象，通過拉伸測試能 夠測量材料的彈性模量、屈服強度、強度極限、斷后伸長率和斷面收縮率，從而衡量材料在 承受拉伸載荷時的力學性能。通過載荷-位移曲線研宄材料在雙向拉伸載荷作用下的屈 月艮、破壞過程。而循環(huán)加載力所產(chǎn)生的交變應力會對材料局部產(chǎn)生永久性損傷，并誘發(fā)裂紋 的萌生、擴展、失穩(wěn)。通過拉伸-疲勞測試可以測量疲勞載荷對材料力學性能的影響。然而 不同材料對溫度表現(xiàn)出不同的響應，如應力對溫度的敏感性的不同、應變率的溫度軟化效 應的差異等。不同溫度下材料的力學性能甚至有較大差異，即相同材料在不同溫度下測量 的彈性模量、屈服強度、強度極限、斷后伸長率和斷面收縮率等不同。 如在溫度為！\時，某些材料的力學性能參數(shù)隨溫度變化如下：
其中E1 = T1溫度下的彈性模量，E :常溫下的彈性模量，〇 sl:I\溫度下的屈服強度，〇 s:常溫下的屈服強度，％、&1、&2、&3和b:與材料有關的系數(shù)；ε =T1溫度下的總應變，ε。:應 力產(chǎn)生的瞬時應變，ε":蠕變，ε th:熱膨脹產(chǎn)生的應變。
[0034] 而在溫度達到更高，如溫度達到了材料的再結晶溫度時，材料的力學性能參數(shù)隨溫 度變化則可能呈現(xiàn)為別的趨勢。
[0035] 通過高溫拉伸-疲勞測試可以測量不同溫度場下拉伸、疲勞載荷作用下材料的力 學性能參數(shù)。
[0036] 在測試的整個過程中，為了實時監(jiān)測被測試件的裂紋萌生、擴展、失穩(wěn)情況，測試 前需要將試件進行拋光、腐蝕處理，由光學顯微鏡成像系統(tǒng)進行動態(tài)監(jiān)測，并可同時記錄圖 像，結合調(diào)試軟件亦可實時獲取表征材料力學性能的工程應力應變曲線及其他力學參數(shù)。
[0037] 參見圖7及圖8所示，測試前顯微鏡的位置與觀測區(qū)對應，隨著拉伸載荷的施加， 觀測區(qū)逐漸出現(xiàn)裂紋的萌生、裂紋的擴展等現(xiàn)象，直至試件斷裂，于此同時，鏡頭跟隨試件 觀測區(qū)的運動進行調(diào)整，保證對材料發(fā)生的微觀變形損傷進行全程動態(tài)監(jiān)測。
[0038] 以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術 人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡對本發(fā)明所作的任何修改、等同替換、改進等， 均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權項】
1. 一種高溫原位拉伸-疲勞測試系統(tǒng)，其特征在于：包括拉伸加載與檢測單元、疲勞加 載與檢測單元、原位觀測單元、高溫加載與檢測單元，整體水平布置，其中拉伸加載與檢測 單元、疲勞加載與檢測單元分別安裝在高溫爐的兩側，且拉伸加載與疲勞加載的方向在同 一個軸線上，拉伸加載與檢測單元、疲勞加載與檢測單元安裝在基座（14)上，原位觀測單 元置于高溫加載與檢測單元的上方，并通過支架（1)安裝在基座（14)上。2. 根據(jù)權利要求1所述的高溫原位拉伸_疲勞測試系統(tǒng)，其特征在于：所述的拉伸加 載與檢測單元由伺服電機（12)提供動力，通過蝸輪II(9)、蝸桿II(10)、蝸輪I(5)、蝸桿 I (7)、絲杠（28)、螺母（27)對試件施加拉伸載荷；所述的伺服電機（12)通過電機座（11) 安裝到基座（14)上，蝸桿I(7)安裝到電機的輸出軸上；所述的蝸輪II(9)、蝸桿I(7)安 裝在軸（31)上，軸通過軸承I(30)、軸承座I(6)和軸承II(32)、軸承座II⑶安裝到基 座（14)上；所述的蝸輪I(5)安裝到絲杠（28)上，絲杠（28)通過絲杠座（42)安裝在底板 (29)上；所述的螺母（27)安裝在螺母座（3)上，螺母座（3)通過滑塊Ib(24)、滑塊Ic (34)分別安裝到導軌Ia(25)和導軌Ib(33)上，導軌Ia(25)和導軌Ib(33)安裝到 底板（29)上；拉力傳感器（13)兩端分別與螺母座（3)和夾具體I(2)相連，夾具體I(2) 通過滑塊Ia(23)、滑塊Id(35)分別安裝到導軌Ia(25)和導軌Ib(33)上；位移傳 感器I(4)采用分離式LVDT，傳感器的主體部分安裝在底板I(29)上，傳感器的鐵心通過 螺紋安裝在頂板I(22)上，頂板I(22)安裝在夾具體I(2)上，所述的底板（29)通過支 撐塊I(26)固定在基座（14)上。3. 根據(jù)權利要求1所述的高溫原位拉伸_疲勞測試系統(tǒng)，其特征在于：所述的疲勞加 載與檢測單元包括柔性鉸鏈（18)、壓電陶瓷（19)、夾具體II(41)以及位移傳感器II(20)， 所述壓電陶瓷（19)安裝在柔性鉸鏈（18)內(nèi)，柔性鉸鏈（18)固定端通過螺釘固定在底板 II(17)上，柔性鉸鏈（18)的活動端與夾具體II(41)相連，夾具體II(41)通過滑塊II(37)、 滑塊II(45)分別安裝在導軌IIa(38)和導軌IIb(44)上，導軌IIa(38)和導軌IIb(44)安 裝在底板II(17)上；所述位移傳感器II(20)安裝在底板II(17)上，用來測量疲勞測試時 夾具體II(41)的位移量；所述底板II(17)通過支撐塊II(15)固定在基座（14)上。4. 根據(jù)權利要求1所述的高溫原位拉伸_疲勞測試系統(tǒng)，其特征在于：所述的原位觀 測單元包括光學顯微鏡（21)及支架（1)，所述光學顯微鏡（21)的工作距離足夠大，從高溫 爐上方的視窗（46)覆蓋試件的待觀測表面，光學顯微鏡（21)的位置通過支架（1)調(diào)整。5. 根據(jù)權利要求1所述的高溫原位拉伸_疲勞測試系統(tǒng)，其特征在于：所述的高溫加 載與檢測單元包括高溫爐（16)，所述高溫爐（16)的加熱元件是硅鉬棒，通過對硅鉬棒供 電使其發(fā)熱，高溫的硅鉬棒通過輻射使爐腔內(nèi)的溫度迅速升高，高溫爐內(nèi)腔的溫度可高達 1700°C，通過水冷高溫爐外表面的溫度可維持在室溫，高溫爐內(nèi)腔中安裝了熱電偶，用來監(jiān) 測高溫爐內(nèi)腔的實際溫度；所述高溫爐（16)配有控制柜，用來控制高溫爐內(nèi)腔的溫度。6. 根據(jù)權利要求2所述的高溫原位拉伸-疲勞測試系統(tǒng)，其特征在于：所述的夾具體 I(2)通過螺釘與壓板I(36)連接，并通過旋緊螺釘對試件進行夾緊；所述夾具體I(2) 上加工有凹槽，用來對試件進行定位；所述夾具體I(2)、壓板I(36)上均加工有滾花，以 保證夾持的可靠性。7. 根據(jù)權利要求3所述的高溫原位拉伸-疲勞測試系統(tǒng)，其特征在于：所述的夾具 體II(41)通過螺釘與壓板II(40)連接，并通過旋緊螺釘對試件進行夾緊；所述的夾具體 II(41)上加工有凹槽，用來對試件進行定位；所述夾具體II(41)、壓板II(40)上均加工有 滾花，以保證夾持的可靠性。8. -種高溫原位拉伸-疲勞測試方法，其特征在于：通過調(diào)節(jié)溫度，實現(xiàn)在50(TC至 1700°C可調(diào)節(jié)溫度的熱場下，對材料進行單軸拉伸-疲勞力學性能測試，且基于光學顯微 鏡實現(xiàn)了對載荷作用下材料發(fā)生的微觀變形損傷的全程動態(tài)監(jiān)測，具體步驟如下： a. 進行測試前，將拉伸加載與檢測單元復位，調(diào)整至便于試件的安裝和夾緊的位置； b. 微調(diào)原位觀測單元，使試件的觀測表面在顯示器界面內(nèi)的成像最清晰； c. 將拉力傳感器、位移傳感器的示數(shù)清零，準備試驗過程中對觀測點進行跟隨觀測，并 準備進行材料力學性能測試； d. 以上調(diào)整完成后，對高溫爐通電，使爐內(nèi)溫度達到預定值并保持穩(wěn)定； e. 進行實驗測試，包括拉伸載荷、疲勞載荷的施加及相應載荷值、變形量的測量； f. 通過光學系統(tǒng)、CCD圖像傳感器采集圖像信息，并通過相應的接口電路，將圖像信息 傳入計算機； g. 通過計算機內(nèi)相應的處理軟件對圖像信息進行處理，計算出由于載荷的施加使試件 變形引起的試件觀測點空間位置的變化； h. 根據(jù)軟件處理結果，由計算機對驅動模塊輸入相應指令，使原位觀測單元跟隨觀測 點位置的變化進行調(diào)整； i. 通過以上調(diào)整完成閉環(huán)控制，使通過光學系統(tǒng)、CCD圖像傳感器能夠采集到完整、清 晰的圖像信息，從而達到對觀測點跟隨觀測的目的。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高溫原位拉伸-疲勞測試系統(tǒng)及其測試方法，屬于科學儀器與材料測試技術領域。測試系統(tǒng)包括拉伸加載與檢測單元、疲勞加載與檢測單元、原位觀測單元、高溫加載與檢測單元等。其中拉伸加載與檢測單元由電機提供動力，通過蝸輪蝸桿、滾珠絲杠減速實現(xiàn)準靜態(tài)加載；通過壓電陶瓷驅使柔性鉸鏈實現(xiàn)試件拉伸軸向上的中低頻往復運動，實現(xiàn)疲勞加載；通過光學顯微鏡對測試過程進行動態(tài)監(jiān)測，實現(xiàn)原位觀測。本測試系統(tǒng)原理可靠，具有重要的科學意義和良好的應用價值，可以精確的測試和分析高溫環(huán)境下試件材料的力學性能和材料微觀組織結構與變形損傷機制的相關性規(guī)律。
【IPC分類】G01N3/18
【公開號】CN104913981
【申請?zhí)枴緾N201510237451
【發(fā)明人】趙宏偉, 劉陽, 張世忠, 劉彥超, 李檸, 時月, 金明駿, 馬志超, 范尊強, 徐麗霞
【申請人】吉林大學
【公開日】2015年9月16日
【申請日】2015年5月12日