復合應力下微構件高溫疲勞性能測試裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及精密驅動和材料力學性能測試領域，特別涉及一種復合應力下微構件高溫疲勞性能測試裝置及方法。通過與三維數字散斑成像儀器的兼容使用，本發明可開展拉伸-彎曲復合載荷作用下的高溫疲勞性能測試，可對航空發動機材料等在高溫服役環境下的多應力疲勞失效行為進行研究，從而為提升工程結構的服役可靠性提供測試方法。
【背景技術】
[0002]材料或構件在受重復或交變載荷作用時，雖然材料或構件所受載荷幅值遠小于其抗拉強度或屈服強度，甚至小于彈性載荷，但經反復的變形累積，最終發生斷裂破壞通常是由于疲勞載荷所致。據統計，在各類機械零件的失效案例中，大約80%以上是由疲勞破壞引起的。目前疲勞測試的載荷形式大都為單一載荷，如拉伸壓縮模式的疲勞測試和三點彎曲模式的疲勞測試。而實際工況下許多構件的受載形式并非單一載荷，而是多種載荷形式的共同作用，材料在復合載荷作用下的損傷、失效行為與單一載荷作用下的行為迥然不同。因此復合載荷模式的原位力學測試對深入研究材料性能演變、失效破壞機制具有重要意義。目前針對基于拉伸模式的復合載荷測試，也僅限于對Arcan夾具的適當改造而實現的拉伸-剪切復合載荷測試。對于拉伸-剪切復合載荷測試的加載方法，以色列特拉維夫大學的M.Arcan于1977年便提出利用拉伸方向與平板試件軸線互成銳角的方法來構建平面應力狀態，將其所研制的盤形夾持機構與拉伸試驗機集成，并在夾持機構上粘貼電阻應變片,可對拉伸載荷作用下盤形中央區域的剪應力及剪應變進行測量，M.Arcan對該應力狀態下拉伸及剪切載荷引起的應力、應變的解耦是通過簡單地載荷與位移的合成與分解實現的。因該夾持機構結構簡單，且通過簡單的改變軸線偏移角，可獲得豐富的平面應力狀態，為各向異性材料的力學性能研究提供了有力工具，因此該夾持機構被之后的研究人員命名為Arcan夾具并被廣泛應用。基于Arcan夾具，現有拉伸_剪切模式的原位復合載荷測試大都借助于C⑶的在線監測。如2011年法國國立海軍工程學院(ENSIETA)的J.Y.Cognard和2008年美國南卡羅來納大學的J.H.Yan分別利用改進型的Arcan夾具搭建了 CXD下的拉伸-剪切復合載荷測試系統，并對復合材料的層間結合能力以及帶有預制裂紋的脆性薄板材料的斷裂行為進行了研究。這些研究工作均將改進型的Arcan夾具集成于非原位拉伸試驗機上。
[0003]另一方面，關鍵材料保障能力不足嚴重制約我國經濟發展和科技進步，大飛機、載人航天等重大專項和新材料、聞端裝備制造等戰略性廣業都急需提升材料力學性能。提聞復雜載荷條件下材料損傷機制的測試能力，可有效提升我國材料性能測試水平。《國家中長期科技發展規劃綱要》明確指出了相關研究的迫切性。考慮到材料的實際使用工況，材料及其制品在使用過程中往往受到非單一載荷形式的作用，如拉-彎組合、壓-扭組合及拉-扭組合等多種載荷同時存在的情況，單一載荷形式的力學測試已經難以準確反映實際工況下材料及構件的受載形式，即無法對復合載荷作用下材料的力學性能做出準確的評價。多載荷模式材料微觀力學性能測試接近于材料在實際使用過程中所處的條件，與常規單一載荷和理想環境下材料力學性能測試相比，利用這種測試方法測量的材料力學性能數據更具有實際參考性，可以獲取材料對復雜載荷條件和物理環境的力學響應。

【發明內容】

[0004]本發明的目的在于提供一種復合應力下微構件高溫疲勞性能測試裝置及方法，解決了現有高溫疲勞測試裝置僅具備單一載荷模式的測試內容，如拉伸-壓縮模式、三點彎曲模式等。本發明由壓電式三自由度加載單元、高溫加載及水冷單元、壓電式拉伸加載單元、檢測單元及支撐單元組成。利用壓電驅動元件驅動頻率高、測試精度高、體積小巧、結構緊湊和輸出位移易于控制等優勢，本發明可實現對被測試件三自由度高頻交變載荷的加載，即可實現不同模式的拉伸-彎曲復合載荷疲勞測試。與此同時，帶有規則溝槽結構的壓電驅動器亦可實現較大運動行程的單軸拉伸載荷的預加載。此外，采用氮化硅加熱片作為高溫加熱元件，可構建具有可控溫度梯度的服役溫度場。因此，本發明可對航空發動機材料等在高溫服役環境下的多應力疲勞失效行為進行研究。
[0005]本發明的上述目的通過以下技術方案實現:
復合應力下微構件高溫疲勞性能測試裝置，包括壓電式三自由度加載單元、高溫加載及水冷單元、壓電式拉伸加載單元、檢測單元及支撐單元，其中壓電式三自由度加載單元中的多載荷柔性鉸鏈10與支撐單元中的轉動副11為一體，球面副移動端6與支撐單元中的球面副固定支架3以及球面副活動支架4的球形凹面保持球面接觸；高溫加載及水冷單元中的氮化硅加熱片24嵌入式安裝于壓電式拉伸加載單元中的下夾具體23和上夾具體26的矩形卡槽中，壓電式拉伸加載單元中的鉸鏈支撐架20通過螺紋連接方式與支撐單元中的固定平臺15剛性連接；檢測單元為三向力傳感器27，其分別通過螺紋連接方式與支撐單元中的傳感器法蘭I以及壓電式拉伸加載單元中的上夾具體26剛性連接；
所述壓電式三自由度加載單元包括三個球面副移動端6和三個多載荷壓電驅動器，每個多載荷壓電驅動器由預緊楔形塊7、預緊螺釘8、多載荷封裝式壓電疊堆9和多載荷柔性鉸鏈10組成，圓柱形多載荷封裝式壓電疊堆9具有輸出位移自檢測功能；
所述高溫加載及水冷單元包括外層水冷管22、氮化硅加熱片24、水冷板30、隔熱板31和導熱板32，其中水冷板30、隔熱板31和導熱板32固定安裝在上夾具體26和下夾具體23內，氮化硅加熱片24嵌入式安裝在兩夾具體的矩形卡槽中，對被測試件25進行均布高溫加執.所述壓電式拉伸加載單元包括拉伸壓電驅動器、耐高溫隔熱棉16、平墊片18、膨脹螺栓19、鉸鏈支撐架20、下夾具法蘭21、下夾具體23、試件25和上夾具體26，其中拉伸壓電驅動器由拉伸柔性鉸鏈17和拉伸封裝式壓電疊堆29組成，拉伸壓電驅動器、下夾具法蘭21、下夾具體23和上夾具體26采用串聯式安裝方式，其安裝軸線為本發明在豎直方向上的幾何對稱軸線；
所述檢測單元包括傳感器法蘭1、三向力傳感器27和傳感器法蘭安裝螺釘28，移動平臺2的傾覆運動通過三向力傳感器27和上夾具體26傳遞至被測試件25，三向力傳感器27用于檢測試件25所受的拉伸及彎曲載荷；
所述支撐單元包括球面副移動部分和轉動副固定部分，其中球面副移動部分由移動平臺2、球面副固定支架3、球面副活動支架4和球面副緊固螺釘5組成，轉動副固定部分由圓錐滾子軸承12、轉動副螺母13、轉動軸14和固定平臺15組成，通過球面副活動支架4、球面副緊固螺釘5和球面副移動端6組成的球面副實現移動平臺2的三自由度運動。
[0006]復合應力為基于三自由度并聯機構實現的拉伸-彎曲復合應力。所述的三個多載荷壓電驅動器呈等邊三角形拓撲安裝形式，其輸出的高頻交變位移通過由球面副移動端6、球面副固定支架3以及球面副活動支架4組成的球面副傳遞至移動平臺2，基于多模式的時序驅動電壓，三個多載荷封裝式壓電疊堆9實現多樣的軸向伸長運動的組合形式，即驅動移動平臺2實現三自由度高頻交變運動；進而，被測微尺度試件25實現不同模式的高頻拉伸-彎曲復合受載形式。
[0007]所述的氮化硅加熱片24具有不同的溫度測量行程，其兩兩對稱安裝于上夾具體26和下夾具體23的矩形卡槽中，氮化硅加熱片24根據測試溫度的需求進行插拔更換，其產生的熱量經上夾具體26和下夾具體23傳導至試件25上；當向四個氮化硅加熱片24施加不同幅值的交流電壓時，試件25的受熱環境實為具有可控溫度梯度的服役溫度場；隔熱板31和導熱板32均固定安裝在上夾具體26和下夾具體23中，其材料分別為耐高溫隔熱棉和紫銅；外層水冷管2