含温控机构的同步辐射原位成像疲劳试验机及其试验方法与流程

本发明属于疲劳试验机领域，具体为一种含温控机构的同步辐射原位成像疲劳试验机及其试验方法。

背景技术：

长期以来，人们就工程结构的疲劳破坏问题开展了大量的研究。一般认为，疲劳寿命主要消耗在裂纹萌生与短裂纹扩展阶段。短裂纹的扩展行为宏观上随着裂纹长度增大而发生变化，微观上还受到金属微观组织和环境等因素的影响，再加上裂纹闭合以及小裂纹效应等问题，使得服役过程中循环载荷下的短裂纹的扩展问题变得十分复杂。为更好地探究裂纹在扩展过程中与微观组织变化以及宏观力学性能的关系，进而为工程零部件的寿命设计提供更加可靠的理论依据，需要通过疲劳试验机对零部件进行试验，获取材料在外载荷作用下的宏观定量力学参数。原位疲劳试验通过将电子显微技术与传统的材料疲劳测试技术有效地结合，在对材料试样进行力学加载和疲劳测试过程中，分阶段的停机，停机时通过实验平台上集成的显微成像系统，对材料组织结构变化、微观变形损伤、进行原位成像记录。宏观的疲劳力学测试数据和多个阶段的成像记录结合，即能反映材料的力学性能和显微组织演变规律，为分析固态材料的力学特性和微观组织演变规律提供了新的方法。

现有的原位疲劳试验装置中，显微成像系统一般为光学显微镜，由于其分辨率以及放大倍率较低，测试效果有很大的局限性。近年来，出现了使用扫描电子显微镜(SEM)的疲劳试验机，如国外某公司开发的原位拉伸测试仪器利用伺服电机驱动，配合SEM的使用，可以对金属材料进行原位疲劳测试。SEM分辨率达微米级，能更好的观察到材料的微观组织形貌和缺陷。但是，SEM只能得到材料的表面的二维图像，而不能得到材料的内部的三维立体图像；且其光源亮度低，光信号检测信噪比低，测量精度与检测灵敏度有待提高。

由西南交大牵引动力实验室带头率先开发出了国内第一台可用于同步辐射成像的原位观测疲劳试验机，并已初步投入使用。其主要架构如中国专利CN105334237A所述。为了更进一步的满足实验要求，分析不同温度下试样的疲劳性能，进而对疲劳试验机进行再次设计开发，在现有的基础上增加了温控机构，使得试验机可以完成高低温条件下的实验。金属材料低温拉伸试验表明,当温度降低金属材料会发生由韧变脆的现象。金属材料的冷脆断裂与常温下的脆性破坏基本相同。断裂前无明显塑性变形突然发生，断口齐平，裂纹起源于材料组织中的缺陷或构件应力集中处，并快速扩展。构件的冷脆破坏无法预告和控制，危害性极大，一旦发生，瞬间整个结构崩溃。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种含温控机构的同步辐射原位成像疲劳试验机及其试验方法，是对原有的可用同步辐射光源进行原位成像的疲劳试验机及试验方法的改进，使其能在高低温环境下进行材料的原位观测疲劳试验。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种具有温控机构的同步辐射原位成像疲劳试验机，包括一个度自由旋转的圆筒形底座，底座的上方设有圆筒形顶盖，底座与顶盖之间设有透光的内层围罩和外层围罩，内层围罩中间设有上夹具和下夹具；底座内部设有一个上下运动的从动杆，从动杆的顶部连接到下夹具，上夹具位于下夹具正上方，上夹具通过连接柱连接有第二调节圆盘，第二连接圆盘通过法兰工装连接到载荷传感器的下端，载荷传感器的上端与第一调节圆盘连接，在顶盖的顶面开有通孔并设有调压螺杆，调压螺杆的下端部顶在第一调节圆盘的上表面，在内层围罩的水平高度两侧分别设有同步辐射光源的光发射器和光接收器；温控气流进气孔设置于顶盖侧面并位于第二调节圆盘的下方，温控气流排气孔设置于底座的侧面；在外层围罩一侧的上端设有防水雾氮气进气孔，在另一侧的下端设有防水雾氮气排气孔；温控气流生成装置连接到温控气流进气孔，温控气流排气泵连接到温控气流排气孔；氮气瓶连接到防水雾氮气进气孔，氮气排气泵连接到防水雾氮气排气孔。

根据上述方案，所述从动杆的底部连接有一个凸轮机构，所述凸轮机构包括一个伺服电机，伺服电机的轴上安装有凸轮，推杆的左端伸出底座与凸轮的右侧缘接触，推杆的右端通过弹簧连接在底座的右壁上，推杆中部和连杆下端铰接，从动杆的下端与连杆铰接。

根据上述方案，所述推杆的左端设有滚动轴承轴，滚动轴承轴上安装有滚动轴承，滚动轴承与凸轮的右侧缘接触。

根据上述方案，还设有数据处理与控制装置，伺服电机、载荷传感器均与数据处理与控制装置电联接。

一种具有温控机构的同步辐射原位成像疲劳试验机的试验方法，其特征在于，操作过程如下：

A、试样的安装

将内层围罩和外层围罩取下，将试样夹紧于下夹具与上夹具之间，再将内层围罩和外层围罩装配回底座与顶盖之间，将试样完全笼罩在由内层围罩围住的空间内，然后拧动调压螺杆，使上夹具完全夹持住试样；

B、原位疲劳试验

打开氮气瓶开关，由外层围罩的防水雾氮气进气孔输入防水雾产生的气体氮气，同时由顶盖侧面的温控气流进气孔输入特定温度的气流；一段时间后，凸轮机构带动下夹具上下往复移动，对试样施加竖向往复的位移载荷，同时载荷传感器检测到试样承受的载荷信号；当往复竖向位移载荷带到预设定的成像循环次数后，凸轮机构停止动作，再启动同步辐射光源，底座旋转，带动试样进行度旋转；同时，同步辐射光源的光发射器发出的同步辐射光穿透外层围罩和内层围罩，再穿透度旋转的试样后由同步辐射光源的光接收器接收，完成对试样的度成像；

重复以上A、B操作，直至达到预设定的完成试验循环次数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：改进后的疲劳试验机能够分析不同温度下试样的疲劳性能，能更好地观察到材料的微观组织形貌和缺陷。

附图说明

下面结合附图对具体实施例作进一步说明，其中：

图1是本发明含温控机构的同步辐射原位成像疲劳试验机的整体结构示意图；

图2是本发明中夹持机构的结构示意图。

图中各标号释义为：1-底板，101-底板十字架，2-同步辐射光源平台，3-底座，4-推杆，5-伺服电机，6-凸轮，7-滚动轴承，8-连杆，9-弹簧，10-从动杆，11-第一直线轴承，12-盖板，13-下夹具，131-下夹具上部，132-下夹具下部，14-内层围罩，15-顶盖，16-调压螺杆，17-第一调节圆盘，18-载荷传感器，19-第二直线轴承，20-法兰工装，21-上夹具，211-上夹具上部，212-上夹具下部，22-第二调节圆盘，25-光发射器，26-光接收器，27-滚动轴承轴，28-碟簧，29-卡簧，30-联接柱，31-试样，32-温控气流进气孔，33-外层围罩，34-防水雾氮气进气孔，35-氮气瓶，36-温控气流生成装置，37-防水雾氮气排气孔，38-温控气流排气孔，39-温控气流排气泵，40-氮气排气泵。

具体实施方式

一种具有温控机构的同步辐射原位成像疲劳试验机，包括底板1，底板1的底板十字架101嵌合在同步辐射光源平台2上，底板1上表面的中部固定有圆桶形状的底座3，推杆4通过水平的第二直线轴承19安装在底座3的左壁和右壁上。底板1上表面的左侧安装有伺服电机5，伺服电机5的轴上安装有凸轮6，推杆4的左端伸出底座3与凸轮6的右侧缘接触，推杆4中部和连杆8下端铰接，推杆4的右端通过弹簧9连接在底座3的右壁上。

还包括夹持机构和温控机构。

所述夹持机构包括试样夹持单元和塑性变形追加调整单元。

所述试样夹持单元沿底座3中轴线竖向布置，分为下夹头段和上夹头段两部分。

在下夹头段，盖板12固定在底座3的顶部内侧，从动杆10的下端与连杆8铰接，其上端伸出盖板12上表面并与下夹具下部132连接，从动杆10位于盖板12与下夹具下部132之间的部分设有碟簧28。

上夹头段由圆筒形的内层围罩14支撑顶盖15，顶盖15由下顶盖和上顶盖通过螺栓连接成一个整体，内层围罩14的顶部与下顶盖嵌合并通过螺栓连接，内层围罩14的底部与盖板12嵌合并通过螺栓连接，内层围罩14一般为差异透明材料制得，在本实施例中内层围罩14采用有机玻璃制作而成。上夹头段设置有塑性变形追加调整单元，所述塑性变形追加调整单元包括第一调节圆盘17和两个调压螺杆16。上顶盖的顶面开口并设有调压螺杆16，调压螺杆16的下端部顶在第一调节圆盘17上表面，调压螺杆16上靠近上顶盖的顶面处设有卡簧29，第一调节圆盘17通过调压螺杆16以卡簧29的形式固定在上顶盖的顶面上。第一调节圆盘17的中部开孔并与载荷传感器18的上端连接，载荷传感器18的下端与法兰工装20连接，法兰工装20通过连接柱30两端的螺纹与上夹具下部212连接为一体，上夹具上部211与第二调节圆盘22通过连接柱30的螺纹连接相固定，在上夹具上部211开有四个小孔，使得连接柱30能自由穿过而无接触；第二调节圆盘22通过其上的通孔套置在联接柱30上，并可沿联接柱30上下移动；上夹具21悬置于下夹具13的正上方；试样31的上端夹在上夹具上部211与上夹具下部212之间，试样31的下端夹在下夹具上部131与下夹具下部132之间；塑形追加调整单元的作用是当试样31在一定载荷的作用下，经过一定次数的循环后会发生塑形变形，造成力的减小，此时通过调节塑形追加单元来消除试样31产生的塑形变形，从而保证力的恒定。

所述温控机构包括温控气流生成装置36、温控气流进气孔32、温控气流排气孔38、温控气流排气泵39、氮气瓶35、外层围罩33、防水雾氮气进气孔34、防水雾氮气排气孔37、氮气排气泵40；温控气流进气孔32设置于下顶盖的左侧，温控气流排气孔38设置于底座3的右侧；在底座3和下顶盖之间设有外层围罩33，所述外层围罩33位于内层围罩14的外侧，在外层围罩33一侧的上端设有防水雾氮气进气孔34，在另一侧的下端设有防水雾氮气排气孔37。

温控气流生成装置36通过软管与温控气流进气孔32胶合连接，其产生的高低温气流由温控气流进气孔32进入试验机内部，由于上部存在第二调节圆盘22的阻挡，温度调控气体向下流通。气流流经内层围罩14，并充满整个内层围罩14，对试样31进行加热或冷却；通入一段时间后，由于热传导，试样(31)温度近似等于气流温度，气流经盖板12流至底座3的空腔内，在底座3的右侧开有温控气流排气孔38，气流经过循环由温控气流排气孔38经与之相胶合联接的温控气流排气泵39排出。

氮气瓶35与防水雾氮气进气孔34经软管胶合连接，其产生的氮气依次经过防水雾氮气进气孔34，外层围罩33与内层围罩14围成的区域，防水雾氮气排气孔37，最后由与防水雾氮气排气孔37通过软管胶合连接的氮气排气泵40排出，防止内层围罩14因内部低温气流而出现水雾。

在试验机的外部还设有数据处理与控制装置，伺服电机5、载荷传感器18均与数据处理与控制装置电联接。

进一步的，所述推杆4的左端设有滚动轴承轴27，滚动轴承轴27上安装有滚动轴承7，滚动轴承7与凸轮6的右侧缘接触。

一种具有温控机构的同步辐射原位成像疲劳试验机的试验方法，其特征在于，操作过程如下：

A、试样的安装

将内层围罩14及外层围罩33取下，将试样31置于下夹具下部132的正上方，并通过螺钉用下夹具上部131夹紧试样31，再将围罩14通过螺栓连接安装于底座3上，外层围罩33嵌合在底座3上，然后将试样31上端装入事先装配好的上夹具下部212与上夹具上部211的空隙内，并将内层围罩14与顶盖15螺栓连接好，将试样31完全罩在由内层围罩14围住的空间内，然后拧动调压螺杆16，使得上夹具21完全夹持住试样31，同时在数据处理与控制装置的控制界面上可以看到载荷传感器18采集到的力信号为零，可以准备进行实验。

B、原位疲劳试验

打开氮气瓶35开关，由外层围罩33的防水雾氮气进气孔34输入防水雾产生的气体氮气，同时由顶盖15侧面的温控气流进气孔32输入特定温度的气流；一段时间后，数据处理与控制装置控制伺服电机5以设定的转速转动，带动凸轮6转动，进而通过推杆4、连杆8、从动杆10带动下夹具13上下往复移动，对试样31施加竖向往复的位移载荷；同时，载荷传感器18检测到试样31承受的载荷信号，传递给数据处理与控制装置；当往复竖向位移载荷带到预设定的成像循环次数后，数据处理与控制装置控制伺服电机5停止转动，再启动同步辐射光源，同步辐射光源平台2旋转，带动底板1及底板1上的试样31进行360度旋转；同时，同步辐射光源的光发射器25发出的同步辐射光穿透外层围罩33和内层围罩14，再穿透360度旋转的试样31后由同步辐射光源的光接收器26接收，完成对试样31的360度成像。

重复以上A、B操作，直至达到预设定的完成试验循环次数。