多載荷耦合加載的試件夾具及其多物理場(chǎng)耦合加載方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及材料微觀性能特別是材料微觀力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種 材料微觀力學(xué)性能測(cè)試中的多載荷耦合加載的試件夾具及其多物理場(chǎng)耦合加載方法。屬精 密儀器組件和精密驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)單元組件。
【背景技術(shù)】
[0002] 近些年來(lái)，有關(guān)多種載荷、多物理場(chǎng)耦合條件下的材料微觀力學(xué)性能測(cè)試的研宄 工作受到了國(guó)際學(xué)術(shù)界和工程界越來(lái)越多的關(guān)注。工程領(lǐng)域中時(shí)常會(huì)因材料及其制品的意 外破壞、失效而導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失甚至嚴(yán)重事故的發(fā)生，之所以材料及其制品通常都已經(jīng)經(jīng)過(guò) 力學(xué)性能測(cè)試檢驗(yàn)但是還會(huì)發(fā)生意外失效現(xiàn)象，其中一個(gè)很重要的原因就是在進(jìn)行力學(xué)性 能測(cè)試的時(shí)候沒(méi)有真實(shí)地模擬服役條件下的載荷施加狀態(tài)以及所處的物理場(chǎng)環(huán)境。最為常 見(jiàn)的材料拉伸試驗(yàn)機(jī)，只能實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的拉伸測(cè)試，扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)也只能提供單一的扭轉(zhuǎn)載荷， 而機(jī)械零件在服役條件下往往承受的都是復(fù)合載荷。同樣傳統(tǒng)的材料試驗(yàn)機(jī)難以提供接近 服役條件下的電場(chǎng)環(huán)境、熱場(chǎng)環(huán)境、磁場(chǎng)環(huán)境模擬。因此傳統(tǒng)的材料試驗(yàn)機(jī)難以提供接近服 役條件下的測(cè)試。復(fù)合載荷多物理場(chǎng)下的材料性能測(cè)試是一種更能接近材料在服役條件下 測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)更真實(shí)、可靠。這種測(cè)試對(duì)于新材料開(kāi)發(fā)和高端精密裝備制造業(yè)發(fā)展都具有 重要意義。
[0003] 目前還沒(méi)有比較成熟的適用于多載荷耦合加載的試件夾具與多物理場(chǎng)耦合加載 方法。傳統(tǒng)的楔形夾具在預(yù)夾緊的條件下，傳遞的扭矩有限；帶螺紋的夾具裝夾困難，而且 只能單方向扭轉(zhuǎn)。多物理場(chǎng)耦合加載的困難主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，觀測(cè)問(wèn)題，對(duì) 于原位材料力學(xué)性能測(cè)試來(lái)說(shuō)，必須為顯微鏡提供一個(gè)良好的視場(chǎng)，必須留有足夠的觀測(cè) 空間，這就要求電場(chǎng)、熱場(chǎng)、磁場(chǎng)的加載都不能干涉顯微鏡的觀測(cè)路徑；第二，通常采用的電 阻絲加熱方式難以達(dá)到很高的溫度，小范圍的溫度變化對(duì)于材料測(cè)試意義不大；第三，電場(chǎng) 加載與通入冷卻水不能同時(shí)進(jìn)行，夾具多為金屬導(dǎo)體，一方面要與試件接觸通電，另一方面 要與冷卻水接觸降溫，兩者同時(shí)進(jìn)行會(huì)發(fā)生漏電現(xiàn)象；第四，熱場(chǎng)加載會(huì)使夾具發(fā)生熱變 形，必須保證夾具在高溫下依然能可靠夾緊試件。綜上所述，一套可靠的多載荷耦合加載的 試件夾具與多物理場(chǎng)耦合加載方法對(duì)于材料微觀力學(xué)性能測(cè)試具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種多載荷耦合加載的試件夾具及其多物理場(chǎng)耦合加載 方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題。本發(fā)明的多載荷耦合加載的試件夾具，能夠簡(jiǎn)單、 可靠、高效地傳遞拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)復(fù)合載荷。多物理場(chǎng)耦合加載方法，解決多物理場(chǎng)加載與 原位觀測(cè)的干涉問(wèn)題，具有較大的溫度變化范圍，可以電場(chǎng)加載與冷卻同時(shí)進(jìn)行，并能保證 高溫條件下可靠夾緊試件。
[0005] 本發(fā)明的上述目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)： 多載荷耦合加載的試件夾具，用于對(duì)試件17施加拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等載荷條件下對(duì)試 件樣品的夾持，同時(shí)該夾具還可通過(guò)熱場(chǎng)加載模塊、電場(chǎng)加載模塊、磁場(chǎng)加載模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)被 測(cè)材料樣品的熱場(chǎng)、電場(chǎng)與磁場(chǎng)的耦合加載，其具體結(jié)構(gòu)是：加熱片壓板4將氮化硅加熱片 25壓緊，固定到上壓板3的凹槽里，三者連接成一個(gè)整體，上壓板3與下壓板5通過(guò)左圓柱 銷(xiāo)18鉸鏈連接，下壓板5上設(shè)有與試件夾持端外形尺寸相同的凹槽，上壓板3向上旋轉(zhuǎn)打 開(kāi)夾具，將試件夾持端置入凹槽，再向下旋轉(zhuǎn)上壓板3貼緊試件17,最后分別鎖緊擺動(dòng)螺栓 上的螺母，實(shí)現(xiàn)試件17的夾緊； 所述熱場(chǎng)加載模塊是：氮化硅加熱片25與試件17的夾持端接觸，熱電偶16測(cè)量試件 17的溫度，并將溫度信號(hào)反饋給控制器22,控制器22再向穩(wěn)壓電源23發(fā)出信號(hào)，改變施加 在氮化硅加熱片25上的電壓，進(jìn)而控制加熱片的發(fā)熱功率，使試件達(dá)到設(shè)定溫度；硬云母 板6減慢熱量向右側(cè)傳播速度，并增大溫度梯度，冷卻連接座7內(nèi)設(shè)有流道，冷卻水從進(jìn)水 口 11流入，吸收熱量后從另一側(cè)出水口流出；隔熱板9連接冷卻連接座7和后面的傳感器； 所述電場(chǎng)加載模塊是：下壓板5通過(guò)銅螺釘14與電極13固定連接，電場(chǎng)電源21輸出 的電流通過(guò)下壓板5導(dǎo)入到試件17中，另一端的夾具上接有負(fù)極，形成閉合回路； 所述磁場(chǎng)加載模塊是：磁場(chǎng)電源24向螺線圈1通入電流，使試件17處于磁場(chǎng)之中， 螺線圈1通過(guò)螺線圈固定筒2固定在下壓板5上。根據(jù)畢奧一薩伐爾定律，距電流元 M任意點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為
式中A為真空中的磁導(dǎo)率N/A2;J為通過(guò)電流元的電流強(qiáng)度A;通為電流元的線元矢 量；r為電流元到任意點(diǎn)的矢徑m。
[0006] 所述的下壓板5上的凹槽設(shè)有錐形部分，且其與試件錐形過(guò)渡部分相配合，當(dāng)試 件17承受拉力時(shí)，試件的錐形過(guò)渡部分被卡在下壓板5的凹槽錐形部分里，即實(shí)現(xiàn)向試件 施加拉力載荷；當(dāng)試件17的夾持端被完全夾緊后，試件17的夾持端相對(duì)夾具具有確定不變 的位置，當(dāng)固定一個(gè)夾具位置不變，另一個(gè)夾具按照試件17彎曲的軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)，即實(shí)現(xiàn)對(duì) 試件17施加懸臂彎曲載荷；試件17的兩個(gè)夾持端都為板狀，當(dāng)它的兩個(gè)夾持端分別被兩個(gè) 夾具夾緊后，夾持端會(huì)分別隨著兩個(gè)夾具同步轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)兩個(gè)夾具相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，即實(shí)現(xiàn)對(duì)試件 17施加扭轉(zhuǎn)載荷。
[0007] 所述的試件17的平行長(zhǎng)度部分為圓柱狀，兩邊的夾持端為厚度與圓柱直徑相等 的板狀，夾持端與平行長(zhǎng)度部分之間有錐形過(guò)渡部分。
[0008] 所述的硬云母板6既能實(shí)現(xiàn)隔熱，又能實(shí)現(xiàn)絕緣，這樣既可以起到降低熱傳導(dǎo)速 率、增大溫度梯度的作用，又可以實(shí)現(xiàn)水冷模塊與電場(chǎng)加載模塊的兼容，避免通過(guò)冷卻水漏 電。其本身密度大，有較高的加工精度，不會(huì)影響裝置的整體精度。
[0009] 所述的下壓板5由奧氏體不銹鋼加工而成，可以保證高溫條件的正常使用，且下 壓板5上加工有與試件夾持端相配合的凹槽，保證向試件（17)傳遞拉力、扭矩及彎矩。
[0010] 所述的冷卻連接座7-方面有冷卻作用，另一方面有連接作用，左邊通過(guò)螺釘20 穿過(guò)硬云母板6與下壓板5連接，螺釘20較長(zhǎng)，無(wú)法從冷卻連接座7中間直徑較小的部分 直接插入到相應(yīng)的螺栓孔中，為安裝螺釘20,冷卻連接座7右側(cè)開(kāi)有通過(guò)孔10,螺釘20從 右側(cè)的通過(guò)孔10中穿過(guò)，插入到相應(yīng)的螺栓孔中；冷卻連接座7右邊通過(guò)雙頭螺柱8與傳 感器連接。
[0011] 電場(chǎng)加載模塊通過(guò)改變電場(chǎng)電源21的電壓，就可以實(shí)現(xiàn)不同電流的加載，硬云母 板6保證前后的絕緣，下壓板5、硬云母板6及冷卻連接座7通過(guò)螺釘20連接，螺栓絕緣套 19配合螺釘20使用，這樣在保證有效連接的同時(shí)實(shí)現(xiàn)絕緣。
[0012] 磁場(chǎng)加載模塊通過(guò)改變磁場(chǎng)電源24的電流，就可以實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)弱的變化。
[0013] 所述的螺線圈1通過(guò)螺線圈固定筒2固定到下壓板5上，不需要磁加載模塊時(shí)，從 下壓板5上拆卸下即可，而且試件17的兩端各安裝一個(gè)螺線圈1，保證較高的磁場(chǎng)強(qiáng)度，螺 線圈1的長(zhǎng)度適宜，保證試件17有足夠的觀察范圍，螺線圈1不與試件17接觸，保證試件 17可以自由拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)。
[0014] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種多載荷耦合加載的試件夾具的多物理場(chǎng)耦合加 載方法，具體步驟如下： 步驟1 :通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)定多物理場(chǎng)的加載條件； 步驟2 :計(jì)算機(jī)通過(guò)信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生控制熱場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)； 步驟3 :由功率放大器對(duì)步驟2中輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大，輸出電流信號(hào)； 步驟4 :由步驟3輸出的電流信號(hào)，驅(qū)動(dòng)穩(wěn)壓電源23輸出預(yù)設(shè)的電壓加載到氮化硅加 熱片25上，實(shí)現(xiàn)熱場(chǎng)的加載；由步驟3輸出的電流信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)電源21輸出預(yù)設(shè)的電流， 實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)的加載；由步驟3輸出的電流信號(hào)，驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)電源24輸出預(yù)設(shè)的電流，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的 加載； 步驟5 :由A/D采集卡采集多物理場(chǎng)傳感器信號(hào)； 步驟6:將采集的傳感器信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)中，與計(jì)算機(jī)的設(shè)定值比較，若滿足試驗(yàn)條 件，則多物理場(chǎng)達(dá)到設(shè)定值；否則，返回步驟2對(duì)多物理場(chǎng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行調(diào)整。