多场耦合下原位三轴拉伸疲劳测试装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及精密科学仪器领域，特别涉及一种多场耦合下原位三轴拉伸疲劳 测试装置。用于测试材料在三轴拉伸、疲劳和压痕复合载荷加载下，同时加载热场所表现出 的力学性能。
【背景技术】
[0002] 众所周知，材料的破坏是由于在特定情况下多种外因共同作用产生的后果。因此， 提前预判材料在服役条件下的性能显得十分必要。目前，国内外高校及科研院所在接近服 役条件下的原位测试领域展开了激烈的角逐与竞争，谁能率先抢占制高点，不仅能推动我 国原位测试仪器抢占国际仪器领域新高地，也能够满足一大批重大装备制造、电子信息、航 空航天领域的实际迫切需求，在科研、教育、工程、国防等领域具有极其广阔的应用前景，也 必将有力的推动国家的科技创新与科学进步，其产生的社会效益与经济效益不可估量。
[0003] 首先，材料在单一物理场作用下会产生一定的力学性能变化，表现在材料的特征 力学参数上，例如：弹性模量、抗拉强度、屈服极限等。但是多物理场耦合作用下，材料的力 学测试环境更接近于真实服役状态，材料的力学性能表征也会与单一物理场有所变化，甚 至表现出跟之前完全相反的性能。再有，疲劳测试是对于材料的循环极限、裂纹扩展的预 测以预防都有指导意义的测试方法，但是没有预拉伸载荷下的疲劳测试往往测试周期比较 长，不易于观察材料在疲劳载荷下的力学行为。最后，随着材料力学研究的越来越深入，材 料多轴受力情况的模拟与试验已经被很多科学工作者提上了研究日程，单轴载荷施加下， 材料的力学行为一般都具有指向性，即沿着载荷施加方向，但是多轴载荷施加下，材料的力 学行为是否表现的跟单轴载荷施加下的一样，还有待于用试验检验。然而，单就目前为止， 对于多场耦合下的原位三轴拉伸疲劳的测试方法还没有较为成熟的测试装置。
[0004] 综上所述，一套能够集成多物理场三轴拉伸疲劳测试功能于一体的原位力学测试 仪器对于材料力学性能测试的发展具有重要意义。
【发明内容】
[0005] 本实用新型的目的在于提供一种多场耦合下原位三轴拉伸疲劳测试装置，解决了 现有技术存在的上述问题，尤其解决材料多轴拉伸情况下耦合多场的性质的测量问题。材 料在实际运用中，极少情况下只受单一载荷的作用。本实用新型着重关注材料在受三向力 作用下耦合热场、疲劳、压痕载荷，表现出的材料力学性能。测试精度高，数据准确可靠且测 量与分析完全实现自动化。
[0006] 本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：
[0007] 多场耦合下原位三轴拉伸疲劳测试装置，包括三轴拉伸、疲劳加载与测量子系统、 热场加载子系统、悬臂压痕加载与测量子系统；
[0008] 所述三轴拉伸、疲劳加载与测量子系统包括：主平台1、三轴拉伸的电机驱动单元 2、轴向移动单元3、疲劳及夹具单元4、可调节减震脚杯8、连接平台20、拉力传感器23,所 述主平台1通过六个可调节减震脚杯8进行支撑，整体放置于隔震平台上，主平台1的高度 通过可调节减震脚杯8的调整来保证；三轴拉伸的电机驱动单元2通过连接平台20与轴向 移动单元3连接；疲劳及夹具单元4通过三颗内六角螺钉a42固定在轴向移动单元3上，试 件7与压板26通过两颗内六角螺钉b43固定在疲劳及夹具单元4上，拉力传感器23 -端 通过螺母a44固定在挡板22上，另一端栓接在疲劳及夹具单元4上；
[0009] 所述热场加载子系统包括：加热台6、氮化硅陶瓷加热片45,所述加热台6通过内 六角螺钉c46与主平台1相连，氮化硅陶瓷加热片45插在加热台6的插槽中；
[0010] 所述悬臂压痕加载与测量子系统包括：柔性铰链与压电陶瓷单元31、悬臂梁支座 32、悬臂梁33、挡盖34、压头35、销轴36、可调支撑台37、调节螺钉38、压簧39、蝶形螺母40、 称重传感器41，所述支座32通过蝶形螺母40与主平台1连接；柔性铰链与压电陶瓷单元 31通过四个内六角螺钉e48与悬臂梁支座32连接；悬臂梁33通过销轴36连接到悬臂梁 支座32上；称重传感器41及压头35安装在悬臂梁33内，称重传感器41的上端通过螺母 b50与挡盖34连接；可调支撑台37调节悬臂梁33在自由状态时的高度，通过调整调节螺 栓38来调整可调支撑台37的高度，可调支撑台37与悬臂梁支座32之间由压簧39提供弹 性支撑力。悬臂梁33通过预先制造的标准量具校准与试件7的距离，距离找正后，通过旋 进或旋出调节螺栓38,使可调支撑台37向上或向下移动，完成支撑固定。
[0011] 所述的主平台1上设置导轨27,滑块49与导轨27相互配合，移动平台e21通过内 六角螺钉e48固定在滑块49上。
[0012] 所述的悬臂梁33上端设置槽，减轻重量，降低刚度，便于进行压痕实验。
[0013] 所述的三轴拉伸的电机驱动单元2通过LVDT传感器29测量轴向位移，LVDT传感 器29通过支座a28和支座b31及内六角螺钉d47固定；三轴拉伸的电机驱动单元2中的左 连接架16、右连接架17与轴连接处有轴承。
[0014] 所述的柔性铰链与压电陶瓷单元31产生的位移驱动悬臂梁33绕销轴36旋转，实 现压痕进给。
[0015] 所述的压板26表面采用绝热涂层进行处理，阻隔热传递；加热台6的圆柱面及下 表面均用隔热涂层覆盖。
[0016] 所述的移动平台21表面用绝热涂层进行处理，阻隔热传递。
[0017] 本实用新型的有益效果在于：与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：（1) 首次实现了三轴拉伸下耦合热场、疲劳、压痕的测试；（2)使用范围的多样化，既可以进行 三轴拉伸下耦合热场、疲劳、压痕的测试，同时也可进行单轴拉伸、单轴疲劳、以及悬臂压痕 分别复合热场的测试；（3)系统测试方案的可行性较高，结果精度高。
【附图说明】
[0018] 此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分， 本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限 定。
[0019] 图1为本实用新型的立体结构示意图；
[0020] 图2为本实用新型的主视结构示意图；
[0021] 图3为本实用新型的加热台结构示意图；
[0022] 图4、图5为本实用新型的悬臂压痕加载与测量子系统的结构示意图；
[0023] 图6为本实用新型的加热台加热方法及控制原理示意图；
[0024] 图7为本实用新型的悬臂压痕单元力学模型工作原理示意图；
[0025] 图8为本实用新型的系统控制方法及原理示意图；
[0026] 图9为本实用新型的利用刚化原理求悬臂压痕压头端挠度方法中的刚化弹簧示 意图；
[0027] 图10为本实用新型的利用刚化原理求悬臂压痕压头端挠度方法中的刚化悬臂梁 示意图；
[0028] 图11为本实用新型的悬臂压痕单元力学模型压头反作用力示意图；
[0029] 图12为本实用新型的试件弹性模量求解方法的流程示意图；
[0030] 图13为本实用新型的原位测试原理图。
[0031] 图中：1、主平台；2、三轴拉伸的电机驱动单元；3、轴向移动单元；4、疲劳及夹具 单元；5、压电式悬臂压痕单元；6、加热台；7、试件；8、可调节减震脚杯；9、直流伺服电机； 10、行星齿轮减速器；11、电机固定板；12、联轴器；13、一级蜗杆；14、一级蜗轮；15、二级蜗 杆；16、左连接架；17、右连接架；18、二级蜗轮；19、丝杠支承座；20、连接平台；21、移动平 台；22、挡板；23、拉力传感器；24、疲劳柔性铰链；25、疲劳压电陶瓷；26、压板；27、导轨； 28、支座a ;29、LVDT传感器；30、支座b ;31、柔性铰链与压电陶瓷单元；32、悬臂梁支座；33、 悬臂梁；34、挡盖；35、压头；36、销轴；37、可调支撑台；38、调节螺栓；39、压簧；40、蝶形螺 母；41、称重传感器；42、内六角螺钉a ;43、内六角螺钉b ;44、螺母a ;45、氮化硅陶瓷加热 片；46、内六角螺钉c ;47、内六角螺钉d ;48、内六角螺钉e ;49、滑块；50、螺母b。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其【具体实施方式】。
[0033] 参见图1至图13所示，本实用新型的多场耦合下原位三轴拉伸疲劳测试装置，包 括三轴拉伸、疲劳加载与测量子系统、热场加载子系统、悬臂压痕加载与测量子系统；
[0034] 所述三轴拉伸、疲劳加载与测量子系统包括：主平台1、三轴拉伸的电机驱动单元 2、轴向移动单元3、疲劳及夹具单元4、可调节减震脚杯8、连接平台20、拉力传感器23,所 述主平台1通过六个可调节减震脚杯8进行支撑，整体放置于隔震平台上，主平台1的高度 通过可调节减震脚杯8的调整来保证；三轴拉伸的电机驱动单元2通过连接平台20与轴向 移动单元3连接；疲劳及夹具单元4通过三颗内六角螺钉a42固定在轴向移动单元3上，试 件7与压板26通过两颗内六角螺钉b43固定在疲劳及夹具单元4上，拉力传感器23 -端 通过螺母a44固定在挡板22上，另一端栓接在疲劳及夹具单元4上；
[0035] 所述热场加载子系统包括：加热台6、氮化硅陶瓷加热片45,所述加热台6通过内 六角螺钉c46与主平台1相连，氮化硅陶瓷加热片45插在加热台6的插槽中；
[0036] 所述悬臂压痕加载与测量子系统包括：柔性铰链与压电陶瓷单元31、悬臂梁支座 32、悬臂梁33、挡盖34、压头35、销轴36、可调支撑台37、调节螺钉38、压簧39、蝶形螺母40、 称重传感器41，所述支座32通过蝶形螺母40与主平台