模擬多環境的同步輻射原位成像拉伸試驗機及其試驗方法與流程
2023-09-14 05:16:00
本發明涉及材料拉伸試驗機領域，具體涉及到一種模擬多環境的同步輻射原位成像拉伸試驗機及其試驗方法。
背景技術：
長期以來，隨著科學技術的快速發展，新材料被大量地投入使用，人們對新材料的拉伸斷裂的力學性能展開了大量的研究。一般認為，材料拉伸過程包括彈性變形、塑形變形和斷裂。材料的力學性能受多種因素的影響，其所處的現實情況不同，力學性能也會有所區別。為了更好地探究材料在不同環境下的力學性能，進而s為材料的應用提供合理的參考數據，故需對材料進行拉伸試驗。利用拉伸試驗得到的數據可以確定材料的彈性極限、伸長率、彈性模量、比例極限、面積縮減量、拉伸強度、屈服點、屈服強度以及其它性能指標。在高溫下進行拉伸試驗可以得到蠕變數據。與此同時，由於外界環境的不同，在高溫、多溼和多氧的環境下，空氣中的h、o元素也會對材料的力學性能造成影響，形成氫致斷裂或其他斷裂形式。
原位成像拉伸試驗通過將電子顯微技術與傳統的材料力學性能測試技術有效地進行結合，可對材料試樣在不同環境下進行力學加載測試，在實驗過程中分階段的停機，停機時通過實驗平臺上集成的顯微成像系統對材料組織的結構變化和微觀變形損傷進行原位成像記錄。宏觀的力學測試數據和多個階段的成像記錄相結合，則能反映材料的力學性能和顯微組織的演變規律，為分析固態材料的力學特性和微觀組織的演變規律提供了新的方法。現有的原位拉伸試驗裝置中，顯微成像系統一般為光學顯微鏡，由於其解析度及放大倍率較低，測試效果具有很大的局限性。近年來，出現了使用掃描電子顯微鏡(sem)的試驗機，配合sem的使用，可對金屬材料進行原位疲勞測試。sem解析度達微米級，能更好的觀察到材料的微觀組織形貌和缺陷。但是，sem只能得到材料表面的二維圖像，而不能得到材料內部的三維立體圖像；且其光源亮度低，光信號檢測信噪比低，測量精度與檢測靈敏度有待提高。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是提供一種模擬多環境的同步輻射原位成像拉伸試驗機及其試驗方法，用於材料的力學性能測定。
為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案為：
一種模擬多環境的同步輻射原位成像拉伸試驗機，包括位於底部能夠360度旋轉的單拉底座，單拉底座的上方連接有數顯推拉力計，數顯推拉力計的上方設有連接臺，連接臺的上方連接有玻璃圍罩，玻璃圍罩的上部連接到上蓋的底部；
下夾具和上夾具位於玻璃圍罩的內部，下夾具下部與數顯推拉力計固定連接，上夾具上部與位於上蓋內部的套筒固定連接；套筒內部設有彈簧和套筒軸，彈簧套在套筒軸上，彈簧下部頂在套筒軸下端部的突出端面上，彈簧上部頂在套筒的內頂面上，套筒的上頂面設有通孔，套筒軸穿過通孔與加載機構的加載連接部位固定連接；
加載機構包括加載底座、施力輪、棘輪、棘爪和加載連接部位；加載底座固定連接到上蓋的頂面，施力輪與棘輪軸固定連接，棘輪軸上套有棘輪，棘爪通過連接銷固定在加載底座上並以連接銷為軸轉動，棘爪的底部設有用於保證棘爪與棘輪嚙合的復位彈簧；鋼絲繩纏繞在棘輪軸上，鋼絲繩的另一端連接到加載連接部位。
根據上述方案，還包括原位成像系統，所述原位成像系統包括同步輻射光源的光發射器和光接收器；光發射器射出的輻射光穿透玻璃圍罩及上夾具和下夾具之間的試樣後由光接收器接收。
根據上述方案，還包括溫控裝置；所述溫控裝置的溫控臺設置於玻璃圍罩和夾具之間，溫控臺上設有用於光路通過的透明部分，溫控臺通過引線與溫控臺控制器電連接。
根據上述方案，還包括加溼裝置，所述加溼裝置包括空氣加溼器、溼度傳感器、空氣加溼器噴嘴及pc機；溼度傳感器設置於連接臺側面的通孔內，空氣加溼器噴嘴設置於上蓋側面的通孔內；pc機分別與溼度傳感器和空氣加溼器電連接。
根據上述方案，還包括原位成像系統、溫控裝置和加溼裝置；
所述原位成像系統包括同步輻射光源的光發射器和光接收器；光發射器射出的輻射光穿透玻璃圍罩及上夾具和下夾具之間的試樣後由光接收器接收；
所述溫控裝置的溫控臺設置於玻璃圍罩和夾具之間，溫控臺上設有用於光路通過的透明部分，溫控臺通過引線與溫控臺控制器電連接；
所述加溼裝置包括空氣加溼器、溼度傳感器、空氣加溼器噴嘴及pc機；溼度傳感器設置於連接臺側面的通孔內，空氣加溼器噴嘴設置於上蓋側面的通孔內；pc機分別與溼度傳感器和空氣加溼器電連接。
一種如上述方案所述的模擬多環境的同步輻射原位成像拉伸試驗機的試驗方法，其步驟如下：
a、試樣的安裝
將加載機構、上蓋及玻璃圍罩取下，將試樣夾緊於下夾具與上夾具之間，然後在連接臺內部空腔內裝入溫控臺並使試樣處於溫控臺的內部空腔內，再將加載機構、上蓋及玻璃圍罩裝配在連接臺上，在上蓋的側面安裝好空氣加溼器，旋緊施力輪，保證試樣安裝牢固；
b、原位疲勞試驗
打開溫控臺控制器、空氣加溼器以及溼度傳感器，設定試樣的試驗溫度和溼度；一段時間後，待試樣的環境溫度和溼度滿足試驗要求時，進行數顯推拉力計的校零，然後按照試驗方案旋轉施力輪以對試樣施加一定的載荷；與此同時，溫控臺保持開機狀態，維持溫度的恆定；空氣加溼器的空氣加溼器噴嘴由pc機根據溼度傳感器測量得到的數據對試樣的環境進行負反饋調節控制，使試樣的空氣保持溼潤；再啟動同步輻射光源，單拉底座旋轉，帶動試樣進行360度旋轉；同時，同步輻射光源的光發射器發出的同步輻射光穿透玻璃圍罩及溫控臺的透明部位，再穿透旋轉的試樣後由同步輻射光源的光接收器接收，完成對試樣的成像；然後旋轉施力輪，更改加載載荷的大小，按照上述加載載荷之後的步驟重複操作，直至達到預設定的加載力的大小。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：提供一種全新結構的拉伸試驗機，提高對材料力學性能測試的準確性；本試驗機把力學拉伸試驗與同步輻射成像技術合理地應用在一起，有利於得到材料內部的三維立體圖像；並且可在高溫、低溫、高溼度、多氧等複雜環境下得到材料組織的微觀結構變化和微觀變形損傷，能更好的觀察到材料的微觀組織形貌和缺陷。
附圖說明
下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步說明，其中：
圖1是本發明的總體結構示意圖；
圖2是本發明中加載機構的結構示意圖；
圖3是圖2中a-a的剖視示意圖。
圖中各標號的釋義為：1-單拉底座，2-數顯推拉力計，3-旋緊螺釘，4-溫控臺控制器，5-光接收器，6-連接臺，7-下夾具下部，8-下夾具上部，9-試樣，10-溫控臺，11-玻璃圍罩，12-上夾具下部，13-下夾具上部，14-套筒，15-彈簧，16-套筒軸，17-上蓋，18-固定螺釘，19-連接銷，20-加載底座，21-棘輪軸，22-施力輪，23-棘輪，24-棘爪，25-鋼絲繩，26-加載連接部位，27-空氣加溼器噴嘴，28-溼度傳感器，29-數顯推拉力計外顯示屏，30-pc機，31-光發射器，32-空氣加溼器，33-復位彈簧，34-連接鍵，35-緊固螺釘。
具體實施方式
試驗機的底部為一個可360度自由旋轉的圓筒形單拉底座1，單拉底座1的下方設有凹槽，凹槽內設有小突起，試驗臺嵌入單拉底座1下方的凹槽內，小突起則嵌入試驗臺的十字形空隙內，從而保證單拉底座1隨試驗臺一起轉動。單拉底座1的上方為數顯推拉力計2，數顯推拉力計2嵌入單拉底座1上部的凹槽內並通過單拉底座1側方的旋緊螺釘3固定，數顯推拉力計2還連接有數顯推拉力計外顯示屏29。
數顯推拉力計2的上方嵌入到連接臺6下方的凹槽內並通過連接臺6側方的緊固螺釘35固定。連接臺6的側面開設有用於放置溫控臺控制器4的引線和溼度傳感器28的通孔。連接臺6的上部連接有玻璃圍罩11，在玻璃圍罩11內部設有夾具和溫控臺10，溫控臺10位於夾具和玻璃圍罩11之間。溫控臺10設有用於光線通過的透明部分，溫控臺10用於加熱或冷卻試樣9。玻璃圍罩11的頂部與上蓋17嵌合連接，上蓋17的側面開設有通孔，通孔內放置有空氣加溼器32的空氣加溼器噴嘴27，空氣加溼器噴嘴27用於改變試樣9所處環境的空氣溼度。
夾具分為上夾具和下夾具，試樣9夾持在上夾具和下夾具之間。數顯推拉力計2與下夾具下部7螺紋連接。下夾具下部7及上夾具上部13設有與試樣9的端部形狀相同的淺槽，試樣9的下端和上端嵌入淺槽內。試樣9下端的上表面與下夾具上部8貼合，下夾具上部8通過螺紋與下夾具下部7進行連接。試樣9上端的下表面與上夾具下部12貼合，上夾具上部13通過螺紋與上夾具下部12進行連接。
上夾具上部分13通過螺紋與套筒14連接，套筒14內部設有彈簧15和套筒軸16，彈簧15套在套筒軸16上。彈簧15下部頂在套筒軸16下端部的突出端面上，彈簧15上部頂在套筒14的內頂面上。套筒14的上頂面設有通孔，套筒軸16穿過通孔與加載連接部位26螺紋連接。
加載連接部位26通過施力鋼絲25與加載機構上的棘輪軸21連接，構成力的施加結構。加載機構與上蓋17通過固定螺釘18連接，加載機構主要由加載底座20、棘輪23、棘爪24、施力輪22和復位彈簧33組成。
加載機構設有施力輪22，施力輪22通過連接鍵34與棘輪軸21連接，棘輪軸21上套有棘輪23，連接銷19使棘爪24固定在加載底座20上並以連接銷19為軸轉動，復位彈簧33使棘爪24與棘輪23保持嚙合。鋼絲繩25穿過棘輪軸21上的通孔，通過旋轉施力輪22使鋼絲繩25纏繞在棘輪軸21上，鋼絲繩25的纏繞帶動與之連接的加載連接部位26和套筒軸16上升，導致彈簧15壓縮，彈簧15壓縮產生的力通過套筒14以及上夾具傳遞給試樣9，從而來實現對試樣9的力的加載。通過棘輪23、棘爪24和復位彈簧33來實現加載機構的自鎖功能。當試驗結束後，按壓與復位彈簧33接觸的棘爪24部位即可實現力的卸載。
本試驗機還包括原位成像系統，所述原位成像系統包括同步輻射光源的光發射器31和光接收器5；光發射器31射出的輻射光穿透玻璃圍罩11及上夾具和下夾具之間的試樣9後由光接收器5接收。還包括用於控制裝置和處理數據的pc機30。
本試驗機的試驗方法為：
a、試樣的安裝
將加載機構、上蓋17及玻璃圍罩11取下，將試樣9夾緊於下夾具與上夾具之間，然後在連接臺6內部空腔內裝入溫控臺10並使試樣9處於溫控臺10的內部空腔內，再將加載機構、上蓋17及玻璃圍罩11裝配在連接臺6上，在上蓋17的側面安裝好空氣加溼器27，旋緊施力輪22，保證試樣9安裝牢固。
b、原位疲勞試驗
打開溫控臺控制器4、空氣加溼器27以及溼度傳感器28，設定試樣9的試驗溫度和溼度。一段時間後，待試樣9的環境溫度和溼度滿足試驗要求時，進行數顯推拉力計2的校零，然後按照試驗方案旋轉施力輪22以對試樣9施加一定的載荷。與此同時，溫控臺10保持開機狀態，維持溫度的恆定；空氣加溼器32的空氣加溼器噴嘴27由pc機30根據溼度傳感器28測量得到的數據對試樣9的環境進行負反饋調節控制，使試樣9的空氣保持溼潤。再啟動同步輻射光源，單拉底座1旋轉，帶動試樣9進行360度旋轉。同時，同步輻射光源的光發射器31發出的同步輻射光穿透玻璃圍罩11及溫控臺10的透明部位，再穿透旋轉的試樣9後由同步輻射光源的光接收器5接收，完成對試樣9的成像。然後旋轉施力輪22，更改加載載荷的大小，按照上述加載載荷之後的步驟重複操作，直至達到預設定的加載力的大小。