[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

说明书

本发明涉及一种适用于X射线高时间分辨的原位多场耦合力学试验装置及方法，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，力学加载装置采用伺服电机带动滚珠丝杠的作动方式实现力学加载，环境控制装置包括了盐雾循环系统、温控系统、电脉冲发生器，盐雾循环系统由盐雾喷嘴、过滤器、液压变量泵和溶液箱组成，可在试验腔体内营造盐雾腐蚀环境。数据采集与控制系统通过安装在力学加载装置中的力传感器采集应力数据，同时承担对伺服电机、电脉冲发生器、加热片等部件的控制功能。在试验过程中，置于旋转台的原位多场耦合力学试验装置可实时、原位、可视化表征材料失效过程中腐蚀坑及裂纹的三维演化规律。

技术领域

本发明涉及材料的腐蚀疲劳、疲劳测试技术领域，具体涉及一种适用于X射线时间分辨的原位力、热、电、化学多场耦合力学试验装置及方法。

背景技术

应用于海洋机械、航空航天、油气开采、轨道交通等重要领域的金属构件在服役过程中常常同时承受不同形式的载荷与腐蚀等环境的耦合作用。金属构件在非工作状态时，一般会承受拉伸或者压缩静载荷；在工作状态时，总是承受循环疲劳载荷。随着新时期“上天、入地、下海”的工程技术发展要求，金属装备面临更加复杂的服役环境，如盐雾腐蚀、杂散电流、高温等多种因素耦合存在的服役工况，导致金属构件在远低于设计寿命的情况下发生失效，严重威胁大型设施设备的服役安全性。因此，必须深入探究复杂服役环境下金属结构材料的损伤失效行为与机制，为金属构件防护以及寿命预测研究奠定坚实的基础。

长久以来，学术界对于材料力学性能的研究还停留在传统的具有破坏性的、二维的研究方式，虽然可基于疲劳断口反推材料的失效过程，但缺乏腐蚀坑、裂纹等损伤缺陷在三维空间的演化的动态过程，导致难以深入理解复杂环境中腐蚀、电流、高温等因素与静载荷或者动载荷的交互作用，限制了损伤机理的深入揭示。同步辐射光源具有高亮度、高准直、高偏振、高纯净、窄脉冲的特点，可以在亚微米空间和皮秒时间尺度上准确捕捉材料内部的缺陷与微观组织结构，结合兼容于同步辐射光源的原位力学加载装置，可以原位、动态、无损以及可视化研究各种材料的缺陷以及微观结构的空间演化过程。此外，应力腐蚀或者腐蚀疲劳过程是与时间相关的损伤过程。因此，必须快速捕捉力学加载过程中腐蚀坑或裂纹的空间分布特征。同步辐射光源快速成像线站相比普通线站，具有更快的成像的速度，除了可以缩减试验时间，提升实验效率外，还可以更好地降低成像过程中材料继续腐蚀对试验结果造成的误差。

当前绝大多数可进行多场耦合作用的商用力学试验机由于结构支撑装置对试样的遮挡以及体积重量过大，无法直接兼容于同步辐射光源。而目前已有的自主研制的兼容于同步辐射光源的原位力学试验装置又大多仅具备单一力学加载功能，且仍然普遍存在质量较大、重心偏高的问题，难以适应快速成像线站快速成像的需要。因此，研制适用于X射线时间分辨的原位力、热、电、化学多场耦合力学试验装置以实现对腐蚀、温度、电流多场耦合作用下材料腐蚀坑及裂纹形貌的实时三维成像表征，对材料服役过程中力学载荷、腐蚀环境、温度、电流四种影响因素的交互作用形式和复杂损伤机理进行进一步的探索。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种可实时观测材料电化学腐蚀(盐雾腐蚀、电流腐蚀)、应力腐蚀和腐蚀疲劳过程中腐蚀坑、裂纹形貌演化的原位多场耦合力学试验装置及方法。

技术方案

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。