[发明专利]变温拉扭复合载荷材料力学性能原位测试装置及方法

说明书

本发明涉及一种变温拉扭复合载荷材料力学性能原位测试装置及方法，属于精密仪器领域。本装置采用立式结构，包括拉伸单元、扭转单元、力和位移检测单元、高低温加载系统以及密封腔，可实现变温环境下的拉伸或扭转单一载荷加载的材料力学性能测试试验，特别是还可以实现变温环境下拉伸、扭转复合载荷模式加载的测试试验。变温加载模块采用高低温加载系统进行加载，可实现‑100~300℃的连续变温，从而模拟材料真实服役环境下的复杂环境。通过对称的机械结构巧妙的实现了双向拉伸与正反向扭转的加载测试，充分保证了原位监测的材料微区位置不变，从而实现对样品材料特定微区的力学行为、损伤机制实施动态原位监测。

技术领域

本发明涉及材料微观力学性能测试领域的精密科学仪器，特别涉及一种变温拉扭复合载荷材料力学性能原位测试装置及方法。可以针对高低温环境下承受拉伸-扭转复合载荷作用的材料力学行为与损伤机制进行精准测试分析。

背景技术

材料微观力学性能原位测试技术可以动态监测材料的微观力学服役行为及变形损伤机制，具有广阔的应用前景和重要的科学意义。原位监测的手段包括：扫描电子显微镜技术、原子力显微镜技术、红外吸收光谱技术、X射线衍射技术、中子衍射技术等。在众多微观观测方法中，中子衍射技术是唯一的技术手段来检测多晶材料内部三维应力。自20世纪80年代开始，发达国家已经开始利用中子衍射技术测量残余应力等，国际上越来越多的国家开始建立专门的中子衍射实验室。目前，美国、日本等发达国家已经为中子谱仪配备了各种环境下的加载设备，实现各种加载条件下材料的原位观测，但是国内对于此类设备的研究还处于初步阶段。

此外，航空航天部件和军工设备等经常会在高温低温等极端恶略的工况下服役，而温度对材料力学性能的影响是无法忽略的，因此在常温下测得的力学参数是不准确的，依照这样的参数去设计，难以保证结构的可靠性。因此，力热耦合类的力学性能测试装置应运而生。但是现有的力热耦合类装置仅仅能够实现单独高温或者低温加载，而对于研究材料在低温到高温的连续温度范围内的力学性能仍较为困难。

现有的拉伸扭转装置的加载力较小，如2014年崔丽娜等人申请的拉伸一扭转复合载荷材料微观力学性能原位测试仪(CN203811485U)；且多数采用单侧拉伸扭转，如2014年韦民等人申请的汽车离合器拉伸、扭转组合试验机(CN204085884U)。此外，现有的拉伸扭转力学性能测试装置难以与热场耦合，实现83K～600K的温度加载区间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变温拉扭复合载荷材料力学性能原位测试装置及方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明具有以下特点：(1)较大的加载力，可以实现100KN的拉伸力加载及200N.m的扭矩加载；(2)通过对称的结构布置，实现双侧的拉伸扭转，从而保证观测点位置基本不变，便于中子衍射下的原位观测；(3)通过与高低温加载系统集成，实现-100℃～300℃的连续变温范围加载；(4)通过巧妙的结构设计，使试件中心位置距离仪器底部小于500mm；(5)与中子衍射仪集成，实现原位观测。本发明提供了一种模拟材料在高低温连续变温环境下的拉扭复合材料力学性能测试方法，对于揭示材料失效的微观变化具有重要意义。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：