形状记忆合金热循环稳定性及功能疲劳性能测试系统的制作方法

本发明涉及形状记忆合金测试，特别是涉及金属智能材料在长期热循环载荷下功能特性与显微组织演变测试，是一种定量评价形状记忆合金在长期热循环服役过程中的工作稳定性、功能疲劳行为和显微组织演变的测试系统。

背景技术：

形状记忆合金具有独特的形状记忆效应和超弹性变形等功能特性以及优异的力学性能，因而被广泛应用于智能结构、微型驱动、阻尼减震和生物医疗等领域。通常，通过对形状记忆合金进行一定的“训练”处理，可使其在热驱动下获得不同方式的变形能力，如伸长、缩短、弯曲等，以满足不同的应用场合。在形状记忆合金实际服役过程中，往往都要经历长时间的热致马氏体相变循环或应力引发马氏体相变循环，长时间的相变循环将导致功能特性的退化或改变；例如，随相变循环次数增加，合金会发生相变温度改变、可回复应变减小、相变滞后增大、相变临界应力降低等现象。功能特性的改变将导致合金无法满足最初的设计要求，从而导致合金在功能性上失效，即发生功能疲劳。功能疲劳不仅影响合金在功能实现方面的服役寿命，而且会进一步引发合金的显微组织变化以及结构损伤或断裂，大大降低了合金的使用寿命。在热循环加载下，对形状记忆合金功能疲劳性能进行科学地评价，能为形状记忆合金的设计和应用提供重要而有效参考和指导；因此需要一种能安全、可靠测试形状记忆合金在循环加载条件下功能疲劳性能的实验测试系统。

中国发明专利申请“一种形状记忆合金热机械疲劳实验装置”(公布号为CN 105181734A)以及“形状记忆合金丝材用多功能测试仪”(公布号为CN 101122559A)，主要是通过电流加载利用焦耳热对样品加热，针对较大尺寸的样品为了满足较快的升温速率，必须采用较大的电压，存在较大的安全隐患；另外，电流加载的方式容易引起样品夹持处电阻过大，导致局部温度过高、加热不均的现象，并且实验过程中引入了电流，无法排除在长期疲劳实验中电流对样品的影响。以上现有技术只能监测形状记忆合金在单轴方向上的变形量，无法监测弯曲变形量；而且由于采用引伸计测量样品在热循环过程中的变形量，而引伸计安装需要一定的空间，因此无法测量尺寸较小的样品；此外以上公开专利均采用空气自然冷却，无法实现较快的加热‐冷却循环动作。目前，急需设计和建造一种能稳定实现形状记忆合金快速加热‐冷却循环，并能监测形状记忆合金在热循环过程中产生的变形量的实验测试系统，以及后续能对形状记忆合金的功能疲劳行为进行准确的评价，最终为形状记忆合金的成分设计和工艺制备提供可靠的参考和依据。

技术实现要素：

本发明目的在于克服现有技术的缺点，提供一种形状记忆合金热循环稳定性及功能疲劳性能测试系统，可对形状记忆合金进行稳定的热循环加载，并对形状记忆合金在长期热循环过程中的位移和温度数据进行同步采集和存储，通过对实验数据的分析可定量评价形状记忆合金的功能疲劳性能。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

形状记忆合金热循环稳定性及功能疲劳性能测试系统，包括控温箱、样品支架、热循环温度控制系统和数据采集系统；

所述控温箱包括控温箱上盖板、控温箱侧板和控温箱底板；控温箱为六面体空心结构，由控温箱上盖板、控温箱底板和四块控温箱侧板连接组成；控温箱上盖板为透明的亚克力板；控温箱底板设有凹槽；

所述样品支架包括样品支架侧板和样品支架夹具；样品支架夹具包括样品支架夹具螺栓铰链和样品支架铰链圆棒；样品支架侧板设置在控温箱空心内，样品支架侧板插在保温控温箱底板的凹槽内，样品支架夹具固定在样品支架侧板上；条状形状记忆合金样品两端固定在两样品支架夹具螺栓铰链上，样品支架夹具螺栓铰链通过样品支架铰链圆棒固定在样品支架侧板上；

所述热循环控制系统包括时间继电器、直流稳压电源、第一冷却风扇、第二冷却风扇、柔性聚酰亚胺加热膜；柔性聚酰亚胺加热膜贴在条状形状记忆合金样品底部，柔性聚酰亚胺加热膜的正负极导线与时间继电器的加热端连接，时间继电器与直流稳压电源连接；第一冷却风扇和第二冷却风扇以吹气方向相同的方式分别安装在控温箱的相对的两块控温箱侧板上，第一冷却风扇和第二冷却风扇都连接至时间继电器的冷却端；

所述数据采集系统包括K型热电偶、激光位移传感器、丝杆滑台、热电偶信号调理模块、数据采集卡和计算机；热电偶信号调理模块和激光管位移传感器连接数据采集卡，数据采集卡连接计算机，K型热电偶一端连接热电偶信号调理模块，另一端连接柔性聚酰亚胺加热膜；激光位移传感器安装在丝杆滑台上，激光位移传感器位于控温箱上盖板上端。

为进一步实现本发明目的，优选地，四块控温箱侧板选择透明的亚克力板。

优选地，所述控温箱底板选择高强度尼龙板。

优选地，所述控温箱侧板设计有走线孔和吸气口。

优选地，所述样品支架侧板选择高强绝缘尼龙板。

优选地，所述丝杆滑台位于控温箱外侧。

优选地，所述K型热电偶的丝径小于0.5mm。

优选地，所述数据采集卡采用USB‐6001数据采集卡；热电偶信号调理模块采用S1101D型热电偶型号调理模块；激光位移传感器采用HG‐C1050激光位移传感器。

与现有技术相比，本发明的特点和优越性主要为：

1)本发明可通过柔性聚酰亚胺加热膜对形状记忆合金进行加热，可采用低电压直流电源供电，实现快速升温，即保证了整个系统的安全性，又可保证柔性聚酰亚胺加热膜不会影响合金的变形。

2)本发明可通过两个同向安装的冷却风扇对加热后的合金样品进行冷却，在控温箱内实现了冷热空气交换，可实现快速降温。

3)本发明可对形状记忆合金发生的非单轴变形，如可对弯曲变形进行监测获得变形量和温度数据，通过对数据进行分析可对合金在弯曲变形过程中的功能疲劳性能进行评价。

4)本发明可实现温度数据和位移数据同步采集和存储，实现温度数据点和位移数据点一一对应。

附图说明

图1为本发明形状记忆合金热循环稳定性及功能疲劳性能测试系统组成示意图。

图2A为图1中保温箱外观示意图。

图2B为图1中保温箱内部示意图。

图2C为图1中样品支架与保温箱配合前视图。

图3A为图1中形状记忆合金样品夹持示意图，低温平直状态图。

图3B为图1中形状记忆合金样品夹持示意图，高温弯曲状态图。

图中示出：控温箱1、直流稳压电源2、时间继电器3、热电偶信号调理模块4、数据采集卡5、计算机6、丝杆滑台7、激光位移传感器8、K型热电偶9、第一冷却风扇101、第二冷却风扇102、控温箱上盖板103、控温箱侧板104、控温箱底板105、形状记忆合金样品106、样品支架侧板107、样品支架夹具108、样品支架夹具螺栓铰链1081、样品支架铰链圆棒1082、柔性聚酰亚胺加热膜109。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图对本发明做进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，形状记忆合金热循环稳定性及功能疲劳性能测试系统，包括控温箱1、样品支架、热循环温度控制系统和数据采集系统。

如图2A所示，控温箱1包括控温箱上盖板103、控温箱侧板104和控温箱底板105；控温箱1为六面体空心结构，由控温箱上盖板103、控温箱底板105和四块控温箱侧板104连接组成；控温箱上盖板103和四块控温箱侧板104优选透明的亚克力板；控温箱底板105优选为高强度尼龙板；控温箱侧板104设计有走线孔和吸气口；控温箱底板105设有凹槽；

如图2B、图2C和图3A所示，样品支架包括样品支架侧板107和样品支架夹具108；样品支架夹具108包括样品支架夹具螺栓铰链1081和样品支架铰链圆棒1082；样品支架侧板107设置在控温箱1空心内，样品支架侧板107插在保温控温箱底板105的凹槽内，样品支架夹具108固定在样品支架侧板107上；条状形状记忆合金样品106两端固定在两样品支架夹具螺栓铰链1081上，样品支架夹具螺栓铰链1081通过样品支架铰链圆棒1082固定在样品支架侧板107上。样品支架侧板107优选为高强绝缘尼龙板；通过设计不同规格的样品支架可实现对不同尺寸形状合金样品的热循环测试。

热循环控制系统包括时间继电器3、直流稳压电源2、第一冷却风扇101、第二冷却风扇102、柔性聚酰亚胺加热膜109；如图3A所示，柔性聚酰亚胺加热膜109贴在条状形状记忆合金样品106底部，柔性聚酰亚胺加热膜109的正负极导线与时间继电器3的加热端连接，时间继电器3与直流稳压电源2连接，直流稳压电源、时间继电器、柔性聚酰亚胺加热膜形成加热电路冷却电路；如图2A所示，第一冷却风扇101和第二冷却风扇102以吹气方向相同的方式分别安装在控温箱1的相对的两块控温箱侧板104上，第一冷却风扇101和第二冷却风扇102都连接至时间继电器3的冷却端；直流稳压电源、时间继电器、第一冷却风扇101和第二冷却风扇102构成冷却电路。时间继电器上面有两个接线端口，分别为加热端和冷却端，加热端与柔性聚酰亚胺加热膜连接，冷却端与第一冷却风扇101和第二冷却风扇102连接。

数据采集系统包括K型热电偶9、激光位移传感器8、丝杆滑台7、热电偶信号调理模块4、数据采集卡5和计算机6；K型热电偶9用作温度传感器；计算机6中安装有基于NI Labview DAQ模块进行编程的数据采集软件；热电偶信号调理模块4和激光管位移传感器8连接数据采集卡5，数据采集卡5连接计算机6，K型热电偶9一端连接热电偶信号调理模块4，另一端连接柔性聚酰亚胺加热膜109；激光位移传感器8安装在丝杆滑台7上，通过丝杆滑台7调节激光位移传感器8的高度以满足测量基准距离要求，激光位移传感器8位于控温箱上盖板103上端，透过透明的控温箱上盖板103对形状记忆合金样品106在热循环过程中发生的变形量进行实时监测，并通过内置信号调理模块对监测到的信号进行调理，丝杆滑台7位于控温箱1外侧。

测试时，将柔性聚酰亚胺加热膜109贴在条状形状记忆合金样品106底部，柔性聚酰亚胺加热膜109的正负极导线与时间继电器3连接，时间继电器3与直流稳压电源2连接，第一冷却风扇101和第二冷却风扇102安装在控温箱1的控温箱侧板104上，控温箱侧板104上分别设计有走线孔以及风扇吹气和吸气口。如图2A所示，第一冷却风扇101和第二冷却风扇102以吹气方向相同的方式对称安装，如图2B所示，第一冷却风扇101和第二冷却风扇102都连接至时间继电器3的冷却端。当时间继电器3与柔性聚酰亚胺加热膜109相连接的加热端处于导通状态时，直流稳压电源2可对柔性聚酰亚胺加热膜109进行通电加热，在设定好的加热时间内，柔性聚酰亚胺加热膜109处于通电加热状态，通过热交换将形状记忆合金样品106加热到设定温度，随着形状记忆合金样品106温度逐渐升高，条状形状记忆合金样品106的形状由平直状(如图3A所示)逐渐变为弯曲状(如图3B所示)；当加热时间结束，时间继电器3将加热电路切断并使冷却电路处于通路状态，第一冷却风扇101和第二冷却风扇102开始工作，第一冷却风扇101将控温箱1内的热空气吸出，第二冷却风扇102将冷空气吹进控温箱1内，实现冷热空气交换，对条状形状记忆合金样品106快速降温，随着条状形状记忆合金样品106温度逐渐降低，条状形状记忆合金样品106的形状由弯曲状(如图3B所示)逐渐回复为平直状(如图3A所示)。

将丝径小于0.5mm的K型热电偶9通过高温胶粘在条状形状记忆合金样品106表面，通过控温箱侧板104上预留的走线孔引出，K型热电偶9连接至热电偶信号调理模块4，通过热电偶信号调理模块4对K型热电偶9输出的电压信号进行冷端补偿、降噪、信号隔离等处理；激光位移传感器8安装在丝杆滑台7上，通过丝杆滑台7调节激光位移传感器8的高度以满足测量基准距离要求，激光位移传感器8透过透明的控温箱上盖板103对条状形状记忆合金样品106在热循环过程中发生的变形量进行实时监测，并通过内置信号调理模块对监测到的信号进行调理；激光位移传感器可选用松下神视HG‐C1050激光位移传感器，该款激光位移传感器将信号调理模块集成在激光头内部；热电偶信号调理模块4和激光管位移传感器8连接至数据采集卡5，通过数据采集卡5将经过调理的电压信号转换成数字信号传输到计算机6(PC)，计算机6通过NI Labview中DAQ编程软件对测量得到的温度信号和位移信号进行显示和存储，数据采集软件能实现数据采集、数据实时显示、文件夹自动命名、采集速率设置等功能。通过分析采集的数据可得到形状记忆合金在热循环过程中的变形情况，以此来评价形状记忆合金的功能疲劳行为。

数据采集卡5采用美国国家仪器(National Instruments，NI)USB‐6001数据采集卡。数据采集卡负责将传感器(作为温度传感器的K型热电偶、激光位移传感器)采集到的信号传输到计算机(PC)端。

热电偶信号调理模块4采用北京阿尔泰S1101D型热电偶型号调理模块，该热电偶信号调理模块具有冷端补偿、断线检测等功能。

柔性聚酰亚胺加热膜109优选为普通柔性聚酰亚胺加热膜，规格为：5V，3W。

激光位移传感器8优选松下神视HG‐C1050激光位移传感器。

需要指出的是，上面所述的直流稳压电源、时间继电器、第一冷却风扇、第二冷却风扇、K型热电偶、计算机等可采用本领域普通技术人员已知的任何合适的型号。

本发明通过上述测试系统可以对形状记忆合金材料进行加热-冷却循环加载，并且能实时采集热循环过程中形状记忆合金发生的形状变形量和温度数据，通过对获得的数据进行统计处理和量化分析，可评价所述形状记忆材料在热循环加载中的功能疲劳性能。

在本发明的基础上，本领域技术人员可以设计出很多其它的修改和实施方式，这些修改和实施方式也落在本申请公开的原理范围和技术框架之内。