变角度双轴拉伸与热场耦合材料微观力学性能原位测试仪

何宇杰 张祥祥 邢淳辉 王志江 侯鹏亮

摘 要：文章介绍的是一种变角度双轴拉伸与热场耦合材料微观力学性能原位测试仪，其功能是研究在X轴和Y轴相交任意角度下的双轴拉伸过程中的材料力学性能。其中X轴为固定轴，Y轴为动轴，通过旋转伺服电机带动齿圈旋转，使Y轴可以与X轴相交任意角度。当Y轴转到预定角度以后旋转伺服电机停止，调整X轴和Y轴的伺服电机到适当的位置，安装预先制作好的相交角度为30度、45度和90度的试件，再进行相应角度下的双轴拉伸，对材料在不同相交角度下的力学性能进行表征，为研究材料在不同角度作用下的失效进行评估和预测。

关键词：变角度;双轴拉伸;原位;材料力学性能;测试仪

1 绪论

材料是社会制造业的基础，是社会发展的必要物质条件。由于材料测试技术发展缓慢，对材料的破坏机理缺乏研究，制约着材料技术与制造业的发展。在工程实践中经常发生材料失效而引发的重大事故如图1所示，对经济和生命安全造成损失。

目前，双轴拉伸测试是一种比较常用的获取材料力学性能参数的测试方法[1-3]。然而，材料在实际服役中不仅仅受到的X轴与Y轴相交90度正交载荷的作用，更多的是受到了任意角度多载荷的共同作用。因此，设计一台变角度双轴拉伸与热场耦合材料微观力学性能原位测试仪变得十分必要。通过预置X轴与Y轴的夹角，并安装与预置夹角相同度的双轴拉伸试件，再进行双轴拉伸测试，以模拟材料在真实服役工况下，任意角度双轴载荷对材料变形、损伤的影响，进一步揭示材料在任意角度双向应力下的失效机理，为服役材料在单向和复杂平面应力下的安全性设计，提供有利的参考。

2 方案设计

变角度双轴拉伸与热场耦合材料微观力学性能原位测试仪的功能包括：（1）X轴固定，改变Y轴与X轴的夹角，通过旋转伺服电机驱动齿圈带动Y轴旋转，进而实现X轴与Y轴夹角的改变;（2）采用两根双向滚珠丝杠实现双轴拉伸;（3）利用虚拟仪器对设备进行数据采集和控制;（4）集成光学显微镜实现双轴拉伸过程的原位表征;（5）实现双轴拉伸与热场的耦合加载，选取卤素灯作为热源，其功率为1000W，对于装置采用的小型试样，可以做到瞬间的加热。且卤素灯的加热量可控，能测出材料在不同温度场下的应变数据，实现装置与热场的耦合。

3 旋转部分齿轮的设计计算

3.1 主动齿轮接触线单位长度上的平均载荷计算及其影响因素

载荷的大小是衡量齿轮在传动过程中是否失效的重要参数。影响载荷大小的因素很多，如电动机附加的性能、齿轮精度及装配误差、齿轮及其支承变形等。因此需引入载荷系数K对平均载荷进行修正。

P—电动机功率，取0.4kW;d1—主动轮分度圆直径，取78mm;L—齿面接触线长度，取30mm;n—电机转速，取960r/min;α—压力角，取20°;K—载荷系数，（K=KAKVKαKβ）;KA—使用系数，取1.00;KV—动载系数，取1.2;Kα—齿间载荷分配系数，取1.00;Kβ—齿向载荷分配系数，取1.1。

将参数代入式（2）中得：

3.2 齿轮传动比

Z1—主动轮的齿数，取26;Z2—从动轮的齿数，取120;则有：i=z2z1=4.62。

4 变角度双轴拉伸与热场耦合微观力学性能原位测试仪的设计

4.1 旋转部分设计

仪器是为了测量试件在任意角度受力时材料的力学性能。齿圈的旋转是实现双轴拉伸角度调整的重要机构，是变角度双轴拉伸原位微观材料力学性能测试仪的突出特点如图2所示。

装置由旋转伺服电机驱动第一牵引齿轮，控制整个机构的旋转。第一牵引齿轮与从动齿圈传动连接，带动齿圈旋转。而且，动齿圈的上端与旋转板固定连接，下端与圆形导轨滑块固定连接，带动旋转板随从动齿圈发生旋转，使X轴与Y轴夹角发生改变。利用底板上安装的光电传感器，可以对旋转板旋转的角度进行精准定位，当旋转板转到30度，45度时，转动电机停止转动。进而实现预定角度下的双轴拉伸材料力学性能的检测。

4.2 拉伸部分设计

仪器的拉伸的速度，拉伸距离以及拉伸的精度是判断仪器好坏的标准。装置的拉伸部分是由拉伸伺服电机、电机支座、支撑座、电机配重、联轴器、丝杠、主动动齿轮、从动齿轮、支座盖组成的如图3所示。由拉伸伺服电机通过联轴器驱动主动齿轮传递动力，使从动齿轮开始旋转。从动齿轮与丝杠的一端连接传递扭矩，带动丝杠等速旋转。丝杠的每节都带有螺纹部分都装有梯形丝杠螺母，将丝杠旋转的运动转化为沿着丝杠长度方向的直线运动。丝杠工作时，通过位移传感器和力传感器测得材料的拉伸变形量和载荷[5]。此外，拉伸伺服电机的另外一端设有电机配重，保证装置重心得平衡，以及旋转板的平行度。

4.3 夹紧装置的设计

在试样在拉伸的过程中，通过上下夹具的夹紧力，试样逐渐被拉伸，从而得到材料的力学性能。为了增大上下夾具的夹紧力，在上下夹具中都设有增加摩擦力的条纹如图4所示，并且在下夹具的接触表面上开设燕尾槽。测试时，将试样对应放置于燕尾槽中，上夹具的表面做一个燕尾的凸台，上下夹具通过螺纹固定，可以更好的保证试样的预紧。

4.4 加热装置和原位测试

变角度双轴拉伸与热场耦合材料微观力学性能原位测试仪器还包括有加热灯，加热灯位于夹具机构右上方，用于对试件进行加热如图5所示。

加热机构包括有加热灯和底座，加热灯可以转换角度进行加热，加热台灯固定于底座上。显微镜固定于可旋转支架上方，支架上方有旋钮，可对支架进行旋转定位以便切换不同的角度便于观察试件的情况，实现试样的原位监测[6]。

5 结论

变角度双轴拉伸与热场耦合材料微观力学性能原位测试仪是机电一体化双轴拉伸材料力学性能测试仪。该装置是X轴固定，Y轴旋转改变与X轴的夹角，当到达预置角度时停止旋转，装上相应角度的试件，再进行双轴拉伸。而且，双轴拉伸能够与热场耦合，模拟不同环境温度对材料性能的影响，可有效弥补现有仪器的不足，增强材料测试数据的可靠性。

参考文献：

[1]兰剑，谢官模，夏俊康，等.复合材料开孔层合板双轴拉伸的渐进损伤[J].材料科学与工程学报，2020，38（2）：214-219.

[2]李海连，赵宏伟，罗春阳，等.双轴拉伸-弯曲复合原位测试装置设计与试验[J].哈尔滨工程大学学报，2019，40（7）：1340-1346.

[3]鲁国富，邱振宇，高成军，等.基于双轴拉伸试验的飞艇蒙皮材料非线性分析[J].复合材料学报，2018，35（5）：1166-1171.

[4]谭庆昌，赵洪志，吴鹿鸣.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2007.

[5]杨国标，方如华，曾伟明，等.材料的双轴拉伸的规律的研究[J].实验力学，2006，21（005）：596-600.

[6]赵宏伟，马志超，李秦超，等.双轴向拉伸/压缩模式扫描电镜下力学测试装置[P].中国发明专利，CN201210105657.5.2012-08-22.

盐城工学院教改研究项目：基于LabVIEW的测试技术与信号处理虚拟仿真实验平台的设计（项目编号：JYKT2019B005）

*通讯作者：侯鹏亮（1977— ），男，博士，副教授，主要从事复合载荷下材料微观力学性能原位测试技术与虚拟仪器研究。