專(zhuān)利名稱(chēng)：材料表面變形測(cè)試裝置及測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料性能測(cè)試領(lǐng)域，涉及一種材料表面變形測(cè)試裝置及測(cè)試方法，尤其是一種 適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫結(jié)構(gòu)材料在定溫、變溫、定力、變力耦合的模擬環(huán)境下材料表面全 場(chǎng)變形的測(cè)試裝置及方法。
背景技術(shù)：
航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫結(jié)構(gòu)材料的服役環(huán)境十分惡劣，具有如下特點(diǎn)1)超高溫度。 一般服 役溫度在800~1200°C; 2)升溫速率快，快速熱循環(huán)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)從點(diǎn)火到進(jìn)入工作狀態(tài) 所需時(shí)間以秒計(jì)時(shí)， 一般巡航時(shí)間為30~60min ; 3)各方向的溫度梯度。由于空心氣流冷 卻，和不規(guī)則的外形，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片的徑向與表面存在較大的溫度梯度。常用高溫結(jié)構(gòu) 材料以Ni基、Co基合金以及TiAl等金屬間化合物為主，其室溫與高溫下受載變形有明顯的不同，高溫條件下呈現(xiàn)韌性，室溫下呈現(xiàn)脆性，升溫過(guò)程中存在韌脆過(guò)渡與轉(zhuǎn)變。而不同變 形機(jī)制控制下的材料實(shí)效模式則不同，例如裂紋的萌生位置、大小以及擴(kuò)展方向等等。測(cè)試 不同溫度下表面變形情況對(duì)分析材料的失效模式意義重大。到目前為止，人們對(duì)材料高溫力 學(xué)性能的研究主要還是通過(guò)接觸式測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，尤其是針對(duì)高溫應(yīng)變的測(cè)量主要有高溫引 伸計(jì)法等，該類(lèi)方法具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具有對(duì)試樣尺寸有一定要求、 應(yīng)變測(cè)量結(jié)果為測(cè)量區(qū)域的平均量不能反映細(xì)節(jié)等缺點(diǎn)。目前非接觸式表面變形測(cè)量方法主 要有光彈性法、云紋法、散斑干涉法等等，這些方法都是通過(guò)光學(xué)干涉或幾何干涉的方法來(lái) 獲得表面變形信息的，其具有測(cè)量精度高、能反映全場(chǎng)變形信息等優(yōu)點(diǎn)，伹是多數(shù)方法都具 有光路復(fù)雜、測(cè)試條件要求高、試樣表面需做許多復(fù)雜的前期處理準(zhǔn)備等缺點(diǎn)，該缺點(diǎn)限制 了該類(lèi)方法在高溫條件下的測(cè)試。目前高溫條件下的測(cè)試通常采用的加熱方式主要有電阻加熱、高頻感應(yīng)加熱、火焰加熱、 輻射加熱等。其中火焰加熱的升溫速率最快、較為接近航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片工作環(huán)境，伹設(shè)備以 及運(yùn)行費(fèi)用昂貴；高頻感應(yīng)直接加熱樣品所獲得的升溫速率快，伹由于只能加熱高溫合金基 體，與航空發(fā)動(dòng)機(jī)的加熱方式不符；而釆用石墨、硅碳棒等電阻加熱方式的升溫速率較低， 難以滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)快速升溫的條件。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的之一是提供一種材料表面變形測(cè)試裝置，它能夠同時(shí)進(jìn)行熱—力的耦合加 載，并且可以隨著載荷的變化實(shí)時(shí)的測(cè)量表面面內(nèi)位移場(chǎng)，解決了現(xiàn)有高溫變形測(cè)試手段無(wú)法對(duì)全場(chǎng)變形細(xì)節(jié)作分析以及適用范圍窄的局限性，它將試樣放置于真空室中測(cè)量，采用紅 外聚焦輻射的加熱方式，解決了常規(guī)表面變形的光學(xué)測(cè)量方法無(wú)法在高溫下進(jìn)行測(cè)試的問(wèn)題。 本發(fā)明的目的之二是提供一種運(yùn)用材料表面變形測(cè)試裝置對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用金屬結(jié)構(gòu)材料 進(jìn)行表面變形測(cè)試的方法，它可以根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)進(jìn)行服役條件模擬的同時(shí)對(duì)表 面的變形進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)巡航過(guò)程中高溫與高機(jī)械載荷偶合作用下的表面變形 情況實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)測(cè)量。本發(fā)明的一種材料表面變形測(cè)試裝置，包括材料力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)、紅外快速加熱設(shè)備、表 面變形光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)、溫度采集裝置、真空系統(tǒng)和夾具。所述的夾具穿過(guò)真空系統(tǒng)的真空室，將試樣固定在真空室內(nèi)部，并且?jiàn)A具與真空室連接處密封；真空室外部的夾具兩端分別連接 材料力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)的上接口和下接口 ，材料力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)通過(guò)夾具對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行力加載； 所述的紅外快速加熱設(shè)備設(shè)置在真空室外側(cè)用于對(duì)真空室內(nèi)部的試樣進(jìn)行熱加載，溫度采集 裝置實(shí)時(shí)采集試樣表面溫度。本發(fā)明的一種材料表面變形測(cè)試方法步驟有步驟一，連接、組合各設(shè)備，形成材料表面變形測(cè)試裝置；將上密封夾具與下密封夾具的試樣連接端與試樣螺紋連接，將試樣置于真空室內(nèi)，保證真 空室與夾具之間的良好密封；然后將波紋管套在夾具上并使得波紋管的支撐盤(pán)與真空室螺紋 連接，端蓋與夾具上的凸臺(tái)連接；將上密封夾具與下密封夾具的設(shè)備連接端與材料力學(xué)性能 試驗(yàn)機(jī)連接；然后將溫度采集裝置的熱電偶通過(guò)熱電偶連接孔深入真空室內(nèi)部貼于試樣表面。步驟二，對(duì)試樣進(jìn)行熱-力耦合加載；(A) 抽真空；真空系統(tǒng)通過(guò)真空泵對(duì)真空室內(nèi)抽真空，并由真空泵維持一定的真空度，真空度示數(shù)通過(guò) 連接于支撐盤(pán)的真空表讀出。(B) 啟動(dòng)表面變形光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)和紅外快速加熱設(shè)備，紅外快速加熱設(shè)備對(duì)試樣進(jìn)行熱 加載，升溫速率控制在50 15(TC/s,使試樣表面溫度達(dá)到材料測(cè)試所要求的溫度并保持恒 定10 15min。(C) 待溫度恒定后啟動(dòng)材料力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)，以一定的加載速率對(duì)試樣進(jìn)行力加載。(D) 啟動(dòng)溫度采集裝置釆集試樣表面溫度。 步驟三，對(duì)試樣表面變形進(jìn)行光學(xué)測(cè)量；(A)表面變形光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)中的半導(dǎo)體激光器向分光棱鏡發(fā)射激光，調(diào)節(jié)光纖耦合器使 經(jīng)過(guò)分光棱鏡的激光耦合入光導(dǎo)纖維I和光導(dǎo)纖維II,再調(diào)節(jié)擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡I和擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡II 使激光分別從光導(dǎo)纖維I和光導(dǎo)纖維II中耦合輸出直徑為10mm左右的均勻束,并以對(duì)稱(chēng)角 度入射到材料表面。(B) 調(diào)節(jié)三維平移臺(tái)使試樣表面處于帶光圈的顯微鏡頭視野正中，調(diào)節(jié)顯微鏡頭光圈使 光場(chǎng)強(qiáng)度適中，調(diào)節(jié)焦距使試樣表面清晰成像。(C) 圖像采集及處理計(jì)算機(jī)對(duì)材料表面圖像進(jìn)行連續(xù)采集及處理，得到材料表面隨著載 荷變化而變化的水平與垂直變形場(chǎng)情況；步驟四，改變對(duì)試樣加載的熱一力載荷，利用步驟三中的測(cè)量方法進(jìn)行變形測(cè)量，完成 試樣在熱一力耦合作用下的表面變形場(chǎng)測(cè)量過(guò)程。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1) 通過(guò)真空系統(tǒng)及夾具將材料力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)、紅外快速加熱設(shè)備、表面變形光學(xué)測(cè)量系 統(tǒng)有機(jī)結(jié)合組成一個(gè)一體形式的熱一力耦合加載變形測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備，是具有快速升溫、機(jī)械載荷加載、真空測(cè)試環(huán)境、高靈敏度表面全場(chǎng)變形實(shí)時(shí)測(cè)量的綜合試驗(yàn)平臺(tái)；(2) 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了在熱-力耦合加載條件下對(duì)材料表面、面內(nèi)變形場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量；(3) 本發(fā)明裝置對(duì)材料在定溫、變溫、定力和變力服役過(guò)程中對(duì)裂紋的形成與擴(kuò)展信息進(jìn)行 原位無(wú)損檢測(cè)，獲得材料優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。(4) 本設(shè)備將試樣放置于真空系統(tǒng)中進(jìn)行真空下的高溫加載測(cè)試，有效的避免了高溫大氣條件下，材料表面會(huì)產(chǎn)生密度不均勻變化的湍流以及對(duì)于金屬類(lèi)材料高溫氧化將改變表面狀態(tài) 這兩方面的影響。(5) 高溫結(jié)構(gòu)材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的受力可以分解為蠕變，高、低周疲勞，熱機(jī)械疲勞等， 將試驗(yàn)平臺(tái)的主體加熱部分連接到材料力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)獲得了力學(xué)環(huán)境。(6) 采用紅外輻射并配合橢球面聚焦，獲得局部加熱、高速升溫，且熱效率高、無(wú)污染，更 適合于模擬器中所必須釆取的一系列原位測(cè)試；同時(shí)，根據(jù)聚焦大小不同，可以控制加熱區(qū)， 獲得沿樣品長(zhǎng)度方向上的溫度梯度。(7) 高溫條件下，紅外快速加熱設(shè)備內(nèi)部的加熱器以及試樣表面產(chǎn)生的紅外以及長(zhǎng)波長(zhǎng)可見(jiàn) 光波段的雜光是光學(xué)測(cè)試的主要干擾光，本發(fā)明中將基于數(shù)字圖像相關(guān)方法的光學(xué)測(cè)試系統(tǒng) 配以532nm綠色激光以及532nm綠色濾光片可有效避開(kāi)干擾光，保證測(cè)量的精度。


圖1是本發(fā)明提供的表面變形測(cè)試裝置整體架構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明提供的表面變形測(cè)試裝置中夾具與真空室裝配示意圖；圖3是本發(fā)明提供的表面變形測(cè)試裝置中上密封夾具結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明中波紋管結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明中表面變形光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)的示意圖；圖6是本發(fā)明提供的表面變形測(cè)試方法的步驟流程圖。202.下密封夾具401.減震光學(xué)平臺(tái) 405.光纖耦合器I 408.光導(dǎo)纖維II 409.擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡支架 412.角位移臺(tái)II 413.擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡H 416.偏振片 419.光學(xué)滑臺(tái)5.真空系統(tǒng) 501.真空室504.帶陳臺(tái)的螺紋孔8.波紋管 801.支撐盤(pán)804.真空表連接孔 805.真空泵連接孔圖中1.紅外快速加熱設(shè)備 2.夾具 201.上密封夾具203.試樣連接端 204.設(shè)備連接端 205.凸臺(tái)3.材料力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī) 4.表面變形光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)402.光學(xué)平板 403.半導(dǎo)體激光器404.分光棱鏡406.光纖耦合器II 407.光導(dǎo)纖維I410.角位移臺(tái)I 411.擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡I414.高分辨工業(yè)相機(jī) 415.濾波片 417.帶光圈的顯微鏡頭418.三維平移臺(tái) 420.圖像采集與處理計(jì)算機(jī)502.石英玻璃 503.玻璃壓板6.溫度采集裝置 7.試樣802.端蓋 803.熱電偶連接孔具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明提供的材料表面變形測(cè)試裝置可對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用結(jié)構(gòu)材料在熱一力耦合服役條件 下表面、面內(nèi)全場(chǎng)變形情況進(jìn)行測(cè)試，尤其適用于發(fā)動(dòng)機(jī)高溫結(jié)構(gòu)材料的表面變形測(cè)試。材 料表面變形場(chǎng)的獲得為探究結(jié)構(gòu)材料在其服役環(huán)境下的變形機(jī)制，失效機(jī)制提供了較直觀的 分析手段。本發(fā)明提供的一種材料表面變形測(cè)試裝置，其結(jié)構(gòu)組成的示意圖如圖1所示，主要包括 紅外快速加熱設(shè)備l、夾具2、材料力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)3、表面變形光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)4、真空系統(tǒng) 5和溫度采集裝置6，其中夾具2穿過(guò)真空系統(tǒng)5的真空室501，將試樣7固定設(shè)置在真空 室501內(nèi)部，同時(shí)真空室501外部的夾具2的兩端分別與材料力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)3連接；夾 具2與真空室501的連接處密封；紅外快速加熱設(shè)備1設(shè)置在真空室501外側(cè)，用于對(duì)真 空室501內(nèi)的試樣7進(jìn)行熱載荷加載，加熱方式為紅外聚焦輻射加熱；所述溫度采集裝置6 用于實(shí)時(shí)采集真空系室501內(nèi)的試樣7表面溫度;表面變形光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)4包括激光分光照 明系統(tǒng)和圖像采集處理系統(tǒng)，用于對(duì)試樣7表面變形圖像進(jìn)行采集和處理。 如圖2所示,所述的夾具2包括上密封夾具201和下密封夾具202兩部分，上密封夾具201 和下密封夾具202上分別設(shè)有試樣連接端203和設(shè)備連接端204，如圖3所示的上密封夾 具201示意圖，在靠近試樣連接端203附近設(shè)有凸臺(tái)205結(jié)構(gòu)。所述的上密封夾具201和 下密封夾具202的試樣連接端203分別與試樣7兩端螺紋連接，如圖2,將試樣7固定在 真空室501內(nèi)部，上密封夾具201和下密封夾具202的設(shè)備連接端204穿過(guò)真空室5018上螺紋孔504,分別與材料力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)3的上接口和下接口連接。所述凸臺(tái)205用于與 波紋管連接。
請(qǐng)參見(jiàn)圖2，真空系統(tǒng)5包括真空室501，所述的真空室501為一個(gè)具有五個(gè)側(cè)面的棱 柱結(jié)構(gòu)，其中第一側(cè)面和第三側(cè)面、第四側(cè)面為透明面，另外兩個(gè)側(cè)面為不透明金屬材料表 面。所述的透明面為石英玻璃502，所述的石英玻璃502通過(guò)耐高溫密封橡膠條和玻璃壓板 503擠壓并固定密封，玻璃壓板503與真空室501側(cè)壁螺釘連接。
所述真空室501的上表面和下表面上分別設(shè)有帶沉臺(tái)的螺紋孔504，所述的螺紋孔504 與波紋管8螺紋連接；另外，上密封夾具201和下密封夾具202分別穿過(guò)真空室501的上 表面和下表面是螺紋孔504，固定真空室501內(nèi)的試樣7。
如圖2所示，所述的波紋管8有兩個(gè)，分別套在上密封夾具201和下密封夾具202上， 兩個(gè)波紋管8中心都是空心通孔，如圖4所示，每個(gè)波紋管8上設(shè)有支撐盤(pán)801和端蓋802 結(jié)構(gòu)，所述的支撐盤(pán)801外周設(shè)有螺紋，用于與真空室501上、下表面的螺紋孔504連接 緊固，并且所述的支撐盤(pán)801與螺紋孔504之間通過(guò)耐高溫橡膠圈密封。所述的端蓋802 與上密封夾具201和下密封夾具202上的凸臺(tái)205緊固連接。
在所述上密封夾具201上連接的波紋管8的支撐盤(pán)801上設(shè)置有熱電偶連接孔803和真空 表連接孔804,所述的真空表連接孔804螺紋連接真空表，真空表用于測(cè)試真空室501內(nèi) 的真空度，所述的熱電偶連接孔803內(nèi)穿過(guò)溫度采集裝置6的熱電偶，熱電偶的一端連接測(cè) 溫儀表，另一端與試樣7表面接觸，實(shí)現(xiàn)試樣7表面溫度的采集；在所述下密封夾具202 上連接波紋管8的支撐盤(pán)801上設(shè)置有真空泵連接孔805,真空泵通過(guò)帶有外螺紋接口的真 空管與真空泵連接孔805螺紋緊固。所述的熱電偶與熱電偶連接孔803之間密封。
請(qǐng)參見(jiàn)圖5，所述表面變形光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)4設(shè)有減震光學(xué)平臺(tái)401、光學(xué)平板402、半 導(dǎo)體激光器403、分光棱鏡404、光纖耦合器1405、光纖耦合器11406、光導(dǎo)纖維1407、 光導(dǎo)纖維11408、擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡支架409，角位移臺(tái)MIO、擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡I411、角位移臺(tái)11412、 擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡11413、分辨工業(yè)相機(jī)414、濾波片415、偏振片416、帶光圈的顯微鏡頭417、 三維平移臺(tái)418、光學(xué)滑臺(tái)419、圖像釆集與處理計(jì)算機(jī)420;
所述光學(xué)平板402、半導(dǎo)體激光器403、分光棱鏡404、光纖耦合器I405、光纖耦合器 IM06、光導(dǎo)纖維I407、光導(dǎo)纖維11408、擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡支架409,角位移臺(tái)1410、擴(kuò)束準(zhǔn)直 鏡1411、角位移臺(tái)11412、擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡II413構(gòu)成激光分光照明系統(tǒng)；半導(dǎo)體激光器403 通過(guò)螺釘固定于光學(xué)平板402,分光棱鏡404通過(guò)棱鏡臺(tái)固定于光學(xué)平板402上半導(dǎo)體激 光器403前端，光纖耦合器1405和光纖耦合器11犯6固定于光學(xué)平板402上，并與分光棱 鏡404的出射分光光線共軸，擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡1411通過(guò)角位移臺(tái)1410固定于擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡支架 409下端，擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡11413通過(guò)角位移臺(tái)11412固定于擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡支架409上端，光導(dǎo)纖維1407連接于光纖耦合器1405和擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡1411之間，光導(dǎo)纖維II408連接于所述光纖 耦合器II406和擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡11413之間；光學(xué)平板402、擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡支架409通過(guò)螺釘固定 于減震光學(xué)平臺(tái)401上的螺紋孔陣列，實(shí)現(xiàn)與減震光學(xué)平臺(tái)401的定位固定；
所述高分辨工業(yè)相機(jī)414、濾波片415、偏振片416、帶光圈的顯微鏡頭417、三維平 移臺(tái)418、光學(xué)滑臺(tái)419、圖像采集與處理計(jì)算機(jī)420構(gòu)成圖像采集處理系統(tǒng)；濾波片415、 偏振片416連接于帶光圈的顯微鏡頭417和高分辨工業(yè)相機(jī)4"之間，連接方式為螺紋連 接；所述的濾波片415為532nm濾波片，所述的半導(dǎo)體激光器403為532nm激光器。高 分辨工業(yè)相機(jī)414通過(guò)螺紋固定于光學(xué)滑臺(tái)419的滑塊上，滑塊可在光學(xué)滑臺(tái)419上前后 滑動(dòng)；光學(xué)滑臺(tái)419通過(guò)螺釘固定于三維平移臺(tái)418上，三維平移臺(tái)418通過(guò)螺釘與減震 光學(xué)平臺(tái)401固定；圖像釆集與處理計(jì)算機(jī)420通過(guò)信號(hào)線與所述高分辨工業(yè)相機(jī)414連 接。圖像采集與處理計(jì)算機(jī)420的圖像處理過(guò)程采用的是數(shù)字圖像相關(guān)方法，它是以圖像的 統(tǒng)計(jì)相關(guān)性為計(jì)算基礎(chǔ)，它對(duì)試樣的形狀、大小以及測(cè)試環(huán)境沒(méi)有特殊的要求，而且光路簡(jiǎn) 單易于實(shí)現(xiàn)。在高溫條件下，只要能獲得變形前后表面的照片就可以進(jìn)行全場(chǎng)的變形分析。
應(yīng)用上述的材料表面變形測(cè)試裝置，本發(fā)明還提供一種表面變形測(cè)試方法，所述方法流 程如圖6所示，具體步驟有
步驟一，連接、組合測(cè)試裝置各設(shè)備；
將組成測(cè)試裝置的各設(shè)備連接組合成一個(gè)高溫?zé)嵋涣︸詈媳砻孀冃螠y(cè)試系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中 可以對(duì)各加載、測(cè)試參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，以及表面變形進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，所述的動(dòng)態(tài)分析結(jié)果能夠 為材料在高溫、變溫、變力載以及其相互耦合作用下的表面變形情況以及其與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān) 系等提供較直觀的表述，從而為材料在其服役條件下的力學(xué)性能提供一種表征方法，也為其 變形機(jī)理提供了一種測(cè)試手段。
所述的測(cè)試系統(tǒng)連接過(guò)程為將上密封夾具201與下密封夾具202的試樣連接端203 與試樣7螺紋連接，將試樣7置于真空室501內(nèi)，保證真空室501與夾具2之間的良好密 封；然后將波紋管8分別套在上密封夾具201和下密封夾具202上，并使得波紋管8的支 撐盤(pán)801與真空室501上、下表面螺紋連接，端蓋802與上密封夾具201和下密封夾具 202上的凸臺(tái)205連接;將上密封夾具201與下密封夾具202的設(shè)備連接端204與材料力 學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)3的上接口和下接口分別連接；然后將溫度釆集裝置6的熱電偶通過(guò)熱電偶連 接孔803深入真空室501內(nèi)部貼于試樣7表面。
步驟二，對(duì)試樣進(jìn)行熱-力耦合加載； (A)抽真空；
啟動(dòng)真空系統(tǒng)5的真空泵開(kāi)始對(duì)真空室501內(nèi)抽真空，通過(guò)真空系統(tǒng)5的真空表讀取真 空度，當(dāng)真空度低于0.3MPa時(shí)關(guān)閉真空泵并保持該真空度。(B) 啟動(dòng)表面變形光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)4和紅外快速加熱設(shè)備1，紅外快速加熱設(shè)備1對(duì)試樣 7采樣紅外聚焦輻射的加熱方式進(jìn)行熱加載，升溫速率控制在50""150。C/s，使試樣7表面 溫度達(dá)到材料測(cè)試所要求的溫度并保持恒定10 15min。
(C) 待溫度恒定后，啟動(dòng)材料力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)3，以材料測(cè)試所要求的載荷以及加載速 率對(duì)試樣7加載。
(D)啟動(dòng)溫度采集裝置6，準(zhǔn)備對(duì)試樣7表面實(shí)施測(cè)溫；
步驟三，對(duì)試樣表面變形進(jìn)行光學(xué)測(cè)量；
(A) 表面變形光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)4中的半導(dǎo)體激光器403向分光棱鏡404發(fā)射激光，調(diào)節(jié) 光纖耦合器1405和光纖耦合器II406使經(jīng)過(guò)分光棱鏡404的激光耦合入光導(dǎo)纖維1407、光 導(dǎo)纖維I1408,再調(diào)節(jié)擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡I411和擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡II413使激光分別從光導(dǎo)纖維I407和 光導(dǎo)纖維I1408中耦合輸出直徑為10mm左右的均勻束，并以對(duì)稱(chēng)角度入射到試樣7表面；
(B) 調(diào)節(jié)三維平移臺(tái)418使試樣7表面處于高分辨工業(yè)相機(jī)414視野正中，調(diào)節(jié)帶光 圈的顯微鏡頭417光圈使光場(chǎng)強(qiáng)度適中，調(diào)節(jié)焦距使試樣表面清晰成像。
(C) 圖像采集預(yù)處理計(jì)算機(jī)420對(duì)試樣7表面圖像進(jìn)行連續(xù)采集及處理，得到材料表
面隨著載荷變化而變化的水平與垂直變形場(chǎng)情況；
所述的表面圖像包括試樣的形狀、大小和變形等信息。
步驟四，改變對(duì)試樣加載的熱一力載荷，利用步驟三中的測(cè)量方法進(jìn)行變形測(cè)量，完成 試樣在熱—力耦合作用下的表面變形場(chǎng)測(cè)量過(guò)程。
經(jīng)過(guò)上述步驟，獲得了材料表面變形場(chǎng)的變化，實(shí)現(xiàn)了材料高溫表面變形的全場(chǎng)測(cè)試。從 而為獲取材料表面及內(nèi)部的變形規(guī)律、缺陷分布情況以及裂紋萌生及擴(kuò)展信息提供了可能。
1權(quán)利要求
1、一種材料表面變形測(cè)試裝置，其特征在于包括紅外快速加熱設(shè)備、夾具、材料力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)、表面變形光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和溫度采集裝置，所述的夾具分為上密封夾具和下密封夾具，上密封夾具和下密封夾具的試樣連接端穿過(guò)真空系統(tǒng)的真空室，與試樣連接，將試樣固定在真空室內(nèi)部，并且?jiàn)A具與真空室連接處密封；真空室外部的上密封夾具和下密封夾具的設(shè)備連接端分別連接材料力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)的上接口和下接口；所述的紅外快速加熱設(shè)備設(shè)置在真空室外側(cè)用于對(duì)真空室內(nèi)部的試樣進(jìn)行加熱，溫度采集裝置實(shí)時(shí)采集試樣表面溫度；所述表面變形光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)包括激光分光照明系統(tǒng)和圖像采集處理系統(tǒng)，用于對(duì)試樣表面變形圖像進(jìn)行采集和處理。
2、 根據(jù)權(quán)利要求i所述的材料表面變形測(cè)試裝置，其特征在于所述的上密封夾具和下密封夾具上在靠近試樣連接端附近設(shè)有凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，所述的上密封夾具和下密封夾具的試樣連接端分別與試樣兩端螺紋連接，上密封夾具和下密封夾具的設(shè)備連接端穿過(guò)真空室上螺紋孔，分別與材料力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)的上接口和下接口連接，將試樣固定在真空室內(nèi)部，所述凸臺(tái)用于與波紋管連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料表面變形測(cè)試裝置，其特征在于所述真空系統(tǒng)包括真空室，所述的真空室為一個(gè)具有五個(gè)側(cè)面的棱柱結(jié)構(gòu)，其中第一側(cè)面和第三側(cè)面、第四側(cè)面為透明面，另外兩個(gè)側(cè)面為不透明金屬材料表面。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的材料表面變形測(cè)試裝置，其特征在于所述的透明面為石英玻璃，所述的石英玻璃通過(guò)耐高溫密封橡膠條和玻璃壓板擠壓并固定密封，玻璃壓板與真空室側(cè)壁螺釘連接。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料表面變形測(cè)試裝置，其特征在于所述激光分光照明系統(tǒng)包括光學(xué)平板、半導(dǎo)體激光器、分光棱鏡、光纖耦合器I、光纖耦合器II、光導(dǎo)纖維I、光導(dǎo)纖維II、擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡支架，角位移臺(tái)I、擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡i、角位移臺(tái)n、擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡II;半導(dǎo)體激光器通過(guò)螺釘固定于光學(xué)平板，分光棱鏡通過(guò)棱鏡臺(tái)固定于光學(xué)平板上半導(dǎo)體激光器前端，光纖耦合器I和光纖耦合器H固定于光學(xué)平板上，并與分光棱鏡的出射分光光線共軸，擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡I通過(guò)角位移臺(tái)I固定于擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡支架下端，擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡II通過(guò)角位移臺(tái)II固定于擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡支架上端，光導(dǎo)纖維I連接于光纖耦合器I和擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡I之間，光導(dǎo)纖維n連接于所述光纖耦合器ii和擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡n之間；光學(xué)平板、擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡支架通過(guò)螺釘固定于減震光學(xué)平臺(tái)上的螺紋孔陣列，實(shí)現(xiàn)與減震光學(xué)平臺(tái)的定位固定。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料表面變形測(cè)試裝置，其特征在于所述圖像采集處理系統(tǒng)包括高分辨工業(yè)相機(jī)、濾波片、偏振片、帶光圈的顯微鏡頭、三維平移臺(tái)、光學(xué)滑臺(tái)、圖像采集與處理計(jì)算機(jī)；濾波片、偏振片通過(guò)夾具連接于帶光圈的顯微鏡頭和高分辨工業(yè)相機(jī)之間；高分辨工業(yè)相機(jī)固定于光學(xué)滑臺(tái)的滑塊上，滑塊可在光學(xué)滑臺(tái)上前后滑動(dòng)；光學(xué)滑臺(tái)通過(guò)螺釘固定于三維平移臺(tái)上，三維平移臺(tái)通過(guò)螺釘與減震光學(xué)平臺(tái)固定；圖像采集與處理計(jì)算機(jī)通過(guò)信號(hào)線與所述高分辨工業(yè)相機(jī)連接。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的材料表面變形測(cè)試裝置，其特征在于所述的濾波片為532nm濾波片，所述的半導(dǎo)體激光器為532nm激光器。
8、 一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述的材料表面變形測(cè)試裝置的材料表面變形測(cè)試方法，其特征在于步驟一、連接、組合各設(shè)備，形成材料表面變形測(cè)試裝置；將上密封夾具與下密封夾具的試樣連接端與試樣螺紋連接，將試樣置于真空室內(nèi)，保證真空室與夾具之間的良好密封；然后將波紋管套在夾具上并使得波紋管的支撐盤(pán)與真空室螺紋連接，端蓋與夾具上的凸臺(tái)連接；將夾具的設(shè)備連接端與材料力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)連接；然后將溫度采集裝置的熱電偶通過(guò)熱電偶連接孔深入真空室內(nèi)部貼于試樣表面；步驟二、對(duì)試樣進(jìn)行熱-力耦合加載；(A) 抽真空；真空系統(tǒng)的真空泵對(duì)真空室內(nèi)抽真空，并維持一定的真空度，真空度示數(shù)通過(guò)連接于下支撐盤(pán)的真空表讀出；(B) 啟動(dòng)表面變形光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)和啟動(dòng)紅外快速加熱設(shè)備，紅外快速加熱設(shè)備對(duì)試樣進(jìn)行加熱；(C) 待溫度恒定后啟動(dòng)材料力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)，以一定的加載速率加載，加載過(guò)程中波紋管保證夾具運(yùn)動(dòng)過(guò)程，夾具與真空室之間的密封。(D) 啟動(dòng)溫度采集設(shè)備采集試樣表面溫度；步驟三、對(duì)試樣表面變形進(jìn)行光學(xué)測(cè)量；(A) 表面變形光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)中的半導(dǎo)體激光器，調(diào)節(jié)光纖耦合器使經(jīng)過(guò)分光棱鏡的激光耦合入光導(dǎo)纖維，再調(diào)節(jié)擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡I和擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡II使激光分別從光導(dǎo)纖維I和光導(dǎo)纖維II中耦合輸出直徑為10mm左右的均勻束，并以對(duì)稱(chēng)角度入射到材料表面；(B) 調(diào)節(jié)三維平移臺(tái)使試樣表面處于帶光圈的顯微鏡頭視野正中，調(diào)節(jié)顯微鏡頭光圈使光場(chǎng)強(qiáng)度適中，調(diào)節(jié)焦距使試樣表面清晰成像。(C) 圖像采集及處理計(jì)算機(jī)對(duì)材料表面圖像進(jìn)行連續(xù)采集及處理，得到材料表面隨著載荷變化而變化的水平與垂直變形場(chǎng)情況；步驟四，改變對(duì)試樣加載的熱一力載荷，利用步驟三中的測(cè)量方法進(jìn)行變形測(cè)量。，完成試樣在熱、力耦合作用下的表面變形場(chǎng)測(cè)量過(guò)程。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的材料表面變形測(cè)試方法，其特征在于所述的紅外快速加熱設(shè)備對(duì)試樣進(jìn)行加熱，升溫速率控制在50~150°C/s，使試樣表面溫度達(dá)到材料測(cè)試所要求的溫度并保持恒定10 15min。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的材料表面變形測(cè)試方法，其特征在于:所述的真空度小于0.3MPa。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種材料表面變形測(cè)試裝置以及測(cè)試方法，所述裝置包括材料力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)、紅外快速加熱設(shè)備、表面變形光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)、溫度采集裝置、真空系統(tǒng)和夾具。所述夾具將試樣固定在真空系統(tǒng)的真空室內(nèi)，并與材料力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)相連，紅外快速加熱設(shè)備為試樣提供熱載荷，表面變形光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)試樣表面變形進(jìn)行測(cè)量。該裝置及測(cè)試方法能夠同時(shí)對(duì)材料進(jìn)行加熱、加力和同步測(cè)試表面面內(nèi)變形場(chǎng)。對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)在較高溫度和載荷水平的服役環(huán)境的耦合模擬以及該環(huán)境下高溫結(jié)構(gòu)材料的表面變形情況進(jìn)行測(cè)試。
文檔編號(hào)G01B11/16GK101672749SQ20091009348
公開(kāi)日2010年3月17日 申請(qǐng)日期2009年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月28日
發(fā)明者明 宋, 宮聲凱, 徐惠彬, 岳 馬 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)