负压，利用大气压力将杜瓦里的液氮(通过PTFE管)压至铜块内。铜块还通过铜冷链连接上夹具，并且在铜冷链外部套装有隔热套。热量传递过程为：试样上的热量通过上夹具→铜冷链→铜块，液氮在铜块的液氮流通管道内部流动吸收热量气化，对铜块制冷降温实现试样的低温制冷，通过流量计控制管道内气压，控制管道内液氮的流量，达到对铜块和试样温度的控制。
为了更清楚的解释本系统，以下结合本系统的工作原理和实验过程作如下描述：
S1、固定待测试样，将待测试样的顶部固定在上夹具上，试样的底部安装于拉力杆的顶部，从而将试样固定在拉伸台与加载机构之间。
S2、将加载机构安置于多维旋转台上。
S3、利用XYZ三维台调整拉伸台的位置，使待测试样位于X射线显微镜有效测试区间内。S4、调试与设定X射线源的X光能量、光源与试样距离、探测器位置、拍照时间等X射线显微成像参数。
S5、设定实验目标温度，通过主控电脑传递到温控仪，利用温控仪PID实现温度调节，
S6、控制拉伸台按照力控制或载荷控制模式对试样进行加载，利用光源与CCD相机拍摄的试样投影计算样品在拉力作用下的应变量，从而获得材料的应力应变曲线，
S7、当试样的应力或应变达到设定目标值后，保持拉力/应变不变，多维台上的旋转台带动拉伸台转动，X显微镜按设定参数完成对试样吸收投影拍摄，
S8、完成X射线投影拍摄后，根据力学性能测试设定的步骤，继续对试样进行加载/卸载等力学性能试验，并且测量其应力应变曲线，
S9、根据预定的力学性能测试程序，重复步骤6至8，直至测试程序完成，再整个实验过程中，试样温度保持恒定。
以上实施例仅用于说明本实用新型的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，本实用新型的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本实用新型所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种适用于X射线显微镜的原位力学研究系统，其特征在于，包括CT成像单元、多维台、力学试验单元、加热单元和拉伸台；所述CT成像单元、多维台、力学试验单元、加热单元和冷却单元均设置在水平工作台面上；CT成像单元包括X射线源和X射线探测器，X射线光源和X射线探测器设置在同一根滑轨上；多维台安装在X射线光源和X射线探测器的中间；力学试验单元包括加载机构、力传感器、光源和CCD相机，CCD相机的中心位置和光源、试样在同一高度上，轴线在同一平面内；加载机构的动力输出端通过力传感器连接拉伸台；拉伸台包括外罩和固定在外罩上的支撑座，外罩将加载机构整体包裹在内部；支撑座设置在外罩的上部，用于包裹拉力杆；支撑座的顶部为上夹具用于对试样的上部进行夹持，在支撑座的侧壁设置蓝宝石窗口，用于通过透X射线和可见光；拉力杆的底部通过力传感器连接加载机构的动力输出端；加热单元包括激光器、热电偶和温控仪构成控制回路，对试样温度进行控制，实现高温力学特性研究。
2.根据权利要求1所述的一种适用于X射线显微镜的原位力学研究系统，其特征在于，加载机构包括在框架上自下往上设置的一级蜗轮、一级蜗杆、二级蜗轮、二级蜗杆、梯形螺纹杆、梯形螺纹螺母、承载横梁、力传感器和拉力杆；一级蜗杆与电机的动力输出轴连接，由电机带动一级蜗杆旋转；一级蜗杆与一级蜗轮啮合传动；一级蜗轮与二级蜗杆同轴设置，由一级蜗轮带动二级蜗杆同步转动；二级蜗杆同时啮合2个二级蜗轮，即二级蜗轮平行设置在二级蜗杆的两侧；上述二级蜗轮水平设置且每个二级蜗轮套装在梯形螺纹杆的底部，由二级蜗轮带动梯形螺纹杆同步转动；在该竖直轴的上部套装有梯形螺纹螺母；2根二级蜗轮轴上的梯形螺纹旋向相反；梯形螺纹螺母与承载横梁固定连接，由梯形螺纹螺母将旋转运动转为直线上下运动，并由螺母带动承载横梁沿竖直方向直线运动。
3.根据权利要求2所述的一种适用于X射线显微镜的原位力学研究系统，其特征在于，在承载横梁的顶部通过力传感器连接拉力杆的底部，将加载机构的动力传递到拉力杆，再通过拉力杆将拉力传递到待测材料试样。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种适用于X射线显微镜的原位力学研究系统，其特征在于，所述光源采用面光源形式，光源中心位置与试样中心位置等高，光线垂直照射于试样上。
5.根据权利要求4所述的一种适用于X射线显微镜的原位力学研究系统，其特征在于，通过将光照射于试样上，产生一个试样的投影；CCD相机的中心位置和光源用于拍摄试样的投影，利用试样上事先预制的标记段位置的变化计算拉伸过程样品的应变。
6.根据权利要求4所述的一种适用于X射线显微镜的原位力学研究系统，其特征在于，在外罩上还设置拉力杆导向轴套，起到导向作用。
7.根据权利要求4所述的一种适用于X射线显微镜的原位力学研究系统，其特征在于，在加热试验中，小型拉伸台采用水冷外罩进行冷却，在外罩的上部加工好凹槽，将冷却水管设置在凹槽内，同时在外罩的上部盖上上盖，并通过紧固件将外罩和上盖之间固定连接。
8.根据权利要求1所述的一种适用于X射线显微镜的原位力学研究系统，其特征在于，在原位力学研究系统的外部装有防护罩，对防护罩配有冷却单元，实现对整个原位力学研究系统进行冷却。
9.根据权利要求8所述的一种适用于X射线显微镜的原位力学研究系统，其特征在于，冷却单元包括铜块，在铜块内部加工液氮流通管道，液氮流通管道的一端通过管道连接装有液氮的杜瓦里，另一端通过管道连接吸气泵，利用吸气泵在管道内部形成负压，利用大气压力将杜瓦里的液氮压至铜块内；铜块还通过铜冷链连接上夹具，并且在铜冷链外部套装有隔热套；试样上的热量通过上夹具、铜冷链传至铜块，液氮在铜块的液氮流通管道内部流动吸收热量气化，对铜块制冷降温实现试样的低温制冷。
10.根据权利要求9所述的一种适用于X射线显微镜的原位力学研究系统，其特征在于，在铜块连接吸气泵的管道上装有流量计，通过流量计控制管道内气压，控制管道内液氮的流量，达到对铜块和试样温度的控制。
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