多功能微構(gòu)件拉伸儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種多功能微構(gòu)件拉伸儀，直流步進(jìn)電機通過減速箱連接兩根絲桿，兩根絲桿穿過固定機架連接動載物臺，定載物臺與壓力傳感器連接，絲桿與速度傳感器連接，動載物臺與位移傳感器連接，定載物臺與壓力傳感器連接；電加熱器設(shè)置在兩個載物臺內(nèi)，溫度傳感器與微構(gòu)件試樣連接；水冷卻管道布置在動載物臺和定載物臺內(nèi)；進(jìn)出氣體管道、氣口控制閥、真空感應(yīng)器和氣氛流量傳感器安裝在外方內(nèi)圓中空殼形件的固定機架內(nèi)；CCD通過數(shù)據(jù)采集卡和中央控制系統(tǒng)中的電腦連接，電腦分別接收各位傳感器的測量數(shù)據(jù)信號，輸出控制信號給各執(zhí)行實現(xiàn)在不同條件下的單向拉伸測試，繪制出材料單向拉伸或壓縮時的應(yīng)力、應(yīng)變速率、應(yīng)變程度、溫度、環(huán)境氣氛變化曲線和圖形。
【專利說明】多功能微構(gòu)件拉伸儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種構(gòu)件拉伸儀，尤其是一種應(yīng)用于金屬材料、薄膜材料、儲氫材料、 碳纖維復(fù)合材料在不同溫度，真空或給定氣氛環(huán)境完成拉伸或壓縮變形，實現(xiàn)應(yīng)力、應(yīng)變速 率、應(yīng)變程度、溫度、環(huán)境氣氛和微觀組織的多組測試數(shù)據(jù)記錄和對應(yīng)曲線的多功能微構(gòu)件 拉伸儀。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們環(huán)保意識的加強，對于材料性能要求不斷提 高，各種新型材料不斷被研發(fā)出來，包括硅基材料、復(fù)合材料、陶瓷、金屬及其合金等。如 汽車用鋼材趨向于輕量化、節(jié)能和低成本方向發(fā)展，各種高強度鋼材不斷被研發(fā)出來，其中 TRIP鋼被公認(rèn)為新一代汽車用高強度鋼板，該鋼材具有塑性變形誘發(fā)相變的特點，即在變 形過程中，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成高強度的高碳馬氏體，同時伴隨著體積膨脹，抑制塑性變形的 不穩(wěn)定，增加均勻延伸的范圍，使得材料的強度和塑性同時提高。因此，科研人員在研發(fā)新 材料時，除觀察材料中微觀組織外，更希望分析材料在外載作用下發(fā)生變形時微觀組織的 變化情況。而目前高級的金相顯微鏡僅能連續(xù)觀察金屬或合金升溫和降溫的過程中的組織 轉(zhuǎn)變，如德國LEICA公司生產(chǎn)的高溫光學(xué)顯微鏡，通過配置熱臺來連續(xù)觀測室溫至1500°C 范圍內(nèi)加熱或冷卻過程中晶體相變情況，但尚不能實現(xiàn)對材料進(jìn)行加載拉伸變形，研究變 形過程中殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成高碳馬氏體的相變過程與數(shù)量情況。除此外，熱成形鋼板不僅 需要了解加載變形時材料的應(yīng)力應(yīng)變情況，而且需要分析冷卻速度對材料相變的影響。目 前由于沒有專用的光學(xué)顯微鏡可以加載試樣并分析其相變的特點，因此目前上述的研究均 采用先在萬能材料實驗機，或gleebe設(shè)備上進(jìn)行加載變形，通過水淬后再在光學(xué)顯微鏡進(jìn) 行金相組織分析。顯然這種研究方法只能通過估算和間接分析，不僅耗時、而且也不科學(xué)。 因此，有必要開展的反映加載力、應(yīng)變、溫度與組織變化的多功能微構(gòu)件拉伸儀。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明是要提供一種多功能微構(gòu)件拉伸儀，該拉伸儀能夠在常溫、高溫、真空或者 一定氣氛條件下，不僅可以實現(xiàn)不同溫度、不同氣氛下開展微構(gòu)件試樣的變速加載的單向 拉伸或壓縮變形測試實驗，完成應(yīng)力、應(yīng)變速率、應(yīng)變程度、溫度、環(huán)境氣氛和微構(gòu)件拉伸試 樣的材料微觀組織形貌等六組因素數(shù)據(jù)記錄和采集，給出對應(yīng)曲線和圖形。
[0004] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下： 一種多功能微構(gòu)件拉伸儀，包括中央控制系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、拉伸系統(tǒng)、真空及 氣氛系統(tǒng)，圖像采集系統(tǒng)、光學(xué)顯微鏡，其特點是：拉伸系統(tǒng)由直流步進(jìn)電機、減速箱、兩 根旋向相同絲桿、固定機架、動載物臺，定載物臺、位移傳感器、壓力傳感器和速度傳感器構(gòu) 成，直流步進(jìn)電機通過減速箱連接兩根旋向相同的絲桿，兩根絲桿穿過固定機架連接動載 物臺，定載物臺一側(cè)穿過固定機架與壓力傳感器連接，且絲桿與速度傳感器連接，動載物臺 與位移傳感器連接，定載物臺與壓力傳感器連接；加熱系統(tǒng)由電加熱器、溫度傳感器和自動 升溫控溫系統(tǒng)構(gòu)成，電加熱器設(shè)置在動載物臺和定載物臺內(nèi)，溫度傳感器與微構(gòu)件試樣連 接；冷卻系統(tǒng)由水冷卻管道、溫度傳感器和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成，水冷卻管道布置在動載物 臺和定載物臺內(nèi)；真空及氣氛系統(tǒng)由進(jìn)出氣體管道、氣口控制閥、真空感應(yīng)器、氣氛流量傳 感器、氣體控制系統(tǒng)和真空系統(tǒng)構(gòu)成，進(jìn)出氣體管道、氣口控制閥、真空感應(yīng)器和氣氛流量 傳感器安裝在外方內(nèi)圓中空殼形件的固定機架內(nèi)；圖像采集系統(tǒng)由CCD、數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成， 光學(xué)顯微鏡中的CCD通過數(shù)據(jù)采集卡和中央控制系統(tǒng)中的電腦連接，由CCD時時采集置于 內(nèi)動、定載物臺上的微構(gòu)件試樣微觀組織形貌或表面形貌變化圖像，并通過數(shù)據(jù)采集卡將 圖像信號傳送電腦；中央控制系統(tǒng)的電腦分別接收位移傳感器、壓力傳感器、速度傳感器、 溫度傳感器、氣氛流量傳感器、真空感應(yīng)器發(fā)出的測量數(shù)據(jù)信號，經(jīng)對比設(shè)定值后輸出控制 信號給加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、拉伸系統(tǒng)和真空及氣氛系統(tǒng)，實現(xiàn)在不同溫度、不同氣氛、不同 速度的單向拉伸測試，并接收測量反饋信號，繪制出材料單向拉伸或壓縮時的應(yīng)力、應(yīng)變速 率、應(yīng)變程度、溫度、環(huán)境氣氛變化曲線，給出微構(gòu)件試樣組織與形貌變化圖形。
[0005] 用于微構(gòu)件單向拉伸的微構(gòu)件試樣尺寸為長度< 30mm、寬度為< 2mm，厚度 < 0. 5mm的狗骨型試樣，用于壓縮測試的微構(gòu)件試樣為1mm直徑，長度為3mm圓棒試樣。
[0006] 動、定載物臺上面各通過固定螺絲固定連接用于絕緣電加熱器的電流，防止整個 儀器導(dǎo)電傷及使用者的第一、二陶瓷墊片。
[0007] 固定機架的圓體空腔與定載物臺、動載物臺、真空感應(yīng)器和氣氛流量傳感器之間 密封連接。
[0008] 本發(fā)明的有益效果是： 本發(fā)明能夠?qū)饘俨牧?、薄膜材料、儲氫材料、碳纖維復(fù)合材料在不同溫度，真空或給 定氣氛環(huán)境拉伸或壓縮狀態(tài)下進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變速率、應(yīng)變程度、溫度、環(huán)境氣氛和微觀組織 的測試和觀察。本發(fā)明由直流步進(jìn)電機經(jīng)減速箱帶動兩根旋向相同的絲桿，絲桿穿過固定 機架，直接連接動載物臺，動載物臺連接位移傳感器，定載物臺一側(cè)穿過固定機架與壓力傳 感器連接。絲桿與速度傳感器連接。動載物臺和定載物臺均由陶瓷墊片，固定螺栓、電加熱 器、冷卻水管道和溫度傳感器組成，與自動升溫控溫系統(tǒng)和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)連接，固定機架 形狀為一個外方內(nèi)圓中空殼形件，內(nèi)置進(jìn)出氣體管道和氣口控制閥，真空感應(yīng)器和氣氛流 量傳感器，進(jìn)出氣口與抽氣系統(tǒng)和氣氛控制系統(tǒng)連接，固定機架的內(nèi)圓體空腔表層用石英 玻璃片封閉。所有傳感器與中央電腦相連接，由中央電腦發(fā)出指令，控制微構(gòu)件拉伸儀的電 機旋轉(zhuǎn)速度、加熱溫度和冷卻速度、真空度以及氣氛，同時通過圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與光學(xué)顯 微鏡連接，記錄并顯示置于微構(gòu)件拉伸儀內(nèi)動定載物臺上微構(gòu)件試樣的微觀組織形貌或表 面形貌變化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)俯視圖； 圖2是本發(fā)明的載物臺立體示意圖； 圖3是本發(fā)明的結(jié)合側(cè)視圖。

【具體實施方式】
[0010] 下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0011] 如圖1至圖3所示，一種多功能微構(gòu)件拉伸儀，由中央控制系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、冷卻 系統(tǒng)、拉伸系統(tǒng)和真空及氣氛系統(tǒng)，密封系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)與光學(xué)顯微鏡七部分構(gòu)成。它 包括直流步進(jìn)電機1、減速箱2、固定機架3、絲桿4、位移傳感器5、動載物臺6、微構(gòu)件試樣 7、定載物臺8、真空感應(yīng)器9、氣氛流量傳感器10、壓力傳感器11、溫度傳感器12、石英玻璃 13、進(jìn)出氣體管14、固定螺絲15、第一、二陶瓷墊片16、18、電加熱器17、水冷卻管道19、速度 傳感器20、氣口控制閥21、（XD22、光學(xué)顯微鏡23、數(shù)據(jù)采集模塊24、電腦25。
[0012] 拉伸系統(tǒng)由直流步進(jìn)電機1、減速箱2、兩根旋向相同絲桿4、固定機架3、動載物臺 6,定載物臺8、位移傳感器5、壓力傳感器11和速度傳感器20構(gòu)成。電機為直流步進(jìn)電機， 轉(zhuǎn)速通過計算機控制。微構(gòu)件試樣7安置在動固載物臺6和定載物臺8之間。由直流步進(jìn) 電機1經(jīng)減速箱2帶動兩根旋向相同的絲桿4,絲桿4穿過固定機架3,直接連接動載物臺 6,定載物臺8 -側(cè)穿過固定機架3與壓力傳感器11連接。拉伸系統(tǒng)中的絲桿4與速度傳 感器20連接，固載物臺6與位移傳感器5連接，定載物臺8與壓力傳感器11連接。直流步 進(jìn)電機11旋轉(zhuǎn)帶動絲桿4,由此動載物臺6移動，帶動微構(gòu)件試樣7拉伸或壓縮。用于微 構(gòu)件單向拉伸的微構(gòu)件試樣7尺寸為長度< 30mm、寬度為< 2mm，厚度< 0. 5mm的狗骨型試 樣，用于壓縮測試的微構(gòu)件試樣7為1mm直徑，長度為3mm圓棒試樣。
[0013] 加熱系統(tǒng)由電加熱器17、溫度傳感器22和自動升溫控溫系統(tǒng)構(gòu)成，電加熱器17布 置在動載物臺6和定載物臺8內(nèi)，溫度傳感器22與微構(gòu)件試樣7連接。
[0014] 冷卻系統(tǒng)由水冷卻管道19、溫度傳感器22和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成，水冷卻管道 19、溫度傳感器22布置在動載物臺6和定載物臺8內(nèi)。
[0015] 加熱系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)共同作用，即電加熱器控制微構(gòu)件試樣的加熱速度和保溫時 間，通過水流速度控制加熱后微構(gòu)件試樣的冷卻速度。
[0016] 真空及氣氛系統(tǒng)由進(jìn)出氣體管道14、氣口控制閥21、真空感應(yīng)器9、氣氛流量傳感 器10、氣體控制系統(tǒng)和真空系統(tǒng)構(gòu)成，其中進(jìn)出氣體管道14、氣口控制閥21、真空感應(yīng)器9 和氣氛流量傳感器10安裝在外方內(nèi)圓中空殼形件的固定機架3內(nèi)。通過真空感應(yīng)器9測 定固定機架3內(nèi)圓體空腔真空度數(shù)據(jù)，氣口控制閥21和真空系統(tǒng)控制固定機架3內(nèi)圓體空 腔真空度。同理，通過氣氛流量感應(yīng)器10測定固定機架3圓體空腔內(nèi)氣氛流量數(shù)據(jù)，氣口 控制閥21和氣體控制系統(tǒng)控制固定機架3圓體內(nèi)氣氛壓力。
[0017] 圖像采集系統(tǒng)由（XD22、數(shù)據(jù)采集模塊24和圖像處理軟件構(gòu)成，圖像采集系統(tǒng)將 光學(xué)顯微鏡23和中央控制系統(tǒng)連接。
[0018] 光學(xué)顯微鏡23的鏡頭下置微構(gòu)件拉伸儀，由(XD22時時采集置于微構(gòu)件拉伸儀內(nèi) 動定載物臺6的微構(gòu)件試樣7微觀組織形貌或表面形貌變化，并通過數(shù)據(jù)采集卡傳送中央 控制系統(tǒng)。
[0019] 中央控制系統(tǒng)由電腦25、所有感應(yīng)器(溫度、壓力、位移、速度、真空和氣氛)和圖像 采集以及分量控制系統(tǒng)(加熱控制系統(tǒng)、冷卻控制系統(tǒng)、氣體控制系統(tǒng)和真空系統(tǒng)）和數(shù)據(jù) 處理和圖像處理軟件構(gòu)成，通過感應(yīng)器給電腦發(fā)出測量數(shù)據(jù)，電腦對比設(shè)定值，給分量控制 系統(tǒng)各種指令，實現(xiàn)在不同溫度、不同氣氛、不同速度的單向拉伸測試，并反饋給中央控制 系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)接收各種測量數(shù)據(jù)，再通過數(shù)據(jù)處理軟件給出材料單向拉伸或壓縮時 的應(yīng)力、應(yīng)變速率、應(yīng)變程度、溫度、環(huán)境氣氛變化曲線，由圖像處理軟件給出微構(gòu)件試樣組 織與形貌變化。
[0020] 密封系統(tǒng)有各接口密封件和固定機架圓體空腔表層的封閉用石英玻璃片構(gòu)成，以 保證微構(gòu)件拉伸儀真空度要求和氣氛壓力。
[0021] 動、定載物臺6、8上面各通過固定螺絲15固定連接用于絕緣電加熱器的電流，防 止整個儀器導(dǎo)電傷及使用者的第一、二陶瓷墊片16、18。固定機架3的圓體空腔與定載物臺 8、動載物臺6、真空感應(yīng)器9和氣氛流量傳感器10之間密封連接。
[0022] 整個儀器工作時，將要測試的微構(gòu)件試樣7安裝在動載物臺6和定載物臺8之間， 通過螺栓15固定，然后封閉固定機架圓體空腔表層的用石英玻璃13。將微構(gòu)件拉伸儀安裝 在光學(xué)顯微鏡23下，連接好加熱控制系統(tǒng)、冷卻控制系統(tǒng)、氣體控制系統(tǒng)和真空系統(tǒng)以及 傳感器。在電腦25上設(shè)定用戶所需加熱溫度、冷卻速度、拉伸或壓縮加載力、加載速度等參 數(shù)。電腦25控制直流步進(jìn)電機1轉(zhuǎn)速，通過直流步進(jìn)電機1和減速箱2帶動兩根旋向相同 的絲桿4,由此帶動動載物臺6移動，由于定載物臺8不動，使測試試樣7就被單向拉伸或壓 縮。動載物臺6移動時，電腦25通過控制直流步進(jìn)電機1轉(zhuǎn)速高低來改變動載物臺6的移 動速度，實行不同應(yīng)變速率的單向拉伸或壓縮變形，其控制電機1轉(zhuǎn)速通過速度傳感器20 測定值與用戶輸入的加載速度對比值，由電腦25通過計算，控制直流步進(jìn)電機1轉(zhuǎn)速高低。 電腦25通過安裝在動載物臺6和定載物臺8內(nèi)電加熱器17對測試試樣7進(jìn)行加熱，加熱 速度取決于溫度傳感器12的測定值與用戶輸入的加熱速度對比差，由電腦25控制決定電 加熱器17的電流大小。固定機架3圓體空腔的真空度或氣氛由真空感應(yīng)器9和氣氛流量 傳感器10測定值對比用戶輸入值，由電腦25判斷并控制是否需要進(jìn)一步抽真空或加大氣 氛流量。
【權(quán)利要求】
1. 一種多功能微構(gòu)件拉伸儀，包括中央控制系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、拉伸系統(tǒng)、真 空及氣氛系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、光學(xué)顯微鏡，其特征在于：所述拉伸系統(tǒng)由直流步進(jìn)電機 (I) 、減速箱（2)、兩根旋向相同絲桿（4)、固定機架（3)、動載物臺（6)，定載物臺（8)、位移 傳感器（5)、壓力傳感器（11)和速度傳感器（20)構(gòu)成，直流步進(jìn)電機（1)通過減速箱（2) 連接兩根旋向相同的絲桿（4)，兩根絲桿（4)穿過固定機架（3)連接動載物臺￠)，定載物 臺（8) -側(cè)穿過固定機架（3)與壓力傳感器（10)連接，且絲桿（4)與速度傳感器（20)連 接，動載物臺（6)與位移傳感器（5)連接，定載物臺（8)與壓力傳感器（11)連接；所述加 熱系統(tǒng)由電加熱器（17)、溫度傳感器（22)和自動升溫控溫系統(tǒng)構(gòu)成，電加熱器（17)設(shè)置 在動載物臺（6)和定載物臺（8)內(nèi)，溫度傳感器（12)與微構(gòu)件試樣（7)連接；所述冷卻系 統(tǒng)由水冷卻管道（19)、溫度傳感器（22)和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成，水冷卻管道（19)布置在 動載物臺（6)和定載物臺（8)內(nèi)；所述真空及氣氛系統(tǒng)由進(jìn)出氣體管道（14)、氣口控制閥 (21)、真空感應(yīng)器（9)、氣氛流量傳感器（10)構(gòu)成，進(jìn)出氣體管道（14)、氣口控制閥（21)、 真空感應(yīng)器（9)和氣氛流量傳感器（10)安裝在外方內(nèi)圓中空殼形件的固定機架（3)內(nèi)；所 述圖像采集系統(tǒng)由CCD(22)、數(shù)據(jù)采集卡（24)構(gòu)成，光學(xué)顯微鏡（23)中的CCD(22)通過數(shù) 據(jù)采集卡（24)與中央控制系統(tǒng)中的電腦（25)連接，由CCD(22)時時采集置于動、定載物臺 (6、8)上的微構(gòu)件試樣（7)微觀組織形貌或表面形貌變化圖像，并通過數(shù)據(jù)采集卡（24)將 圖像信號傳送電腦（25);中央控制系統(tǒng)的電腦（25)分別接收位移傳感器（5)、壓力傳感器 (II) 、速度傳感器（20)、溫度傳感器（12)、氣氛流量傳感器（10)、真空感應(yīng)器（9)發(fā)出的測 量數(shù)據(jù)信號，經(jīng)對比設(shè)定值后輸出控制信號給加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、拉伸系統(tǒng)和真空及氣氛 系統(tǒng)，實現(xiàn)在不同溫度、不同氣氛、不同速度的單向拉伸測試，并接收測量反饋信號，繪制出 材料單向拉伸或壓縮時的應(yīng)力、應(yīng)變速率、應(yīng)變程度、溫度、環(huán)境氣氛變化曲線，給出微構(gòu)件 試樣組織與形貌變化圖形。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能微構(gòu)件拉伸儀，其特征在于：用于微構(gòu)件單向拉伸的 微構(gòu)件試樣（7)尺寸為長度< 30_、寬度為< 2_，厚度< 0. 5mm的狗骨型試樣，用于壓縮 測試的微構(gòu)件試樣（7)為1mm直徑，長度為3mm圓棒試樣。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能微構(gòu)件拉伸儀，其特征在于：所述動、定載物臺（6、8) 上面各通過固定螺絲（15)固定連接用于絕緣電加熱器的電流，防止整個儀器導(dǎo)電傷及使用 者的第一、二陶瓷墊片（16、18)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能微構(gòu)件拉伸儀，其特征在于：所述固定機架（3)的圓 體空腔與定載物臺（8)、動載物臺（6)、真空感應(yīng)器（9)和氣氛流量傳感器（10)之間密封連 接。
【文檔編號】G01N3/18GK104089828SQ201410284457
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月24日
【發(fā)明者】徐春, 安星州, 李曉娟, 林永 申請人:上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院