基于同步辐射光源的多功能原位腐蚀疲劳试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于同步辐射光源的原位轴向腐蚀疲劳试验装置及方法，包括往复驱动机构、静力加载机构、环境控制装置、数据采集与控制装置，往复驱动机构采用伺服电机带动凸轮连杆机构的作动方式实现疲劳作动，通过控制伺服电机转速控制载荷频率。静力加载机构采用旋拧套筒挤压碟簧的方式实现静力加载。环境控制装置采用“下进上出”的循环方式，通过控制五位两通电磁阀的状态可分别在试验腔内营造全浸、周浸、盐雾的腐蚀环境。数据采集与控制装置通过安装在静力加载机构中的力传感器和试验腔内的热电偶采集力和温度数据。本装置及方法可实时、原位、可视化表征腐蚀疲劳加载过程中腐蚀坑及裂纹的三维演化规律。坑及裂纹的三维演化规律。坑及裂纹的三维演化规律。

【技术实现步骤摘要】
基于同步辐射光源的多功能原位腐蚀疲劳试验装置及方法


[0001]本专利技术涉及一种可实时观测腐蚀疲劳试样内部损伤演化的疲劳试验装置及方法，具体涉及材料的腐蚀疲劳、疲劳测试


技术介绍

[0002]腐蚀疲劳是金属材料在交变应力与腐蚀介质的联合作用下发生脆性断裂的过程。腐蚀疲劳的本质是电化学腐蚀过程和力学过程的相互作用，这种相互作用远远超过交变应力和腐蚀介质单独作用的结果，是一种非常严重的破坏形式。在腐蚀介质的作用下，金属结构的抗疲劳性能大大降低，严重威胁大型设施设备的服役安全性。腐蚀疲劳过程中，腐蚀坑和裂纹形态的动态变化是研究腐蚀环境下疲劳裂纹的萌生、扩展机理的关键，但到目前为止对腐蚀坑和裂纹形态的实时观测还尚未实现。
[0003]腐蚀疲劳广泛存在于海洋机械、航空航天、油气开采、轨道交通、人体植入件等国民经济部门和医学领域。腐蚀环境下的疲劳失效作为海洋大气、城市酸雨等地理气候下，金属结构的一种严重破坏形式，有重要研究价值和实际意义。长久以来，学术界对于材料的腐蚀疲劳研究还停留在传统的具有破坏性的、二维的研究方式，虽然可基于疲劳断口反推材料的失效过程，但缺乏“腐蚀坑
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裂纹源”在三维空间的演化及裂纹扩展的动态过程，因而难以深入理解腐蚀疲劳过程中腐蚀介质与疲劳载荷的交互作用。同步辐射光源具有高亮度、高准直、高偏振、高纯净、窄脉冲的特点，可以在亚微米空间和皮秒时间尺度上准确捕捉试样内部的缺陷与微观组织结构，是开展各种材料微观结构原位、动态、无损以及可视化研究的超级显微镜和精密探针。
[0004]当前绝大多数腐蚀疲劳试验机由于结构支撑装置对试样的遮挡以及体积重量过大，无法直接兼容于同步辐射光源。因此，研制适用于同步辐射光源的原位腐蚀疲劳试验机以实现对腐蚀环境下材料腐蚀坑及裂纹形貌的实时三维成像表征，对腐蚀疲劳的交互作用形式和复杂损伤机理进一步的探索。

技术实现思路

[0005]要解决的技术问题
[0006]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提供一种可实时观测腐蚀疲劳腐蚀坑、裂纹形貌变化及残余应力场分布的轴向腐蚀疲劳试验装置及方法。
[0007]技术方案
[0008]一种基于同步辐射的原位轴向腐蚀疲劳试验装置，其特征在于包括有机玻璃筒、腔体上盖、腔体下盖、静力加载机构、往复驱动机构、环境控制装置、数据采集与控制装置，所述的机玻璃筒、腔体上盖、腔体下盖构成了一个试验腔体，试样位于试验腔内；所述的静力加载机构包括上夹具、上加力杆、传感器安装座、螺柱、碟簧、可拧套筒，上夹具下端与试样上端夹紧，上端与上加力杆的下端螺纹连接；螺柱下端与传感器安装座固定，螺柱上端与可拧套筒上的螺纹孔连接，通过旋拧套筒挤压碟簧的方式实现静力加载；所述往复驱动机
构采用伺服电机带动凸轮连杆机构的作动方式实现疲劳作动给试样提供往复驱动力；所述的环境控制装置采用下进上出的循环方式，通过控制五位两通电磁阀的状态可分别在试验腔内营造全浸、周浸、盐雾的腐蚀环境，同时设有环形玻璃加热管加热恒温以加速腐蚀；所述的数据采集与控制装置通过安装在传感器安装座上的力传感器和试验腔内的热电偶采集力和温度数据，同时对伺服电机、电磁阀、加热管进行控制。
[0009]本专利技术进一步的技术方案：所述的往复驱动机构包括伺服电机、凸轮、滚子轴承、横杆、连杆、下加力杆、下夹具，凸轮通过平键与伺服电机电机轴固定，滚子轴承外圈与凸轮轮廓面相切，内圈通过销钉与横杆固定，横杆通过直线轴承约束在底座上，只能做横向直线运动；连杆下端通过转动销穿过横杆上通孔与横杆相连，可绕转动销转动，连杆上端与下加力杆下端的连接；下夹具下端与下加力杆上端固定，上端与试样下端进行固定。
[0010]本专利技术进一步的技术方案：所述的环境控制装置包括环形玻璃加热管、五位两通电磁阀、过滤器、单向变量液压泵、进液口、出液口、排液口、溶液箱及相关管路；电磁阀断电状态下，腐蚀液通过管路从溶液箱中抽取，经过滤器、单向变量液压泵、五位两通电磁阀、进液口、排液口，最后返回溶液箱；其中，进液口、排液口固定于腔体下盖，出液口固定于腔体上盖，环形玻璃加热管通过扣件固定于腔体下盖；五位两通电磁阀上端两个接口分别接进液口和排液口，下端三个接口，一个接口接单向变量液压泵，剩余两个接口接回溶液箱，控制电路与中央控制器电连接；出液口直接接回溶液箱，管路下端高于液面；环形玻璃加热管控制电路接中央控制器。
[0011]本专利技术进一步的技术方案：所述的数据采集装置包括力传感器、热电偶、中央控制器；力传感器受力孔与上加力杆上端螺纹固定，上端通过螺栓与传感器安装座下端连接，信号输出端口与中央控制器电连接；热电偶置于腐蚀疲劳试验腔体内，固定在腔体上盖上，信号输出线路与中央控制器电连接。
[0012]本专利技术进一步的技术方案：所述的腔体下盖中心有圆筒形凸台，凸台底部开有通孔供下加力杆插入，圆筒内部安装有密封垫圈和加力杆直线轴承，按照“密封垫圈
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加力杆直线轴承
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橡胶垫圈”的方式进行装配，上部通过扣盖定位，扣盖下表面与腔体下盖的凸台上表面通过螺钉固定；腔体下盖底部左右两侧还对称开有2个等大通孔，分别用于安装进液口和排液口；腔体上盖同理，不同的是腔体上盖底部2个通孔大小不等，左侧大孔用以安装出液口，右侧小孔用以引出热电偶导线。
[0013]一种基于同步辐射的原位轴向腐蚀疲劳试验方法，其特征在于步骤如下：
[0014]步骤1：施加静力载荷时，旋转可拧套筒手柄带动套筒旋转，套筒下端面挤压碟簧产生弹性变形，从而产生一个轴向力，通过螺柱、传感器安装座传递到力传感器，力传感器检测到轴向力后将数据传递给中央控制器的数据采集卡，中央控制器与电脑端相连，当电脑端显示的压力数值达到预定要求后停止拧动套筒，完成静力加载；
[0015]步骤2：通过中央控制器开启环境控制装置，接通单向变量液压泵、环形玻璃加热管电源；热电偶对腐蚀疲劳试验腔的环境温度进行检测并将检测数据传递给中央控制器，当环境温度达到设定温度上限时则断开加热管电源，低于设定温度下限则再次接通加热管电源；环境控制装置可提供3种腐蚀环境工况，包括全浸腐蚀a、周浸腐蚀b和盐雾腐蚀c；
[0016]步骤2a：全浸腐蚀工况下，中央控制器控制五位两通电磁阀电磁铁处于通电状态，进液口打开，排液口关闭；腐蚀溶液按照“溶液箱
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过滤器
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单向变量液压泵
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五位两通电磁
阀
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进液口
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腐蚀疲劳试验腔
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出液口
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溶液箱”形成循环回路；
[0017]步骤2b：周浸腐蚀工况下，中央控制器控制五位两通电磁阀电磁铁处于周期性的通断电状态；进液时，与步骤2a相同，进液口打开，排液口关闭，腐蚀溶液“下进上出”注入试验腔；排液时，五位两通电磁阀电磁铁断电，进液口关闭，排液口打开，液压泵泵出的腐蚀溶液直接流回溶液箱，试验腔中留存的腐蚀溶液则在重力作用下流回溶液箱；
[0018]步本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于同步辐射的原位轴向腐蚀疲劳试验装置，其特征在于包括有机玻璃筒(8)、腔体上盖(21)、腔体下盖(5)、静力加载机构、往复驱动机构、环境控制装置、数据采集与控制装置，所述的机玻璃筒(8)、腔体上盖(21)、腔体下盖(5)构成了一个试验腔体，试样(23)位于试验腔内；所述的静力加载机构包括上夹具(22)、上加力杆(17)、传感器安装座(12)、螺柱(14)、碟簧(15)、可拧套筒(16)，上夹具(22)下端与试样(23)上端夹紧，上端与上加力杆(17)的下端螺纹连接；螺柱(14)下端与传感器安装座(12)固定，螺柱(14)上端与可拧套筒(16)上的螺纹孔连接，通过旋拧套筒(16)挤压碟簧(15)的方式实现静力加载；所述往复驱动机构采用伺服电机带动凸轮连杆机构的作动方式实现疲劳作动给试样提供往复驱动力；所述的环境控制装置采用下进上出的循环方式，通过控制五位两通电磁阀的状态可分别在试验腔内营造全浸、周浸、盐雾的腐蚀环境，同时设有环形玻璃加热管加热恒温以加速腐蚀；所述的数据采集与控制装置通过安装在传感器安装座(12)上的力传感器和试验腔内的热电偶采集力和温度数据，同时对伺服电机、电磁阀、加热管进行控制。2.根据权利要求1所述的一种基于同步辐射的原位轴向腐蚀疲劳试验装置，其特征在于所述的往复驱动机构包括伺服电机(29)、凸轮(31)、滚子轴承(30)、横杆(4)、连杆(32)、下加力杆(28)、下夹具(24)，凸轮(31)通过平键与伺服电机电机轴(29)固定，滚子轴承(30)外圈与凸轮(31)轮廓面相切，内圈通过销钉与横杆(4)固定，横杆(4)通过直线轴承(3)约束在底座(2)上，只能做横向直线运动；连杆(32)下端通过转动销穿过横杆(4)上通孔与横杆(4)相连，可绕转动销转动，连杆(32)上端与下加力杆(28)下端的连接；下夹具(24)下端与下加力杆(28)上端固定，上端与试样(23)下端进行固定。3.根据权利要求2所述的一种基于同步辐射的原位轴向腐蚀疲劳试验装置，其特征在于所述的环境控制装置包括环形玻璃加热管(26)、五位两通电磁阀(37)、过滤器(35)、单向变量液压泵(36)、进液口(7)、出液口(10)、排液口(27)、溶液箱(34)及相关管路；电磁阀断电状态下，腐蚀液通过管路从溶液箱(34)中抽取，经过滤器(35)、单向变量液压泵(36)、五位两通电磁阀(37)、进液口(7)、排液口(27)，最后返回溶液箱(34)；其中，进液口(7)、排液口(27)固定于腔体下盖(5)，出液口(10)固定于腔体上盖(21)，环形玻璃加热管(26)通过扣件固定于腔体下盖(5)；五位两通电磁阀(37)上端两个接口分别接进液口(7)和排液口(27)，下端三个接口，一个接口接单向变量液压泵(36)，剩余两个接口接回溶液箱(34)，控制电路与中央控制器(33)电连接；出液口(10)直接接回溶液箱(34)，管路下端高于液面；环形玻璃加热管(26)控制电路接中央控制器(33)。4.根据权利要求3所述的一种基于同步辐射的原位轴向腐蚀疲劳试验装置，其特征在于所述的数据采集装置包括力传感器(11)、热电偶(20)、中央控制器(33)；力传感器(11)受力孔与上加力杆(17)上端螺纹固定，上端通过螺栓与传感器安装座(12)下端连接，信号输出端口与中央控制器(33)电连接；热电偶(20)置于腐蚀疲劳试验腔体内，固定在腔体上盖(21)上，信号输出线路与中央控制器(33)电连接。5.根据权利要求4所述的一种基于同步辐射的原位轴向腐蚀疲劳试验装置，其特征在于所述的腔体下盖(5)中心有圆筒形凸台，凸台底部开有通孔供下加力杆插入，圆筒内部安装有密封垫圈(18)和加力杆直线轴承(19)，按照“密封垫圈(18)
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加力杆直线轴承(19)
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【专利技术属性】
技术研发人员：奥妮，唐松铨，吴圣川，吴正凯，阚前华，康国政，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：