[發(fā)明專利]壓電致動型材料疲勞力學(xué)性能測試裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210426539.4
• 申請日: 2012-10-31
• 公開（公告）號: CN102928304A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙宏偉;馬志超;王開廳;胡曉利;程虹丙;魯帥
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號: G01N3/38
• 分類號: G01N3/38;G01N3/02
• 代理公司: 吉林長春新紀(jì)元專利代理有限責(zé)任公司 22100
• 代理人: 王怡敏

技術(shù)領(lǐng)域

????本發(fā)明涉及精密驅(qū)動領(lǐng)域，特別涉及原位微納米力學(xué)測試領(lǐng)域，尤指一種壓電致動型材料疲勞力學(xué)性能測試裝置。可與主流顯微觀測設(shè)備（如掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、拉曼光譜儀、3D高景深顯微鏡及光學(xué)顯微鏡等）兼容使用，開展在高驅(qū)動頻率下拉伸/壓縮模式的原位疲勞測試，為揭示材料在微納米尺度下的疲勞損傷及斷裂機(jī)制提供了測試方法。

背景技術(shù)

材料或構(gòu)件在受重復(fù)或交變載荷作用時，雖然材料或構(gòu)件所受載荷幅值遠(yuǎn)小于其抗拉強(qiáng)度或屈服強(qiáng)度，甚至小于彈性載荷，但經(jīng)反復(fù)的變形累積，最終發(fā)生斷裂破壞通常是由于疲勞載荷所致。據(jù)統(tǒng)計，在各類機(jī)械零件的失效案例中，大約80%以上是由疲勞破壞引起的。隨著大容量、大功率、高速度、高效率試驗裝置的出現(xiàn)，那些承受往復(fù)或震動載荷的工作條件更加苛刻，疲勞失效的問題更加突出，針對疲勞試驗的測試裝置和疲勞失效的相關(guān)研究中，早期的工作主要集中在疲勞破壞的宏觀規(guī)律方面，而對疲勞微觀機(jī)理的研究，由于受到試驗手段的限制，大多通過金相顯微鏡，對材料試樣表面在交變載荷下的滑移或斷口等問題進(jìn)行研究。20世紀(jì)50年代以后，各類電子顯微鏡及其他觀測類儀器的出現(xiàn)和不斷完善，大大促進(jìn)了疲勞微觀機(jī)理的研究。位錯理論的發(fā)展則對疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展的微觀研究提供了理論依據(jù)。原位微觀疲勞力學(xué)測試技術(shù)可以概述為：借助掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、拉曼光譜儀、3D高景深顯微鏡及光學(xué)顯微鏡等成像儀器對被測材料在拉伸/壓縮或彎曲模式的疲勞載荷作用下微觀裂紋萌生、擴(kuò)展、損傷失效過程、性能演變規(guī)律等進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測的技術(shù)，因低周疲勞條件下，由于外加載荷多半高過彈性極限，因此，材料的疲勞壽命多小于10⁴次，交變載荷的頻率可適宜觀測儀器對可能萌生初始裂紋的表面進(jìn)行實時的在線觀測；在高周疲勞條件下，外加循環(huán)應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度，甚至低于彈性極限，材料處于彈性變形范圍，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系基本符合胡克定律，因此，觀測儀器無法對裂紋萌生及擴(kuò)展進(jìn)行實時的觀測，只適宜在一定循環(huán)周期的間隔下，暫停疲勞載荷作用，從而實現(xiàn)“準(zhǔn)原位疲勞測試”。

傳統(tǒng)的疲勞試驗通常是在由電液伺服裝置或步進(jìn)電機(jī)組成的不同類型的疲勞試驗機(jī)上進(jìn)行的，如拉伸/壓縮疲勞試驗、扭轉(zhuǎn)疲勞試驗、拉扭疲勞試驗以及彎曲疲勞試驗，其中彎曲疲勞試驗還可以分成平面彎曲和旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗兩類。電液伺服疲勞試驗機(jī)為目前最常使用的疲勞試驗機(jī)，主要由液壓泵站、各種液壓閥、力和位移傳感器、工作油缸、各種試樣夾具（如三點彎曲、拉伸壓縮等）以及控制軟件等構(gòu)成。能夠反映電液伺服疲勞試驗機(jī)技術(shù)水平的主要為高精度力、位移傳感器，控制精度與控制范圍，液壓元器件和頻率發(fā)生器（最低頻率10^-5Hz以及最高頻率1000Hz以上）。隨著結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命極限提高到10⁹次以上，超長疲勞壽命試驗機(jī)亟待發(fā)展。除此之外，還存在一些特殊條件下的疲勞行為的測試裝置，如工程實際中有一大類機(jī)器零件是在滾動接觸條件下工作的，如滾動軸承、齒輪、蝸輪、凸輪、軋輥等。在循環(huán)接觸應(yīng)力作用下，這些零件的表面很容易出現(xiàn)接觸疲勞的破壞現(xiàn)象，如點蝕、剝離等。

在原位觀測方面，相比于其他用于觀測試件表面形貌的儀器，掃描電子顯微鏡具有成像倍率高，掃描速度快，受景深影響小等優(yōu)勢，而光學(xué)顯微鏡受其原理的影響，難以獲取成像倍率超過1000倍的清晰圖像，原子力顯微鏡則存在掃描時間過長的問題。但掃描電子顯微鏡下的疲勞測試儀器研發(fā)面臨著諸多問題：（1）因掃描電子顯微鏡的密閉腔體內(nèi)為真空環(huán)境，需將測試裝置的信號采集處理單元以及上位機(jī)控制單元等通過在真空腔體的密封擋板處打孔的方式外接出密閉腔體外，并在對接接口處做嚴(yán)格的密封處理，因此，需要解決測試裝置與掃描電子顯微鏡的真空兼容性問題。（2）因電子槍激發(fā)高能電子束一般需要至少10KV以上的高壓，因此電子束轟擊部位處于高強(qiáng)電磁場作用下，測試裝置與掃描電子顯微鏡的電磁兼容性問題亦需要解決。（3）現(xiàn)有商業(yè)化掃描電子顯微鏡的真空腔體均有限，且成像工作距離要求嚴(yán)格，如Hitachi?TM-1000型號的掃描電鏡的真空腔體為直徑140mm的圓周，其成像工作距離范圍是1.5mm至3.5mm，較大腔體的掃描電鏡，如Zeiss?Evo?18型掃描電鏡的真空腔體尺寸為直徑360mm的圓周，其最大工作距離為15mm，因此，測試裝置與掃描電鏡的結(jié)構(gòu)兼容性亦需要解決。