基于电动缸驱动的高温拉伸-疲劳力学性能测试仪及方法技术

本发明专利技术涉及一种基于电动缸驱动的高温拉伸‑疲劳力学性能测试仪及方法，属于力学性能测试领域。包括移动平台，高温模块、测试模块，测试模块通过电动缸直接驱动，中间传动环节少，实现拉伸、疲劳单一载荷以及拉伸‑疲劳复合载荷的加载。高温模块采用双腔式高温加热炉，测试模块的夹具体单元可待双腔式高温加热炉达到指定温度后由移动平台带动，进入加热腔内部进行相关力学性能测试，以满足特定材料的测试需求。结构简单，传动环节少，测量精度高，有效的解决了温度加载过程中夹具的热变形对力学性能测试的影响。为揭示材料在温度场以及复合载荷耦合作用下的力学性能提供了新方法，对于指导未来资源探索、航空航天等方面都具有重要的现实意义。

High temperature tensile fatigue mechanical testing instrument and method based on electric cylinder driving

The invention relates to a high temperature tensile fatigue mechanical properties tester and a method based on an electric cylinder drive, belonging to the field of mechanical properties testing. Including mobile platform, high temperature module, test module, test module directly driven by an electric cylinder, less intermediate transmission links, to achieve tensile, fatigue single load and tensile fatigue load loading. The high-temperature module adopts double-chamber high-temperature heating furnace, and the clamp unit of the test module can be driven by a moving platform when the double-chamber high-temperature heating furnace reaches the specified temperature, and then enter the heating chamber for relevant mechanical properties testing to meet the testing requirements of specific materials. Simple structure, few transmission links, high measurement accuracy, effectively solve the thermal deformation of the clamp during temperature loading on the mechanical properties of the test. It provides a new method for revealing the mechanical properties of materials under the coupling action of temperature field and composite load, and has important practical significance for guiding future resource exploration, aerospace and other aspects.

【技术实现步骤摘要】
基于电动缸驱动的高温拉伸-疲劳力学性能测试仪及方法
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，特别涉及一种基于电动缸驱动的高温拉伸-疲劳力学性能测试仪及方法。该仪器可以对在高温条件下承受拉伸-疲劳载荷材料的失效机制进行研究，为揭示材料在温度场以及复合载荷耦合作用下的力学性能及微结构演化行为提供了新方法。
技术介绍
材料是国民经济的基础和高新技术的支撑与先导。提高材料性能测试水平，是保障产品性能与使用寿命的关键。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，最终仍会发生断裂破坏的行为。实践表明，机械部件或结构的破坏绝大多数是由疲劳引起的。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。因此，开发研制能与原位观测手段集成的疲劳力学性能测试仪器迫在眉睫。此外，材料及其制品服役环境复杂，不可避免受到多载荷多物理场耦合作用。而多数高压蒸汽锅炉、汽轮机、航空发动机等长期在高温条件下服役，此时依据常温下测得的力学参数进行设计，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。现有的高温拉伸-疲劳力学性能测试仪器，一般结构复杂，中间传动环节较多，例如2015年刘阳等人设计的高温原位拉伸-疲劳测试系统及其测试方法（CN104913981A）；有些高温疲劳装置加载力小且加热环境为空气，例如2015年马志超等人设计开发的复合应力下微构件高温疲劳性能测试装置及方法（CN104677746A）；这样设计的缺点是：（1）中间传动环节多导致试件变形测量存在较大误差；（2）空气中加热会致使试件产生严重的氧化；（3）加载力小导致试件无法在塑性区域进行疲劳试验，使用受限。此外，现有多数高温力学性能测试仪器的夹具部分随加热腔同时升温，夹具热变形会对试验结果产生影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于电动缸驱动的高温拉伸-疲劳力学性能测试仪及方法，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）中间传动环节小，试件变形测量相对精确；（2）采用电动缸驱动，疲劳加载力较大；（3）采用双腔式高温加热炉，夹具体可直接伸入指定温度的真空环境中进行相关力学性能测试。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拉伸-疲劳的实验方法，对于揭示材料疲劳失效的微观变化具有重要意义。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：基于电动缸驱动的高温拉伸-疲劳力学性能测试仪，整体采用卧式布置，包括力学性能测试模块、高温加载模块以及移动平台，所述力学性能测试模块置于移动平台上，移动平台实现力学性能测试模块的轴向运动；所述高温加载模块的双腔式高温加热炉7置于力学性能测试模块的一侧；双腔式高温加热炉达到设定温度后，移动平台带动力学性能测试模块的夹具体单元，进入双腔式高温加热炉的高温腔22内部进行力学性能测试。所述的力学性能测试模块包括电动缸10、拉压传感器8、LVDT位移传感器14及夹具体单元，所述电动缸10通过电动缸支架9固连在平台Ⅰ5上，并通过法兰连接的方式经由拉压传感器8直接驱动夹具体单元的下夹具体Ⅰ18实现拉伸及往复疲劳运动；所述下夹具体Ⅰ18两侧装有水咀，以实现高温试验下的循环水冷却；夹具体单元的下夹具体Ⅱ30通过夹具体支架12固连在平台Ⅰ5上，下夹具体Ⅰ18与夹具体支架12之间采用O型圈密封；所述LVDT位移传感器14一端与下夹具体Ⅰ伸出端13接触，一端通过支架Ⅰ15固连在平台Ⅰ5上，通过测量下夹具体Ⅰ18的位移间接测量试件拉伸位移；所述下夹具体Ⅰ伸出端13通过螺栓连接的方式固连在下夹具体Ⅰ18上；夹具体单元的上夹具体Ⅰ、Ⅱ16、21通过螺纹连接的方式分别与下夹具体Ⅰ、Ⅱ18、30相连，实现试件的夹紧。所述的高温加载模块加热温度可达1200℃，包括双腔式高温加热炉7、真空泵以及水冷系统，所述双腔式高温加热炉7置于支架Ⅲ2上，由高温腔22和常温腔25组成，在温度加载过程中夹具体单元置于常温腔25中，待高温腔22达到设定温度后，夹具体单元移动到高温腔22内进行力学性能测试；所述常温腔25与下夹具体Ⅰ伸出端13采用O型圈密封；所述高温腔22采用钼块29进行加热，并采用钨网26进行隔热保温；所述钨网通过支架Ⅱ28固连到高温腔22腔体底部；高温腔22内部通过热电偶27实现温度的测量，实时监测调控高温腔22腔体内温度，通过PID调节实现温度的闭环控制；高温腔22腔体底部设有法兰盘连接口，用以连接真空泵；高温腔22腔体外壁装有水咀24，以实现高温试验下的循环水冷却；高温腔顶部留有观察视窗23，与光学显微镜集成，实现原位力学性能测试。所述的移动平台通过电机6驱动，经由丝杠3、螺母副实现轴向移动；平台Ⅰ5通过滑块4置于导轨11上，整个力学性能测试模块置于移动平台上，从而实现轴向运动。所述的夹具体单元包括上夹具体Ⅰ、Ⅱ16、21、下夹具体Ⅰ、Ⅱ18、30、导杆19以及定位销20，所述上夹具体Ⅰ、Ⅱ16、21、下夹具体Ⅰ、Ⅱ18、30采用仿形设计，与试件接触表面加工有凹槽；所述定位销20与下夹具体Ⅰ、Ⅱ18、30过盈配合；所述导杆19位于下夹具体Ⅰ、Ⅱ18、30之间，避免试件17在拉伸过程中产生剪切力；所述上夹具体Ⅰ、Ⅱ16、21通过螺栓与下夹具体Ⅰ、Ⅱ18、30固连。所述的移动平台整体置于底板1上，双腔式高温加热炉置于支架Ⅲ2上，所述支架Ⅲ2通过螺纹连接的方式固连在底板1上。本专利技术的另一目的在于提供一种基于电动缸驱动的高温拉伸-疲劳力学性能测试方法，采用钼棒实现室温~1200℃的加载温度，并对材料的损伤机制进行动态监测，具体步骤如下：a、实验开始前，首先将夹具体单元复位，使用销将试件定位固定，并用上夹具体Ⅰ、Ⅱ将试件夹紧；b、试件装夹完毕后，启动移动平台的电机，将夹具体单元及试件整体移入常温腔中；c、准备工作结束后，进行高温加载：首先启动水冷系统，对高温腔以及夹具体单元进行循环水冷；之后启动真空泵，当达到真空度要求后，关闭真空泵；然后设定加载温度，启动高温腔加热按钮；d、当高温腔达到指定温度后，采用温度保持模式，然后移动平台的电机启动，将常温腔中的夹具体单元及试件送入高温腔中，保温2分钟；e、高温加载结束后，将力传感器以及位移传感器示数清零，根据试验目的，设定拉伸、疲劳试验参数，启动电动缸，进行力学性能测试；f、试验结束后，打开充气阀，使双腔式高温加热炉的气压与外界平衡，开启前门，待高温腔内温度与外界温度一致后，取出试件。本专利技术的有益效果在于：本专利技术的基于电动缸驱动的高温拉伸-疲劳力学性能测试仪，结构简单，传动环节少，测量精度高，有效的解决了温度加载过程中夹具的热变形对力学性能测试的影响，为揭示材料在温度场以及复合载荷耦合作用下的力学性能提供了新方法，对于指导未来资源探索、航空航天等方面都具有重要的现实意义。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1为本专利技术的整体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于电动缸驱动的高温拉伸‑疲劳力学性能测试仪，其特征在于：整体采用卧式布置，包括力学性能测试模块、高温加载模块以及移动平台，所述力学性能测试模块置于移动平台上，移动平台实现力学性能测试模块的轴向运动；所述高温加载模块的双腔式高温加热炉（7）置于力学性能测试模块的一侧；双腔式高温加热炉达到设定温度后，移动平台带动力学性能测试模块的夹具体单元，进入双腔式高温加热炉的高温腔（22）内部进行力学性能测试。

【技术特征摘要】
1.一种基于电动缸驱动的高温拉伸-疲劳力学性能测试仪，其特征在于：整体采用卧式布置，包括力学性能测试模块、高温加载模块以及移动平台，所述力学性能测试模块置于移动平台上，移动平台实现力学性能测试模块的轴向运动；所述高温加载模块的双腔式高温加热炉（7）置于力学性能测试模块的一侧；双腔式高温加热炉达到设定温度后，移动平台带动力学性能测试模块的夹具体单元，进入双腔式高温加热炉的高温腔（22）内部进行力学性能测试。2.根据权利要求1所述的基于电动缸驱动的高温拉伸-疲劳力学性能测试仪，其特征在于：所述的力学性能测试模块包括电动缸（10）、拉压传感器（8）、LVDT位移传感器（14）及夹具体单元，所述电动缸（10）通过电动缸支架（9）固连在平台Ⅰ（5）上，并通过法兰连接的方式经由拉压传感器（8）直接驱动夹具体单元的下夹具体Ⅰ（18）实现拉伸及往复疲劳运动；所述下夹具体Ⅰ（18）两侧装有水咀，以实现高温试验下的循环水冷却；夹具体单元的下夹具体Ⅱ（30）通过夹具体支架（12）固连在平台Ⅰ（5）上，下夹具体Ⅰ（18）与夹具体支架（12）之间采用O型圈密封；所述LVDT位移传感器（14）一端与下夹具体Ⅰ伸出端（13）接触，一端通过支架Ⅰ（15）固连在平台Ⅰ（5）上，通过测量下夹具体Ⅰ（18）的位移间接测量试件拉伸位移；所述下夹具体Ⅰ伸出端（13）通过螺栓连接的方式固连在下夹具体Ⅰ（18）上；夹具体单元的上夹具体Ⅰ、Ⅱ（16、21）通过螺纹连接的方式分别与下夹具体Ⅰ、Ⅱ（18、30）相连，实现试件的夹紧。3.根据权利要求1所述的基于电动缸驱动的高温拉伸-疲劳力学性能测试仪，其特征在于：所述的高温加载模块加热温度可达1200℃，包括双腔式高温加热炉（7）、真空泵以及水冷系统，所述双腔式高温加热炉（7）置于支架Ⅲ（2）上，由高温腔（22）和常温腔（25）组成，在温度加载过程中夹具体单元置于常温腔（25）中，待高温腔（22）达到设定温度后，夹具体单元移动到高温腔（22）内进行力学性能测试；所述常温腔（25）与下夹具体Ⅰ伸出端（13）采用O型圈密封；所述高温腔（22）采用钼块（29）进行加热，并采用钨网（26）进行隔热保温；所述钨网通过支架Ⅱ（28）固连到高温腔（22）腔体底部；高温腔（22）内部通过热电偶（27）实现温度的测量，实时监测调控高温腔（22）腔体内温度，通过PID调节实现温度的闭环控制；高温腔（22）腔体底...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宏伟，白元元，张世忠，付祥祺，李磊，国磊，刘泽洋，刘秋成，徐博达，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22