一种微小型原位材料疲劳试验方法技术

本发明专利技术公开了一种微小型原位材料疲劳试验方法，包括：初始化准备工作；对当前材料试样进行拉伸；对当前材料试样进行卸载；对当前材料试样进行压缩；对当前材料试样进行再卸载；对当前材料试样进行再拉伸；当前拉累积循环周次到达预定CT扫描的周次数，停止直线运动机构、并启动旋转运动机构、同时向第三方同步辐射X射线系统发送触发信号；旋转运动机构无级旋转；控制系统重复操作，直至材料试样疲劳断裂为止，或者累积循环周次达到预定的疲劳极限；本发明专利技术通过采用伺服电机系统+防转盘的往复式直线运动机构，解决了传动方法只能进行拉伸试验不能进行压缩试验、或者只能进行应变比大于零的疲劳试验的难题，以及试验过程中材料试样360度自转时被第三方CT机无障碍扫描的问题。题。题。

【技术实现步骤摘要】
一种微小型原位材料疲劳试验方法


[0001]本专利技术属于材料力学的试验与测试
，尤其涉及一种微小型原位 材料疲劳试验方法。

技术介绍

[0002]材料原位CT技术是材料跨尺度力学表征的关键技术之一，而这项技术中 最为关键的一步就是发展可旋转的微小型原位材料试验系统与非接触DIC系 统和高精度同步辐射X射线系统联合使用。可旋转的微小型原位材料试验系统 性能的稳定性和可靠性直接关系到材料力学表征的水平。
[0003]然而，可旋转的微小型原位材料试验系统并不是传统大型标准材料试验 机的等比例缩小，它具有自身的独特性能，如在加载过程中可自旋转、材料 在有效的视场高度内无阻障碍物以便CT穿透等特点，导致应用传统大型标准 材料试验机的设计思路搭建的测试台并不能满足材料原位CT的测试要求。
[0004]可旋转的微小型原位材料试验系统为非标产品，国内相关的标准资料很 少，缺乏可借鉴的设计思路，只能根据相关测试理论及经验探索设计方案， 为试验与测试系统的设计在一定程度增加了难度，且现有市场上普遍使用的 微小型原位材料试验系统多为简易装置，仅能用来对材料实现单调拉伸试验， 对其拉力进行粗略测量，并没有对材料压缩、卸载再加载和动态疲劳损伤性 能进行测试，更没有规范的数据采集和处理系统，使得原位材料试验系统、 数据采集处理系统和第三方非接触DIC系统和高精度同步辐射X射线系统相 互独立，只能人工触发与操作，必然会导致应力、应变等试验数据在时间尺 度上的不能精确对应，为材料力学表征和评价带了极大的困难。
[0005]现有技术的原位材料试验系统存在的问题是：第一、只能做相对简单的 拉伸试验、不能做包括压缩/卸载再加载/疲劳损伤的相对复杂的试验。因为 相对复杂的压缩/卸载再加载/疲劳损伤试验，在力的施加过程中是将材料试 样的两端向中间挤压，要求材料试样的上下两端高度对中，一旦材料试样两 端出现偏离轴中心线不对中的情况，就会在该两端之间产生额外的弯矩力， 该弯矩力作用在材料试样上就会造成材料试样的不准确或者材料试样发生断 裂；由于现有技术未能找出防止产生额外的弯矩力的方法，所以长期以来， 原位材料试验系统只能做简单的拉伸试验。第二、现有技术的原位材料试验 系统试验设备在自转360度时不能被第三方CT机无障碍穿透。因为试验设备在 四个角设有多根粗壮的高刚度钢柱作为支撑主架，这些粗壮的钢柱在360度自 转中成为CT扫描机的遮挡物，遮挡了CT扫描的视线，因此，当需要对材料试 样做CT扫描时，只能将试验到达一定程度时的设备停止运转，然后将材料试 样从试验机上取下来再拿到CT扫描设备上扫描，这样导致CT扫描的材料试样 不再是原位状态，不能做到试验过程中被第三方CT扫描系统同步扫描。

技术实现思路

[0006]本专利技术为解决现有技术的问题，提出一种微小型原位材料疲劳试验方法， 第一目
的在于解决现有及只能做相对简单的拉伸试验、不能做相对复杂的压 缩/卸载再加载/疲劳损伤模式的试验的问题；第二目的在于解决现有技术的 原位材料试验系统不能配合第三方CT扫描实现360无障碍旋转的问题。
[0007]本专利技术为解决其技术问题提出以下技术方案：
[0008]一种微小型原位材料疲劳试验方法，该方法基于一种可旋转的微小型原 位材料试验系统，该系统包括高刚性主机机架子系统、传动子系统、控制子 系统、实时数据采集单元以及第三方同步辐射X射线系统和第三方同步DIC非 接触全场应变测量系统；所述高刚性主机机架子系统用于分别支撑和连接所 述传动子系统和控制子系统；所述的传动子系统包括高精度可往复式直线运 动机构和旋转运动机构；所述实时数据采集单元用于将采集的压力传感器4
‑
1 和位移传感器4
‑
2数据发送给控制子系统；所述的控制子系统用于启动或停止 所述传动子系统的高精度可往复式直线运动机构和旋转运动机构，并向第三 方同步辐射X射线系统和第三方同步DIC非接触全场应变测量系统发送触发 和停止信号；该高精度可往复式直线运动机构用于对材料试样进行包括拉 伸、压缩、卸载再加载、疲劳损伤的试验；该旋转运动机构用于按第三方同 步辐射X射线系统的试验要求驱动所述高刚性主机架连同材料试样进行无级 旋转、使得材料试样在有效的视场高度内被第三方同步辐射X射线系统无障碍 穿透；该控制子系统灵活设定和控制实现除了拉伸试验以外的包括压缩、卸 载再加载、疲劳损伤试验的轨迹，以及灵活设定和控制实现旋转运动机构的 旋转间隔时间；
[0009]其特征在于：该微小型原位材料疲劳试验方法包括以下步骤：
[0010]步骤一、完成材料试样疲劳试验前的初始化准备工作；
[0011]所述初始化工作，包括：
[0012]1)设定疲劳试验的频率；所述频率是指每秒完成的循环周期数，所述循 环周期为：拉伸、卸载、压缩、再卸载为一个循环周期；
[0013]2)设定材料试样的模式是应力控制模式还是应变控制模式；
[0014]3)设定材料试样的应力比R、S
max
和S
min
，其中，R＝S
min
/S
max
,S
max
和S
min
分别 为材料试验在疲劳循环中经受的最大应力和最小应力；
[0015]4)根据需求选择设定疲劳极限N
f
；
[0016]5)预定CT扫描的周次数N
CT_1
、N
CT_2
、
……
、N
CT_i
；
[0017]6)预定DIC非接触全场应变测量的周次数N
DIC_1
、N
DIC_2
、
……
、N
DIC_j
， 原则上，N
CT_i
与N
DIC_j
相差在5个循环次数以内；
[0018]7)在所述可换拉杆(1
‑
7)和升降杆(2
‑
4)之间安装试样；
[0019]步骤二、对当前材料试样进行拉伸，此阶段应力从(S
max
+S
min
)/2变化到S
max
；
[0020]步骤三、对当前材料试样进行卸载，此阶段应力从S
max
变化到(S
max
+S
min
)/2；
[0021]步骤四、对当前材料试样进行压缩，此阶段应力从(S
max
+S
min
)/2变化到S
min
；
[0022]步骤五、对当前材料试样进行再卸载，此阶段应力从S
min
变化到 (S
max
+S
min
)/2；
[0023]步骤六、对当前材料试样进行再拉伸，此阶段应力从(S
max
+S
min
)/2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微小型原位材料疲劳试验方法，该方法基于一种可旋转的微小型原位材料试验系统，该系统包括高刚性主机机架子系统、传动子系统、控制子系统、实时数据采集单元以及第三方同步辐射X射线系统和第三方同步DIC非接触全场应变测量系统；所述高刚性主机机架子系统用于分别支撑和连接所述传动子系统和控制子系统；所述的传动子系统包括高精度可往复式直线运动机构和旋转运动机构；所述实时数据采集单元用于将采集的压力传感器4
‑
1和位移传感器4
‑
2数据发送给控制子系统；所述的控制子系统用于启动或停止所述传动子系统的高精度可往复式直线运动机构和旋转运动机构，并向第三方同步辐射X射线系统和第三方同步DIC非接触全场应变测量系统发送触发和停止信号；该高精度可往复式直线运动机构用于对材料试样进行包括拉伸、压缩、卸载再加载、疲劳损伤的试验；该旋转运动机构用于按第三方同步辐射X射线系统的试验要求驱动所述高刚性主机架连同材料试样进行无级旋转、使得材料试样在有效的视场高度内被第三方同步辐射X射线系统无障碍穿透；该控制子系统灵活设定和控制实现除了拉伸试验以外的包括压缩、卸载再加载、疲劳损伤试验的轨迹，以及灵活设定和控制实现旋转运动机构的旋转间隔时间；其特征在于：该微小型原位材料疲劳试验方法包括以下步骤：步骤一、完成材料试样疲劳试验前的初始化准备工作；所述初始化工作，包括：1)设定疲劳试验的频率；所述频率是指每秒完成的循环周期数，所述循环周期为：拉伸、卸载、压缩、再卸载为一个循环周期；2)设定材料试样的模式是应力控制模式还是应变控制模式；3)设定材料试样的应力比R、S
max
和S
min
，其中，R＝S
min
/S
max
,S
max
和S
min
分别为材料试验在疲劳循环中经受的最大应力和最小应力；4)根据需求选择设定疲劳极限N
f
；5)预定CT扫描的周次数N
CT_1
、N
CT_2
、
……
、N
CT_i
；6)预定DIC非接触全场应变测量的周次数N
DIC_1
、N
DIC_2
、
……
、N
DIC_j
，原则上，N
CT_i
与N
DIC_j
相差在5个循环次数以内；7)在所述可换拉杆(1
‑
7)和升降杆(2
‑
4)之间安装试样；步骤二、对当前材料试样进行拉伸，此阶段应力从(S
max
+S
min
)/2变化到S
max
；步骤三、对当前材料试样进行卸载，此阶段应力从S
max
变化到(S
max
+S
min
)/2；步骤四、对当前材料试样进行压缩，此阶段应力从(S
max
+S
min
)/2变化到S
min
；步骤五、对当前材料试样进行再卸载，此阶段应力从S
min
变化到(S
max
+S
min
)/2；步骤六、对当前材料试样进行再拉伸，此阶段应力从(S
max
+S
min
)/2变化到S
max
；步骤七、控制子系统的中央处理单元将疲劳试验完成次数加1；步骤八、控制子系统判定当前拉累积循环周次是否到达预定CT扫描的周次数，如果是，控制子系统停止直线运动机构、并启动旋转运动机构、同时向第三方同步辐射X射线系统发送触发信号；步骤九、旋转运动机构驱动高刚性主机机架连同材料试样进行无级旋转，同时，旋转运动机构的全数字伺服电机(3
‑
1)驱动蜗杆(3
‑
2)、蜗杆(3
‑
2)带动蜗轮(3
‑
4)转动，蜗轮(3
‑
4)带动除底座(1
‑
5)外的所有部件都随之无级旋转；同时，第三方同步辐射X射线系统对当前应力点的材料试样进行360度拍照；
步骤十、控制子系统判定当前累积循环周次是否到达预定CT扫描的周次数，如果否，控制子系统继续做上述步骤二～步骤五的循环动作，直至材料试样疲劳断裂为止，或者累积循环周次达到预定的疲劳极限；所述步骤二的对当前材料试样进行拉伸，具体为：控制子系统启动直线运动机构的全数字伺服电机系统(2
‑
2)正转，拉伸过程中，应力从(S
max
+S
min
)/2变化到S
max
；所述步骤三的对当前材料试样进行卸载，具体为：控制子系统启动直线运动机构的全数字伺服电机系统(2
‑
2)反转，卸载过程中，应力从S
max
变为(S
max
+S
min
)/2；所述步骤四的对当前材料试样进行压缩，具体为：控制子系统控制直线运动机构的全数字伺服电机系统(2
‑
2)继续反转，反向压缩过程中，应力从(S
max
+S
min
)/2变化到S
min
；所述步骤五的对当前材料试样进行再卸载，具体为：控制子系统控制直线运动机构的全数字伺服电机系统(2
‑
2)从反转变为正转，再卸载过程中，应力从S
min
变化到(S
max
+S
min
)/2；所述步骤六的对当前材料试样进行再拉伸，具体为：控制子系统控制直线运动机构的全数字伺服电机系统(2
‑
2)从继续正转，再拉伸过程中，应力从(S
max
+S
min
)/2变化到S
max
；所述步骤二到步骤六控制子系统控制直线运动机构的全数字伺服电机系统(2
‑
2)正转或反转时，带动螺套(2
‑
3)旋转，当螺套(2
‑
3)旋转时，1)防转盘(1
‑
2)限制升降杆(2
‑
4)只能向上平移或向下平移，从而将全数字伺服电机系统(2
‑
2)的旋转运动变为竖直向上、或竖直向下的直线运动；2)当拉伸、卸载、压缩、...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨正茂，申亮，刘天威，刘晖，吴臣武，杨磊，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：