机电热耦合应力腐蚀原位疲劳性能试验装置的制作方法

本实用新型涉及精密驱动领域，特别涉及材料疲劳性能的原位力学测试领域，尤指一种机电热耦合应力腐蚀原位疲劳性能试验装置。该装置通过与扫描电子显微镜、X射线衍射仪和光学显微镜等成像仪器设备的兼容使用，可对高/低温服役环境及不同应力腐蚀状态下材料的疲劳失效机制进行研究，同时可实现对电化学作用及电致伸缩效应的原位观测，为了解、揭示材料的疲劳损伤和提升工程结构的服役可靠性和稳定性提供测试方法。

背景技术：

材料、机械零件或构件在应力（主要是拉应力）和腐蚀的共同作用下产生的失效现象为应力腐蚀。处于应力腐蚀环境下的疲劳作用，虽然其所受的载荷幅值远低于其屈服强度或抗拉强度，但经过反复的变形累积以及在各种腐蚀环境的综合作用下，加速了其在单一疲劳载荷作用下的断裂破坏行为。应力腐蚀疲劳破坏，发生得不知不觉，但其已经成为危害最大的灾难性力学失效现象之一，由于缺乏对材料疲劳失效机理及疲劳微观力学性能的深入研究，各类因材料应力腐蚀下疲劳失效引起的事故因其难以预测性和极大破坏性而造成了巨大的经济损失，如1998年我国发生的大型水轮机泄水锥的疲劳断裂和2003年日本环境监测卫星的报废等。

现有的原位力学性能测试仪器大都只具有单一疲劳加载模式，难以实现在腐蚀液环境下对材料进行疲劳实验。且在微观尺度下疲劳力学性能的测试大都通过商业化的疲劳试验机的非原位测试后，再利用扫描电子显微镜等的高分辨率观测功能，对材料局部缺陷处因应力集中而产生的滑移和微裂纹成核以及疲劳断口开展研究，或利用扫描电子显微镜下小型化原位拉伸测试仪实现往复的拉伸、压缩动作，但一般应用在对加载频率要求不高的低周疲劳测试中。其中，商业化疲劳试验机以电液伺服疲劳试验机的应用最为广泛，如美国MTS等公司的产品在我国的科研院校中应用非常普遍，这些试验机通常包括液压泵站、液压阀、油缸等液压系统单元，集成高性能频率发生器，能够实现大频率范围的驱动加载功能。但由于这类试验机体积较大，难以实现与各类成像设备的集成，一般不具备实现原位疲劳测试的功能。而受限于伺服电机及步进电机的回转惯性，尤其是集成了较大减速比减速机构后，现有小型化拉伸测试仪难以实现较高频率的加载，即难以开展更加符合各类构件实际工况下的高周疲劳测试的要求。因此，原位疲劳测试仪器的研制与开发不仅面临着结构小型化以及测试频率提高的问题更面临着与应力腐蚀环境或力-热-腐蚀多场耦合的迫切需求。

在原位疲劳仪器结构小型化的问题上，压电器件因其快速响应、结构小巧紧凑、可靠性好等特性也被应用在微尺度构件的疲劳测试上。其中，PI公司推出了压电型疲劳加载模块，并成功地应用在微尺度构件的疲劳特性研究中。2010年，日本京都大学的T. Tsuchiya等亦采用压电驱动技术开发了一种用于高湿度环境下微机电材料疲劳失效性能测试的装置，被测试件为100 μm×13 μm×3.3 μm的单晶硅材料，且被置于一个具有流通气流的环境腔内，气流的温度和湿度可调。该测试装置采用PI公司的Polytec压电驱动器，并置于大装置光学显微镜的三轴手动精密操作装置上，可实现最大加载力为0.2 N，有效运动行程为±15 μm，极限加载频率为100 Hz。通过测试发现，在环境湿度为60%，应力比R为0.15的情况下，单晶硅薄膜的疲劳寿命为2.72×10⁵次。但由于压电器件的输出位移多在几十微米级别，难以实现对块体材料的大行程往复运动加载，且压电驱动器中大刚度的柔性铰链机构往往会削弱压电器件的输出位移，而小刚度的柔性铰链则由于其惯性力，难以实现较高加载频率下的快速响应。

综上，上述方法因结构较大、响应频率不足及放大倍率不足等因素，限制了疲劳损伤机制的实时观测及深入研究，且上述方法较少涉及温度服役环境及应力腐蚀状态下的疲劳测试装置。工程材料的疲劳失效往往归因于复杂的应力状态及热、化学环境，因此，设计一种用于高/低温及应力腐蚀环境下、体积小巧，测试精度高，且能与光学显微镜等多种成像仪器实现兼容使用的疲劳测试装置十分必要。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种机电热耦合应力腐蚀原位疲劳性能试验装置，解决了现有技术存在的上述问题。本实用新型的主体尺寸为215mm×85mm×55mm，与奥林巴斯光学显微镜配合使用。相比于现有电液伺服型或电机驱动型疲劳测试仪，本实用新型通过两组对称布置的压电驱动器实现同时同步的位移输出，结合嵌入式高温电热合金片或帕尔贴片及腐蚀槽内部的溶液环境，可针对特征尺寸为毫米级的块体材料或薄膜材料开展，实现在高/低温环境或应力腐蚀作用下的疲劳测试。对材料在高/低温环境或应力腐蚀状态下疲劳失效行为的研究可对工程结构在复杂服役条件下的微观结构演化行为和疲劳失效机制的研究。与此同时，本实用新型对夹具进行更换，采用内嵌电机的绝缘夹具，结合腐蚀槽内硅油溶液，可构建高压电场的物理场环境，实现对电化学作用及电致伸缩效应的原位观测。本实用新型为揭示材料在微尺度下的热疲劳及应力腐蚀疲劳行为与变形损伤的相关性提供了测试方法。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

机电热耦合应力腐蚀原位疲劳性能试验装置，包括基座支撑单元、疲劳制动单元、试件预紧单元、试件夹持单元、信号监测单元、加热/制冷单元、应力腐蚀单元、电场控制单元及原位观测单元，其中，疲劳制动单元的柔性铰链Ⅰ3及柔性铰链Ⅱ11分别与试件预紧单元的预紧滑台2螺纹连接；试件预紧单元中的支座1与原位观测单元中的底板31刚性连接，保证机电热耦合应力腐蚀原位疲劳性能试验装置与底板31及高景深显微镜32间相对位置关系保持不变；加热/制冷单元通过腐蚀槽内壁卡槽嵌入安装于应力腐蚀单元中的腐蚀槽24中；

所述疲劳制动单元由两个同轴且对称布置安装的压电驱动器组成，压电驱动器由压电叠堆4、柔性铰链Ⅰ3及柔性铰链Ⅱ11组成，所述柔性铰链Ⅰ3及柔性铰链Ⅱ11采用圆弧过渡型铰链形式，其菱形式内包络结构对压电叠堆4输出的可控位移进行放大，且左右两个压电叠堆采用同轴对称布置方式使输出的交变位移幅值增大一倍，弥补了压电叠堆行程短的不足；

所述试件预紧单元是：大导轨12刚性固连于支座1上，大滑块14上设有与大导轨12宽度相同的矩形槽，嵌入式安装于大导轨12上；预紧滑台2与大滑块14螺纹连接，小导轨13与预紧滑台2螺纹连接，小滑块15上设有与小导轨13宽度相同的矩形槽，嵌入式安装于小导轨13上，U型滑台16与小滑块15螺纹连接；丝杠固定板Ⅰ6、丝杠固定板Ⅱ18与支座1螺纹连接，并分别通过手动预紧旋钮5、辅助预紧螺栓19预紧，丝杠17的两端分别由丝杠固定板Ⅰ6、丝杠固定板Ⅱ18支撑；

所述试件夹持单元是：夹具压板8、夹具9分别具有可配合使用的凹槽和凸台结构，且凸台与凹槽表面加工有滚花，以增大对试件7的夹持力，减小疲劳实验中位移损失；

所述信号监测单元是：力传感器10与夹具9及柔性铰链Ⅱ11刚性连接，与试件7位移方向同轴，实现对试件7所受拉力的直接测量；激光位移传感器23嵌入式安装于位移传感器固定板22中，硅片固定板21与U型滑台16刚性连接，且硅片固定板21与U型滑台16间互成角度为90°，通过测量小导轨的位移间接实现对试件位移的测量；

所述加热/制冷单元包括高温电热合金片/帕尔贴片29和腐蚀槽24，其中腐蚀槽槽内壁均匀加工有四个卡槽，高温电热合金片/帕尔贴片29嵌入式安装于腐蚀槽24的矩形槽中，矩形槽的尺寸略大于高温电热合金片/帕尔贴片29；

所述应力腐蚀单元是：硼硅橡胶伸缩软管25的大口端套在腐蚀槽24圆形接口上，通过卡箍26锁紧，小口端套在试件7上，通过上压板27、下压板28锁紧，并在各接触面涂以密封硅脂；

所述电场控制单元是：绝缘夹具30与柔性铰链Ⅰ3螺纹连接，绝缘夹具30采用环氧树脂制作，内嵌导电电极，两侧导电电极分别与精密直流电源的正极和负极相连；腐蚀槽24内装有硅油，防止加载电压击穿空气造成危险；试件7夹紧在两电极之间，该电场控制单元可实现对电化学作用及电致伸缩效应的原位观测；

所述原位观测单元是：高景深显微镜32与底板31刚性连接，试验过程中，试件7中心保持不变。

机电热耦合应力腐蚀原位疲劳性能试验装置，其特征在于：所述的试件7的预紧采用双极预紧机构，其中一级预紧机构通过旋转手动预紧旋钮5带动丝杠17，使两预紧楔块20与预紧滑台2圆弧面相切，带动两侧预紧滑台2同步对称运动，采用弧面线接触预紧保证两预紧滑台2的运动与大导轨12间的平行度，且预紧楔块20受力自锁，可实现针对不同尺寸试件的精确夹持；二级预紧机构中小滑块15带动U型滑台16，在小导轨13上自由滑动，通过螺纹连接方式与柔性铰链Ⅰ3刚性连接，不仅减小了柔性铰链Ⅰ3的变形阻力，且保证了运动的同轴度，同时便于更换不同尺寸及放大倍数的柔性铰链，以实现不同振幅的疲劳实验。

机电热耦合应力腐蚀原位疲劳性能试验装置，其特征在于：所述的高温电热合金片/帕尔贴片29有四个，且厚度、宽度和长度规格均一致，呈拓扑对称式安装结构嵌入式安装于腐蚀槽24内壁中构成环境腔，对试件7及溶液环境进行加热和制冷，构建与材料实际服役工况一致的工作环境；针对疲劳腐蚀样品，腐蚀槽24内可构建腐蚀溶液环境；针对生物材料，可将液体环境与加热/制冷单元相结合，构建液体微环境的同时对其加热/制冷，构建所需机体微环境；密封所用的硅胶伸缩软管采用硼硅橡胶制成，可在高温环境下稳定工作。

机电热耦合应力腐蚀原位疲劳性能试验装置，其特征在于：所述的环境腔内置微型测温笔，对腔内液体环境进行实时测量，腐蚀槽24具有透明视窗，实现温度的实时观测；在电场模式下，腐蚀槽24内装有硅油，防止加载电压击穿空气造成危险；位于环境腔内部的绝缘夹具30采用环氧树脂制作，内嵌导电电极，两侧导电电极分别与精密直流电源的正极和负极相连，通过电极将高压电加载至试件；试件7夹紧在两电极之间，环境腔的电场模式可实现对电化学作用及电致伸缩效应的原位观测。

机电热耦合应力腐蚀原位疲劳性能试验装置，其特征在于：所述的柔性铰链Ⅰ3和柔性铰链Ⅱ11对称布置且对位移的放大系数一致，内嵌相同型号的压电叠堆驱动器，对试件两端实现同步疲劳加载的过程中可保证试件中心位置不发生变化；同时集成了与底板31固定的高景深显微镜32，实现在高/低温环境或应力腐蚀环境下，对疲劳裂纹产生、拓展及最终断裂全过程过程的实时观测。

本实用新型的有益效果在于：结构紧凑测试精度高，主体尺寸为215mm×85mm×55mm。与现有技术相比，两组对称布置的压电驱动器实现同时同步的位移输出，结合嵌入式高温电热合金片或帕尔贴片及腐蚀槽内部的溶液环境，可针对特征尺寸为毫米级的块体材料或薄膜材料开展，实现在高/低温环境或应力腐蚀作用下的疲劳测试。此外，本实用新型通过与光学显微镜等成像仪器设备的兼容使用，对材料在高/低温环境或应力腐蚀状态下疲劳失效行为的研究可对工程结构在复杂服役条件下的微观结构演化行为和疲劳失效机制的研究，为了解、揭示材料的疲劳损伤和提升工程结构的服役可靠性和稳定性提供测试方法。

附图说明

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。

图1为本实用新型的整体外观结构示意图，为摘要附图；

图2为本实用新型的试验机部分俯视示意图；

图3为本实用新型的装置原理示意图；

图4为本实用新型的试验及部分主视示意图；

图5为本实用新型的预紧原理及楔形块受力示意图；

图 6为本实用新型的夹持与密封单元示意图；

图 7为本实用新型的电场单元原理示意图。

图中：1、支座；2、预紧滑台；3、柔性铰链Ⅰ；4、压电叠堆；5、手动预紧旋钮；6、丝杠固定板Ⅰ；7、试件；8、夹具压板；9、夹具；10、力传感器；11、柔性铰链Ⅱ；12、大导轨；13、小导轨；14、大滑块；15、小滑块；16、U型滑台；17、丝杠；18、丝杠固定板Ⅱ；19、辅助预紧螺栓；20、预紧楔块；21、硅片固定板；22、位移传感器固定板；23、激光位移传感器；24、腐蚀槽；25、硅胶伸缩软管；26、卡箍；27、上压板；28、下压板；29、高温电热合金片/帕尔贴片；30、绝缘夹具；31、底板；32、高景深显微镜。

具体实施方式

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。

参见图1至图7所示，本实用新型的机电热耦合应力腐蚀原位疲劳性能试验装置，通过对称布置的两组压电叠堆驱动器实现较大行程疲劳位移输出，结合嵌入式高温电热合金片或帕尔贴片以及含密封装置的应力腐蚀槽，可针对特征尺寸为毫米级的块体材料开展高/低温服役条件及应力腐蚀环境下的动态疲劳测试。此外，通过更换内部嵌入电极的绝缘夹具，可实现对电化学作用及电致伸缩效应的原位观测。同时，基于其小巧的体积、紧凑的结构和测试试件中心不产生位移等特性，该装置易于实现与较大真空腔体的扫描电子显微镜或其他具有开放式承载空间的显微成像设备（如光学显微镜、高速摄像机等）结合使用，即可开展多种模式下原位单轴动态疲劳测试，便于开展对各类结构材料或功能材料在复杂服役条件下（如高/低温条件、腐蚀环境作用、电场条件）的微观结构演化行为和疲劳失效机制的研究。其结构包括基座支撑单元、疲劳制动单元、试件预紧单元、试件夹持单元、信号监测单元、加热/制冷单元、应力腐蚀单元、电场控制单元及原位观测单元，其中，疲劳制动单元的柔性铰链Ⅰ3及柔性铰链Ⅱ11分别与试件预紧单元的预紧滑台2螺纹连接；试件预紧单元中的支座1与原位观测单元中的底板31刚性连接，保证机电热耦合应力腐蚀原位疲劳性能试验装置与底板31及高景深显微镜32间相对位置关系保持不变；加热/制冷单元通过腐蚀槽内壁卡槽嵌入安装于应力腐蚀单元中的腐蚀槽24中；

所述疲劳制动单元由两个同轴且对称布置安装的压电驱动器组成，压电驱动器由压电叠堆4、柔性铰链Ⅰ3及柔性铰链Ⅱ11组成，所述柔性铰链Ⅰ3及柔性铰链Ⅱ11采用圆弧过渡型铰链形式，其菱形式内包络结构对压电叠堆4输出的可控位移进行放大，且左右两个压电叠堆采用同轴对称布置方式使输出的交变位移幅值增大一倍，弥补了压电叠堆行程短的不足；

所述试件预紧单元是：大导轨12刚性固连于支座1上，大滑块14上设有与大导轨12宽度相同的矩形槽，嵌入式安装于大导轨12上；预紧滑台2与大滑块14螺纹连接，小导轨13与预紧滑台2螺纹连接，小滑块15上设有与小导轨13宽度相同的矩形槽，嵌入式安装于小导轨13上，U型滑台16与小滑块15螺纹连接；丝杠固定板Ⅰ6、丝杠固定板Ⅱ18与支座1螺纹连接，并分别通过手动预紧旋钮5、辅助预紧螺栓19预紧，丝杠17的两端分别由丝杠固定板Ⅰ6、丝杠固定板Ⅱ18支撑；

所述试件夹持单元是：夹具压板8、夹具9分别具有可配合使用的凹槽和凸台结构，且凸台与凹槽表面加工有滚花，以增大对试件7的夹持力，减小疲劳实验中位移损失；

所述信号监测单元是：力传感器10与夹具9及柔性铰链Ⅱ11刚性连接，与试件7位移方向同轴，实现对试件7所受拉力的直接测量；激光位移传感器23嵌入式安装于位移传感器固定板22中，硅片固定板21与U型滑台16刚性连接，且硅片固定板21与U型滑台16间互成角度为90°，通过测量小导轨的位移间接实现对试件位移的测量；

所述加热/制冷单元包括高温电热合金片/帕尔贴片29和腐蚀槽24，其中腐蚀槽槽内壁均匀加工有四个卡槽，高温电热合金片/帕尔贴片29嵌入式安装于腐蚀槽24的矩形槽中，矩形槽的尺寸略大于高温电热合金片/帕尔贴片29；

所述应力腐蚀单元是：硼硅橡胶伸缩软管25的大口端套在腐蚀槽24圆形接口上，通过卡箍26锁紧，小口端套在试件7上，通过上压板27、下压板28锁紧，并在各接触面涂以密封硅脂；

所述电场控制单元是：绝缘夹具30与柔性铰链Ⅰ3螺纹连接，绝缘夹具30采用环氧树脂制作，内嵌导电电极，两侧导电电极分别与精密直流电源的正极和负极相连；腐蚀槽24内装有硅油，防止加载电压击穿空气造成危险；试件7夹紧在两电极之间，该电场控制单元可实现对电化学作用及电致伸缩效应的原位观测；

所述原位观测单元是：高景深显微镜32与底板31刚性连接，试验过程中，试件7中心保持不变。

参见图1至图7所示，本实用新型的机电热耦合应力腐蚀原位疲劳性能试验装置，整体尺寸约为215mm×85mm×55mm，可与Olympus DSX-500和Leica DM-2700光学显微成像系统兼容使用。本实用新型中涉及到的元器件和具体型号为：压电叠堆4的型号为XMt150/10x10/36，其最大标称位移为40μm，静电容量为12μF，谐振频率为42kHz。高温电热合金片29为高电阻电热合金，其材料为Cr20Ni80，所使用的帕尔贴制冷片型号为TEC1-19906，其额定电压为24V，冷产量为86.4W，帕尔帖片使用粘合的方式安装固定，在腐蚀槽内部加工的凹槽表面平面度应不大于0.03mm，并在粘合前将帕尔贴片及腐蚀槽凹槽清洗干净。支座1、夹具压板8、夹具9、柔性铰链Ⅰ3及柔性铰链Ⅱ11的主体结构均采用线切割方式加工，夹具压板8和夹具9的锯齿状结构以及矩形槽结构均采用电火花方式加工，支座1、预紧滑台2、大滑块14、小滑块15的导轨定位面以及底板31与高景深显微镜32的安装平面均采用磨削加工进行平坦化处理。本仪器电场加载模块可对试样加载0-10kv电压的电场，根据标准要求，电场的频率为0.5~1Hz。电场的加载模块主要包括以下硬件：信号发生器、电压放大器、腐蚀槽、绝缘夹具、电容盒、电荷放大器、动态应变仪以及高压导线和接头。采用的信号发生器为RIGOL-DG4062，它可产生多种类型的波形，具有2个输出通道，输出峰峰值为20Vpp，输出频率60MHz。采用的电压放大器为TREK609B，其输出电压范围是0~±10kv，放大倍数为1000倍。在腐蚀槽内装有硅油，可有效防止加载电压击穿空气造成危险。此外，采用电容盒为保护测试电路，采用电荷放大器用以防止试样击穿后产生的高压电烧坏采集卡。在测量电致伸缩实验中，采用爱伏特AFT-0951动态应变仪，作用为动态测量试样应变。

柔性铰链Ⅰ3及柔性铰链Ⅱ11所使用的材料为65Mn合金，该合金符合GB/T 1222-2007的制备要求。经热处理及冷拔硬化后，65Mn合金可实现较高的强度，其屈服强度优于430MPa，对称循环疲劳极限优于400MPa。测试过程中，为削弱压电叠堆4加载和卸载过程中的迟滞现象对拉伸和压缩应变带来的影响，采用前馈反馈综合控制方法，以提升系统响应速度，提高控制精度。通过多通道精密电源对两个个压电叠堆同时供电，并在控制回路中对压电叠堆输出电压波形与频率进行跟踪，利用其输出位移量作为反馈源，结合压电元叠堆激励的时序、相位与频率对输入多通道模拟电压信号进行有效补偿。采用Art USB2817多路数据采集卡对力传感器10及23激光位移传感器输出的模拟电压信号进行精密同步采集，该信号与上位机（PC机）软件中给定参考数字信号比较，给定信号的依据为压电叠堆输入电压-输出位移关系，比较信号通过PI参数整定得到用于补偿压电叠堆输出位移的电压信号，最终控制系统实现对压电叠堆输出位移的准确控制。

在具体的测试过程中，被测试件7首先通过线切割方式加工出各向对称的结构，其两个楔形面的夹角为120°，且夹持端与六边形凸台、凹槽的形状亦保持一致。在测试之前，通过机械抛光、电化学抛光或横切方式对试件7进行抛光处理，对于可制备出金相的多晶体材料，亦可通过化学腐蚀制备出具有特定晶粒度的金相组织。此外，为对交变载荷作用下试件初始裂纹萌生及扩展的现象进行有针对的观测，对厚度在亚毫米级的块体材料可利用显微硬度计在试件7的标距部分制备出具有特定三维形貌特征的显微压痕，针对厚度在50μm以内的薄膜材料亦可利用纳米压痕仪制备出纳米压痕形貌，压痕形貌可视为在材料合成、制备及加工过程中人为预制的初始缺陷，即可利用高分辨率显微成像手段就该压痕形貌在交变载荷及服役温度下的变形行为进行在线监测。

以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡对本实用新型所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。