本发明专利技术涉及一种多载荷耦合加载的试件夹具及其多物理场耦合加载方法，属于材料微观力学性能测试领域。通过在夹具上加工凹槽，试件置入凹槽后通过压板压紧，实现夹具向试件施加拉伸、弯曲、扭转等机械载荷。通过氮化硅加热片与试件接触进行传导加热，并通过热电偶实现温度反馈，实现对被测样品施加热场加载。通过向试件通入可控电流实现对试件样品的电场加载。通过两个磁感应线圈，实现对被测样品的磁场加载。结构简单紧凑、方法科学合理、性能稳定可靠，可实现对被测样品材料的大范围温度加载、精确的电流加载以及可控的磁场加载，能够为材料试验提供更接近服役条件下的复合载荷加载及热场、电场和磁场的模拟，具有重要的理论意义和应用价值。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及材料微观性能特别是材料微观力学性能测试
，特别涉及一种 材料微观力学性能测试中的。属精 密仪器组件和精密驱动传动单元组件。
技术介绍
近些年来，有关多种载荷、多物理场耦合条件下的材料微观力学性能测试的研宄 工作受到了国际学术界和工程界越来越多的关注。工程领域中时常会因材料及其制品的意 外破坏、失效而导致经济损失甚至严重事故的发生，之所以材料及其制品通常都已经经过 力学性能测试检验但是还会发生意外失效现象，其中一个很重要的原因就是在进行力学性 能测试的时候没有真实地模拟服役条件下的载荷施加状态以及所处的物理场环境。最为常 见的材料拉伸试验机，只能实现单独的拉伸测试，扭转试验机也只能提供单一的扭转载荷， 而机械零件在服役条件下往往承受的都是复合载荷。同样传统的材料试验机难以提供接近 服役条件下的电场环境、热场环境、磁场环境模拟。因此传统的材料试验机难以提供接近服 役条件下的测试。复合载荷多物理场下的材料性能测试是一种更能接近材料在服役条件下 测试，测试数据更真实、可靠。这种测试对于新材料开发和高端精密装备制造业发展都具有 重要意义。 目前还没有比较成熟的适用于多载荷耦合加载的试件夹具与多物理场耦合加载 方法。传统的楔形夹具在预夹紧的条件下，传递的扭矩有限；带螺纹的夹具装夹困难，而且 只能单方向扭转。多物理场耦合加载的困难主要体现在以下几个方面：第一，观测问题，对 于原位材料力学性能测试来说，必须为显微镜提供一个良好的视场，必须留有足够的观测 空间，这就要求电场、热场、磁场的加载都不能干涉显微镜的观测路径；第二，通常采用的电 阻丝加热方式难以达到很高的温度，小范围的温度变化对于材料测试意义不大；第三，电场 加载与通入冷却水不能同时进行，夹具多为金属导体，一方面要与试件接触通电，另一方面 要与冷却水接触降温，两者同时进行会发生漏电现象；第四，热场加载会使夹具发生热变 形，必须保证夹具在高温下依然能可靠夹紧试件。综上所述，一套可靠的多载荷耦合加载的 试件夹具与多物理场耦合加载方法对于材料微观力学性能测试具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种多载荷耦合加载的试件夹具及其多物理场耦合加载 方法，解决了现有技术存在的上述问题。本专利技术的多载荷耦合加载的试件夹具，能够简单、 可靠、高效地传递拉伸、弯曲、扭转复合载荷。多物理场耦合加载方法，解决多物理场加载与 原位观测的干涉问题，具有较大的温度变化范围，可以电场加载与冷却同时进行，并能保证 高温条件下可靠夹紧试件。 本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现： 多载荷耦合加载的试件夹具，用于对试件17施加拉伸、弯曲、扭转等载荷条件下对试 件样品的夹持，同时该夹具还可通过热场加载模块、电场加载模块、磁场加载模块实现对被 测材料样品的热场、电场与磁场的耦合加载，其具体结构是：加热片压板4将氮化硅加热片 25压紧，固定到上压板3的凹槽里，三者连接成一个整体，上压板3与下压板5通过左圆柱 销18铰链连接，下压板5上设有与试件夹持端外形尺寸相同的凹槽，上压板3向上旋转打 开夹具，将试件夹持端置入凹槽，再向下旋转上压板3贴紧试件17,最后分别锁紧摆动螺栓 上的螺母，实现试件17的夹紧； 所述热场加载模块是：氮化硅加热片25与试件17的夹持端接触，热电偶16测量试件 17的温度，并将温度信号反馈给控制器22,控制器22再向稳压电源23发出信号，改变施加 在氮化硅加热片25上的电压，进而控制加热片的发热功率，使试件达到设定温度；硬云母 板6减慢热量向右侧传播速度，并增大温度梯度，冷却连接座7内设有流道，冷却水从进水 口 11流入，吸收热量后从另一侧出水口流出；隔热板9连接冷却连接座7和后面的传感器； 所述电场加载模块是：下压板5通过铜螺钉14与电极13固定连接，电场电源21输出 的电流通过下压板5导入到试件17中，另一端的夹具上接有负极，形成闭合回路； 所述磁场加载模块是：磁场电源24向螺线圈1通入电流，使试件17处于磁场之中， 螺线圈1通过螺线圈固定筒2固定在下压板5上。根据毕奥一萨伐尔定律，距电流元 M任意点处的磁感应强度为式中A为真空中的磁导率N/A2;J为通过电流元的电流强度A;通为电流元的线元矢 量；r为电流元到任意点的矢径m。 所述的下压板5上的凹槽设有锥形部分，且其与试件锥形过渡部分相配合，当试 件17承受拉力时，试件的锥形过渡部分被卡在下压板5的凹槽锥形部分里，即实现向试件 施加拉力载荷；当试件17的夹持端被完全夹紧后，试件17的夹持端相对夹具具有确定不变 的位置，当固定一个夹具位置不变，另一个夹具按照试件17弯曲的轨迹运动时，即实现对 试件17施加悬臂弯曲载荷；试件17的两个夹持端都为板状，当它的两个夹持端分别被两个 夹具夹紧后，夹持端会分别随着两个夹具同步转动，当两个夹具相对转动时，即实现对试件 17施加扭转载荷。 所述的试件17的平行长度部分为圆柱状，两边的夹持端为厚度与圆柱直径相等 的板状，夹持端与平行长度部分之间有锥形过渡部分。 所述的硬云母板6既能实现隔热，又能实现绝缘，这样既可以起到降低热传导速 率、增大温度梯度的作用，又可以实现水冷模块与电场加载模块的兼容，避免通过冷却水漏 电。其本身密度大，有较高的加工精度，不会影响装置的整体精度。 所述的下压板5由奥氏体不锈钢加工而成，可以保证高温条件的正常使用，且下 压板5上加工有与试件夹持端相配合的凹槽，保证向试件（17)传递拉力、扭矩及弯矩。 所述的冷却连接座7-方面有冷却作用，另一方面有连接作用，左边通过螺钉20 穿过硬云母板6与下压板5连接，螺钉20较长，无法从冷却连接座7中间直径较小的部分 直接插入到相应的螺栓孔中，为安装螺钉20,冷却连接座7右侧开有通过孔10,螺钉20从 右侧的通过孔10中穿过，插入到相应的螺栓孔中；冷却连接座7右边通过双头螺柱8与传 感器连接。 电场加载模块通过改变电场电源21的电压，就可以实现不同电流的加载，硬云母 板6保证前后的绝缘，下压板5、硬云母板6及冷却连接座7通过螺钉20连接，螺栓绝缘套 19配合螺钉20使用，这样在保证有效连接的同时实现绝缘。 磁场加载模块通过改变磁场电源24的电流，就可以实现磁场强弱的变化。 所述的螺线圈1通过螺线圈固定筒2固定到下压板5上，不需要磁加载模块时，从 下压板5上拆卸下即可，而且试件17的两端各安装一个螺线圈1，保证较高的磁场强度，螺 线圈1的长度适宜，保证试件17有足够的观察范围，螺线圈1不与试件17接触，保证试件 17可以自由拉伸、弯曲、扭转。 本专利技术的另一目的在于提供一种多载荷耦合加载的试件夹具的多物理场耦合加 载方法，具体步骤如下： 步骤1 :通过计算机设定多物理场的加载条件； 步骤2 :计算机通过信号发生模块产生控制热场、电场、磁场的驱动信号； 步骤3 :由功率放大器对步骤2中输出的驱动信号进行放大，输出电流信号； 步骤4 :由步骤3输出的电流信号，驱动稳压电源23输出预设的电压加载到氮化硅加 热片25上，实现热场的加载；由步骤3输出的电流信号，驱动电场电源21输出预设的电流， 实现电场的加载；由步骤3输出的电流信号，驱动磁场电源24输出预设的电流，实现磁场的 加载； 步骤5 :本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种多载荷耦合加载的试件夹具，其特征在于：用于对试件（17）施加拉伸、弯曲、扭转载荷条件下对试件的夹持，同时通过热场加载模块、电场加载模块、磁场加载模块实现对被测材料样品的热场、电场与磁场的耦合加载，加热片压板（4）将氮化硅加热片（25）压紧，固定到上压板（3）的凹槽里，三者连接成一个整体，上压板（3）与下压板（5）通过左圆柱销（18）铰链连接，下压板（5）上设有与试件夹持端外形尺寸相同的凹槽，上压板（3）向上旋转打开夹具，将试件夹持端置入凹槽，再向下旋转上压板（3）贴紧试件（17），最后分别锁紧摆动螺栓上的螺母，实现试件（17）的夹紧；所述热场加载模块是：氮化硅加热片（25）与试件（17）的夹持端接触，热电偶（16）测量试件（17）的温度，并将温度信号反馈给控制器（22），控制器（22）再向稳压电源（23）发出信号，改变施加在氮化硅加热片（25）上的电压，进而控制加热片的发热功率，使试件达到设定温度；硬云母板（6）减慢热量向右侧传播速度，并增大温度梯度，冷却连接座（7）内设有流道，冷却水从进水口（11）流入，吸收热量后从另一侧出水口流出；隔热板（9）连接冷却连接座（7）和后面的传感器；所述电场加载模块是：下压板（5）通过铜螺钉（14）与电极（13）固定连接，电场电源（21）输出的电流通过下压板（5）导入到试件（17）中，另一端的夹具上接有负极，形成闭合回路；所述磁场加载模块是：磁场电源（24）向螺线圈（1）通入电流，使试件（17）处于磁场之中，螺线圈（1）通过螺线圈固定筒（2）固定在下压板（5）上。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：赵宏伟，霍占伟，张世忠，任露泉，李柠，王顺博，代晓航，刘阳，方岱宁，裴永茂，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22
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