高温原位拉伸-疲劳测试系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及科学仪器与材料测试技术领域，特别涉及一种高温原位拉伸-疲 劳测试系统。用于精确的检测高温环境下试件的力学性能和其微观组织结构与变形损伤机 制的相关性规律。
【背景技术】
[0002] 原位测试技术的应用对材料学的发展起到了推动作用，材料测试过程中，通过光 学显微镜等仪器对载荷作用下材料发生的微观变形损伤进行全程动态监测，能够更深入地 揭示各类材料及其制品的微观力学行为、损伤机理及其材料性能与所受载荷间的相关性规 律。
[0003] 众所周知，材料的力学性能通常会随着其所在的温度场和应力场的复合作用发生 改变。特别是，随着航空航天、微电子等高技术产业的迅猛发展，工业界对材料的性能又提 出了新的要求，因此，探宄材料在温度场、机械场等多场耦合条件下的力学性能演化机制显 得尤为重要。可控温度的拉伸疲劳测试可实现在不同温度、不同拉伸载荷、不同疲劳载荷下 的材料微观力学性能的精准测试，对解析高温条件、复合载荷模式作用下材料的力学性能 及其变性损伤机制有着不可忽视的现实意义。
[0004] 目前，已有的高温拉伸装置无法进行高温环境下的拉伸-疲劳复合载荷测试， 且不能对载荷作用下材料发生的微观变形损伤的全程动态监测，因此，开发高温原位拉 伸-疲劳测试系统，对研宄不同温度场下材料在拉伸-疲劳复合载荷下的力学性能及材料 的变形损伤机制具有重要意义。
【发明内容】
[0005] 本实用新型的目的在于提供一种高温原位拉伸-疲劳测试系统，解决了现有技术 存在的上述问题。本实用新型通过调节温度，实现在高温500°C-1700°C范围内进行单轴拉 伸或单轴拉伸-疲劳测试，并结合光学显微镜对材料力学性能测试过程进行实时观察，如 对材料的裂纹萌生、裂纹扩展和材料的失效破坏过程进行原位监测，实现原位测试。此外， 通过力学和变形信号检测单元对测试过程中试件承受的拉伸力、试件的拉伸变形等信号的 采集，可以拟合被测材料在相应载荷作用下的应力应变历程，进而对材料在高温环境、拉 伸-疲劳载荷作用下的微观力学行为、变形损伤机制进行深入研宄。可变温度场的施加通 过高温炉实现，由硅钼棒提供高温环境并通过控制系统实现对温度的调节。可集成在真空 腔内实现真空条件或特殊气体环境中的高温下材料微观力学性能的拉伸-疲劳测试。
[0006] 本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：
[0007] 高温原位拉伸_疲劳测试系统，包括拉伸加载与检测单元、疲劳加载与检测单元、 原位观测单元、高温加载与检测单元，整体水平布置，其中拉伸加载与检测单元、疲劳加载 与检测单元分别安装在高温炉的两侧，且拉伸加载与疲劳加载的方向在同一个轴线上，拉 伸加载与检测单元、疲劳加载与检测单元安装在基座14上，原位观测单元置于高温加载与 检测单元的上方，并通过支架1安装在基座14上。
[0008] 所述的拉伸加载与检测单元由伺服电机12提供动力，通过蜗轮II9、蜗杆II10、 蜗轮I5、蜗杆I7、丝杠28、螺母27对试件施加拉伸载荷；所述的伺服电机12通过电机座 11安装到基座14上，蜗杆I7安装到电机的输出轴上；所述的蜗轮119、蜗杆I7安装在轴 31上，轴通过轴承I30、轴承座I6和轴承II32、轴承座II8安装到基座14上；所述的蜗 轮I5安装到丝杠28上，丝杠28通过丝杠座42安装在底板29上；所述的螺母27安装在 螺母座3上，螺母座3通过滑块Ib24、滑块Ic34分别安装到导轨Ia25和导轨Ib33 上，导轨Ia25和导轨Ib33安装到底板29上；拉力传感器13两端分别与螺母座3和夹 具体2相连，夹具体2通过滑块Ia23、滑块Id35分别安装到导轨Ia25和导轨Ib33 上；位移传感器I4采用分离式LVDT，传感器的主体部分安装在底板I29上，传感器的铁 心通过螺纹安装在顶板I22上，顶板I22安装在夹具体2上，所述的底板29通过支撑块 I 26固定在基座14上。
[0009] 所述的疲劳加载与检测单元包括柔性铰链18、压电陶瓷19、夹具体II41以及位移 传感器II20,所述压电陶瓷19安装在柔性铰链18内，柔性铰链18固定端通过螺钉固定在 底板II17上，柔性铰链18的活动端与夹具体II41相连，夹具体II41通过滑块II37、滑块 II 45分别安装在导轨IIa38和导轨IIb44上，导轨IIa38和导轨IIb44安装在底板II17 上；所述位移传感器II20安装在底板II17上，用来测量疲劳测试时夹具体II41的位移量； 所述底板II17通过支撑块II15固定在基座14上。
[0010] 所述的原位观测单元包括光学显微镜21及支架1，所述光学显微镜21的工作距离 足够大，从高温炉上方的视窗46覆盖试件的待观测表面，光学显微镜21的位置通过支架1 调整。
[0011] 所述的原位观测单元根据观测目的不同，可以选择光学显微镜来监测试件在高温 环境下裂纹的萌生、扩展、至断裂过程；可以选择拉曼光谱仪对试件表面进行微区检测，进 行耐高温材料的相结构研宄、晶粒及晶界变化、裂纹萌生等；可以选择X射线衍射仪对试件 进行物相分析、确定晶粒度和应力分布、研宄材料的特殊性质与其原子排布、晶相变化间的 关系等；或者选择选用红外热像仪检查材料缺陷等；部分观测设备可以配合使用，如光学 显微镜和拉曼光谱仪等。通过视窗46可以对高温炉内的测试情况进行查看，利用光学显微 镜可以观察对不同温度下试件表面的情况；也可以根据拉曼光谱仪、X射线衍射仪、红外热 像仪等需要通过视窗向高温炉内发射相应的激光、X射线等需要，在高温炉上加工合适的视 窗。
[0012] 所述的高温加载与检测单元包括高温炉16及其控制系统，所述高温炉16的加热 元件是硅钼棒，通过对硅钼棒供电使其发热，高温的硅钼棒通过辐射使炉腔内的温度迅速 升高，高温炉内腔的温度可高达1700°C，通过水冷高温炉外表面的温度可维持在室温，高温 炉内腔中安装了热电偶，用来监测高温炉内腔的实际温度；所述高温炉16配有相应的控制 柜，用来控制高温炉内腔的温度。
[0013] 所述的高温加载与检测单元根据要求不同可以选择不同的加热方式，如根据所需 要的温度和高温炉的型式不同，高温炉内的加热元件可以选择电阻丝、硅碳棒、硅钼棒，或 者使用红外线卤素灯配合球形反射器制造更集中的高热流区。
[0014] 所述的夹具体I2通过螺钉与压板I36连接，并通过旋紧螺钉对试件进行夹紧； 所述夹具体I2上加工有凹槽，用来对试件进行定位；所述夹具体I2、压板I36上均加工 有滚花，以保证夹持的可靠性。
[0015] 所述的夹具体II41通过螺钉与压板II40连接，并通过旋紧螺钉对试件进行夹紧； 所述的夹具体II41上加工有凹槽，用来对试件进行定位；所述夹具体II41、压板II40上均 加工有滚花，以保证夹持的可靠性。
[0016] 随着温度的变化，材料的弹塑性变形能力均发生一定变化，根据本实用新型的测 试系统可以研宄不同材料在不同温度下力学性能的变化规律，如应力对温度的敏感性、应 变率是否有明显的温度软化效应等。本实用新型可以集成在真空箱内，实现真空环境或特 殊气体环境下的高温原位拉伸-疲劳测试，可以选择性避免试件的氧化等问题。
[0017] 本实用新型的有益效果在于：该测试系统原理可靠，结构简单、紧凑，能够对高温