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原文传递一种高温复杂载荷下金属材料的原位测试系统

专利名称：	一种高温复杂载荷下金属材料的原位测试系统
摘要：	本发明提供一种高温复杂载荷下金属材料的原位测试系统，涉及金属材料性能测试技术领域，包括：疲劳测试单元、高温加载单元、信号检测单元和底座，疲劳测试单元用于对样品预紧后再进行疲劳测试；高温加载单元用于对样品进行高温加热；信号检测单元包括压力传感器和位移传感器；压力传感器用于监测样品受到的拉力；位移传感器用于监测预紧过程中样品被拉伸后的位移量；底座用于承载疲劳测试单元、高温加载单元和信号检测单元，底座能够定位于扫描电镜载物台或开放式的显微装置上。本发明提供的方案能够克服传统非原位技术材料性能与显微组织结构演变信息不对称的缺点，且实现了同时对金属材料进行力‑热耦合加载。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	浙江;33
申请人：	浙江大学
发明人：	王晋;王永峰;李隆玉;张跃飞;张泽
专利状态：	有效
申请日期：	2023-07-19T00:00:00+0800
发布日期：	2023-11-17T00:00:00+0800
申请号：	CN202310884608.4
公开号：	CN117074221A
代理机构：	北京高沃律师事务所
代理人：	常祖正
分类号：	G01N3/40;G01N3/04;G01N3/06;G;G01;G01N;G01N3;G01N3/40;G01N3/04;G01N3/06
申请人地址：	310007 浙江省杭州市西湖区浙大路38号
主权项：	1.一种高温复杂载荷下金属材料的原位测试系统，其特征在于：包括：疲劳测试单元，所述疲劳测试单元用于对样品预紧后再进行疲劳测试；高温加载单元，所述高温加载单元用于对所述样品进行高温加热；信号检测单元，所述信号检测单元包括压力传感器和位移传感器；所述压力传感器用于监测所述样品受到的拉力；所述位移传感器用于监测预紧过程中样品被拉伸后的位移量；底座，所述底座用于承载所述疲劳测试单元、所述高温加载单元和所述信号检测单元，所述底座能够定位于扫描电镜载物台或开放式的显微装置上。 2.根据权利要求1所述的高温复杂载荷下金属材料的原位测试系统，其特征在于：所述疲劳测试单元包括样品夹持单元、疲劳驱动模块和机械预紧单元；所述样品夹持单元包括第一夹持单元和第二夹持单元，所述第一夹持单元用于夹持样品的第一端，所述第二夹持单元用于夹持样品的第二端；所述疲劳驱动模块包括疲劳驱动电机、第一传动单元、偏心轴组件、连杆和轴承，所述偏心轴组件能够转动地设置于所述底座上，所述疲劳驱动电机能够通过所述第一传动单元驱动所述偏心轴组件转动，所述第一夹持单元能够沿样品的伸缩方向能够移动地设置于所述底座上，所述连杆的第一端与所述偏心轴组件的偏心轴段通过所述轴承转动相连，所述连杆的第二端与所述第一夹持单元转动相连；所述机械预紧单元包括平移梁、丝杠和丝杠驱动组件；所述平移梁与所述第二夹持单元固定相连；所述丝杠转动安装于所述底座上，所述丝杠与所述平移梁螺纹连接；所述丝杠驱动组件固定于所述底座上，所述丝杠驱动组件用于驱动所述丝杠旋转。 3.根据权利要求2所述的高温复杂载荷下金属材料的原位测试系统，其特征在于：所述丝杠驱动组件包括传动蜗轮蜗杆、蜗杆固定轴和预紧电机；所述传动蜗轮蜗杆包括蜗轮和蜗杆，所述蜗轮与所述丝杠同轴固定，所述蜗杆与所述蜗杆固定轴同轴固定，所述蜗轮与所述蜗杆啮合；所述蜗杆固定轴转动安装于所述底座上，所述预紧电机固定于所述底座上，所述蜗杆固定轴与所述预紧电机的输出轴传动相连；所述丝杠包括两个，两个所述丝杠分别位于所述样品夹持单元的两侧且对称分布，所述平移梁同时与两个所述丝杠螺纹连接；所述蜗杆固定轴通过两个传动蜗轮蜗杆分别与两个所述丝杠传动相连；所述预紧电机和所述疲劳驱动电机均垂直于所述样品布置，且所述预紧电机和所述疲劳驱动电机均远离所述样品布设。 4.根据权利要求2所述的高温复杂载荷下金属材料的原位测试系统，其特征在于：所述偏心轴组件包括偏心轴本体和偏心衬套，所述偏心轴本体有两段偏心轴段，两段所述偏心轴段的几何中心线重合，一段截面为圆的偏心轴段为第一偏心轴段，另外一段截面为正多边形的偏心轴段为第二偏心轴段；所述第一偏心轴段上套有所述偏心衬套，所述偏心衬套相对于所述偏心轴本体转动可实现总偏心量的调整；所述偏心衬套的一端设置有固定套，所述固定套套设于所述第二偏心轴段上，所述第二偏心轴段的每个面上均设置有第一螺纹孔，所述固定套上设置有第二螺纹孔，所述固定套通过螺钉固定于所述第二偏心轴段上；或仅在所述固定套上设置所述第二螺纹孔，通过向所述第二螺纹孔中拧入顶丝来对所述固定套进行固定；所述轴承为偏心轴承，所述连杆通过开闭合卡环连接于所述偏心轴承的外环上。 5.根据权利要求3所述的高温复杂载荷下金属材料的原位测试系统，其特征在于：所述第一夹持单元包括第一上夹块、第一下夹块和第一夹紧螺钉；所述第一上夹块与所述第一下夹块通过所述第一夹紧螺钉固定相连，所述第一下夹块的上表面设有第一滚花凸台，所述第一上夹块设置于所述第一滚花凸台上，所述第一上夹块也设置有与第一下夹块位置对应的凸台滚花，所述第一上夹块和所述第一下夹块用于夹住所述样品的第一端；所述第二夹持单元包括第二上夹块、第二下夹块和第二夹紧螺钉；所述第二上夹块与所述第二下夹块通过所述第二夹紧螺钉固定相连，所述第二下夹块的上表面设有第二滚花凸台，所述第二上夹块也设置有与第二下夹块位置对应的凸台滚花，所述第二上夹块设置于所述第二滚花凸台上，所述第二上夹块和所述第二下夹块用于夹住所述样品的第二端；在所述第一滚花凸台和所述第二滚花凸台的几何中心分别加工有第一定位孔，在所述第一上夹块和所述第二上夹块的相应位置加工与所述第一定位孔相对应的第二定位孔，所述第一定位孔和所述第二定位孔能够插设定位销，所述定位销的中部穿设于所述样品的一端。 6.根据权利要求5所述的高温复杂载荷下金属材料的原位测试系统，其特征在于：所述高温加载单元包括加热电源，所述第一夹持单元、所述第二夹持单元和所述样品均具备导电性，所述加热电源通过第一夹持单元向所述样品通电以实现自加热；所述第一夹持单元为负极，所述第二夹持单元为正极，所述第一夹持单元接地；所述第二下夹块远离所述第一下夹块的一侧固定有螺杆，所述螺杆穿过所述平移梁，所述螺杆的端部螺纹连接有一个固定螺母，所述固定螺母与所述平移梁之间设置有所述压力传感器，所述压力传感器与所述第二夹持单元、所述平移梁以及所述固定螺母之间均设置有绝缘隔件；旋拧所述固定螺母可将所述压力传感器、两侧的所述绝缘隔件夹紧于所述固定螺母和所述平移梁之间；还设置有水冷组件和陶瓷板，所述水冷组件紧贴所述陶瓷板的一侧设置，所述陶瓷板的另一侧紧贴所述平移梁设置，所述水冷组件能够对所述平移梁进行冷却；所述样品的中间段窄，两侧段宽，且所述中间段与两侧段有过渡圆弧，所述样品的电阻小于对称布置的任意一个所述丝杠的电阻。 7.根据权利要求2所述的高温复杂载荷下金属材料的原位测试系统，其特征在于：所述位移传感器为光栅位移传感器，所述光栅位移传感器包括读数头和光栅尺，所述读数头固定于所述光栅读数头固定板，光栅读数头固定板的一端固定在平移梁上，所述光栅尺固定于底座上；或所述读数头固定于所述底座，所述光栅尺固定于平移梁上。 8.根据权利要求1所述的高温复杂载荷下金属材料的原位测试系统，其特征在于：还包括红外测温模块，所述红外测温模块用于测量所述样品中心观测点处的温度；所述红外测温模块包括红外测温探头和三向移动平台，所述红外测温探头固定设置于所述三向移动平台的移动端，所述三向移动平台能够带动所述红外测温探头进行三向移动；所述红外测温模块设置于所述样品的正下方，所述红外测温探头正对所述样品来接收样品辐射的红外信号，也能够经过若干个反光镜反射后接收到样品辐射的红外信号；在进行测试前，在真空环境下，对金属薄片样品利用热电偶以及所述红外测温模块进行测温并对比，根据温度对比数据来调试所述红外测温模块的发射系数和热电偶测试数值一样，记录不同温度下红外测温模块调整的发射系数，对同一加工工艺下的金属薄片样品进行实验，在实验前，提前设置好样品指定实验温度下经调整和记录的发射系数，然后增大样品上的电流使温度达到指定实验温度，通过PID控制稳定在该温度来进行实验。 9.根据权利要求1所述的高温复杂载荷下金属材料的原位测试系统，其特征在于：所述底座底部设置有四个支脚，所述底座呈矩形且中部镂空，所述底座上端面相对的两边可以安装调节高度的平定固定条，每个所述支脚上开有沉头孔用于连接于扫描电镜载物台上或开放式的显微装置的平台上。 10.根据权利要求8所述的高温复杂载荷下金属材料的原位测试系统，其特征在于：还包括热屏蔽壳和隔热插板，所述热屏蔽壳罩设于所述样品上，所述热屏蔽壳顶部开设有观察孔，通过所述观察孔来观察样品中心的观测点；所述热屏蔽壳开有对称的矩形孔，所述隔热插板依次穿过两个所述矩形孔并完成安装，所述隔热插板的中部设置有过孔，所述红外测温模块的红外接收光路穿过所述过孔到达所述样品上实现测温；包括有多个所述隔热插板，各所述隔热插板上的所述过孔大小均不相同；所述热屏蔽壳、所述隔热插板与所述热屏蔽固定板都为导体且三者联通，所述热屏蔽壳、所述隔热插板与所述热屏蔽固定板皆与外部设备进行电绝缘处理，所述热屏蔽壳、所述隔热插板与所述热屏蔽固定板上能够施加偏置电压以抑制热电子。