高温双轴同步拉伸力学性能测试仪器及测试方法技术

本发明专利技术涉及一种高温双轴同步拉伸力学性能测试仪器及测试方法，属于精密科学仪器领域。装置由一个交流伺服电动机带动三个相互正交的锥齿轮，进而实现X轴、Y轴的等速同步拉伸，亦可实现X轴、Y轴的非等速拉伸测试，还可以实现沿X轴方向的单轴拉伸。高温加热炉配有光学视窗，可与光学显微镜集成使用，实现对材料变温拉伸测试过程中的微观力学行为与损伤机制的动态原位监测。通过创新提出的新颖结构，有效的解决了双轴拉伸难以实现同步加载的难题，同时又兼具非等速拉伸加载以及单轴拉伸等功能，结构紧凑、占地面积小，便于集成和控制，具有良好的应用前景，对于高温条件下材料在承受复杂应力状态时力学性能的测试研究具有十分重要的意义。

Instrument and method for testing mechanical properties of high temperature biaxial synchronous tension

The invention relates to a high temperature biaxial synchronous tensile mechanical property testing instrument and a testing method thereof, belonging to the field of precise scientific instruments. Device is driven by an AC servo motor three bevel gears are mutually orthogonal, so as to realize the constant synchronous tension of X axis and Y axis, can realize non constant tensile test of X axis and Y axis, can also realize the uniaxial tension along the X axis direction. The high temperature furnace is equipped with optical window, which can be integrated with optical microscope to realize the dynamic in-situ monitoring of micro mechanical behavior and damage mechanism during tensile testing of materials at variable temperature. A novel structure through the innovation, effectively solve the problem of difficult to achieve synchronous biaxial tensile loading, and both non-uniform tensile loading and uniaxial stretching function, compact structure, small footprint, easy integration and control, has a good application prospect, for under the condition of high temperature materials under complex stress is very important the significance test Study on mechanical properties of the state.

【技术实现步骤摘要】
高温双轴同步拉伸力学性能测试仪器及测试方法
本专利技术涉及材料微观力学性能测试领域的精密科学仪器领域，特别涉及一种高温双轴同步拉伸力学性能测试仪器及测试方法。该仪器可以对在高温条件下承受复杂应力状态的材料失效机制进行研究，可精确地测试材料在高温条件下承受同步双轴拉伸时的力学行为、损伤机制与性能弱化规律。
技术介绍
材料作为21世纪的三大支柱产业之一，其重要性是不言而喻的。在现代社会中，材料与国民工业的联系也越来越紧密。但是，在实际服役状态下，材料通常不是承受单一载荷的作用。然而传统的测试技术仅仅是在单一载荷作用下测材料的力学性能，所以不能完全反映构件的受力状态，这也是零件提前失效的主要原因之一。随着板壳理论的提出，板材的应用也越来越广泛，尤其在航天以及国防工业中得到广泛应用。板材的受力状态一般是典型的二向应力。显然，如果应用传统的测试装置不能完全体现它的受力状态，所以测得的力学参数也不具有绝对的参考价值。再者通常较薄的板材将表现出一种各向异性，所以单轴拉伸试验很难准确描述薄板的力学性能。此外，部分航空航天器结构件和机械装备元件经常会在较高的温度下工作，而温度会对材料的力学性能造成较大影响，所以此时在常温下用单向拉伸测得的力学参数是不准确的，依据这样的参数去设计，难以保证结构的安全性。因此，如果能在材料力学性能测试中，开发一种可以提供接近材料真实受力情况，模拟材料所处的真实环境的力学测试仪器，就能更加准确的获得材料在实际服役条件下的力学性能。现有的双轴拉伸装置驱动单元较多，一般采用X向以及Y向单独驱动，例如2013年张鹏等人申请的力热耦合加载的双轴双向拉伸/压缩原位测试系统(CN203337479U)；有些双轴拉伸仪器采用4个驱动器对于4个拉伸端分别进行驱动，例如2015年陈务军等人申请的一种双轴拉伸测试装置(CN104568591A)。这样设计的缺点是：(1)由于驱动单元较多，导致仪器结构较为复杂；(2)由于驱动单元不唯一，难以完全实现完全的同步加载。此外，之前的双轴拉伸仪器很难实现室温～1600℃的高温加载温度区间。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高温双轴同步拉伸力学性能测试仪器及测试方法，解决了现有技术存在的上述问题。本专利技术具有以下特点：(1)采用单电机驱动，通过三个相互正交的锥齿轮传动，从而实现双轴同步拉伸；(2)通过爪牙式离合器结构实现单轴拉伸，双轴拉伸的切换；(3)通过更换不同传动比的锥齿轮，可以实现不同比例加载。(4)通过高温加热炉实现高达1600℃的高温加载。(5)可以与光学显微镜集成使用，从而观察材料在高温条件下，承受双向拉力下的裂纹扩展等微观结构变化。本专利技术提供了一种可以模拟材料真实服役状态下的高温双轴拉伸的实验方法，对于揭示材料失效的微观变化具有重要意义。本装置通过巧妙的结构设计，由一个交流伺服电动机带动三个相互正交的锥齿轮，进而实现X轴、Y轴的等速同步拉伸；通过更换不同传动比的锥齿轮，亦可实现X轴、Y轴的非等速拉伸测试；通过手柄的滑动切换，还可以实现沿X轴方向的单轴拉伸。高温加载模块采用高温加热炉，选用硅钼棒作为加热元件，最高加热温度可达1600℃，从而实现高温下材料在承受双向拉力时其相关力学性能的测试研究。其中高温加热炉配有光学视窗，可与光学显微镜集成使用，实现对材料变温拉伸测试过程中的微观力学行为与损伤机制的动态原位监测。本装置通过创新提出的新颖结构，有效的解决了双轴拉伸难以实现同步加载的难题，同时又兼具非等速拉伸加载以及单轴拉伸等功能，测试装置结构紧凑、占地面积小，便于集成和控制，具有良好的应用前景，对于高温条件下材料在承受复杂应力状态时力学性能的测试研究具有十分重要的意义。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：高温双轴同步拉伸力学性能测试仪器，整体结构采用卧式布置，包括驱动单元、传动单元、拉伸单元及检测单元、十字形试件的夹持单元以及高温加载单元，其中驱动单元采用一个交流伺服电机8，通过蜗轮25、蜗杆23减速增扭后进行驱动，从而保证X、Y轴加载的同步性；传动单元采用三个相互正交的锥齿轮Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ20、27、28进行动力的传递，从而实现单电机驱动下X轴、Y轴的双向动力传递；拉伸单元及检测单元设置在高温加载单元的高温加热炉4外部，防止高温对整个测试仪器造成的损伤并减小温度变化对于检测单元的影响；拉伸单元通过丝杠螺母副将交流伺服电机8的旋转运动转化为螺母基座Ⅱ16的直线运动，检测单元采用拉力传感器Ⅰ、Ⅱ以及直线光栅位移传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ进行力和位移的测量；十字形试件的夹持单元螺纹连接到螺母基座Ⅱ16上，螺母基座Ⅱ16通过滑块Ⅱ17固连在直线导轨Ⅱ15上，从而使十字形试件的夹持单元以及拉伸单元整体沿直线导轨Ⅱ运动，实现力的加载；高温加载单元的高温加热炉4通过螺纹连接的方式固定在仪器的底板10上；原位观测显微镜置于高温加载单元的正上方，通过高温加载单元的光学视窗对被测样品的力学行为和损伤机制进行动态原位观测。所述的驱动单元采用一个交流伺服电机8提供驱动动力，经过蜗轮25、蜗杆23减速增扭后，将动力传递到X向丝杠Ⅰ22上，之后通过丝杠螺母副对试件施加载荷；其中，交流伺服电机8通过电机支座24固定在底板10上，蜗杆23安装到交流伺服电机8的输出轴上；蜗轮25通过键连接固定在X向丝杠Ⅰ22上，从而将交流伺服电机输出的动力进行减速增扭，最后通过丝杠螺母副将交流伺服电机8的旋转运动转变为螺母基座Ⅱ16的直线运动，所述螺母基座Ⅱ16通过滑块Ⅱ17安装到直线导轨Ⅱ15上。所述的传动单元采用三个相互正交的的锥齿轮Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ20、27、28进行动力的传递，具体包括：两个旋向相反的X向丝杠Ⅰ、Ⅱ22、32，两个旋向相同的Y向丝杠Ⅰ、Ⅱ19、26，三个相互正交的锥齿轮Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ20、27、28，爪牙式离合器31，其中，所述X向丝杠Ⅱ32通过轴承支座Ⅲ33安装到仪器底板上，在X向丝杠Ⅱ32上布置一个带有爪牙式结构的锥齿轮Ⅲ28，其通过滚针轴承39空套在X向丝杠Ⅱ32上，所述爪牙式离合器31通过平键38固连在X向丝杠Ⅱ32上，通过摆动爪牙式离合器31上的滑动手柄30，实现爪牙式离合器31与带爪牙式结构的锥齿轮Ⅲ28的啮合与否，从而实现单轴或者双轴同步拉伸的功能，滑动手柄30通过销37连接到爪牙式离合器31上；所述X向丝杠Ⅱ32通过套筒式联轴器40与X向丝杠Ⅰ22连接，所述Y向丝杠Ⅰ、Ⅱ19、26上对称布置两个完全相同的锥齿轮Ⅰ、Ⅱ20、27，所述锥齿轮Ⅰ、Ⅱ20、27通过轴肩和锁紧螺母进行定位以及锁紧；所述X向丝杠Ⅰ、Ⅱ22、32、Y向丝杠Ⅰ、Ⅱ19、26通过轴承支座Ⅰ、Ⅱ18、21连接到底板10上；动力通过X向丝杠Ⅰ22输入，经过套筒式联轴器40传递给X向丝杠Ⅱ32，通过锥齿轮Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ20、27、28传动传递给Y向丝杠Ⅰ、Ⅱ19、26，从而实现单电机驱动下的双轴同步拉伸功能。所述的拉伸单元及检测单元包括拉力传感器Ⅰ、Ⅱ2、14，直线光栅位移传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ7、9、29、34，螺母基座Ⅰ、Ⅱ1、16以及夹具体支座Ⅰ、Ⅱ3、13，其中，所述拉力传感器Ⅰ、Ⅱ2、14一端固连在螺母基座Ⅰ、Ⅱ1、16上，另一端固连在夹具体支座Ⅰ、Ⅱ3、13上；所述螺母基座Ⅱ16以及夹具体支座Ⅱ13分别通过滑块Ⅰ本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高温双轴同步拉伸力学性能测试仪器，其特征在于：整体结构采用卧式布置，包括驱动单元、传动单元、拉伸单元及检测单元、十字形试件的夹持单元以及高温加载单元，其中驱动单元采用一个交流伺服电机（8），通过蜗轮（25）、蜗杆（23）减速增扭后进行驱动，从而保证X、Y轴加载的同步性；传动单元采用三个相互正交的锥齿轮Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（20、27、28）进行动力的传递，从而实现单电机驱动下X轴、Y轴的双向动力传递；拉伸单元及检测单元设置在高温加载单元的高温加热炉（4）外部，防止高温对整个测试仪器造成的损伤并减小温度变化对于检测单元的影响；拉伸单元通过丝杠螺母副将交流伺服电机（8）的旋转运动转化为螺母基座Ⅱ（16）的直线运动，检测单元采用拉力传感器Ⅰ、Ⅱ以及直线光栅位移传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ进行力和位移的测量；十字形试件的夹持单元螺纹连接到螺母基座Ⅱ（16）上，螺母基座Ⅱ（16）通过滑块Ⅱ（17）固连在直线导轨Ⅱ（15）上，从而使十字形试件的夹持单元以及拉伸单元整体沿直线导轨Ⅱ运动，实现力的加载；高温加载单元的高温加热炉（4）通过螺纹连接的方式固定在仪器的底板（10）上；原位观测显微镜置于高温加载单元的正上方，通过高温加载单元的光学视窗对被测样品的力学行为和损伤机制进行动态原位观测。...

【技术特征摘要】
1.一种高温双轴同步拉伸力学性能测试仪器，其特征在于：整体结构采用卧式布置，包括驱动单元、传动单元、拉伸单元及检测单元、十字形试件的夹持单元以及高温加载单元，其中驱动单元采用一个交流伺服电机（8），通过蜗轮（25）、蜗杆（23）减速增扭后进行驱动，从而保证X、Y轴加载的同步性；传动单元采用三个相互正交的锥齿轮Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（20、27、28）进行动力的传递，从而实现单电机驱动下X轴、Y轴的双向动力传递；拉伸单元及检测单元设置在高温加载单元的高温加热炉（4）外部，防止高温对整个测试仪器造成的损伤并减小温度变化对于检测单元的影响；拉伸单元通过丝杠螺母副将交流伺服电机（8）的旋转运动转化为螺母基座Ⅱ（16）的直线运动，检测单元采用拉力传感器Ⅰ、Ⅱ以及直线光栅位移传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ进行力和位移的测量；十字形试件的夹持单元螺纹连接到螺母基座Ⅱ（16）上，螺母基座Ⅱ（16）通过滑块Ⅱ（17）固连在直线导轨Ⅱ（15）上，从而使十字形试件的夹持单元以及拉伸单元整体沿直线导轨Ⅱ运动，实现力的加载；高温加载单元的高温加热炉（4）通过螺纹连接的方式固定在仪器的底板（10）上；原位观测显微镜置于高温加载单元的正上方，通过高温加载单元的光学视窗对被测样品的力学行为和损伤机制进行动态原位观测。2.根据权利要求1所述的高温双轴同步拉伸力学性能测试仪器，其特征在于：所述的驱动单元采用一个交流伺服电机（8）提供驱动动力，经过蜗轮（25）、蜗杆（23）减速增扭后，将动力传递到X向丝杠Ⅰ（22）上，之后通过丝杠螺母副对试件施加载荷；其中，交流伺服电机（8）通过电机支座（24）固定在底板（10）上，蜗杆（23）安装到交流伺服电机（8）的输出轴上；蜗轮（25）通过键连接固定在X向丝杠Ⅰ（22）上，从而将交流伺服电机输出的动力进行减速增扭，最后通过丝杠螺母副将交流伺服电机（8）的旋转运动转变为螺母基座Ⅱ（16）的直线运动，所述螺母基座Ⅱ（16）通过滑块Ⅱ（17）安装到直线导轨Ⅱ（15）上。3.根据权利要求1所述的高温双轴同步拉伸力学性能测试仪器，其特征在于：所述的传动单元采用三个相互正交的的锥齿轮Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（20、27、28）进行动力的传递，具体包括：两个旋向相反的X向丝杠Ⅰ、Ⅱ（22、32），两个旋向相同的Y向丝杠Ⅰ、Ⅱ（19、26），三个相互正交的锥齿轮Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（20、27、28），爪牙式离合器（31），其中，所述X向丝杠Ⅱ（32）通过轴承支座Ⅲ（33）安装到仪器底板上，在X向丝杠Ⅱ（32）上布置一个带有爪牙式结构的锥齿轮Ⅲ（28），其通过滚针轴承（39）空套在X向丝杠Ⅱ（32）上，所述爪牙式离合器（31）通过平键（38）固连在X向丝杠Ⅱ（32）上，通过摆动爪牙式离合器（31）上的滑动手柄（30），实现爪牙式离合器（31）与带爪牙式结构的锥齿轮Ⅲ（28）的啮合与否，从而实现单轴或者双轴同步拉伸的功能，滑动手柄（30）通过销（37）连接到爪牙式离合器（31）上；所述X向丝杠Ⅱ（32）通过套筒式联轴器（40）与X向丝杠Ⅰ（22）连接，所述Y向丝杠Ⅰ、Ⅱ（19、26）上对称布置两个完全相同的锥齿轮Ⅰ、Ⅱ（20、27），所述锥齿轮Ⅰ、Ⅱ（20、27）通过轴肩和锁紧螺母进行定位以及锁紧；所述X向丝杠Ⅰ、Ⅱ（22、32）、Y向丝杠Ⅰ、Ⅱ（19、26）通过轴承支座Ⅰ、Ⅱ（18、21）连接到底板（10）上；动力通过X向丝杠Ⅰ（22）输入，经过套筒式联轴器（40）传递给X向丝杠Ⅱ（32），通过锥齿轮Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（20、27、28）传动传递给Y向丝杠Ⅰ、Ⅱ（19、26），从而实现单电机驱动下的双轴同步拉伸功能。4...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宏伟，白元元，马志超，吴迪，乔元森，于淼，洪坤，李瑞，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22