本發(fā)明涉及材料拉伸試驗機領(lǐng)域，具體涉及到一種模擬多環(huán)境的同步輻射原位成像拉伸試驗機及其試驗方法。

背景技術(shù)：

長期以來，隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，新材料被大量地投入使用，人們對新材料的拉伸斷裂的力學性能展開了大量的研究。一般認為，材料拉伸過程包括彈性變形、塑形變形和斷裂。材料的力學性能受多種因素的影響，其所處的現(xiàn)實情況不同，力學性能也會有所區(qū)別。為了更好地探究材料在不同環(huán)境下的力學性能，進而s為材料的應用提供合理的參考數(shù)據(jù)，故需對材料進行拉伸試驗。利用拉伸試驗得到的數(shù)據(jù)可以確定材料的彈性極限、伸長率、彈性模量、比例極限、面積縮減量、拉伸強度、屈服點、屈服強度以及其它性能指標。在高溫下進行拉伸試驗可以得到蠕變數(shù)據(jù)。與此同時，由于外界環(huán)境的不同，在高溫、多濕和多氧的環(huán)境下，空氣中的h、o元素也會對材料的力學性能造成影響，形成氫致斷裂或其他斷裂形式。

原位成像拉伸試驗通過將電子顯微技術(shù)與傳統(tǒng)的材料力學性能測試技術(shù)有效地進行結(jié)合，可對材料試樣在不同環(huán)境下進行力學加載測試，在實驗過程中分階段的停機，停機時通過實驗平臺上集成的顯微成像系統(tǒng)對材料組織的結(jié)構(gòu)變化和微觀變形損傷進行原位成像記錄。宏觀的力學測試數(shù)據(jù)和多個階段的成像記錄相結(jié)合，則能反映材料的力學性能和顯微組織的演變規(guī)律，為分析固態(tài)材料的力學特性和微觀組織的演變規(guī)律提供了新的方法?，F(xiàn)有的原位拉伸試驗裝置中，顯微成像系統(tǒng)一般為光學顯微鏡，由于其分辨率及放大倍率較低，測試效果具有很大的局限性。近年來，出現(xiàn)了使用掃描電子顯微鏡(sem)的試驗機，配合sem的使用，可對金屬材料進行原位疲勞測試。sem分辨率達微米級，能更好的觀察到材料的微觀組織形貌和缺陷。但是，sem只能得到材料表面的二維圖像，而不能得到材料內(nèi)部的三維立體圖像；且其光源亮度低，光信號檢測信噪比低，測量精度與檢測靈敏度有待提高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種模擬多環(huán)境的同步輻射原位成像拉伸試驗機及其試驗方法，用于材料的力學性能測定。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

一種模擬多環(huán)境的同步輻射原位成像拉伸試驗機，包括位于底部能夠360度旋轉(zhuǎn)的單拉底座，單拉底座的上方連接有數(shù)顯推拉力計，數(shù)顯推拉力計的上方設有連接臺，連接臺的上方連接有玻璃圍罩，玻璃圍罩的上部連接到上蓋的底部；

下夾具和上夾具位于玻璃圍罩的內(nèi)部，下夾具下部與數(shù)顯推拉力計固定連接，上夾具上部與位于上蓋內(nèi)部的套筒固定連接；套筒內(nèi)部設有彈簧和套筒軸，彈簧套在套筒軸上，彈簧下部頂在套筒軸下端部的突出端面上，彈簧上部頂在套筒的內(nèi)頂面上，套筒的上頂面設有通孔，套筒軸穿過通孔與加載機構(gòu)的加載連接部位固定連接；

加載機構(gòu)包括加載底座、施力輪、棘輪、棘爪和加載連接部位；加載底座固定連接到上蓋的頂面，施力輪與棘輪軸固定連接，棘輪軸上套有棘輪，棘爪通過連接銷固定在加載底座上并以連接銷為軸轉(zhuǎn)動，棘爪的底部設有用于保證棘爪與棘輪嚙合的復位彈簧；鋼絲繩纏繞在棘輪軸上，鋼絲繩的另一端連接到加載連接部位。

根據(jù)上述方案，還包括原位成像系統(tǒng)，所述原位成像系統(tǒng)包括同步輻射光源的光發(fā)射器和光接收器；光發(fā)射器射出的輻射光穿透玻璃圍罩及上夾具和下夾具之間的試樣后由光接收器接收。

根據(jù)上述方案，還包括溫控裝置；所述溫控裝置的溫控臺設置于玻璃圍罩和夾具之間，溫控臺上設有用于光路通過的透明部分，溫控臺通過引線與溫控臺控制器電連接。

根據(jù)上述方案，還包括加濕裝置，所述加濕裝置包括空氣加濕器、濕度傳感器、空氣加濕器噴嘴及pc機；濕度傳感器設置于連接臺側(cè)面的通孔內(nèi)，空氣加濕器噴嘴設置于上蓋側(cè)面的通孔內(nèi)；pc機分別與濕度傳感器和空氣加濕器電連接。

根據(jù)上述方案，還包括原位成像系統(tǒng)、溫控裝置和加濕裝置；

所述原位成像系統(tǒng)包括同步輻射光源的光發(fā)射器和光接收器；光發(fā)射器射出的輻射光穿透玻璃圍罩及上夾具和下夾具之間的試樣后由光接收器接收；

所述溫控裝置的溫控臺設置于玻璃圍罩和夾具之間，溫控臺上設有用于光路通過的透明部分，溫控臺通過引線與溫控臺控制器電連接；

所述加濕裝置包括空氣加濕器、濕度傳感器、空氣加濕器噴嘴及pc機；濕度傳感器設置于連接臺側(cè)面的通孔內(nèi)，空氣加濕器噴嘴設置于上蓋側(cè)面的通孔內(nèi)；pc機分別與濕度傳感器和空氣加濕器電連接。

一種如上述方案所述的模擬多環(huán)境的同步輻射原位成像拉伸試驗機的試驗方法，其步驟如下：

a、試樣的安裝

將加載機構(gòu)、上蓋及玻璃圍罩取下，將試樣夾緊于下夾具與上夾具之間，然后在連接臺內(nèi)部空腔內(nèi)裝入溫控臺并使試樣處于溫控臺的內(nèi)部空腔內(nèi)，再將加載機構(gòu)、上蓋及玻璃圍罩裝配在連接臺上，在上蓋的側(cè)面安裝好空氣加濕器，旋緊施力輪，保證試樣安裝牢固；

b、原位疲勞試驗

打開溫控臺控制器、空氣加濕器以及濕度傳感器，設定試樣的試驗溫度和濕度；一段時間后，待試樣的環(huán)境溫度和濕度滿足試驗要求時，進行數(shù)顯推拉力計的校零，然后按照試驗方案旋轉(zhuǎn)施力輪以對試樣施加一定的載荷；與此同時，溫控臺保持開機狀態(tài)，維持溫度的恒定；空氣加濕器的空氣加濕器噴嘴由pc機根據(jù)濕度傳感器測量得到的數(shù)據(jù)對試樣的環(huán)境進行負反饋調(diào)節(jié)控制，使試樣的空氣保持濕潤；再啟動同步輻射光源，單拉底座旋轉(zhuǎn)，帶動試樣進行360度旋轉(zhuǎn)；同時，同步輻射光源的光發(fā)射器發(fā)出的同步輻射光穿透玻璃圍罩及溫控臺的透明部位，再穿透旋轉(zhuǎn)的試樣后由同步輻射光源的光接收器接收，完成對試樣的成像；然后旋轉(zhuǎn)施力輪，更改加載載荷的大小，按照上述加載載荷之后的步驟重復操作，直至達到預設定的加載力的大小。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：提供一種全新結(jié)構(gòu)的拉伸試驗機，提高對材料力學性能測試的準確性；本試驗機把力學拉伸試驗與同步輻射成像技術(shù)合理地應用在一起，有利于得到材料內(nèi)部的三維立體圖像；并且可在高溫、低溫、高濕度、多氧等復雜環(huán)境下得到材料組織的微觀結(jié)構(gòu)變化和微觀變形損傷，能更好的觀察到材料的微觀組織形貌和缺陷。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步說明，其中：

圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明中加載機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是圖2中a-a的剖視示意圖。

圖中各標號的釋義為：1-單拉底座，2-數(shù)顯推拉力計，3-旋緊螺釘，4-溫控臺控制器，5-光接收器，6-連接臺，7-下夾具下部，8-下夾具上部，9-試樣，10-溫控臺，11-玻璃圍罩，12-上夾具下部，13-下夾具上部，14-套筒，15-彈簧，16-套筒軸，17-上蓋，18-固定螺釘，19-連接銷，20-加載底座，21-棘輪軸，22-施力輪，23-棘輪，24-棘爪，25-鋼絲繩，26-加載連接部位，27-空氣加濕器噴嘴，28-濕度傳感器，29-數(shù)顯推拉力計外顯示屏，30-pc機，31-光發(fā)射器，32-空氣加濕器，33-復位彈簧，34-連接鍵，35-緊固螺釘。

具體實施方式

試驗機的底部為一個可360度自由旋轉(zhuǎn)的圓筒形單拉底座1，單拉底座1的下方設有凹槽，凹槽內(nèi)設有小突起，試驗臺嵌入單拉底座1下方的凹槽內(nèi)，小突起則嵌入試驗臺的十字形空隙內(nèi)，從而保證單拉底座1隨試驗臺一起轉(zhuǎn)動。單拉底座1的上方為數(shù)顯推拉力計2，數(shù)顯推拉力計2嵌入單拉底座1上部的凹槽內(nèi)并通過單拉底座1側(cè)方的旋緊螺釘3固定，數(shù)顯推拉力計2還連接有數(shù)顯推拉力計外顯示屏29。

數(shù)顯推拉力計2的上方嵌入到連接臺6下方的凹槽內(nèi)并通過連接臺6側(cè)方的緊固螺釘35固定。連接臺6的側(cè)面開設有用于放置溫控臺控制器4的引線和濕度傳感器28的通孔。連接臺6的上部連接有玻璃圍罩11，在玻璃圍罩11內(nèi)部設有夾具和溫控臺10，溫控臺10位于夾具和玻璃圍罩11之間。溫控臺10設有用于光線通過的透明部分，溫控臺10用于加熱或冷卻試樣9。玻璃圍罩11的頂部與上蓋17嵌合連接，上蓋17的側(cè)面開設有通孔，通孔內(nèi)放置有空氣加濕器32的空氣加濕器噴嘴27，空氣加濕器噴嘴27用于改變試樣9所處環(huán)境的空氣濕度。

夾具分為上夾具和下夾具，試樣9夾持在上夾具和下夾具之間。數(shù)顯推拉力計2與下夾具下部7螺紋連接。下夾具下部7及上夾具上部13設有與試樣9的端部形狀相同的淺槽，試樣9的下端和上端嵌入淺槽內(nèi)。試樣9下端的上表面與下夾具上部8貼合，下夾具上部8通過螺紋與下夾具下部7進行連接。試樣9上端的下表面與上夾具下部12貼合，上夾具上部13通過螺紋與上夾具下部12進行連接。

上夾具上部分13通過螺紋與套筒14連接，套筒14內(nèi)部設有彈簧15和套筒軸16，彈簧15套在套筒軸16上。彈簧15下部頂在套筒軸16下端部的突出端面上，彈簧15上部頂在套筒14的內(nèi)頂面上。套筒14的上頂面設有通孔，套筒軸16穿過通孔與加載連接部位26螺紋連接。

加載連接部位26通過施力鋼絲25與加載機構(gòu)上的棘輪軸21連接，構(gòu)成力的施加結(jié)構(gòu)。加載機構(gòu)與上蓋17通過固定螺釘18連接，加載機構(gòu)主要由加載底座20、棘輪23、棘爪24、施力輪22和復位彈簧33組成。

加載機構(gòu)設有施力輪22，施力輪22通過連接鍵34與棘輪軸21連接，棘輪軸21上套有棘輪23，連接銷19使棘爪24固定在加載底座20上并以連接銷19為軸轉(zhuǎn)動，復位彈簧33使棘爪24與棘輪23保持嚙合。鋼絲繩25穿過棘輪軸21上的通孔，通過旋轉(zhuǎn)施力輪22使鋼絲繩25纏繞在棘輪軸21上，鋼絲繩25的纏繞帶動與之連接的加載連接部位26和套筒軸16上升，導致彈簧15壓縮，彈簧15壓縮產(chǎn)生的力通過套筒14以及上夾具傳遞給試樣9，從而來實現(xiàn)對試樣9的力的加載。通過棘輪23、棘爪24和復位彈簧33來實現(xiàn)加載機構(gòu)的自鎖功能。當試驗結(jié)束后，按壓與復位彈簧33接觸的棘爪24部位即可實現(xiàn)力的卸載。

本試驗機還包括原位成像系統(tǒng)，所述原位成像系統(tǒng)包括同步輻射光源的光發(fā)射器31和光接收器5；光發(fā)射器31射出的輻射光穿透玻璃圍罩11及上夾具和下夾具之間的試樣9后由光接收器5接收。還包括用于控制裝置和處理數(shù)據(jù)的pc機30。

本試驗機的試驗方法為：

a、試樣的安裝

將加載機構(gòu)、上蓋17及玻璃圍罩11取下，將試樣9夾緊于下夾具與上夾具之間，然后在連接臺6內(nèi)部空腔內(nèi)裝入溫控臺10并使試樣9處于溫控臺10的內(nèi)部空腔內(nèi)，再將加載機構(gòu)、上蓋17及玻璃圍罩11裝配在連接臺6上，在上蓋17的側(cè)面安裝好空氣加濕器27，旋緊施力輪22，保證試樣9安裝牢固。

b、原位疲勞試驗

打開溫控臺控制器4、空氣加濕器27以及濕度傳感器28，設定試樣9的試驗溫度和濕度。一段時間后，待試樣9的環(huán)境溫度和濕度滿足試驗要求時，進行數(shù)顯推拉力計2的校零，然后按照試驗方案旋轉(zhuǎn)施力輪22以對試樣9施加一定的載荷。與此同時，溫控臺10保持開機狀態(tài)，維持溫度的恒定；空氣加濕器32的空氣加濕器噴嘴27由pc機30根據(jù)濕度傳感器28測量得到的數(shù)據(jù)對試樣9的環(huán)境進行負反饋調(diào)節(jié)控制，使試樣9的空氣保持濕潤。再啟動同步輻射光源，單拉底座1旋轉(zhuǎn)，帶動試樣9進行360度旋轉(zhuǎn)。同時，同步輻射光源的光發(fā)射器31發(fā)出的同步輻射光穿透玻璃圍罩11及溫控臺10的透明部位，再穿透旋轉(zhuǎn)的試樣9后由同步輻射光源的光接收器5接收，完成對試樣9的成像。然后旋轉(zhuǎn)施力輪22，更改加載載荷的大小，按照上述加載載荷之后的步驟重復操作，直至達到預設定的加載力的大小。