适用于X射线高时间分辨的原位多场耦合力学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适用于X射线高时间分辨的原位多场耦合力学试验装置及方法，包括试验腔体、支撑结构、力学加载装置、环境控制装置、数据采集与控制系统，力学加载装置采用伺服电机带动滚珠丝杠的作动方式实现力学加载，环境控制装置包括了盐雾循环系统、温控系统、电脉冲发生器，盐雾循环系统由盐雾喷嘴、过滤器、液压变量泵和溶液箱组成，可在试验腔体内营造盐雾腐蚀环境。数据采集与控制系统通过安装在力学加载装置中的力传感器采集应力数据，同时承担对伺服电机、电脉冲发生器、加热片等部件的控制功能。在试验过程中，置于旋转台的原位多场耦合力学试验装置可实时、原位、可视化表征材料失效过程中腐蚀坑及裂纹的三维演化规律。料失效过程中腐蚀坑及裂纹的三维演化规律。料失效过程中腐蚀坑及裂纹的三维演化规律。

【技术实现步骤摘要】
适用于X射线高时间分辨的原位多场耦合力学试验装置及方法


[0001]本专利技术涉及材料的腐蚀疲劳、疲劳测试
，具体涉及一种适用于X射线时间分辨的原位力、热、电、化学多场耦合力学试验装置及方法。

技术介绍

[0002]应用于海洋机械、航空航天、油气开采、轨道交通等重要领域的金属构件在服役过程中常常同时承受不同形式的载荷与腐蚀等环境的耦合作用。金属构件在非工作状态时，一般会承受拉伸或者压缩静载荷；在工作状态时，总是承受循环疲劳载荷。随着新时期“上天、入地、下海”的工程技术发展要求，金属装备面临更加复杂的服役环境，如盐雾腐蚀、杂散电流、高温等多种因素耦合存在的服役工况，导致金属构件在远低于设计寿命的情况下发生失效，严重威胁大型设施设备的服役安全性。因此，必须深入探究复杂服役环境下金属结构材料的损伤失效行为与机制，为金属构件防护以及寿命预测研究奠定坚实的基础。
[0003]长久以来，学术界对于材料力学性能的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、裂纹等损伤缺陷在三维空间的演化的动态过程，导致难以深入理解复杂环境中腐蚀、电流、高温等因素与静载荷或者动载荷的交互作用，限制了损伤机理的深入揭示。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材料内部的缺陷与微观组织结构，结合兼容于同步辐射光源的原位力学加载装置，可以原位、动态、无损以及可视化研究各种材料的缺陷以及微观结构的空间演化过程。此外，应力腐蚀或者腐蚀疲劳过程是与时间相关的损伤过程。因此，必须快速捕捉力学加载过程中腐蚀坑或裂纹的空间分布特征。同步辐射光源快速成像线站相比普通线站，具有更快的成像的速度，除了可以缩减试验时间，提升实验效率外，还可以更好地降低成像过程中材料继续腐蚀对试验结果造成的误差。
[0004]当前绝大多数可进行多场耦合作用的商用力学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。而目前已有的自主研制的兼容于同步辐射光源的原位力学试验装置又大多仅具备单一力学加载功能，且仍然普遍存在质量较大、重心偏高的问题，难以适应快速成像线站快速成像的需要。因此，研制适用于X射线时间分辨的原位力、热、电、化学多场耦合力学试验装置以实现对腐蚀、温度、电流多场耦合作用下材料腐蚀坑及裂纹形貌的实时三维成像表征，对材料服役过程中力学载荷、腐蚀环境、温度、电流四种影响因素的交互作用形式和复杂损伤机理进行进一步的探索。

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材料电化学腐蚀(盐雾腐蚀、电流腐蚀)、应力腐蚀和腐蚀疲劳过程中腐蚀坑、裂纹形貌演化的原位多场耦合力
学试验装置及方法。
[0007]技术方案
[0008]一种适用于X射线高时间分辨的原位多场耦合力学试验装置，其特征在于包括试验腔体、支撑结构、力学加载装置、环境控制装置、数据采集与控制系统，试样固定在试验腔体内，所述的试验腔体固定在支撑结构上；所述的力学加载装置采用伺服电机带动滚珠丝杠的作动方式对试样实现力学加载；所述的环境控制装置对试验腔体内的试样所处的环境进行控制，包括温度、盐雾、电流；所述的数据采集与控制系统对试样的应力数据进行采集、对力学加载装置和环境控制装置进行控制。
[0009]本专利技术进一步的技术方案：所述的试验腔体包括PMMA筒、腔体下盖、腔体上盖，所述腔体上盖和腔体下盖盖沿内部有密封螺纹，可与PMMA筒上下沿外表面的螺纹配合以达到紧固密封的作用。
[0010]本专利技术进一步的技术方案：所述支撑结构包括底座、立柱、电机安装座、滑动板、轴承座、传感器座；具体连接方式为：4根立柱环形均布，每根立柱两端均车有螺纹，立柱下端通过螺纹固接于底座上对应螺纹孔中，依次穿过“电机安装座
‑
滑动板
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轴承座
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传感器座
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腔体下盖”四角的安装孔后，上端再采用螺纹紧固件与腔体下盖紧固连接；其中，电机安装座和轴承座四角通过螺钉固定于立柱上对应位置，而滑动板和传感器座则可以以4根立柱为导轨，沿立柱上下滑动。
[0011]本专利技术进一步的技术方案：所述力学加载装置包括伺服电机、连接法兰、精密丝杠、丝杠螺母、传力杆、精密轴承、下夹具、上夹具；具体连接方式为：所述的伺服电机固定在支撑结构的电机安装座上；所述的连接法兰的法兰盘与伺服电机转动盘连接，法兰孔内有螺纹，可与精密丝杠下端的外螺纹配合，实现固接；所述的丝杠螺母装配在精密丝杠上，螺母座通过螺纹紧固件与滑动板连接；所述的精密轴承的内圈通过过盈配合与精密丝杠的上端装配，外圈也通过过盈配合同轴承座中心的轴承安装孔装配；所述上夹具下端和下夹具上端为夹持端，分别夹紧试样的上下端；所述传力杆两端均有螺纹，下端穿过滑动板与滑动板固定，上端依次穿过轴承座、传感器座与传感器座固定。
[0012]本专利技术进一步的技术方案：所述的腔体下盖、腔体上盖、上夹具、下夹具和扣盖采用高耐蚀性不锈钢制造，并进行聚四氟乙烯涂层工艺处理。
[0013]本专利技术进一步的技术方案：所述的环境控制装置包括盐雾循环系统、温控系统、电脉冲发生器三个子系统及直流电源，其中盐雾循环系统由盐雾喷嘴、过滤器、液压变量泵、排液口宝塔咀、常闭式电磁阀和溶液箱组成，可在试验腔体内营造盐雾腐蚀环境；温控系统由大功率陶瓷加热片、电路控制开关和Pt1000高精度热电阻组成，可实现室温～300℃的温度控制；电脉冲发生器可产生恒电流和多种脉冲电流；直流电源用给液压变量泵和陶瓷加热片供电。
[0014]本专利技术进一步的技术方案：所述的数据采集与控制系统包括力传感器、中央控制器及上位机，力传感器下端通过螺钉固定于传感器座上，中央控制器与上位机通过串口通行进行信息交互，中央控制器还与电脉冲发生器、伺服电机、力传感器变送器、Pt1000高精度铂热电阻、常闭式电磁阀的电路相连，进而实现设备控制和数据采集并传递给上位机的功能。
[0015]本专利技术进一步的技术方案：上位机开发了与试验装置配套的上位机软件，可在软
件中对相关实验参数进行自主设置，并将采集的数据进行绘图显示。上位机软件共包含力学加载和环境控制两个部分，二者之间具备独立的启动和停止功能；其中，环境控制部分下面又分为盐雾、温控、电流三个子模块，可在环境控制部分中选取全部或其中部分子模块作为试验环境。力学加载部分可选择拉伸、压缩、疲劳三种力学试验类型。
[0016]一种适用于X射线高时间分辨的原位多场耦合力学试验方法，其特征在于步骤如下：
[0017]步骤1：将原位多场耦合力学试验装置安装在旋转台上，采用螺栓固定，并将线路和管路进行连接，检查电路信号是否正常和有无漏电漏液情况，确认无误后，装夹好试样，盖上腔体上盖，并拧紧套筒并检查有无松动，完成前期准备工作；
[0018]步骤2：打开上位机软件进行相关试验参数的设定；首先，需要在力学本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于X射线高时间分辨的原位多场耦合力学试验装置，其特征在于包括试验腔体、支撑结构、力学加载装置、环境控制装置、数据采集与控制系统，试样固定在试验腔体内，所述的试验腔体固定在支撑结构上；所述的力学加载装置采用伺服电机带动滚珠丝杠的作动方式对试样实现力学加载；所述的环境控制装置对试验腔体内的试样所处的环境进行控制，包括温度、盐雾、电流；所述的数据采集与控制系统对试样的应力数据进行采集、对力学加载装置和环境控制装置进行控制。2.根据权利要求1所述的一种适用于X射线高时间分辨的原位多场耦合力学试验装置，其特征在于：所述的试验腔体包括PMMA筒、腔体下盖、腔体上盖，所述腔体上盖和腔体下盖盖沿内部有密封螺纹，可与PMMA筒上下沿外表面的螺纹配合以达到紧固密封的作用。3.根据权利要求2所述的一种适用于X射线高时间分辨的原位多场耦合力学试验装置，其特征在于：所述支撑结构包括底座、立柱、电机安装座、滑动板、轴承座、传感器座；具体连接方式为：4根立柱环形均布，每根立柱两端均车有螺纹，立柱下端通过螺纹固接于底座上对应螺纹孔中，依次穿过“电机安装座
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滑动板
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轴承座
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传感器座
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腔体下盖”四角的安装孔后，上端再采用螺纹紧固件与腔体下盖紧固连接；其中，电机安装座和轴承座四角通过螺钉固定于立柱上对应位置，而滑动板和传感器座则可以以4根立柱为导轨，沿立柱上下滑动。4.根据权利要求3所述的一种适用于X射线高时间分辨的原位多场耦合力学试验装置，其特征在于：所述力学加载装置包括伺服电机、连接法兰、精密丝杠、丝杠螺母、传力杆、精密轴承、下夹具、上夹具；具体连接方式为：所述的伺服电机固定在支撑结构的电机安装座上；所述的连接法兰的法兰盘与伺服电机转动盘连接，法兰孔内有螺纹，可与精密丝杠下端的外螺纹配合，实现固接；所述的丝杠螺母装配在精密丝杠上，螺母座通过螺纹紧固件与滑动板连接；所述的精密轴承的内圈通过过盈配合与精密丝杠的上端装配，外圈也通过过盈配合同轴承座中心的轴承安装孔装配；所述上夹具下端和下夹具上端为夹持端，分别夹紧试样的上下端；所述传力杆两端均有螺纹，下端穿过滑动板与滑动板固定，上端依次穿过轴承座、传感器座与传感器座固定。5.根据权利要求4所述的一种适用于X射线高时间分辨的原位多场耦合力学试验装置，其特征在于：所述的腔体下盖、腔体上盖、上夹具、下夹具和扣盖采用高耐蚀性不锈钢制造，并进行聚四氟乙烯涂层工艺处理。6.根据权利要求5所述的一种适用于X射线高时间分辨的原位多场耦合力学试验装置，其特征在于：所述的环境控制装置包括盐雾循环系统、温控系统、电脉冲发生器三个子系统及直流电源，其中盐雾循环系统由盐雾喷嘴、过滤器、液压变量泵、排液口宝塔咀、常闭式电磁阀和溶液箱组成，可在试验腔体内营造盐雾腐蚀环境；温控系统由大功率陶瓷加热片、电路控制开关和Pt1000高精度热电阻组成，可实现室温～300℃的温度控制；电脉冲发生器可产生恒电流和多种脉冲电流；直流电源用给液压变量泵和陶瓷加热片供电。7.根据权利要求6所述的一种适用于X射线高时间分辨的原位多场耦合力学试验装置，其特征在于：所述的数据采集与控制系统包括力传感器、中央控制器及上位机，力传感器下端通过螺钉固定于传感器座上，中央控制器与上位机通过串口通行进行信息交互，中央控制器还与电脉冲发生器、伺服电机、力传感器变送器、Pt1000高精度铂热电阻、常闭式电磁阀的电路相连，进而实现设备控制和数据采集并传递给上位机的功能。
8.根据权利要求7所述的一种适用于X射线高时间分辨的原位多场耦合力学试验装置，其特征在于：上位机开发了与试验装置配套的上位机软件，可在软件中对相关实验参数进行自主设置，并将采集的数据进行绘图显示。上位机软件共包含力学加载和环境控制两个部分，二者之间具备独立的启动和停止功能；其中，环境控制部分下面又分为盐雾、温控、电流三个子模块，可在环境控制部分中选取全部或其中部分子模块作为试验环境。力学加载部分可选择拉伸、压缩、疲劳三种力学试验类型。9.一种权利要求8所述的装置实现的适用于X射线高时间分辨的原位多场耦合力学试验方法，其特征在于步骤如下：步骤1：将原位多场耦合力学试验装置安装在旋转台上，采用螺栓固定，并将线路和管路进行连接，检查电路信号是否正常和有无漏电漏液情况，确认无误后，装夹好试样...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐松铨，奥妮，吴圣川，张旭，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：