[发明专利]机电热耦合应力腐蚀原位疲劳性能试验装置

摘要

本发明涉及一种机电热耦合应力腐蚀原位疲劳性能试验装置，属于精密驱动领域。通过对称布置的两组压电叠堆驱动器实现较大行程疲劳位移输出，结合嵌入式高温电热合金片或帕尔贴片以及含密封装置的应力腐蚀槽，可针对特征尺寸为毫米级的块体材料开展高/低温服役条件及应力腐蚀环境下的动态疲劳测试。此外，通过更换内部嵌入电极的绝缘夹具，可实现对电化学作用及电致伸缩效应的原位观测。同时，基于其小巧的体积、紧凑的结构和测试试件中心不产生位移等特性，该装置可开展多种模式下原位单轴动态疲劳测试，便于开展对各类结构材料或功能材料在复杂服役条件下的微观结构演化行为和疲劳失效机制的研究。 1

主权项

1.一种机电热耦合应力腐蚀原位疲劳性能试验装置，其特征在于：包括基座支撑单元、疲劳制动单元、试件预紧单元、试件夹持单元、信号监测单元、加热/制冷单元、应力腐蚀单元、电场控制单元及原位观测单元，其中，疲劳制动单元的柔性铰链Ⅰ（3）及柔性铰链Ⅱ（11）分别与试件预紧单元的预紧滑台（2）螺纹连接；试件预紧单元中的支座（1）与原位观测单元中的底板（31）刚性连接，保证机电热耦合应力腐蚀原位疲劳性能试验装置与底板（31）及高景深显微镜（32）间相对位置关系保持不变；加热/制冷单元通过腐蚀槽内壁卡槽嵌入安装于应力腐蚀单元中的腐蚀槽（24）中；

所述疲劳制动单元由两个同轴且对称布置安装的压电驱动器组成，压电驱动器由压电叠堆（4）、柔性铰链Ⅰ（3）及柔性铰链Ⅱ（11）组成，所述柔性铰链Ⅰ（3）及柔性铰链Ⅱ（11）采用圆弧过渡型铰链形式，其菱形式内包络结构对压电叠堆（4）输出的可控位移进行放大，且左右两个压电叠堆采用同轴对称布置方式使输出的交变位移幅值增大一倍，弥补了压电叠堆行程短的不足；

所述试件预紧单元是：大导轨（12）刚性固连于支座（1）上，大滑块（14）上设有与大导轨（12）宽度相同的矩形槽，嵌入式安装于大导轨（12）上；预紧滑台（2）与大滑块（14）螺纹连接，小导轨（13）与预紧滑台（2）螺纹连接，小滑块（15）上设有与小导轨（13）宽度相同的矩形槽，嵌入式安装于小导轨（13）上，U型滑台（16）与小滑块（15）螺纹连接；丝杠固定板Ⅰ（6）、丝杠固定板Ⅱ（18）与底座（1）螺纹连接，并分别通过手动预紧旋钮（5）、辅助预紧螺栓（19）预紧，丝杠（17）的两端分别由丝杠固定板Ⅰ（6）、丝杠固定板Ⅱ（18）支撑；

所述试件夹持单元是：夹具压板（8）、夹具（9）分别具有可配合使用的凹槽和凸台结构，且凸台与凹槽表面加工有滚花，以增大对试件（7）的夹持力，减小疲劳实验中位移损失；

所述信号监测单元是：力传感器（10）与夹具（9）及柔性铰链Ⅱ（11）刚性连接，与试件（7）位移方向同轴，实现对试件（7）所受拉力的直接测量；激光位移传感器（23）嵌入式安装于位移传感器固定板（22）中，硅片固定板（21）与U型滑台（16）刚性连接，且硅片固定板（21）与U型滑台（16）间互成角度为90°，通过测量小导轨的位移间接实现对试件位移的测量；

所述加热/制冷单元包括高温电热合金片/帕尔贴片（29）和腐蚀槽（24），其中腐蚀槽槽内壁均匀加工有四个卡槽，高温电热合金片/帕尔贴片（29）嵌入式安装于腐蚀槽（24）的矩形槽中，矩形槽的尺寸略大于高温电热合金片/帕尔贴片（29）；

所述应力腐蚀单元是：硼硅橡胶伸缩软管（25）的大口端套在腐蚀槽（24）圆形接口上，通过卡箍（26）锁紧，小口端套在试件（7）上，通过上压板（27）、下压板（28）锁紧，并在各接触面涂以密封硅脂；

所述电场控制单元是：绝缘夹具（30）与柔性铰链Ⅰ（3）螺纹连接，绝缘夹具（30）采用环氧树脂制作，内嵌导电电极，两侧导电电极分别与精密直流电源的正极和负极相连；腐蚀槽（24）内装有硅油，防止加载电压击穿空气造成危险；试件（7）夹紧在两电极之间，电场控制单元可实现对电化学作用及电致伸缩效应的原位观测；

所述原位观测单元是：高景深显微镜（32）与底板（31）刚性连接，试验过程中，试件（7）中心保持不变。

2.根据权利要求1所述的机电热耦合应力腐蚀原位疲劳性能试验装置，其特征在于：所述的试件（7）的预紧采用双极预紧机构，其中一级预紧机构通过旋转手动预紧旋钮（5）带动丝杠（17），使两预紧楔块（20）与预紧滑台（2）圆弧面相切，带动两侧预紧滑台（2）同步对称运动，采用弧面线接触预紧保证两预紧滑台（2）的运动与大导轨（12）间的平行度，且预紧楔块（20）受力自锁，可实现针对不同尺寸试件的精确夹持；二级预紧机构中小滑块（15）带动U型滑台（16），在小导轨（13）上自由滑动，通过螺纹连接方式与柔性铰链Ⅰ（3）刚性连接，不仅减小了柔性铰链Ⅰ（3）的变形阻力，且保证了运动的同轴度，同时便于更换不同尺寸及放大倍数的柔性铰链，以实现不同振幅的疲劳实验。

3.根据权利要求1所述的机电热耦合应力腐蚀原位疲劳性能试验装置，其特征在于：所述的高温电热合金片/帕尔贴片（29）有四个，且厚度、宽度和长度规格均一致，呈拓扑对称式安装结构嵌入式安装于腐蚀槽（24）内壁中构成环境腔，对试件（7）及溶液环境进行加热和制冷，构建与材料实际服役工况一致的工作环境；针对疲劳腐蚀样品，腐蚀槽（24）内可构建腐蚀溶液环境；针对生物材料，可将液体环境与加热/制冷单元相结合，构建液体微环境的同时对其加热/制冷，构建所需机体微环境；密封所用的硅胶伸缩软管采用硼硅橡胶制成，可在高温环境下稳定工作。

4.根据权利要求3所述的机电热耦合应力腐蚀原位疲劳性能试验装置，其特征在于：所述的环境腔内置微型测温笔，对腔内液体环境进行实时测量，腐蚀槽（24）具有透明视窗，实现温度的实时观测；在电场模式下，腐蚀槽（24）内装有硅油，防止加载电压击穿空气造成危险；位于环境腔内部的绝缘夹具（30）采用环氧树脂制作，内嵌导电电极，两侧导电电极分别与精密直流电源的正极和负极相连，通过电极将高压电加载至试件；试件（7）夹紧在两电极之间，环境腔的电场模式可实现对电化学作用及电致伸缩效应的原位观测。

5.根据权利要求1所述的机电热耦合应力腐蚀原位疲劳性能试验装置，其特征在于：所述的压电叠堆Ⅰ（3）和压电叠堆Ⅱ（11）对称布置且对位移的放大系数一致，内嵌相同型号的压电叠堆驱动器，对试件两端实现同步疲劳加载的过程中可保证试件中心位置不发生变化；同时集成了与底板（31）固定的高景深显微镜（32），实现在高/低温环境或应力腐蚀环境下，对疲劳裂纹产生、拓展及最终断裂全过程过程的实时观测。