静动态载荷谱下材料力学性能原位测试系统与方法技术方案

本发明专利技术涉及一种静动态载荷谱下材料力学性能原位测试系统与方法，属于力学测试领域。该系统通过集成正交平面内双轴拉伸、剪切的静态测试功能、双轴拉‑拉模式疲劳测试功能、静动态压入测试功能，并可构建复杂的静动态载荷谱，并针对薄膜材料或块体材料开展多种模式的复合载荷力学性能评估，如基于双轴预拉伸载荷的高周疲劳测试和基于双轴拉伸‑剪切预载荷的冲击压入测试等。与此同时，通过在形试件的中心区域和十字形臂区域预制特征缺陷，并借助可变倍式光学成像系统或数字散斑应变分析系统的分析功能，本发明专利技术亦可实现构件微缺陷在多维应力状态下变形行为和裂纹扩展规律的研究，即可对制品的性能弱化规律和材料的优化制备方法提供评估工具。

In situ testing system and method for mechanical properties of materials under static and dynamic load spectrum

The invention relates to a system and a method for in-situ testing mechanical properties of materials under static and dynamic load spectrum. The system integrated by orthogonal in-plane biaxial tensile and shear static test function, biaxial tension pull model fatigue test function, static and dynamic indentation test function, and the static and dynamic load of building complex spectrum, and to carry out a variety of modes of thin films and bulk materials of the composite mechanical properties such as high load assessment, week biaxial fatigue test based on pre tensile load and biaxial tensile shear pre load impact based on indentation test etc.. At the same time, through the center of regional and regional characteristics of the cross arm defects in prefabricated shaped specimens, and with the analysis of the function of the system variable times type optical imaging system or digital speckle strain analysis, research on component of micro defects propagation and crack deformation behavior under stress in the implementation of the invention can also be multidimensional, optimization method of preparation the performance of the products can be weakened and the material law provides evaluation tools.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及力学测试领域，特别涉及一种静动态载荷谱下材料力学性能原位测试系统与方法，尤指一种集成多种静动态测试功能的材料微观原位力学测试系统。该系统具备双轴拉伸、双轴疲劳、双轴拉伸-剪切、冲击压等丰富的测试模式，且通过与光学成像系统或数字散斑应变分析系统的集成，可对复杂应力状态下材料的疲劳失效机制和性能弱化规律进行研究，为优化材料制备工艺和提升结构的服役可靠性提供测试工具。
技术介绍
料及其制品在服役条件下的受力形式和物理场环境复杂多变，时常会受到拉伸、剪切、冲击等静、动态载荷的作用。材料因载荷作用导致的宏观失效归因于其显微结构在服役条件下的损伤和演化，传统材料力学性能测试技术难以揭示材料在复杂服役条件下的力学行为与显微结构间的关系，即无法对材料及其制品的变形损伤机制和性能演化规律进行深入研究。由于对材料的微结构演变与力学性能间关系的不清楚，导致关键材料的服役安全性和可靠性不足，由此带来的结构失效事故举不胜举。材料及其制品在交变载荷作用时，虽然其所受的载荷幅值远低于其屈服强度或抗拉强度，但经过反复的、长期的变形累积，最终发生断裂破坏的行为通常都是由于疲劳失效所致。由于缺乏对材料疲劳失效机理及疲劳微观力学性能的深入研究，各类因材料疲劳失效引起的事故因其难以预测性和极大破坏性而造成了巨大的经济损失。结构在载荷作用下的失效大多可归因于交变载荷诱发的疲劳失效，在航空航天等领域，高温、重载等苛刻服役条件下构件的疲劳破坏现象时有发生。由于对材料微观疲劳失效机制与性能弱化规律的不清晰，各类疲劳失效引发的事故因其难以预测性和极大的破坏性造成了巨大的经济损失。而多数构件在其服役工况下并非承受单一载荷作用，其失效和破坏大都是多种类型外界载荷共同作用的结果，相同材料在不同载荷模式下表现出迥然不同的力学行为。因此，为提升关键结构材料的服役安全性和可靠性，研究可对材料失效机理和微观结构演化进行有效评估的技术是经济发展与科技进步的迫切需要。在传统的材料力学性能研究模式中，通常将力学性能的测试与显微结构的表征分别独立进行，无法在微纳米尺度上获取载荷作用下材料实时、动态的微区变形行为。随着光学成像技术、电子显微学技术、数字图像相关技术的快速发展，可对材料变形损伤和结构变化进行高分辨率可视化动态监测的原位力学测试技术被广泛应用，该技术搭建了微纳米级尺度下材料的结构演化行为与载荷作用的相关性。原位拉伸测试技术应用广泛，麻省理工学院(MIT)、剑桥大学卡文迪许实验室、洛桑联邦理工学院(EPFL)、法国国家科学院(CNRS)等均取得了有代表性的研究成果。现有固态材料原位拉伸测试研究主要可分为两类：一是借助于微机电系统(MEMS)和聚焦离子束(FIB)技术制备微尺度试件和测试装置，通过扫描电子显微镜(SEM)或透射电子显微镜(TEM)等对低维材料所开展的研究；另一类是针对特征尺寸毫米级或亚毫米级以上的三维块体材料所开展的研究一般情况下，微构件制备过程中需通过“掩膜、腐蚀、沉积”等工艺，试件尺寸微小(微米级或亚微米级以下)，测试结果分散性显著，且表现出与块体材料力学性能迥异的尺寸效应，因此无法准确地以低维构件的测试结果评估三维块体试件的力学性能。就较大尺寸的三维块体材料而言，德国Kammrath&Weiss、英国Deben和美国MTI Instruments等公司是目前少数具备完备的原位拉伸测试系统研制能力的公司。这些公司的一些型号产品的夹持机构甚至未考虑试件对中性定位的设计，但依然较为广泛地应用于块体材料的表征及测试领域。对原位疲劳测试而言，因商业化疲劳试验设备大多体积较大，难以实现与成像设备的兼容使用，故一般不具备原位测试的功能；另一方面，小型化原位拉伸测试平台虽可实现往复的拉伸、压缩动作，但受限于伺服电机、减速机构和传动机构的回转惯性，其一般仅能应用于对加载频率要求不高的低周疲劳测试中；而现有微尺度下疲劳失效行为的研究对象多为非原位测试形成的疲劳断口，缺少对材料微区缺陷处滑移和微裂纹形核的原位研究。因此，原位疲劳测试技术面临着结构小型化、测试频率提高等问题。压电器件因其响应快速、结构小巧、可靠性高等特性被应用在微尺度构件的原位疲劳力学测试上。由于压电驱动器中大刚度的柔性铰链机构往往会削弱压电器件的输出位移，而小刚度的柔性铰链则由于其惯性载荷难以实现较高加载频率下的快速响应。因此，就柔性机构的设计需对其刚度和输出能力进行合理匹配。另一方面，在高温、高频服役工况下，压电器件由于其自身的温升和电荷积累会导致输出位移的衰减，因此合理的疲劳循环间隔时间和残余电荷释放是实现基于压电驱动式原位疲劳测试的关键。此外，实际工况下许多构件的受力形式是多种载荷的共同作用，如拉伸载荷、剪切载荷、冲击压入载荷等，即材料的实际服役状态为复合应力状态。目前针对块体材料复合应力模式的原位测试研究多为静态测试，具体限于①基于电液伺服技术的双轴拉伸测试、②采用悬臂结构实现的压缩-弯曲复合应力测试以及③基于Arcan夹具实现的拉伸-剪切复合应力测试。2013年，S.M.Gao等采用三维数字散斑测量技术获取了织物复合材料在压缩-弯曲复合应力作用下的微区应变，并提出显著应变条件下试件不同轴向应力-应变本构关系的预测方法。S.Ackermann等利用双轴电液伺服驱动技术构建了相变诱导塑性钢的平面应力状态，并就不同表面裂纹缺陷形式对该铸钢疲劳失效行为进行了分析。对于拉伸-剪切复合应力原位测试的研究，以色列特拉维夫大学的M.Arcan于1977年提出利用拉伸轴向与蝶形试件轴线互成锐角的方法来构建平面应力状态，Acran夹持机构结构简单，且可通过改变轴线偏移角获得多种平面应力状态，为研究各向异性材料的力学行为提供了有力工具。基于改进型的Arcan夹具，法国国立海军工程学院的J.Y.Cognard和美国南卡罗来纳大学的J.H.Yan分别搭建了CCD下的测试系统，并对复合材料的层间剥离行为等进行了研究。上述研究工作大都采用矢量合成与分解方法对拉伸-剪切复合应力状态进行解耦，且极少提及基于复杂平面应力状态下的疲劳与压入测试技术。综上，针对复合载荷下原位疲劳测试技术的发展趋势及存在问题，结合对提升关键结构材料的服役安全性和可靠性的迫切需要，设计一种具有多种静动态耦合加载功能且可与光学成像组件或数字散斑应变分析系统兼容使用的疲劳测试系统是十分必要的。此外，借助开发的集成多种静动态测试功能的系统开展基于丰富初始应力状态的准静态压入测试或冲击压入测试亦具有重要的理论与应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种静动态载荷谱下材料力学性能原位测试系统与方法，解决了现有技术存在的上述问题。本专利技术机械主体单元的长、宽和高分别为590mm、578mm和392mm。该系统可与具有多自由度调整功能的光学成像系统以及三维数字散斑应变分析系统兼容使用。此外，该系统具备单(双)轴拉伸、单(双)轴疲劳、准静态压入、冲击压入等单一测试功能，亦可实现单(双)轴拉伸-剪切复合载荷、基于单(双)轴拉伸-剪切复合载荷的疲劳测试以及基于复杂平面应力状态的压入测试等丰富的复合载荷测试模式。本专利技术通过改进型Arcan夹持机构结合压电驱动子系统和双轴预拉伸子系统构建出丰富的平面应力状态，基于音圈电机驱动实现的压入测本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种静动态载荷谱下材料力学性能原位测试系统，其特征在于：包括Arcan双轴夹持子系统、压入测试子系统、双轴疲劳测试子系统、双轴预拉伸加载子系统、信号检测子系统、支撑及调整子系统，其中，Arcan双轴夹持子系统中的组合式导向机构（48）通过螺纹连接方式分别与支撑及调整子系统中的导向机构支撑垫块（5）、x向力传感器基座（29）、y向力传感器基座（12）保持刚性连接；压入测试子系统中的激光发射器（35）、音圈电机（39）、激光接收器（45）通过螺纹连接方式分别与支撑及调整子系统中的激光发射器两自由度电动移动平台（36）、音圈电机两自由度电动移动平台（38）、激光接收器两自由度电动移动平台（2）刚性连接，音圈电机两自由度电动移动平台（38）通过平台紧固螺钉（52）安装在龙门立柱（1）的横梁上；双轴疲劳测试子系统中的x、y向疲劳柔性铰链（4、54）通过疲劳紧固螺钉（50）与支撑及调整子系统中的导向机构支撑垫块（5）、信号检测子系统中的力传感器连接架（44）保持刚性连接；双轴预拉伸加载子系统中的y向固定基座（19）、悬臂支撑座（23）、蜗杆轴基座（68）和x向丝杠支撑座（72）通过螺纹连接方式与支撑及调整子系统中的基座（10）刚性连接，信号检测子系统中的卧式激光位移传感器Ⅰ、Ⅱ（32、55）与Arcan双轴夹持子系统中的改进型Arcan夹具（31）刚性连接，接触式位移传感器Ⅰ、Ⅱ（42、43）通过位移传感器移动杆基座（56）和位移传感器基体基座（57）与Arcan双轴夹持子系统中的改进型Arcan夹具（31）刚性连接，压痕激光位移传感器（37）与压入测试子系统中的音圈电机（39）的固定外壁刚性连接，且平面反光板（34）和压痕平面反光板（41）分别粘接固连在Arcan双轴夹持子系统中的改进型Arcan夹具（31）和压入测试子系统中的固定楔形环（62）的表层，y向力传感器（11）通过力传感器紧固螺母（47）紧固在y向力传感器基座（12）上。...

【技术特征摘要】
1.一种静动态载荷谱下材料力学性能原位测试系统，其特征在于：包括Arcan双轴夹持子系统、压入测试子系统、双轴疲劳测试子系统、双轴预拉伸加载子系统、信号检测子系统、支撑及调整子系统，其中，Arcan双轴夹持子系统中的组合式导向机构（48）通过螺纹连接方式分别与支撑及调整子系统中的导向机构支撑垫块（5）、x向力传感器基座（29）、y向力传感器基座（12）保持刚性连接；压入测试子系统中的激光发射器（35）、音圈电机（39）、激光接收器（45）通过螺纹连接方式分别与支撑及调整子系统中的激光发射器两自由度电动移动平台（36）、音圈电机两自由度电动移动平台（38）、激光接收器两自由度电动移动平台（2）刚性连接，音圈电机两自由度电动移动平台（38）通过平台紧固螺钉（52）安装在龙门立柱（1）的横梁上；双轴疲劳测试子系统中的x、y向疲劳柔性铰链（4、54）通过疲劳紧固螺钉（50）与支撑及调整子系统中的导向机构支撑垫块（5）、信号检测子系统中的力传感器连接架（44）保持刚性连接；双轴预拉伸加载子系统中的y向固定基座（19）、悬臂支撑座（23）、蜗杆轴基座（68）和x向丝杠支撑座（72）通过螺纹连接方式与支撑及调整子系统中的基座（10）刚性连接，信号检测子系统中的卧式激光位移传感器Ⅰ、Ⅱ（32、55）与Arcan双轴夹持子系统中的改进型Arcan夹具（31）刚性连接，接触式位移传感器Ⅰ、Ⅱ（42、43）通过位移传感器移动杆基座（56）和位移传感器基体基座（57）与Arcan双轴夹持子系统中的改进型Arcan夹具（31）刚性连接，压痕激光位移传感器（37）与压入测试子系统中的音圈电机（39）的固定外壁刚性连接，且平面反光板（34）和压痕平面反光板（41）分别粘接固连在Arcan双轴夹持子系统中的改进型Arcan夹具（31）和压入测试子系统中的固定楔形环（62）的表层，y向力传感器（11）通过力传感器紧固螺母（47）紧固在y向力传感器基座（12）上。2.根据权利要求1所述的静动态载荷谱下材料力学性能原位测试系统，其特征在于：所述的Arcan双轴夹持子系统包括四个正交布置且共面安装的改进型Arcan夹具（31）、力传感器连接架（44）、组合式导向机构（48）、同步调整手柄（58），四个改进型Arcan夹具（31）的相对位置固定不变，具有等宽的环形凹槽，且四组环形凹槽的几何圆形为同一点，即为被测的十字形试件（33）的几何中心点；改进型Arcan夹具（31）通过力传感器连接架（44）与x向力传感器（30）、y向力传感器（11）连接，且通过圆柱销（51）沿改进型Arcan夹具（31）的环形凹槽的对称轴线周向移动；同步调整手柄（58）和组合式导向机构（48）分别对改进型Arcan夹具（31）的平面相对位置进行同步调整和导向。3.根据权利要求2所述的静动态载荷谱下材料力学性能原位测试系统，其特征在于：所述的四个改进型Arcan夹具（31）围绕着十字形试件（33）的几何中心对称安装，每组相邻改进型Arcan夹具（31）的间隙均一致；其在水平面上与x、y向滚珠丝杠（7、14）轴向之间相对角度的调整依赖于具有直线和圆弧导向功能的组合式导向机构（48）；此外，四个改进型Arcan夹具（31）具有相同的环形凹槽结构，圆柱销（51）的外径小于凹槽的宽度，沿改进型Arcan夹具（31）凹槽和圆柱销（51）的周向方向，在其厚度和高度的中心处，分别预制出具有相同曲率半径的弧形导向面，该导向面与曲率半径一致的淬硬钢珠进行球面接触，以削弱测试过程中改进型Arcan夹具（31）沿周向方向运动的摩擦阻力，且可通过力传感器连接架（44）自由调整夹具体与丝杠轴线的相对角度，以实现十字形试件（33）与丝杠轴线互成任意锐角状态下的加载模式，当该角度为0°时，十字形试件承受轴线拉伸载荷作用，即为双轴拉伸测试模式；当上述角度为锐角时，十字形试件的中心区域将在其横截面处产生相对位置错动，十字形试件实际处于双轴拉伸-剪切平面应力状态；与此同时，改进型Arcan夹具（31）的试件夹持端具有与十字形试件（33）圆弧过渡部分形状一致的凸起结构，该凸起结构高于十字形试件（33）的厚度，即以弧面接触的定位方式实现对十字形试件（33）在两个拉伸正交方向上的对中性；所述的同步调整手柄（58）具有一组对称的定位销，该定位销的直径与改进型Arcan夹具（31）环形凹槽的宽度一致，且一组定位销的轴线间距与一组相邻改进型Arcan夹具（31）环形凹槽相邻末端半圆形圆心间的距离一致，即可通过两个正交布置的同步调整手柄（58）同时调整四个改进型Arcan夹具（31）相对于滚珠丝杠轴线的角度，以确保角度调整过程中四个改进型Arcan夹具（31）相对位置的准确性。4.根据权利要求1或2或3所述的静动态载荷谱下材料力学性能原位测试系统，其特征在于：所述的组合式导向机构（48）由一组线性导轨副和一组弧形导轨副组成，用于改进型Arcan夹具（31）分别沿十字形试件（33）拉伸方向和剪切方向的同步导向；当四个改进型Arcan夹具（31）产生相对运动时，被测十字形试件（33）的几何轴线与丝杠轴线所成的相对锐角随加载进程呈单调递减趋势，即改进型Arcan夹具（31）的运动形式为直线运动和围绕十字形试件（33）的几何中点做平面旋转运动的组合；因此，线性导轨副用于十字形试件（33）拉伸位移的导向，而弧形导轨副用于十字形试件（33）剪切位移的导向，所述弧形导轨副由弧形导轨（65）通过弧形导轨滑块（67）与弧形导轨平台（66）连接组成。5.根据权利要求1所述的静动态载荷谱下材料力学性能原位测试系统，其特征在于：所述的压入测试子系统包括激光发射器（35）、音圈电机（39）、压痕力传感器（40）、压痕平面反光板（41）、激光接收器（45）、压痕力传感器螺母（64）以及压头夹持单元（46），其中压头夹持单元（46）包括压头（59）、压头定位销轴（60）、移动楔形环（61）、固定楔形环（62）和固定档环（63），激光发射器（35）发出的细径可见激光线束由激光接收器（45）实时接收，即可对压头（59）的竖直方向的位置进行初始探测，压头（59）采用的楔形预紧的安装形式可确保其使用过程中的位置的准确性；压痕力传感器（40）的其中一端螺栓通过压痕力传感器螺母（64）与音圈电机（39）的移动端保持刚性连接，其另一端螺栓与压头夹持单元（46）中的固定楔形环（62）亦通过螺纹连接方式紧固；所述激光发射器（35）和激光接收器（45）同轴安装且之间具有连续的细径可见光通路，该光学通路与十字形试件已抛光处理的上表面具有确定的微小间距，用于对压头（59）尖端在竖直方向上的绝对位置进行检测；初始状态下，压头（59）尖端的位置高于可见光束，当音圈电机（39）的移动端产生等速运动或恒加速运动后，在压头（59）尖端与可见光束发生干涉的瞬间，激光接收器（45）无法...

【专利技术属性】
技术研发人员：马志超，赵宏伟，任露泉，张世忠，董景石，范尊强，方岱宁，马敬春，裴永茂，张起勋，范辉，庄庆伟，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22