[发明专利]复合应力下微构件高温疲劳性能测试装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及精密驱动和材料力学性能测试领域，特别涉及一种复合应力下微构件高温疲劳性能测试装置及方法。通过与三维数字散斑成像仪器的兼容使用，本发明可开展拉伸-弯曲复合载荷作用下的高温疲劳性能测试，可对航空发动机材料等在高温服役环境下的多应力疲劳失效行为进行研究，从而为提升工程结构的服役可靠性提供测试方法。

背景技术

材料或构件在受重复或交变载荷作用时，虽然材料或构件所受载荷幅值远小于其抗拉强度或屈服强度，甚至小于弹性载荷，但经反复的变形累积，最终发生断裂破坏通常是由于疲劳载荷所致。据统计，在各类机械零件的失效案例中，大约80%以上是由疲劳破坏引起的。目前疲劳测试的载荷形式大都为单一载荷，如拉伸压缩模式的疲劳测试和三点弯曲模式的疲劳测试。而实际工况下许多构件的受载形式并非单一载荷，而是多种载荷形式的共同作用，材料在复合载荷作用下的损伤、失效行为与单一载荷作用下的行为迥然不同。因此复合载荷模式的原位力学测试对深入研究材料性能演变、失效破坏机制具有重要意义。目前针对基于拉伸模式的复合载荷测试，也仅限于对Arcan夹具的适当改造而实现的拉伸-剪切复合载荷测试。对于拉伸-剪切复合载荷测试的加载方法，以色列特拉维夫大学的M. Arcan于1977年便提出利用拉伸方向与平板试件轴线互成锐角的方法来构建平面应力状态，将其所研制的盘形夹持机构与拉伸试验机集成，并在夹持机构上粘贴电阻应变片，可对拉伸载荷作用下盘形中央区域的剪应力及剪应变进行测量，M. Arcan对该应力状态下拉伸及剪切载荷引起的应力、应变的解耦是通过简单地载荷与位移的合成与分解实现的。因该夹持机构结构简单，且通过简单的改变轴线偏移角，可获得丰富的平面应力状态，为各向异性材料的力学性能研究提供了有力工具，因此该夹持机构被之后的研究人员命名为Arcan夹具并被广泛应用。基于Arcan夹具，现有拉伸-剪切模式的原位复合载荷测试大都借助于CCD的在线监测。如2011年法国国立海军工程学院（ENSIETA）的J. Y. Cognard和2008年美国南卡罗来纳大学的J. H. Yan分别利用改进型的Arcan夹具搭建了CCD下的拉伸-剪切复合载荷测试系统，并对复合材料的层间结合能力以及带有预制裂纹的脆性薄板材料的断裂行为进行了研究。这些研究工作均将改进型的Arcan夹具集成于非原位拉伸试验机上。

另一方面，关键材料保障能力不足严重制约我国经济发展和科技进步，大飞机、载人航天等重大专项和新材料、高端装备制造等战略性产业都急需提升材料力学性能。提高复杂载荷条件下材料损伤机制的测试能力，可有效提升我国材料性能测试水平。《国家中长期科技发展规划纲要》明确指出了相关研究的迫切性。考虑到材料的实际使用工况，材料及其制品在使用过程中往往受到非单一载荷形式的作用，如拉-弯组合、压-扭组合及拉-扭组合等多种载荷同时存在的情况，单一载荷形式的力学测试已经难以准确反映实际工况下材料及构件的受载形式，即无法对复合载荷作用下材料的力学性能做出准确的评价。多载荷模式材料微观力学性能测试接近于材料在实际使用过程中所处的条件，与常规单一载荷和理想环境下材料力学性能测试相比，利用这种测试方法测量的材料力学性能数据更具有实际参考性，可以获取材料对复杂载荷条件和物理环境的力学响应。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合应力下微构件高温疲劳性能测试装置及方法，解决了现有高温疲劳测试装置仅具备单一载荷模式的测试内容，如拉伸-压缩模式、三点弯曲模式等。本发明由压电式三自由度加载单元、高温加载及水冷单元、压电式拉伸加载单元、检测单元及支撑单元组成。利用压电驱动元件驱动频率高、测试精度高、体积小巧、结构紧凑和输出位移易于控制等优势，本发明可实现对被测试件三自由度高频交变载荷的加载，即可实现不同模式的拉伸-弯曲复合载荷疲劳测试。与此同时，带有规则沟槽结构的压电驱动器亦可实现较大运动行程的单轴拉伸载荷的预加载。此外，采用氮化硅加热片作为高温加热元件，可构建具有可控温度梯度的服役温度场。因此，本发明可对航空发动机材料等在高温服役环境下的多应力疲劳失效行为进行研究。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：