專利名稱：三維斷層掃描材料試驗(yàn)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及材料試驗(yàn)機(jī)(疲勞、蠕變、持久、萬能材料試驗(yàn)機(jī)等)，具體提供了一種具有三維斷層掃描實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能的材料試驗(yàn)機(jī)。
背景技術(shù)：
材料試驗(yàn)機(jī)是材料研究領(lǐng)域不可或缺的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，目前它主要用于對(duì)材料的各種力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)。通常情況下，金屬材料、復(fù)合材料及非均質(zhì)材料在受力(拉伸、壓縮、彎曲、疲勞、蠕變、持久等)——變形——破壞過程中，材料內(nèi)部缺陷(裂紋、夾渣、氣孔等)和/或不均勻物質(zhì)(添加物、強(qiáng)化物、各種物相等)對(duì)材料力學(xué)性能、破壞方式、失效過程都有一定的影響，如果能夠觀察材料在受力——變形——破壞過程中，材料內(nèi)部缺陷和/或不均勻物質(zhì)的作用和行為特征，以及受檢材料在試驗(yàn)時(shí)裂紋源的萌生——裂紋擴(kuò)展——斷裂的過程等，對(duì)材料損傷機(jī)理研究具有重大意義。
工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描儀即工業(yè)CT，是在醫(yī)用CT的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的用于工業(yè)產(chǎn)品無損檢測(cè)和探傷的先進(jìn)儀器。工業(yè)CT技術(shù)能夠準(zhǔn)確地再現(xiàn)物體內(nèi)部的三維立體結(jié)構(gòu)，能夠定量地提供物體內(nèi)部的物理、力學(xué)能特性，如缺陷的位置及尺寸、密度的變化及水平，異型結(jié)構(gòu)的形狀及精確尺寸，物體內(nèi)部的雜質(zhì)及分布等。工業(yè)CT的功能和特性在許多方面超過了X光和超聲檢測(cè)，為航空、航天、兵器等工業(yè)領(lǐng)域的精密部件提供了高端的無損檢測(cè)手段，解決了其它方法無法解決的問題，但是到目前為止，尚沒有將工業(yè)CT成功地用于材料試驗(yàn)機(jī)，用于研究材料內(nèi)部缺陷在受力——變形條件下行為特征和在受力變形條件下裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展機(jī)理的報(bào)道。
日本島津公司曾經(jīng)研制了一種復(fù)合檢驗(yàn)系統(tǒng)他們是將工業(yè)CT的射線源和探測(cè)器固定，而被檢試樣在受力狀態(tài)下(拉伸、壓縮、彎曲)進(jìn)行以試樣軸心為軸中心的不停旋轉(zhuǎn)，以實(shí)施對(duì)被檢試樣在某一區(qū)域的實(shí)時(shí)測(cè)試，但這種條件下存在兩個(gè)較大問題。
為了實(shí)現(xiàn)受力試樣的不間斷旋轉(zhuǎn)，上下夾頭必須被同時(shí)、同步驅(qū)動(dòng)，理論上講這種對(duì)上下夾頭的驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)，但在實(shí)際傳動(dòng)過程中由于各種因素(如上下夾頭旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的摩擦環(huán)境，轉(zhuǎn)動(dòng)軸、輪的加工誤差，受力條件等諸多因素)會(huì)導(dǎo)致上下夾頭的旋轉(zhuǎn)速度有一定的差別，隨著試樣旋轉(zhuǎn)角度的增加，上下夾頭之間會(huì)產(chǎn)生越來越大的扭轉(zhuǎn)角，這導(dǎo)致被檢試樣承受一定的扭矩載荷，而該扭矩的大小、方向不能計(jì)量。因而會(huì)影響檢驗(yàn)結(jié)果(結(jié)論)的真實(shí)性，準(zhǔn)確性。隨著試驗(yàn)機(jī)的長期使用這種現(xiàn)象會(huì)日趨明顯，導(dǎo)致檢驗(yàn)結(jié)果偏差越來越大并且不能控制。
由于試樣在加載過程中旋轉(zhuǎn)，隨著對(duì)試樣施加載荷的增大旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的磨擦阻力增大，摩損傾向增加，系統(tǒng)的精度和使用壽命降低。因而施加的最大載荷能力受到實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)條件制約，其最大力值在20KN左右(例如日本島津研制的檢測(cè)系統(tǒng))，這就限制了被檢樣品的截面尺寸，(對(duì)于一般合金結(jié)構(gòu)鋼按σb＝750MPa(較低值)而言，20KN的載荷只能拉斷截面約為27mm2的試樣，對(duì)于圓棒試樣其直徑小于6mm，對(duì)于矩形試樣其截面尺寸小于14×2mm)試樣截面尺寸小會(huì)導(dǎo)致以下兩個(gè)問題。
試樣截面尺寸越小，其內(nèi)部存在缺陷或不均勻物質(zhì)的可能性越小，導(dǎo)致取樣條件苛刻，取樣范圍受限，為達(dá)到檢測(cè)目的試樣制備難度增加，甚至因此無法達(dá)到檢測(cè)目的。
由于試樣尺寸小，內(nèi)部缺陷、不均勻物質(zhì)或裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展受力條件及變形條件會(huì)因尺寸效應(yīng)和邊緣效應(yīng)而與宏觀(真實(shí))受力構(gòu)件不同，因此使檢測(cè)結(jié)論的真實(shí)性，代表性，客觀性受到限制。
發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供—種具有三維斷層掃描功能的材料試驗(yàn)機(jī)，其可以對(duì)材料在受力——變形——破壞過程中，材料內(nèi)部缺陷和/或不均勻物質(zhì)的行為以及裂紋的形成和擴(kuò)展過程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。
本實(shí)用新型提供了一種具有三維CT掃描功能的材料試驗(yàn)機(jī)，其特征在于在材料試驗(yàn)機(jī)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上裝設(shè)一套三維工業(yè)CT掃描系統(tǒng)，三維工業(yè)CT掃描系統(tǒng)的射線源、與接收探測(cè)器圍繞固定的受力試樣運(yùn)動(dòng)。
本實(shí)用新型三維CT掃描功能的材料試驗(yàn)機(jī)，所述三維工業(yè)CT掃描系統(tǒng)主要包括CT旋轉(zhuǎn)軌道、裝置于軌道上的射線源、與射線源對(duì)置的接收探測(cè)器，旋轉(zhuǎn)軌道平面垂直于試樣受力方向，射線源、接收探測(cè)器、試樣處于同一個(gè)平面；CT旋轉(zhuǎn)軌道通過支架與試驗(yàn)機(jī)固定。
此外，本實(shí)用新型還提供了另一種結(jié)構(gòu)的三維CT掃描功能的材料試驗(yàn)機(jī)，其特征在于在材料試驗(yàn)機(jī)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上、受力不旋轉(zhuǎn)的試樣周圍安裝旋轉(zhuǎn)的或固定的多點(diǎn)、面狀射線源及圓周探測(cè)器。射線源及探測(cè)器可以通過支架安裝材料試驗(yàn)機(jī)上。
本實(shí)用新型三維CT掃描功能的材料試驗(yàn)機(jī)中，所述支架可以接升降機(jī)構(gòu)。
本實(shí)用新型三維CT掃描材料試驗(yàn)機(jī)中，所述材料試驗(yàn)機(jī)可以是疲勞、蠕變、持久、萬能材料試驗(yàn)機(jī)等。
本實(shí)用新型只要對(duì)現(xiàn)有材料試驗(yàn)機(jī)和工業(yè)CT進(jìn)行簡單的技術(shù)改造，將工業(yè)CT裝置在材料試驗(yàn)機(jī)上，使受力試樣固定而將射線源和探測(cè)器三維運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)受力變形試樣進(jìn)行三維立體掃描。這樣就消除了附加扭矩和載荷偏小問題，使檢測(cè)結(jié)果更趨于客觀、真實(shí)和具有代表性。本實(shí)用新型三維CT掃描功能的材料試驗(yàn)機(jī)可以觀察金屬材料、復(fù)合材料及非均質(zhì)材料在受力——變形——破壞過程中，材料內(nèi)部缺陷和/或不均勻物質(zhì)對(duì)材料力學(xué)性能、破壞方式、失效過程的影響，及其在受力—破壞過程中的作用和行為特征以及裂紋萌生和擴(kuò)展過程，并能夠準(zhǔn)確定量地檢測(cè)出材料內(nèi)部缺陷的位置及幾何尺寸和分布。


圖1為一種三維CT掃描材料試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1如圖1所示，材料試驗(yàn)機(jī)為萬能材料試驗(yàn)機(jī)，主要由試驗(yàn)機(jī)框架(1)、橫梁(2)、上下夾頭(3)(4)、支架(5)、射線源(6)、接收探測(cè)器(7)構(gòu)成，射線源(6)裝置于支架(5)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)軌道上，接收探測(cè)器(7)與射線源(6)對(duì)置裝置于支架(5)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)軌道上。
實(shí)施例2基本結(jié)構(gòu)如圖1，與實(shí)施例1不同的是，將多個(gè)射線源(6)與相應(yīng)的探測(cè)器(7)在支架上以受試樣品為中心面狀圓周形排布。這種結(jié)構(gòu)的三維斷層掃描材料試驗(yàn)機(jī)與實(shí)施例1所述三維斷層掃描材料試驗(yàn)機(jī)相比，可以減少掃描時(shí)間，提高成像速度，使其更適用于快速變形或脆性變形材料的破斷過程的觀察。
權(quán)利要求1.一種三維CT掃描材料試驗(yàn)機(jī)，其特征在于在材料試驗(yàn)機(jī)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上、受力不旋轉(zhuǎn)的試樣周圍安裝旋轉(zhuǎn)的或固定的多點(diǎn)、面狀射線源及圓周探測(cè)器。
2.按照權(quán)利要求1所述三維CT掃描材料試驗(yàn)機(jī)，其特征在于所述射線源及探測(cè)器通過支架安裝材料試驗(yàn)機(jī)上。
3.按照權(quán)利要求2所述三維CT掃描材料試驗(yàn)機(jī)，其特征在于所述支架接升降機(jī)構(gòu)。
4.按照權(quán)利要求1～3之一所述三維CT掃描材料試驗(yàn)機(jī)，其特征在于所述材料試驗(yàn)機(jī)包括疲勞、蠕變、持久、萬能材料試驗(yàn)機(jī)。
專利摘要三維CT掃描材料試驗(yàn)機(jī)，其特征在于在材料試驗(yàn)機(jī)包括疲勞、蠕變、持久、萬能材料試驗(yàn)機(jī)等的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上、受力不旋轉(zhuǎn)的試樣周圍安裝旋轉(zhuǎn)的或固定的多點(diǎn)、面狀射線源及圓周探測(cè)器。本實(shí)用新型可以對(duì)材料在受力——變形——破壞過程中，材料內(nèi)部缺陷和/或不均勻物質(zhì)的行為特征，以及材料在試驗(yàn)過程中裂紋的萌生、擴(kuò)展過程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01N23/02GK2611894SQ0321315
公開日2004年4月14日 申請(qǐng)日期2003年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月16日
發(fā)明者王嚴(yán)巖, 王景麗, 王磊 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院金屬研究所