變角度雙軸拉伸與熱場(chǎng)耦合材料微觀力學(xué)性能原位測(cè)試儀

何宇杰 張祥祥 邢淳輝 王志江 侯鵬亮

摘 要：文章介紹的是一種變角度雙軸拉伸與熱場(chǎng)耦合材料微觀力學(xué)性能原位測(cè)試儀，其功能是研究在X軸和Y軸相交任意角度下的雙軸拉伸過(guò)程中的材料力學(xué)性能。其中X軸為固定軸，Y軸為動(dòng)軸，通過(guò)旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)帶動(dòng)齒圈旋轉(zhuǎn)，使Y軸可以與X軸相交任意角度。當(dāng)Y軸轉(zhuǎn)到預(yù)定角度以后旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)停止，調(diào)整X軸和Y軸的伺服電機(jī)到適當(dāng)?shù)奈恢茫惭b預(yù)先制作好的相交角度為30度、45度和90度的試件，再進(jìn)行相應(yīng)角度下的雙軸拉伸，對(duì)材料在不同相交角度下的力學(xué)性能進(jìn)行表征，為研究材料在不同角度作用下的失效進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：變角度;雙軸拉伸;原位;材料力學(xué)性能;測(cè)試儀

1 緒論

材料是社會(huì)制造業(yè)的基礎(chǔ)，是社會(huì)發(fā)展的必要物質(zhì)條件。由于材料測(cè)試技術(shù)發(fā)展緩慢，對(duì)材料的破壞機(jī)理缺乏研究，制約著材料技術(shù)與制造業(yè)的發(fā)展。在工程實(shí)踐中經(jīng)常發(fā)生材料失效而引發(fā)的重大事故如圖1所示，對(duì)經(jīng)濟(jì)和生命安全造成損失。

目前，雙軸拉伸測(cè)試是一種比較常用的獲取材料力學(xué)性能參數(shù)的測(cè)試方法[1-3]。然而，材料在實(shí)際服役中不僅僅受到的X軸與Y軸相交90度正交載荷的作用，更多的是受到了任意角度多載荷的共同作用。因此，設(shè)計(jì)一臺(tái)變角度雙軸拉伸與熱場(chǎng)耦合材料微觀力學(xué)性能原位測(cè)試儀變得十分必要。通過(guò)預(yù)置X軸與Y軸的夾角，并安裝與預(yù)置夾角相同度的雙軸拉伸試件，再進(jìn)行雙軸拉伸測(cè)試，以模擬材料在真實(shí)服役工況下，任意角度雙軸載荷對(duì)材料變形、損傷的影響，進(jìn)一步揭示材料在任意角度雙向應(yīng)力下的失效機(jī)理，為服役材料在單向和復(fù)雜平面應(yīng)力下的安全性設(shè)計(jì)，提供有利的參考。

2 方案設(shè)計(jì)

變角度雙軸拉伸與熱場(chǎng)耦合材料微觀力學(xué)性能原位測(cè)試儀的功能包括：（1）X軸固定，改變Y軸與X軸的夾角，通過(guò)旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒圈帶動(dòng)Y軸旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)X軸與Y軸夾角的改變;（2）采用兩根雙向滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)雙軸拉伸;（3）利用虛擬儀器對(duì)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制;（4）集成光學(xué)顯微鏡實(shí)現(xiàn)雙軸拉伸過(guò)程的原位表征;（5）實(shí)現(xiàn)雙軸拉伸與熱場(chǎng)的耦合加載，選取鹵素?zé)糇鳛闊嵩?，其功率?000W，對(duì)于裝置采用的小型試樣，可以做到瞬間的加熱。且鹵素?zé)舻募訜崃靠煽?，能測(cè)出材料在不同溫度場(chǎng)下的應(yīng)變數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)裝置與熱場(chǎng)的耦合。

3 旋轉(zhuǎn)部分齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 主動(dòng)齒輪接觸線單位長(zhǎng)度上的平均載荷計(jì)算及其影響因素

載荷的大小是衡量齒輪在傳動(dòng)過(guò)程中是否失效的重要參數(shù)。影響載荷大小的因素很多，如電動(dòng)機(jī)附加的性能、齒輪精度及裝配誤差、齒輪及其支承變形等。因此需引入載荷系數(shù)K對(duì)平均載荷進(jìn)行修正。

P—電動(dòng)機(jī)功率，取0.4kW;d1—主動(dòng)輪分度圓直徑，取78mm;L—齒面接觸線長(zhǎng)度，取30mm;n—電機(jī)轉(zhuǎn)速，取960r/min;α—壓力角，取20°;K—載荷系數(shù)，（K=KAKVKαKβ）;KA—使用系數(shù)，取1.00;KV—?jiǎng)虞d系數(shù)，取1.2;Kα—齒間載荷分配系數(shù)，取1.00;Kβ—齒向載荷分配系數(shù)，取1.1。

將參數(shù)代入式（2）中得：

3.2 齒輪傳動(dòng)比

Z1—主動(dòng)輪的齒數(shù)，取26;Z2—從動(dòng)輪的齒數(shù)，取120;則有：i=z2z1=4.62。

4 變角度雙軸拉伸與熱場(chǎng)耦合微觀力學(xué)性能原位測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

4.1 旋轉(zhuǎn)部分設(shè)計(jì)

儀器是為了測(cè)量試件在任意角度受力時(shí)材料的力學(xué)性能。齒圈的旋轉(zhuǎn)是實(shí)現(xiàn)雙軸拉伸角度調(diào)整的重要機(jī)構(gòu)，是變角度雙軸拉伸原位微觀材料力學(xué)性能測(cè)試儀的突出特點(diǎn)如圖2所示。

裝置由旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)第一牽引齒輪，控制整個(gè)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)。第一牽引齒輪與從動(dòng)齒圈傳動(dòng)連接，帶動(dòng)齒圈旋轉(zhuǎn)。而且，動(dòng)齒圈的上端與旋轉(zhuǎn)板固定連接，下端與圓形導(dǎo)軌滑塊固定連接，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)板隨從動(dòng)齒圈發(fā)生旋轉(zhuǎn)，使X軸與Y軸夾角發(fā)生改變。利用底板上安裝的光電傳感器，可以對(duì)旋轉(zhuǎn)板旋轉(zhuǎn)的角度進(jìn)行精準(zhǔn)定位，當(dāng)旋轉(zhuǎn)板轉(zhuǎn)到30度，45度時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)預(yù)定角度下的雙軸拉伸材料力學(xué)性能的檢測(cè)。

4.2 拉伸部分設(shè)計(jì)

儀器的拉伸的速度，拉伸距離以及拉伸的精度是判斷儀器好壞的標(biāo)準(zhǔn)。裝置的拉伸部分是由拉伸伺服電機(jī)、電機(jī)支座、支撐座、電機(jī)配重、聯(lián)軸器、絲杠、主動(dòng)動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪、支座蓋組成的如圖3所示。由拉伸伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)主動(dòng)齒輪傳遞動(dòng)力，使從動(dòng)齒輪開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。從動(dòng)齒輪與絲杠的一端連接傳遞扭矩，帶動(dòng)絲杠等速旋轉(zhuǎn)。絲杠的每節(jié)都帶有螺紋部分都裝有梯形絲杠螺母，將絲杠旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為沿著絲杠長(zhǎng)度方向的直線運(yùn)動(dòng)。絲杠工作時(shí)，通過(guò)位移傳感器和力傳感器測(cè)得材料的拉伸變形量和載荷[5]。此外，拉伸伺服電機(jī)的另外一端設(shè)有電機(jī)配重，保證裝置重心得平衡，以及旋轉(zhuǎn)板的平行度。

4.3 夾緊裝置的設(shè)計(jì)

在試樣在拉伸的過(guò)程中，通過(guò)上下夾具的夾緊力，試樣逐漸被拉伸，從而得到材料的力學(xué)性能。為了增大上下夾具的夾緊力，在上下夾具中都設(shè)有增加摩擦力的條紋如圖4所示，并且在下夾具的接觸表面上開(kāi)設(shè)燕尾槽。測(cè)試時(shí)，將試樣對(duì)應(yīng)放置于燕尾槽中，上夾具的表面做一個(gè)燕尾的凸臺(tái)，上下夾具通過(guò)螺紋固定，可以更好的保證試樣的預(yù)緊。

4.4 加熱裝置和原位測(cè)試

變角度雙軸拉伸與熱場(chǎng)耦合材料微觀力學(xué)性能原位測(cè)試儀器還包括有加熱燈，加熱燈位于夾具機(jī)構(gòu)右上方，用于對(duì)試件進(jìn)行加熱如圖5所示。

加熱機(jī)構(gòu)包括有加熱燈和底座，加熱燈可以轉(zhuǎn)換角度進(jìn)行加熱，加熱臺(tái)燈固定于底座上。顯微鏡固定于可旋轉(zhuǎn)支架上方，支架上方有旋鈕，可對(duì)支架進(jìn)行旋轉(zhuǎn)定位以便切換不同的角度便于觀察試件的情況，實(shí)現(xiàn)試樣的原位監(jiān)測(cè)[6]。

5 結(jié)論

變角度雙軸拉伸與熱場(chǎng)耦合材料微觀力學(xué)性能原位測(cè)試儀是機(jī)電一體化雙軸拉伸材料力學(xué)性能測(cè)試儀。該裝置是X軸固定，Y軸旋轉(zhuǎn)改變與X軸的夾角，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)置角度時(shí)停止旋轉(zhuǎn)，裝上相應(yīng)角度的試件，再進(jìn)行雙軸拉伸。而且，雙軸拉伸能夠與熱場(chǎng)耦合，模擬不同環(huán)境溫度對(duì)材料性能的影響，可有效彌補(bǔ)現(xiàn)有儀器的不足，增強(qiáng)材料測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

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鹽城工學(xué)院教改研究項(xiàng)目：基于LabVIEW的測(cè)試技術(shù)與信號(hào)處理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)（項(xiàng)目編號(hào)：JYKT2019B005）

*通訊作者：侯鵬亮（1977— ），男，博士，副教授，主要從事復(fù)合載荷下材料微觀力學(xué)性能原位測(cè)試技術(shù)與虛擬儀器研究。