[发明专利]拉伸预载荷下动态扭转疲劳力学性能测试装置

说明书

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领域，特别涉及一种拉伸预载荷下动态扭转疲劳力学性能测试装置。该仪器可以与光学显微镜以及电热磁场集成使用，为研究承受拉伸预载荷下扭转疲劳材料的失效机制，裂纹扩展等提供了有效方法。

背景技术

材料的发展很大程度的推动了社会的进步，但同时随着科技的进步，人类对于材料的使用要求越来越高，使用条件也愈加复杂。虽然材料科学技术飞速发展，但目前主要的研究领域集中于新材料的开发与应用，对于材料自身特性的表征与评价技术发展缓慢，能真实模拟材料实际服役条件的力学性能测试装置十分稀少。显然，如果应用传统的测试装置不能完全体现出一些构件实际的受力状态，所以测得的力学参数也不具有绝对的参考价值。

此外，汽车主轴，机床传动轴等在实际服役过程中承受的是拉伸、扭转疲劳甚至电热磁场等一系列复合载荷的交互作用，而这些实际的外界因素都会对材料力学性能产生较大的影响。因此，依据单一载荷下测得力学参数进行结构设计很难保证构件的可靠性。如果能在材料力学性能测试中，开发一种可以提供接近材料真实受力情况，模拟材料所处的真实环境的力学测试仪器，就能更加准确的获得材料在实际服役条件下的力学性能，从而更加有效的避免由于材料失效引起的一系列重大事故。

发明内容

本发明的目的在于提供一种拉伸预载荷下动态扭转疲劳力学性能测试装置，解决了现有技术存在的上述问题。本发明具有以下特点：（1）可以实现拉伸、扭转疲劳的单一载荷加载以及拉伸预载荷下扭转疲劳的复合加载；（2）通过双厚错齿齿轮机构，消除了齿轮齿条传动的轴向间隙，保证疲劳载荷加载的对称性；（3）可以与电场、热场以及磁场耦合，实现力电热磁的耦合加载；（4）可以与光学显微镜集成使用，实现对材料在扭转疲劳载荷下组织演化、损伤机理等微观特性的动态监测。本发明提供了一种可以模拟材料真实服役状态下的扭转疲劳的实验方法，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：

拉伸预载荷下动态扭转疲劳力学性能测试装置，采用卧式布置，包括拉伸单元、扭转疲劳单元、力信号与位移信号检测单元、试件夹持单元，所述拉伸单元与扭转疲劳单元分别布置在试件41两侧，且与试件41在同一轴线上；所述拉伸单元、扭转疲劳单元、力信号与位移信号检测单元以及试件夹持单元全部安装在底板2上；磁场、热场加载置于拉伸单元和扭转疲劳单元之间，实现力热磁的耦合加载。

所述的拉伸单元采用交流伺服电动机1提供动力，经过蜗轮Ⅰ、Ⅱ4、9、蜗杆Ⅰ、Ⅱ5、7减速后带动丝杠11旋转，丝杠螺母副将丝杠11的旋转运动转换为螺母12的直线运动，从而实现拉伸力的加载；其中所述交流伺服电动机1通过电机支座3固定在底板2上，蜗杆Ⅰ5连接到交流伺服电动机1输出轴上；所述蜗轮Ⅰ4、蜗杆Ⅱ7连接到轴Ⅰ6上，轴Ⅰ6通过轴支座8固定在底板2上；所述蜗轮Ⅱ9通过平键连接到丝杠11上，丝杠11经过丝杠支座10连接到底板2上；所述螺母12连接到螺母支座13上，螺母支座13通过滑块Ⅲ、Ⅳ39、40连接到导轨Ⅱ、Ⅲ38、43上，导轨Ⅱ、Ⅲ38、43通过内六角螺钉连接到支撑板34上，支撑板34固定在底板2上。

所述的扭转疲劳单元采用电磁激振器21作为驱动器，经过齿轮19、齿条22将电磁激振器21的往复直线运动转变为轴Ⅱ33的往复旋转运动，从而实现扭转疲劳载荷的加载；其中，所述的轴Ⅱ33通过扭转轴支座18固连在底板2上，电磁激振器21固定在底板2上，电磁激振器21通过螺纹连接的方式与齿条22固连；所述齿条22通过滑块Ⅰ、Ⅱ23、28连接到导轨Ⅰ30上，导轨Ⅰ30连接到高度可调式底板29上，高度可调式底板29通过凹槽嵌入底板2中；所述齿轮19通过键连接的方式连接到轴Ⅱ33上。

所述的力信号与位移信号检测单元包括拉力传感器14、扭矩传感器17、直线光栅位移传感器以及编码器20；所述拉力传感器14一端通过螺纹连接到螺母支座13上，另一端连接到夹具体支座Ⅰ15上；所述扭矩传感器17通过法兰连接的方式，一端连接到轴Ⅱ33，另一端连接到夹具体Ⅱ24上；所述直线光栅位移传感器包括光栅尺36及读数头37，所述光栅尺36通过光栅尺支座35固定在底板2上，读数头37固定在夹具体支座Ⅰ15上，通过测量夹具体支座Ⅰ15的位移间接测量试件的变形量，所述编码器20通过编码器联轴器32与轴Ⅱ33连接，实现往复旋转角度以及疲劳周次的测量，其中编码器20通过支架31固连在底板2上。