一种具有非接触全场应变测量功能的小微样品单轴蠕变测试系统

1.本发明涉及材料蠕变测试技术领域，具体涉及一种具有非接触全场应变测量功能的小微样品单轴蠕变测试系统。


背景技术：

2.蠕变测试方法是研究样品高温力学行为的重要研究方法。随着新材料的不断发展，对蠕变测试系统和测量方案也提出了新的要求。例如，在3d打印样品以及新材料的开发中，需要对小尺寸样品或薄壁结构样品进行蠕变持久测试实验。针对小尺寸样品的蠕变测试，传统方法是把样品加工成圆形薄片进行小冲杆蠕变实验，但是小冲杆蠕变实验方法是一种多轴蠕变实验方法，在实验过程中引入了额外的应力状态，为后续的蠕变机理和断裂机理的分析造成了干扰。现有的单轴蠕变设备一般都针对标准尺寸的样品(即标距长度大于50mm或者样品的截面积大于7mm2的板状样品)。针对小微样品(标距横截面积小于7mm2的样品)进行蠕变测验的设备在市场上尚未出现。若要对小微样品进行蠕变实验，需要解决一些关键技术问题，如样品加载的对中性的问题，应变测量准确性的问题，以及温度控制精确性问题。发明和设计一种适用于小微样品单轴蠕变实验的测试系统具有非常重要的意义。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术中小微样品单轴蠕变测试存在的上述不足之处，本发明的目的在于提供一种具有非接触全场应变测量功能的小微样品单轴蠕变测试系统，该测试系统相对于现有的设备具有更好的稳定性，为评价小尺度材料的蠕变可靠性提供新的测试手段。
4.为实现上述目的，本发明所采用的的技术方案如下：
5.一种具有非接触全场应变测量功能的小微样品单轴蠕变测试系统，包括加热保温系统、加载夹持系统和应变测量系统；其中：
6.加热保温系统：包括开合式电阻炉、铠装式热电偶、电阻炉二维导轨和温度控制器，所述铠装式热电偶从开合式电阻炉侧面开设的孔伸入炉内样品表面，对样品温度进行测量；测量的温度信号传输至温度控制器，温度传感器对开合式电阻炉的加热温度进行控制；所述电阻炉二维导轨置于开合式电阻炉下方，并对电阻炉的平面动作进行控制；
7.加载夹持系统：包括机器框架部分和样品加载部分，其中：所述机器框架部分包括机器横梁、机器立柱、机器底座和底部箱体，机器立柱为两根，其上端和下端分别固定在机器横梁和机器底座上，机器底座固定于底部箱体上表面；所述样品加载部分在空间上由上到下包括对中调整装置、万向球头、力传感器、上转接杆、上夹具、下夹具、下转接杆、伺服电缸和伺服控制器；所述机器横梁的中心开孔，孔内安装对中调整装置，对中调整装置下端依次连接万向球头、力传感器、上加载杆和上夹具；上夹具与下夹具之间用于夹持样品，下夹具与下加载杆相连接；所述伺服电缸固定在底部箱体内，伺服电缸输出端与下加载杆相连接，通过伺服控制器向伺服电缸提供动力；
8.应变测量系统：包括相机托板、相机底座和工业相机，工业相机由相机底座支撑，相机底座设于相机托板上，相机托板固定在所述底部箱体的侧面；所述工业相机通过在开合式电阻炉炉体侧面开设的样品观察窗对炉内样品进行观察。
9.所述开合式电阻炉由相对称的两半炉腔组合而成，两半炉腔内均设有半圆柱状电阻丝，可提供的加热温度范围为室温～800℃；其中一半炉体外侧面开有直径3mm小孔，铠装式热电偶从此小孔插入并伸到样品侧表面，可对样品的温度进行精确控制；在温度高于300℃时的温度精度为
±
2℃。
10.所述开合式电阻炉侧面开有样品观察窗，可供应变测量系统的光学观察使用；开合式电阻炉炉体上装有卡扣，可以实现对两半电阻炉的合紧和固定。
11.为了消除热处理炉的热辐射对力传感器应力测量的影响，在力传感器相同高度位置安装了力传感器散热风扇。
12.所述上加载杆的下端深入热处理炉炉腔内，下加载杆穿过机器底座和底部箱体顶部的圆孔与固定在底部箱体底板中心的伺服电缸连接。
13.本发明的特点在于：
14.1.本发明小微样品单轴蠕变测试系统可以在室温～800℃、载荷0～2000n的条件下对样品实施单轴蠕变性能评价，载荷精度可达
±
0.1n，变形测量分辨率可达0.09μm。这种针对小尺寸样品单轴蠕变性能评价指标，在传统大尺度蠕变设备上是无法实现的。；
15.2.本发明测试系统使用非接触测量方法，对小微样品的蠕变过程中变形进行测量，此方法不会对样品的力学性能造成干扰，也不需要在样品上制作额外的夹持台阶。这使小微样品的蠕变实验得以顺利进行；
16.3.本发明在小微样品单轴蠕变测试系统中，采用数字图像相关技术不但可以准确获取小微样品标距在蠕变过程中的总变形量，还可以对小微样品单轴蠕变过程中的全场瞬时应变进行测量。这种全场应变测量是传统蠕变设备无法做到的。
17.4.本发明小微样品单轴蠕变测试系统的加载夹持系统可以实现对样品的自适应完全对中。
附图说明
18.图1为小微样品单轴蠕变测试系统的整体示意图。
19.图2为加热炉保温系统示意图；其中：(a)整体示意图，(b)电阻炉内部炉丝排布结构。
20.图3为加载夹持系统示意图。
21.图4为夹具示意图；其中：(a)肩挂式夹具，(b)孔销式蠕变夹具。
22.图5为应变测量系统示意图。
23.图6为小微样品单轴蠕变实验系统控制原理图。
24.图7为单轴蠕变样品尺寸图。
25.图8为本发明测试系统中控制柜。
26.图9实施例1小微样品单轴蠕变曲线(inconel 718合金蠕变在650℃/750mpa的蠕变曲线)。
27.图10为实施例2小微样品单轴蠕变曲线。
28.图中：1-显示器，2-伺服电缸控制器，3-光源控制器，4-温度控制器，5-工业控制计算机，6-ups电源，7-控制柜，8-相机托板，9-相机底座，10-工业相机，11-远心镜头，12-同轴蓝光光源，13-热霾去除风扇，14-样品观察窗，15-对中调整装置，16-机器横梁，17-万向球头，18-力传感器散热风扇，19-力传感器，20-上转接杆(上加载杆)，21-上夹具，22-铠装式热电偶，23-样品，24-下夹具，25-机器立柱，26-开合式电阻炉，27-电阻炉二维导轨，28-机器底座，29-下加载杆(下转接杆)，30-伺服电缸，31-底部箱体，32-底部箱体地脚。
具体实施方式
29.以下结合附图和实施例详述本发明。
30.如图1所示，本发明提供一种具有非接触全场应变测量功能的小微样品单轴蠕变测试系统，包括如下三部分：
31.一、加热保温系统：包括开合式电阻炉26、铠装式热电偶22、电阻炉二维导轨27和温度控制器4，如图2所示。
32.加热保温系统各部件的作用及空间连接关系如下：开合式电阻炉26分成对称两半，两半炉腔内均布有半圆柱状电阻丝，可提供的加热温度范围为室温～800℃。其中一半炉体侧面开有直径3mm小孔，铠装式热电偶22从此孔插入，伸到样品23侧表面，可对样品的温度进行精确控制。在温度高于300℃时的温度精度为
±
2℃。电阻炉上侧面开有样品观察窗14可供应变测量系统的光学观察使用。电阻炉炉体上装有卡扣，可以实现对两半电阻炉的合紧和固定。电阻炉底部装有二维导轨27，二维导轨上具有丝杠摇把，可以通过丝杠摇把实现对电阻炉的开合和移动，方便装入和取出样品。二维导轨上具有位置极限限定和锁定装置，可以使电阻炉闭合之后稳定定位在导轨上，避免对后续应变测量造成干扰。温度控制器4安装在控制柜7中，通过数据采集线和耐高温线缆分别连接于铠装式热电偶和电阻炉中的电阻丝上，对温度实现闭环控制。温度控制器可以实现对温度的精确设置和控制，且具有自整定功能。
33.二、加载夹持系统：包括机器框架和样品加载两个部分。其中机器框架部分包括：机器横梁16、机器立柱25、机器底座28、底部箱体31、底部箱体地脚32。样品加载部分在空间上由上到下包括对中调整装置15、万向球头17、力传感器19、上转接杆20、上夹具21、下夹具24、下转接杆29、高精度伺服电缸30、伺服控制器2等，如图3所示。
34.加载夹持系统各部件的作用及空间连接关系如下：底部箱体地脚32与地面接触用于调平加载夹持系统。底部箱体31连接于底部箱体地脚之上，底部箱体的下底板上开有定位螺孔用于定位伺服电缸30。底部箱体的上顶板上有中心孔和固定螺孔，其中中心孔用于通过下加载杆29，螺孔用于固定机器底座28。机器底座固定于底部箱体的上顶板上。机器立柱25通过机器底座上的固定孔连接于机器底座，并通过螺栓锁紧。机器横梁16通过圆孔连于两个机器立柱，并通过锁紧螺栓进行锁紧。机器横梁中心具有开孔，此开孔中安装对中调整装置15，对中调整装置为具有外螺纹的螺柱。对中调整装置伸入机器横梁中心的孔后，上端用螺栓锁紧，对中调整装置下端通过螺栓孔与万向球头连接。万向球头可以实现对中误差的自动清零，同时可以实现对样品平面法线方向的精确调整。万向球头上设有锁紧内六角螺栓，在实验前只需进行一次调整然后锁紧，便可省略后续实验的调整。力传感器19通过螺纹孔连接于万向球头的下方螺杆上，实现对实验过程中力的精确测量。为了消除热处理
炉的热辐射对力传感器应力测量的影响，在力传感器相同高度位置安装了力传感器散热风扇18。上加载杆20通过螺纹部分连接到力传感器下方螺纹孔内。上加载杆的材质选用耐热合金，其下端深入炉腔内，且在高温实验中发生的塑性变形和氧化可忽略不计。上夹具与上加载杆的下端通过销孔连接，上夹具使用优质高温合金制作而成。可在1000℃以下进行长时间使用。下加载杆穿过机器底座和底部箱体顶部的圆孔与固定在底部箱体底板中心的伺服电缸30连接，下加载杆的顶部与下夹具通过销孔相连。下加载杆所使用的材料与上加载杆相同。下夹具的材料与上夹具的材料相同。根据样品的类型，夹具共设计成孔挂式夹具和肩挂式夹具两种形式，两种夹具的外形如图4所示。孔挂式夹具的夹持端开有板状槽口，槽口宽度略大于测试样品厚度，同时夹持端开有销孔，将测试样品的两端分别伸入上下夹具的槽口内后，通过锁紧销锁紧；肩挂式夹具的夹持端一侧面开有与样品一端形状相同的凹槽，凹槽下表面内边缘处也可再开设与样品厚度相同(或略大于)的线槽(线槽与凹槽形成阶梯式结构，线槽下侧面略低于凹槽下侧面)，将样品一端压入凹槽内达到样品定位；如开有线槽，则样品压入凹槽最内侧后，样品端部一部分进入线槽中，夹持位置更为稳固。
35.在上述样品加载部分的所有螺纹连接处均额外带有一颗螺母进行锁死，以避免转动。在实验过程中，控制软件向伺服电缸控制器2传递指令，伺服控制器控制伺服电缸的丝杠进行伸缩运动，同时力传感器向控制软件反馈力值信号，形成闭环控制，最终达到一定的加载速度和实现载荷的保持。
36.三、应变测量系统：包括样品观察窗14、热霾去除风扇13、工业相机10、远心镜头11、六维旋转平移相机底座9、同轴蓝光光源12等，其结构示意图如图5所示。
37.应变测量系统各部件的作用及空间连接关系如下：相机托板8固定于底部箱体的侧面，六维旋转平移相机底座9固定于相机托板8的上表面，工业相机10固定于六维旋转平移相机底座上。远心镜头11连接于相机的镜头接口上。同轴蓝光光源12插入远心镜头的光源孔中(如图5所示)，另一端通过线缆接在光源控制器3上。光源控制器可以控制光的亮度，使样品表面的成像清晰。镜头前端和炉体之间装有热霾去除风扇13，热霾去除风扇可以有效去除由于炉体表面散热造成的空气热霾现象，提高高温条件下的测量精度。在与远心镜头相对的样品观察窗14上安装有隔热蓝宝石玻璃，此隔热蓝宝石玻璃可以有效减少炉体内部的热量向外的对流传热。另外，蓝宝石玻璃上具有耐高温镀膜，此镀膜可以增加蓝光的透射，减少红光的透射。工业相机面板上的电源接口连接于电源，数据传输接通过千兆以太网线缆连接到工业控制计算机5的卡槽中。所使用的工业相机为具有黑白模式和千兆以太网接口的面阵相机。相机控制软件安装在工业控制计算机5上，可以实现对相机曝光、增益、拍照间隔等多方面参数的控制。在工业控制计算机获取图像之后，使用应变测量软件对样品在变形过程中的全场变形进行测量。应变测量软件使用数字图像相干技术(digital image correlation,dic)可以达到1％像素尺寸以下的变形分辨率。
38.其中，加热保温系统、加载夹持系统、应变测量系统这三个系统使用同一台工业控制计算机集中控制。控制原理如图6所示：机械加载系统与变形测量系统实现联动，加载开始时触发工业相机连续获取样品图像，样品拉断后停止拍照并记录样品寿命。将实验中得到的时间、力、照片存于工业控制计算机的文件中。工业控制计算机5、工业控制计算机的显示器1、温度控制器4、光源控制器3、伺服电缸控制器2均置于控制柜7中(图8)。整个系统通过不间断电源(ups电源6)接入到220v交流电源上，usp可以使系统在突然断电的情况下不
受影响地持续运行30分钟，直至恢复供电。
39.利用上述测试系统进行小微样品单轴蠕变测试，具体测试方法如下：
40.(1)首先打开工业控制计算机上的加载夹持系统控制软件，把样品装夹到样品夹具上。调整加载夹持系统控制软件给样品施加一定的预紧力。
41.(2)合上分体式电阻炉，并扣好电阻炉的锁紧卡扣，通过电阻炉二维导轨上的锁紧装置将电阻炉的位置固定。
42.(3)装好耐高温蓝宝石玻璃，打开镜头前端和炉体上方的两个冷却风扇。
43.(4)打开工业相机相机和蓝光光源开关，打开工业控制计算机上的相机控制软件，调整六维旋转平移相机底座，使样品标距上、中、下部分均聚焦清晰，并调整工业相机参数，使图像具有最佳衬度。
44.(5)打开温度控制器开关，使炉体按照设定好的升温速度进行升温。升温到指定温度后，保温30分钟，以使炉内温度达到平衡，使样品附近的温度场更加均匀。
45.(6)打开工业相机控制软件进行图像采集，然后点按加载控制软件进行加载和保持。
46.(7)实验结束后依次关闭电阻炉电源和图像采集软件。使用dic软件对工业相机获取的图像进行应变计算。结合加载夹持系统软件得到的时间-载荷数据，计算出样品的蠕变曲线和样品的全场蠕变应变。
47.实施例1
48.测inconel 718合金蠕变在650℃/750mpa的蠕变性能。
49.将该样品制备成图7的试样尺寸，打开工业控制计算机上的加载夹持系统控制软件，把样品装夹到样品夹具上，调整加载夹持系统控制软件给样品施加一定的预紧力；合上分体式电阻炉，并扣好电阻炉的锁紧卡扣，通过电阻炉二维导轨上的锁紧装置将电阻炉的位置固定；装好耐高温蓝宝石玻璃，打开镜头前端和炉体上方的两个冷却风扇；打开工业相机相机和蓝光光源开关，打开工业控制计算机上的相机控制软件，调整六维旋转平移相机底座，使样品标距上、中、下部分均聚焦清晰，并调整工业相机参数，使图像具有最佳衬度；升温到650℃，保温30min；打开工业相机控制软件进行图像采集，然后点按加载控制软件加载到750mpa对应的载荷并保持；当试样断裂后，依次关闭电阻炉电源和图像采集软件。使用dic软件对工业相机获取的图像进行应变计算。结合加载夹持系统软件得到的时间-载荷数据，计算出样品的蠕变曲线和样品的全场蠕变应，蠕变寿命3.27h，蠕变曲线如图9所示。
50.实施例2
51.测slm成形gh4169 650℃/690mpa的蠕变性能。
52.将该样品制备成图7的试样尺寸，打开工业控制计算机上的加载夹持系统控制软件，把样品装夹到样品夹具上，调整加载夹持系统控制软件给样品施加一定的预紧力；合上分体式电阻炉，并扣好电阻炉的锁紧卡扣，通过电阻炉二维导轨上的锁紧装置将电阻炉的位置固定；装好耐高温蓝宝石玻璃，打开镜头前端和炉体上方的两个冷却风扇；打开工业相机相机和蓝光光源开关，打开工业控制计算机上的相机控制软件，调整六维旋转平移相机底座，使样品标距上、中、下部分均聚焦清晰，并调整工业相机参数，使图像具有最佳衬度；升温到650℃，保温30min；打开工业相机控制软件进行图像采集，然后点按加载控制软件加载到690mpa对应的载荷并保持；当试样断裂后，依次关闭电阻炉电源和图像采集软件。使用
dic软件对工业相机获取的图像进行应变计算。结合加载夹持系统软件得到的时间-载荷数据，计算出样品的蠕变曲线和样品的全场蠕变应，蠕变寿命280h，蠕变曲线如图10所示。

技术特征：
1.一种具有非接触全场应变测量功能的小微样品单轴蠕变测试系统，其特征在于：该测试系统包括加热保温系统、加载夹持系统和应变测量系统；其中：加热保温系统：包括开合式电阻炉、铠装式热电偶、电阻炉二维导轨和温度控制器，所述铠装式热电偶从开合式电阻炉侧面开设的孔伸入炉内样品表面，对样品温度进行测量；测量的温度信号传输至温度控制器，温度传感器对开合式电阻炉的加热温度进行控制；所述电阻炉二维导轨置于开合式电阻炉下方，并对电阻炉的平面动作进行控制；加载夹持系统：包括机器框架部分和样品加载部分，其中：所述机器框架部分包括机器横梁、机器立柱、机器底座和底部箱体，机器立柱为两根，其上端和下端分别固定在机器横梁和机器底座上，机器底座固定于底部箱体上表面；所述样品加载部分在空间上由上到下包括对中调整装置、万向球头、力传感器、上转接杆、上夹具、下夹具、下转接杆、伺服电缸和伺服控制器；所述机器横梁的中心开孔，孔内安装对中调整装置，对中调整装置下端依次连接万向球头、力传感器、上加载杆和上夹具；上夹具与下夹具之间用于夹持样品，下夹具与下加载杆相连接；所述伺服电缸固定在底部箱体内，伺服电缸输出端与下加载杆相连接，通过伺服控制器向伺服电缸提供动力；应变测量系统：包括相机托板、相机底座和工业相机，工业相机由相机底座支撑，相机底座设于相机托板上，相机托板固定在所述底部箱体的侧面；所述工业相机通过在开合式电阻炉炉体侧面开设的样品观察窗对炉内样品进行观察。2.根据权利要求1所述的具有非接触全场应变测量功能的小微样品单轴蠕变测试系统，其特征在于：所述开合式电阻炉由相对称的两半炉腔组合而成，两半炉腔内均设有半圆柱状电阻丝，可提供的加热温度范围为室温～800℃；其中一半炉体外侧面开有直径3mm小孔，铠装式热电偶从此小孔插入并伸到样品侧表面，可对样品的温度进行精确控制；在温度高于300℃时的温度精度为
±
2℃。3.根据权利要求2所述的具有非接触全场应变测量功能的小微样品单轴蠕变测试系统，其特征在于：所述开合式电阻炉侧面开有样品观察窗，可供应变测量系统的光学观察使用；开合式电阻炉炉体上装有卡扣，可以实现对两半电阻炉的合紧和固定。4.根据权利要求1所述的具有非接触全场应变测量功能的小微样品单轴蠕变测试系统，其特征在于：为了消除热处理炉的热辐射对力传感器应力测量的影响，在力传感器相同高度位置安装了力传感器散热风扇。5.根据权利要求1所述的具有非接触全场应变测量功能的小微样品单轴蠕变测试系统，其特征在于：所述上加载杆的下端深入热处理炉炉腔内，下加载杆穿过机器底座和底部箱体顶部的圆孔与固定在底部箱体底板中心的伺服电缸连接。

技术总结
本发明公开了一种具有非接触全场应变测量功能的小微样品单轴蠕变测试系统，属于材料蠕变测试技术领域。该系统主要包括三个子系统：加热保温系统、加载夹持系统、应变测量系统。加热保温系统主要包括但不限于以下部件：开合式电阻炉、铠装式热电偶、电阻炉二维导轨、温度控制器等，可以实现对样品的升温保温；加载夹持系统包括机器框架和样品加载两个部分，实现对小尺寸板状样品的夹持；应变测量系统可以通过样品观察窗对样品的变形应变进行测量。与现有的商业设备相比，该系统解决了小微样品单轴蠕变测试的问题。单轴蠕变测试的问题。


技术研发人员：张广平 王立毅 宋竹满 罗雪梅
受保护的技术使用者：中国科学院金属研究所
技术研发日：2021.11.15
技术公布日：2022/3/8