[发明专利]适用于X射线高时间分辨的原位多场耦合力学试验装置及方法

权利要求书

1.一种适用于X射线高时间分辨的原位多场耦合力学试验装置，其特征在于包括试验腔体、支撑结构、力学加载装置、环境控制装置、数据采集与控制系统，试样固定在试验腔体内，所述的试验腔体固定在支撑结构上；所述的力学加载装置采用伺服电机带动滚珠丝杠的作动方式对试样实现力学加载；所述的环境控制装置对试验腔体内的试样所处的环境进行控制，包括温度、盐雾、电流；所述的数据采集与控制系统对试样的应力数据进行采集、对力学加载装置和环境控制装置进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种适用于X射线高时间分辨的原位多场耦合力学试验装置，其特征在于：所述的试验腔体包括PMMA筒、腔体下盖、腔体上盖，所述腔体上盖和腔体下盖盖沿内部有密封螺纹，可与PMMA筒上下沿外表面的螺纹配合以达到紧固密封的作用。

3.根据权利要求2所述的一种适用于X射线高时间分辨的原位多场耦合力学试验装置，其特征在于：所述支撑结构包括底座、立柱、电机安装座、滑动板、轴承座、传感器座；具体连接方式为：4根立柱环形均布，每根立柱两端均车有螺纹，立柱下端通过螺纹固接于底座上对应螺纹孔中，依次穿过“电机安装座-滑动板-轴承座-传感器座-腔体下盖”四角的安装孔后，上端再采用螺纹紧固件与腔体下盖紧固连接；其中，电机安装座和轴承座四角通过螺钉固定于立柱上对应位置，而滑动板和传感器座则可以以4根立柱为导轨，沿立柱上下滑动。

4.根据权利要求3所述的一种适用于X射线高时间分辨的原位多场耦合力学试验装置，其特征在于：所述力学加载装置包括伺服电机、连接法兰、精密丝杠、丝杠螺母、传力杆、精密轴承、下夹具、上夹具；具体连接方式为：所述的伺服电机固定在支撑结构的电机安装座上；所述的连接法兰的法兰盘与伺服电机转动盘连接，法兰孔内有螺纹，可与精密丝杠下端的外螺纹配合，实现固接；所述的丝杠螺母装配在精密丝杠上，螺母座通过螺纹紧固件与滑动板连接；所述的精密轴承的内圈通过过盈配合与精密丝杠的上端装配，外圈也通过过盈配合同轴承座中心的轴承安装孔装配；所述上夹具下端和下夹具上端为夹持端，分别夹紧试样的上下端；所述传力杆两端均有螺纹，下端穿过滑动板与滑动板固定，上端依次穿过轴承座、传感器座与传感器座固定。

5.根据权利要求4所述的一种适用于X射线高时间分辨的原位多场耦合力学试验装置，其特征在于：所述的腔体下盖、腔体上盖、上夹具、下夹具和扣盖采用高耐蚀性不锈钢制造，并进行聚四氟乙烯涂层工艺处理。

6.根据权利要求5所述的一种适用于X射线高时间分辨的原位多场耦合力学试验装置，其特征在于：所述的环境控制装置包括盐雾循环系统、温控系统、电脉冲发生器三个子系统及直流电源，其中盐雾循环系统由盐雾喷嘴、过滤器、液压变量泵、排液口宝塔咀、常闭式电磁阀和溶液箱组成，可在试验腔体内营造盐雾腐蚀环境；温控系统由大功率陶瓷加热片、电路控制开关和Pt1000高精度热电阻组成，可实现室温～300℃的温度控制；电脉冲发生器可产生恒电流和多种脉冲电流；

直流电源用给液压变量泵和陶瓷加热片供电。

7.根据权利要求6所述的一种适用于X射线高时间分辨的原位多场耦合力学试验装置，其特征在于：所述的数据采集与控制系统包括力传感器、中央控制器及上位机，力传感器下端通过螺钉固定于传感器座上，中央控制器与上位机通过串口通行进行信息交互，中央控制器还与电脉冲发生器、伺服电机、力传感器变送器、Pt1000高精度铂热电阻、常闭式电磁阀的电路相连，进而实现设备控制和数据采集并传递给上位机的功能。

8.根据权利要求7所述的一种适用于X射线高时间分辨的原位多场耦合力学试验装置，其特征在于：上位机开发了与试验装置配套的上位机软件，可在软件中对相关实验参数进行自主设置，并将采集的数据进行绘图显示。上位机软件共包含力学加载和环境控制两个部分，二者之间具备独立的启动和停止功能；其中，环境控制部分下面又分为盐雾、温控、电流三个子模块，可在环境控制部分中选取全部或其中部分子模块作为试验环境。力学加载部分可选择拉伸、压缩、疲劳三种力学试验类型。

9.一种权利要求8所述的装置实现的适用于X射线高时间分辨的原位多场耦合力学试验方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将原位多场耦合力学试验装置安装在旋转台上，采用螺栓固定，并将线路和管路进行连接，检查电路信号是否正常和有无漏电漏液情况，确认无误后，装夹好试样，盖上腔体上盖，并拧紧套筒并检查有无松动，完成前期准备工作；

步骤2：打开上位机软件进行相关试验参数的设定；首先，需要在力学加载部分选择将要进行的力学试验类型及对应的力学试验参数设置；

步骤2a：拉伸试验：在上位机软件中输入试样直径d和拉伸速率v，软件通过公式S＝π(d/2)²计算得出试样截面积S；点击启动按钮后，上位机将截面积S和拉伸速率v传递给中央控制器，中央控制器通过公式计算将拉伸加载速率v转化为伺服电机的转动速率ω，并以此速率驱动伺服电机正转，实现逐步加载；在此过程中，中央控制器还将力传感器采集到的拉力F，由σ＝F/S计算得出应力σ，并将实时应力σ传递给上位机软件，在上位机绘制并输出应力-应变图像；在加载过程，成像时可以在上位机软件点击暂停按钮，保载暂停；成像后，再点击启动按钮，保载启动，继续试验，直至拉断；

步骤2b：压缩试验：在上位机软件中输入试样直径d和压缩速率v，软件通过公式S＝π(d/2)²计算得出试样截面积S；点击启动按钮后，上位机将截面积S和压缩速率v传递给中央控制器，中央控制器通过公式计算将压缩加载速率v转化为伺服电机的转动速率ω，并以此速率驱动伺服电机反转，实现逐步加载；在此过程中，中央控制器还将力传感器采集到的拉力F，由σ＝F/S计算得出应力σ，并将实时应力σ传递给上位机软件，在上位机绘制并输出应力-应变图像；在加载过程，成像时可以在上位机软件点击暂停按钮，保载暂停；成像后，再点击启动按钮，保载启动，继续试验，直至压溃；

步骤2c：疲劳试验：在上位机软件输入试样直径d、应力幅σ_m、应力比R、疲劳频率f，软件通过S＝π(d/2)²、T＝1/f、σ_max＝2σ_m/(1-R)、σ_min＝Rσ_max依次计算得出试样截面积S、循环周期T、应力峰值σ_max和应力谷值σ_min；点击启动按钮后，上位机将计算出的上述参数传递给中央控制器，中央控制器控制伺服电机转动，带动精密丝杠转动，先进行“校零”，即找到传感器输出值为零的点，以该点为零点，在一个周期T内的前1/4，电机正向转动一定角度，使实测应力σ＝σ_max；然后在该周期T内的中间1/2电机反转，使实测应力σ＝σ_min；最后，在该周期T内的末尾1/4，电机正向转动，是实测应力σ回归到原点，开始下一周期的循环；与此同时，上位机界面记录循环次数的参数n：+1，并且中央控制系统将循环过程中采集到的实测应力σ传递给上位机进行应力-时间图像绘制；此外，在需要进行同步辐射成像时，可以在上位机软件点击暂停按钮，保载暂停；成像后，再点击启动按钮，保载启动，继续试验，直至试样发生疲劳断裂；

步骤3：在完成对应的力学加载部分的类型选择和参数设置后，继续在上位机软件进行环境控制部分的子模块选择和参数设定；

步骤3a：温控模块：在上位机软件中输入目标温度Temp，达到目标温度Temp+1℃，中央控制器断开陶瓷加热片电源；温度降低至目标温度Temp-1℃后，重启陶瓷加热片电源，实现恒温控制；同时，在上位机界面输出温度-时间图像。

步骤3b：盐雾模块：可选择两种模式：全过程盐雾模式和周期性盐雾模式；启动状态下，全过程盐雾模式下，中央控制器盐雾控制端口持续输出高电平，控制电磁阀电磁铁得电，盐雾喷嘴持续喷雾；周期性盐雾模式下，在上位机输入两个参量：进液时长t₁和排液时长t₂，中央控制器的盐雾控制端口按高电平t₁和低电平t₂间歇输出高电平和低电平，循环往复，电磁阀电磁铁周期性得失电，从而使盐雾喷嘴周期性喷雾；

步骤3c：电流模块：在上位机软件选择恒电流或脉冲电流的电流模式，设置电流大小I，即流经试样的电流大小；

步骤4：设置完成对应试验参数后，在上位机点击启动按钮，中央控制器控制试验装置按照上述步骤2a、步骤2b、步骤2c、步骤3a、步骤3b、和步骤3c开始试验，在试验过程中，根据试样材料具体的状态变化，在特定时间点使用同步辐射光源进行高速扫描成像，直至试样材料发生断裂失效。