高温高频材料力学性能原位测试装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种高温高频材料力学性能原位测试装置，属于材料试验机及精密仪器技术领域。主要由静态拉/压‑低周疲劳加载模块、原位监测模块、温度加载与监测模块、静态弯曲加载模块、超声疲劳加载模块和超声疲劳与静态弯曲加载模块位置切换机构组成。利用换能器、变幅杆和探针等组件实现对试件的高频加载，利用高频伺服液压缸组件实现拉/压载荷和低频交变载荷的加载，利用卤素加热灯施加高温载荷，并通过原位监测模块采用非接触测量方式对试件的应变实时测量。本实用新型专利技术结构简单、布局紧凑，可以实现弯曲超声疲劳与拉伸载荷复合加载并与温度场耦合，能够较真实地模拟航空、航天等关键领域服役材料在高温高频交变载荷作用下的复杂工况。

In situ test device for mechanical properties of high temperature and high frequency materials

The utility model relates to an in-situ testing device for mechanical properties of high-temperature and high-frequency materials, which belongs to the technical field of material testing machines and precision instruments. It is mainly composed of static tension / compression low cycle fatigue loading module, in situ monitoring module, temperature loading and monitoring module, static bending loading module, ultrasonic fatigue loading module and ultrasonic fatigue and static bending loading module position switching mechanism. The high frequency loading of the specimen is realized by the transducer, the horn and the probe, and the loading of the tension / pressure load and the low frequency alternating load are realized by the high frequency servo hydraulic cylinder component. The high temperature load is applied by the halogen heating lamp, and the real-time measurement of the strain of the specimen by the non contact measuring mode is adopted by the in-situ monitoring module. The utility model has simple structure and compact layout, and can realize the combined loading of bending ultrasonic fatigue and tensile load and coupling with the temperature field. It can simulate the complex working conditions of the service materials in the key fields such as aeronautics and Astronautics under the action of high temperature and high frequency alternating load.

【技术实现步骤摘要】
高温高频材料力学性能原位测试装置
本技术涉及精密传感器与精密仪器领域，特别涉及一种高温高频材料力学性能原位测试装置。可实现对试件施加“拉伸-弯曲”复合载荷以及施加低频交变载荷，同时还可实现非对称拉压超声疲劳加载以及弯曲超声疲劳与拉伸载荷复合加载，且均可与温度场耦合加载，能够较为真实地模拟航空、航天和核工业等关键领域服役材料在高温高频交变载荷作用下的复杂工况。采用模块化设计并集成有可自动控制的温度加载与监测模块，结合原位监测模块可进一步研究材料在高温高频交变载荷作用下的变形损伤机理、微观组织变化与性能演变等规律。为接近服役条件下材料微观力学性能测试提供有效的手段和方法。
技术介绍
随着技术进步以及国民经济的不断发展，人们对机械装备提出更为苛刻的使用寿命、安全性能以及提高经济效益等方面的要求。工程实际中，航空、航天和核工业等关键领域服役材料在高温高频交变载荷作用下，常会导致航天器和其他机械结构的断裂破坏。目前，国内外开发研制的一系列高温高频材料力学性能装置，尤其是已经产业化的商业高温疲劳试验机，主要还是以传统的伺服液压试验机为主，但是，其频率往往只能达到50~300Hz。然而，随着疲劳科学研究的不断发展，相关领域研究已不满足于107次以下的低周疲劳和高周疲劳寿命试验，在进行超高周疲劳寿命试验时，传统试验机要耗时数月甚至数年，但是基于压电磁致伸缩原理的超声疲劳试验方法（工作频率一般在15~40KHz，典型的工作频率为20KHz）则只需要十几分钟至几小时，有效地缩短试验周期，应用前景十分广泛。针对航空发动机单晶高温合金、锆基非晶合金、高熵合金等典型结构材料服役条件下疲劳失效的主导因素的研究受到国内外学术界和工程界的广泛关注，尤其是用于研究力-热耦合疲劳失效机制与显微结构演化之间关系的材料力学性能测试装置的设计还不是很多，并且一般无法将原位观测技术与其他在位测试技术集成，如中国专利（CN202256076U），利用圆柱形延长杆延伸至高温箱内，采用对称式拉压超声疲劳试验系统设计，并且由于高温箱对试样的温度加载比较均匀，因此该装置只能做恒温或慢速变温试验，很难开展快速变温、温度疲劳及预载荷下高频疲劳等试验。再如中国技术（CN203365257U），基于感应加热的加热原理实现高温加载，并利用红外测温仪对整个试件温度场分布进行在位监测，虽然该试验系统可以实现快速升温及温度闭环控制，但是仍然无法实现试验过程的原位观测及温度疲劳加载、变温度梯度加载等接近复杂服役工况的试验研究。因此，设计开发用于高温高频材料力学性能原位测试装置也已成为研究航空、航天领域关键服役材料初始疲劳裂纹萌生、扩展、分布规律与载荷作用的相关性、疲劳寿命预测以及材料微观组织形貌与宏观疲劳裂纹关系研究等重要课题的发展趋势。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种高温高频材料力学性能原位测试装置，解决了现有技术无法实现试验过程的原位观测及温度疲劳加载、预载荷下高频疲劳等接近复杂服役工况的试验研究等问题。本技术模拟航空、航天和核工业等关键领域服役材料在高温高频交变载荷作用下的材料性能测试，可以实现温度疲劳加载与原位监测、耦合超声拉伸（弯曲）疲劳载荷以及预载荷下高频疲劳等试验研究，可进一步研究材料在高温高频交变载荷作用下的微观力学性能。本技术的上述目的通过以下技术方案实现：高温高频材料力学性能原位测试装置，包括气浮隔振台1、静态拉/压-低周疲劳加载模块2、原位监测模块、温度加载与监测模块5、静态弯曲加载模块6、超声疲劳加载模块7和超声疲劳与静态弯曲加载模块位置切换机构8，其特征在于：所述原位监测模块由数字散斑原位测试系统3和光学原位观测单元4组成；所述静态拉/压-低周疲劳加载模块2、数字散斑原位测试系统3和温度加载与监测模块5均通过螺栓固连在气浮隔振台1上；所述光学原位观测单元4、静态弯曲加载模块6和超声疲劳加载模块7经由超声疲劳与静态弯曲加载模块位置切换机构8固连在气浮隔振台1，保证超声疲劳加载模块7与光学原位观测单元4和静态弯曲加载模块6平行度以及与静态拉/压-低周疲劳加载模块2垂直度，且保证彼此运动不产生干涉；所述光学原位观测单元4与静态弯曲加载模块6相对于静态拉/压-低周疲劳加载模块2对称布置，并保持光学原位观测单元4的观测镜筒轴线与静态弯曲加载模块6的加载轴线相重合。所述的静态拉/压-低周疲劳加载模块2是：两套高频伺服液压缸组件23分别固连在两侧的支架24上，其活塞杆伸出端经由连接套25与力传感器I26相连；下夹具体27与力传感器I26螺纹相连，并设有与薄板试件29夹持端相吻合的凹槽，配合上夹具体28完成对薄板试件29的夹紧和加载；下夹具体27内设有“U”形循环冷却回路，以阻隔高温载荷传递到力传感器I26；两侧的支架24分别通过四个内六角圆柱头螺钉22固定在气浮隔振台1上，并通过两个圆柱销21进行定位。所述的光学原位观测单元4是：改进型体式显微镜412固定于安装支架413上，进而通过螺钉固连在螺母座I46上；弹性联轴器I72封装于联轴器保护壳I49，通过前端盖48和后端盖410密封防尘，两端分别与直流伺服电机I411、丝杠模组I44相连，传递扭矩；直流伺服电机I411固定在后端盖410上进而与底座I43固连；螺母座I46通过四个滑块45与两根直线导轨47装配在一起，安装在底座I43上；激光位移传感器I42固定在激光位移传感器支架41上，并位于直线导轨47两端极限位置之内的底座I43上。所述的温度加载与监测模块5是：两盏卤素加热灯52和监测设备53分别与三个多自由度机械臂51的连接端相连，并固定在气浮隔振台1上。所述的静态弯曲加载模块6是：直流伺服电机II61通过电机安装板62固连在底座II612上；丝杠模组II610通过弹性联轴器II83与直流伺服电机II61外伸轴相连，并采用一端固定一端游动的安装方式；弹性联轴器II83置于联轴器保护壳II63内，并通过电机安装板62密封防尘；力传感器II67分别与压头68、连接套筒66螺纹连接，并固定在“L”形支座64上；“L”形支座64固连在螺母座II65上，螺母座II65与直线导轨滑块组件I611相连，直线导轨滑块组件I611连接在底座II612上；两个限位行程开关69分别固定在行程极限位置之内的底座II612上；增量式直线光栅尺Ⅰ615连接在螺母座II65上；外部读数头I614固定在外部读数头安装板Ⅰ613上，外部读数头安装板Ⅰ613与底座II612固连。所述的超声疲劳加载模块7是：直流伺服电机III71通过弹性联轴器I72与双向丝杠718相连，并固定在底座III717上；双向丝杠718采用一端固定一端游动的安装方式，通过两个旋向相反的丝杠螺母711分别与螺母座IV720、螺母座III710相连，实现同步反向运动；左侧变幅杆75与换能器74、左侧探头76螺纹连接，并固定在与螺母座IV720相连的左侧变幅杆安装支架73上；右侧变幅杆75A与右侧探头76A螺纹连接，并固定在与滑台715相连的右侧变幅杆安装支架73A上；右侧变幅杆安装支架73A与力传感器III714螺纹连接，并固定在连接块713上；连接块713通过螺钉固定在“L”形连接板712上，进而与螺母座III710相连，实现对疲本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高温高频材料力学性能原位测试装置，包括气浮隔振台（1）、静态拉/压‑低周疲劳加载模块（2）、原位监测模块、温度加载与监测模块（5）、静态弯曲加载模块（6）、超声疲劳加载模块（7）和超声疲劳与静态弯曲加载模块位置切换机构（8），其特征在于：所述原位监测模块由数字散斑原位测试系统（3）和光学原位观测单元（4）组成；所述静态拉/压‑低周疲劳加载模块（2）、数字散斑原位测试系统（3）和温度加载与监测模块（5）均通过螺栓固连在气浮隔振台（1）上；所述光学原位观测单元（4）、静态弯曲加载模块（6）和超声疲劳加载模块（7）经由超声疲劳与静态弯曲加载模块位置切换机构（8）固连在气浮隔振台（1），保证超声疲劳加载模块（7）与光学原位观测单元（4）和静态弯曲加载模块（6）平行度以及与静态拉/压‑低周疲劳加载模块（2）垂直度，且保证彼此运动不产生干涉；所述光学原位观测单元（4）与静态弯曲加载模块（6）相对于静态拉/压‑低周疲劳加载模块（2）对称布置，并保持光学原位观测单元（4）的观测镜筒轴线与静态弯曲加载模块（6）的加载轴线相重合。

【技术特征摘要】
1.一种高温高频材料力学性能原位测试装置，包括气浮隔振台（1）、静态拉/压-低周疲劳加载模块（2）、原位监测模块、温度加载与监测模块（5）、静态弯曲加载模块（6）、超声疲劳加载模块（7）和超声疲劳与静态弯曲加载模块位置切换机构（8），其特征在于：所述原位监测模块由数字散斑原位测试系统（3）和光学原位观测单元（4）组成；所述静态拉/压-低周疲劳加载模块（2）、数字散斑原位测试系统（3）和温度加载与监测模块（5）均通过螺栓固连在气浮隔振台（1）上；所述光学原位观测单元（4）、静态弯曲加载模块（6）和超声疲劳加载模块（7）经由超声疲劳与静态弯曲加载模块位置切换机构（8）固连在气浮隔振台（1），保证超声疲劳加载模块（7）与光学原位观测单元（4）和静态弯曲加载模块（6）平行度以及与静态拉/压-低周疲劳加载模块（2）垂直度，且保证彼此运动不产生干涉；所述光学原位观测单元（4）与静态弯曲加载模块（6）相对于静态拉/压-低周疲劳加载模块（2）对称布置，并保持光学原位观测单元（4）的观测镜筒轴线与静态弯曲加载模块（6）的加载轴线相重合。2.根据权利要求1所述的高温高频材料力学性能原位测试装置，其特征在于：所述的静态拉/压-低周疲劳加载模块（2）是：两套高频伺服液压缸组件（23）分别固连在两侧的支架（24）上，其活塞杆伸出端经由连接套（25）与力传感器I（26）相连；下夹具体（27）与力传感器I（26）螺纹相连，并设有与薄板试件（29）夹持端相吻合的凹槽，配合上夹具体（28）完成对薄板试件（29）的夹紧和加载；下夹具体（27）内设有“U”形循环冷却回路，以阻隔高温载荷传递到力传感器I（26）；两侧的支架（24）分别通过四个内六角圆柱头螺钉（22）固定在气浮隔振台（1）上，并通过两个圆柱销（21）进行定位。3.根据权利要求1所述的高温高频材料力学性能原位测试装置，其特征在于：所述的光学原位观测单元（4）是：改进型体式显微镜（412）固定于安装支架（413）上，进而通过螺钉固连在螺母座I（46）上；弹性联轴器I（72）封装于联轴器保护壳I（49），通过前端盖（48）和后端盖（410）密封防尘，两端分别与直流伺服电机I（411）、丝杠模组I（44）相连，传递扭矩；直流伺服电机I（411）固定在后端盖（410）上进而与底座I（43）固连；螺母座I（46）通过四个滑块（45）与两根直线导轨（47）装配在一起，安装在底座I（43）上；激光位移传感器I（42）固定在激光位移传感器支架（41）上，并位于直线导轨（47）两端极限位置之内的底座I（43）上。4.根据权利要求1所述的高温高频材料力学性能原位测试装置，其特征在于：所述的温度加载与监测模块（5）是：两盏卤素加热灯（52）和监测设备（53）分别与三个多自由度机械臂（51）的连接端相连，并固定在气浮隔振台（1）上。5.根据权利要求1所述的高温高频材料力学性能原位测试装置，其特征在于：所述的静态弯曲加载模块（6）是：直流伺服电机II（61）通过电机安装板（62）固连在底座II（612）上；丝杠模组II（610）通过弹性联轴器II（83）与直流伺服电机II（61）外伸轴相连，并采用一端固定一端游动的安装方...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宏伟，王赵鑫，万杰，赵久成，薛博然，李文博，王吉如，徐博文，王军炎，刘思含，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：新型
国别省市：吉林,22