本发明专利技术公开一种本发明专利技术提出的微小裂纹扩展原位试验和观测装置，包括疲劳加载系统、温度控制系统和显微光学成像与监测系统。其结构简单合理，利用疲劳加载系统、温度控制系统和显微光学成像与监测系统，可针对金属材料在高温大气环境下的微小裂纹萌生和扩展进行原位在线试验与观测，无需暂停试验机对试样进行拆卸和再处理，从而有效解决了现有技术存在的无法连续在线开展高温大气环境下金属微小裂纹扩展行为试验的问题。同时，本发明专利技术创新地利用带通滤波原理对高温下试样和温度控制系统的高温热辐射和可见光(主要为红光段)进行截断，消除高温对裂纹观测带来的干扰。消除高温对裂纹观测带来的干扰。消除高温对裂纹观测带来的干扰。
【技术实现步骤摘要】
一种微小裂纹扩展原位试验和观测装置
[0001]本专利技术涉及金属材料测试领域，特别是涉及一种微小裂纹扩展原位试验和观测装置。
技术介绍
[0002]金属材料在制造过程中引入的空隙、非金属夹杂等缺陷往往是材料在受载过程中导致灾难性破坏失效的裂纹源。这些缺陷尺寸往往在几十微米到200微米之间。裂纹从这些缺陷处萌生之后随即进入小裂纹扩展阶段，因此，探明金属材料微小裂纹的扩展行为和机理，对承重结构的安全工作、服役以及损伤容限设计意义十分重大。
[0003]但是由于萌生于制造缺陷处的裂纹尺寸及其微小，难以用传统的手段进行观测和度量。尤其在高温环境，由于材料与大气发生氧化作用，更为小裂纹扩展试验的开展带来了诸多困难。先进的基于扫描电镜的原位疲劳试验技术虽然能够在线观察微小裂纹萌生和扩展情况，但是使用价格昂贵，并且只能在真空环境下开展试验，无法体现大气和高温环境的耦合作用。
[0004]申请号为CN201810060994.4的专利公开了一种用乙酸纤维素薄膜复型来获取金属板件疲劳小裂纹情况的试验方法，但是需要试验中途停机覆膜记录，无法连续观测，只能记录少量信息，这就导致容易丢失关键信息，无法再现小裂纹扩展的真实行为。同时由于覆膜过程较为繁琐，覆型成功率很大程度上受到试验人员经验和技术的影响，需要耗费大量的人力成本。
[0005]综上所述，如何提出一种低成本、能够连续在线开展室温以及高温大气环境下金属微小裂纹扩展行为试验的设备，是目前亟待解决的一个问题。
技术实现思路
[0006]本专利技术的目的是提供一种微小裂纹扩展原位试验和观测装置，其可针对金属材料在高温大气环境下的微小裂纹萌生和扩展进行原位在线试验与观测，以解决上述现有技术存在的无法连续在线开展高温大气环境下金属微小裂纹扩展行为试验的问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0008]本专利技术提供一种微小裂纹扩展原位试验和观测装置，包括：
[0009]疲劳加载系统，所述疲劳加载系统包括疲劳试验机和试样夹具，所述试样夹具与所述疲劳试验机相连，用于夹持小裂纹试样，所述小裂纹试样上预制缺陷；所述疲劳试验机用于对所述小裂纹试样施加疲劳载荷；
[0010]温度控制系统，所述温度控制系统包括加热腔室和加热元件，所述加热腔室内用于容放所述小裂纹试样，所述加热元件设置于所述加热腔室内，用于加热所述小裂纹试样；所述加热腔室的一侧设置有观察窗口，所述观察窗口能够暴露所述小裂纹试样上预制的缺陷；
[0011]显微光学成像与监测系统，所述显微光学成像与监测系统包括显微光学镜头、带
通滤波片和图像采集装置，且所述观察窗口、所述显微光学镜头、所述带通滤波片和所述图像采集装置依次对齐排布，所述带通滤波片用于滤除所述加热元件以及所述小裂纹试样受热发出的热辐射和可见光，所述图像采集装置用于观察并记录所述小裂纹试样的预制缺陷处的裂纹萌生和扩展情况。
[0012]可选的，所述显微光学成像与监测系统还包括照明系统；所述照明系统包括：
[0013]波长范围为425nm～500nm的LED蓝色同轴光源，所述LED蓝色同轴光源位于所述显微光学镜头的上方；
[0014]光路整合组件，所述光路整合组件包括反射镜和凸透镜，所述凸透镜设置于所述观察窗口与所述显微光学镜头之间，所述反射镜倾斜设置于所述凸透镜与所述显微光学镜头之间，且位于所述LED蓝色同轴光源的下方，所述反射镜能够接收所述LED蓝色同轴光源发射的光线，并朝向所述观察窗口反射所述光线。
[0015]可选的，所述显微光学成像与监测系统还包括冷却风扇，所述冷却风扇设置于所述观察窗口与所述显微光学镜头之间，用于冷却所述显微光学成像与监测系统。
[0016]可选的，所述显微光学成像与监测系统还包括图像记录与存储系统，所述图像记录与存储系统包括图形工作站，所述图形工作站配置有图像监控与存储软件以及硬盘；所述图形工作站与所述图像采集装置通讯连接。
[0017]可选的，所述图像采集装置为CCD相机。
[0018]可选的，所述温度控制系统还包括测温热电偶；所述加热元件包括一对碳硅加热元件。
[0019]可选的，还包括镜头调节系统，所述镜头调节系统包括：
[0020]升降台；
[0021]三轴平移台，所述三轴平移台设置于所述升降台上；
[0022]旋转台，所述旋转台转动安装于所述三轴平移台上；
[0023]显微镜头保持架，所述显微镜头保持架设置于所述旋转台上方，用于安装所述显微光学镜头。
[0024]可选的，所述显微镜头保持架包括：
[0025]环状支架，所述环状支架上沿其周向间隔设置有多个螺纹顶紧装置，所述螺纹顶紧装置用于固定所述显微光学镜头；
[0026]环状支架地步俯仰台，所述环状支架地步俯仰台安装于所述旋转台上，所述环状支架安装于所述环状支架地步俯仰台上，所述环状支架地步俯仰台用于调节所述显微光学镜头的俯仰角度。
[0027]可选的，所述环状支架上沿其周向每间隔120
°
设置一螺纹顶紧装置；所述螺纹顶紧装置为与所述环状支架螺纹连接的螺栓。
[0028]可选的，还包括减震系统，所述减震系统包括自下而上依次设置的隔振橡胶块、气浮隔振平台和蜂窝面包板；所述镜头调节系统设置于所述蜂窝面包板上。
[0029]可选的，所述小裂纹试样为棒状试样，且所述棒状试样的中间段的横截面为矩形，所述中间段的两端均连接横截面为圆形的圆柱段；所述中间段用于预制所述缺陷；所述圆柱段用于与所述试样夹具螺纹连接。
[0030]本专利技术相对于现有技术取得了以下技术效果：
[0031]本专利技术提出的微小裂纹扩展原位试验和观测装置，结构简单合理，利用疲劳加载系统、温度控制系统和显微光学成像与监测系统，可针对金属材料在高温大气环境下的微小裂纹萌生和扩展进行原位在线试验与观测，无需暂停试验机对试样进行拆卸和再处理，从而有效解决了现有技术存在的无法连续在线开展高温大气环境下金属微小裂纹扩展行为试验的问题。同时，本专利技术创新地利用带通滤波原理对高温下试样和温度控制系统的高温热辐射和可见光(主要为红光段)进行截断，消除高温对裂纹观测带来的干扰。
[0032]相对于现有技术，本专利技术提供的微小裂纹扩展原位试验和观测装置可在线、低成本和高效进行微小裂纹扩展原位试验和观测，相比覆膜法实验技术能够获取更为丰富的裂纹扩展和细观信息，突破了高温大气环境下微小裂纹扩展看得见、看得清和在线看的关键技术难题，能够适应室温到高温宽温度的工作条件，具有较好的通用性。
附图说明
[0033]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0034]图1为本专利技术实施例所公开的微小裂纹扩展原位试验本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种微小裂纹扩展原位试验和观测装置，其特征在于，包括：疲劳加载系统，所述疲劳加载系统包括疲劳试验机和试样夹具，所述试样夹具与所述疲劳试验机相连，用于夹持小裂纹试样，所述小裂纹试样上预制缺陷；所述疲劳试验机用于对所述小裂纹试样施加疲劳载荷；温度控制系统，所述温度控制系统包括加热腔室和加热元件，所述加热腔室内用于容放所述小裂纹试样，所述加热元件设置于所述加热腔室内，用于加热所述小裂纹试样；所述加热腔室的一侧设置有观察窗口，所述观察窗口能够暴露所述小裂纹试样上预制的缺陷；显微光学成像与监测系统，所述显微光学成像与监测系统包括显微光学镜头、带通滤波片和图像采集装置，且所述观察窗口、所述显微光学镜头、所述带通滤波片和所述图像采集装置依次对齐排布，所述带通滤波片用于滤除所述加热元件以及所述小裂纹试样受热发出的热辐射和可见光，所述图像采集装置用于观察并记录所述小裂纹试样的预制缺陷处的裂纹萌生和扩展情况。2.根据权利要求1所述的微小裂纹扩展原位试验和观测装置，其特征在于，所述显微光学成像与监测系统还包括照明系统；所述照明系统包括：波长范围为425nm～500nm的LED蓝色同轴光源，所述LED蓝色同轴光源位于所述显微光学镜头的上方；光路整合组件，所述光路整合组件包括反射镜和凸透镜，所述凸透镜设置于所述观察窗口与所述显微光学镜头之间，所述反射镜倾斜设置于所述凸透镜与所述显微光学镜头之间，且位于所述LED蓝色同轴光源的下方，所述反射镜能够接收所述LED蓝色同轴光源发射的光线，并朝向所述观察窗口反射所述光线。3.根据权利要求1所述的微小裂纹扩展原位试验和观测装置，其特征在于，所述显微光学成像与监测系统还包括冷却风扇，所述冷却风扇设置于所述观察窗口与所述显微光学镜头之间，用于冷却所述显微光学成像与监测系统。4.根据权利要求1所述的微小裂纹扩展原位试验和观测装置，其特征...
【专利技术属性】
技术研发人员：范永升，杨秦政，杨晓光，石多奇，谭龙，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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