CN104089828A - 多功能微构件拉伸仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能微构件拉伸仪，直流步进电机通过减速箱连接两根丝杆，两根丝杆穿过固定机架连接动载物台，定载物台与压力传感器连接，丝杆与速度传感器连接，动载物台与位移传感器连接，定载物台与压力传感器连接；电加热器设置在两个载物台内，温度传感器与微构件试样连接；水冷却管道布置在动载物台和定载物台内；进出气体管道、气口控制阀、真空感应器和气氛流量传感器安装在外方内圆中空壳形件的固定机架内；CCD通过数据采集卡和中央控制系统中的电脑连接，电脑分别接收各位传感器的测量数据信号，输出控制信号给各执行实现在不同条件下的单向拉伸测试，绘制出材料单向拉伸或压缩时的应力、应变速率、应变程度、温度、环境气氛变化曲线和图形。

Description

多功能微构件拉伸仪

技术领域

本发明涉及一种构件拉伸仪，尤其是一种应用于金属材料、薄膜材料、储氢材料、碳纤维复合材料在不同温度，真空或给定气氛环境完成拉伸或压缩变形，实现应力、应变速率、应变程度、温度、环境气氛和微观组织的多组测试数据记录和对应曲线的多功能微构件拉伸仪。

背景技术

近年来，随着科学技术的发展和人们环保意识的加强，对于材料性能要求不断提高，各种新型材料不断被研发出来，包括硅基材料、复合材料、陶瓷、金属及其合金等。如汽车用钢材趋向于轻量化、节能和低成本方向发展，各种高强度钢材不断被研发出来，其中TRIP钢被公认为新一代汽车用高强度钢板，该钢材具有塑性变形诱发相变的特点，即在变形过程中，残余奥氏体转变成高强度的高碳马氏体，同时伴随着体积膨胀，抑制塑性变形的不稳定，增加均匀延伸的范围，使得材料的强度和塑性同时提高。因此，科研人员在研发新材料时，除观察材料中微观组织外，更希望分析材料在外载作用下发生变形时微观组织的变化情况。而目前高级的金相显微镜仅能连续观察金属或合金升温和降温的过程中的组织转变，如德国LEICA公司生产的高温光学显微镜，通过配置热台来连续观测室温至1500℃范围内加热或冷却过程中晶体相变情况，但尚不能实现对材料进行加载拉伸变形，研究变形过程中残余奥氏体转变成高碳马氏体的相变过程与数量情况。除此外，热成形钢板不仅需要了解加载变形时材料的应力应变情况，而且需要分析冷却速度对材料相变的影响。目前由于没有专用的光学显微镜可以加载试样并分析其相变的特点，因此目前上述的研究均采用先在万能材料实验机，或gleebe设备上进行加载变形，通过水淬后再在光学显微镜进行金相组织分析。显然这种研究方法只能通过估算和间接分析，不仅耗时、而且也不科学。因此，有必要开展的反映加载力、应变、温度与组织变化的多功能微构件拉伸仪。

发明内容

本发明是要提供一种多功能微构件拉伸仪，该拉伸仪能够在常温、高温、真空或者一定气氛条件下，不仅可以实现不同温度、不同气氛下开展微构件试样的变速加载的单向拉伸或压缩变形测试实验，完成应力、应变速率、应变程度、温度、环境气氛和微构件拉伸试样的材料微观组织形貌等六组因素数据记录和采集，给出对应曲线和图形。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下:

一种多功能微构件拉伸仪，包括中央控制系统、加热系统、冷却系统、拉伸系统、真空及气氛系统，图像采集系统、光学显微镜，其特点是: 拉伸系统由直流步进电机、减速箱、两根旋向相同丝杆、固定机架、动载物台，定载物台、位移传感器、压力传感器和速度传感器构成，直流步进电机通过减速箱连接两根旋向相同的丝杆，两根丝杆穿过固定机架连接动载物台，定载物台一侧穿过固定机架与压力传感器连接，且丝杆与速度传感器连接，动载物台与位移传感器连接，定载物台与压力传感器连接；加热系统由电加热器、温度传感器和自动升温控温系统构成，电加热器设置在动载物台和定载物台内，温度传感器与微构件试样连接；冷却系统由水冷却管道、温度传感器和冷却水循环系统构成，水冷却管道布置在动载物台和定载物台内；真空及气氛系统由进出气体管道、气口控制阀、真空感应器、气氛流量传感器、气体控制系统和真空系统构成，进出气体管道、气口控制阀、真空感应器和气氛流量传感器安装在外方内圆中空壳形件的固定机架内；图像采集系统由CCD、数据采集卡构成，光学显微镜中的CCD通过数据采集卡和中央控制系统中的电脑连接，由CCD时时采集置于内动、定载物台上的微构件试样微观组织形貌或表面形貌变化图像，并通过数据采集卡将图像信号传送电脑；中央控制系统的电脑分别接收位移传感器、压力传感器、速度传感器、温度传感器、气氛流量传感器、真空感应器发出的测量数据信号，经对比设定值后输出控制信号给加热系统、冷却系统、拉伸系统和真空及气氛系统，实现在不同温度、不同气氛、不同速度的单向拉伸测试，并接收测量反馈信号，绘制出材料单向拉伸或压缩时的应力、应变速率、应变程度、温度、环境气氛变化曲线，给出微构件试样组织与形貌变化图形。

用于微构件单向拉伸的微构件试样尺寸为长度≤30mm、宽度为≤2mm，厚度≤0.5mm的狗骨型试样，用于压缩测试的微构件试样为1mm直径，长度为3mm圆棒试样。

动、定载物台上面各通过固定螺丝固定连接用于绝缘电加热器的电流，防止整个仪器导电伤及使用者的第一、二陶瓷垫片。

固定机架的圆体空腔与定载物台、动载物台、真空感应器和气氛流量传感器之间密封连接。

本发明的有益效果是：

本发明能够对金属材料、薄膜材料、储氢材料、碳纤维复合材料在不同温度，真空或给定气氛环境拉伸或压缩状态下进行应力、应变速率、应变程度、温度、环境气氛和微观组织的测试和观察。本发明由直流步进电机经减速箱带动两根旋向相同的丝杆，丝杆穿过固定机架，直接连接动载物台，动载物台连接位移传感器，定载物台一侧穿过固定机架与压力传感器连接。丝杆与速度传感器连接。动载物台和定载物台均由陶瓷垫片，固定螺栓、电加热器、冷却水管道和温度传感器组成，与自动升温控温系统和冷却水循环系统连接，固定机架形状为一个外方内圆中空壳形件，内置进出气体管道和气口控制阀，真空感应器和气氛流量传感器，进出气口与抽气系统和气氛控制系统连接，固定机架的内圆体空腔表层用石英玻璃片封闭。所有传感器与中央电脑相连接，由中央电脑发出指令，控制微构件拉伸仪的电机旋转速度、加热温度和冷却速度、真空度以及气氛，同时通过图像数据采集系统与光学显微镜连接，记录并显示置于微构件拉伸仪内动定载物台上微构件试样的微观组织形貌或表面形貌变化。

附图说明

图1是本发明的结构俯视图；

图2是本发明的载物台立体示意图；

图3是本发明的结合侧视图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1至图3所示，一种多功能微构件拉伸仪，由中央控制系统、加热系统、冷却系统、拉伸系统和真空及气氛系统，密封系统、图像采集系统与光学显微镜七部分构成。它包括直流步进电机1、减速箱2、固定机架3、丝杆4、位移传感器5、动载物台6、微构件试样7、定载物台8、真空感应器9、气氛流量传感器10、压力传感器11、温度传感器12、石英玻璃13、进出气体管14、固定螺丝15、第一、二陶瓷垫片16、18、电加热器17、水冷却管道19、速度传感器20、气口控制阀21、 CCD22、光学显微镜23、数据采集模块24、电脑25。

拉伸系统由直流步进电机1、减速箱2、两根旋向相同丝杆4、固定机架3、动载物台6，定载物台8、位移传感器5、压力传感器11和速度传感器20构成。电机为直流步进电机，转速通过计算机控制。微构件试样7安置在动固载物台6和定载物台8之间。由直流步进电机1经减速箱2带动两根旋向相同的丝杆4，丝杆4穿过固定机架3，直接连接动载物台6，定载物台8一侧穿过固定机架3与压力传感器11连接。拉伸系统中的丝杆4与速度传感器20连接，固载物台6与位移传感器5连接，定载物台8与压力传感器11连接。直流步进电机11旋转带动丝杆4，由此动载物台6移动，带动微构件试样7拉伸或压缩。用于微构件单向拉伸的微构件试样7尺寸为长度≤30mm、宽度为≤2mm，厚度≤0.5mm的狗骨型试样，用于压缩测试的微构件试样7为1mm直径，长度为3mm圆棒试样。

加热系统由电加热器17、温度传感器22和自动升温控温系统构成，电加热器17布置在动载物台6和定载物台8内，温度传感器22与微构件试样7连接。

冷却系统由水冷却管道19、温度传感器22和冷却水循环系统构成，水冷却管道19、温度传感器22布置在动载物台6和定载物台8内。

加热系统与冷却系统共同作用，即电加热器控制微构件试样的加热速度和保温时间，通过水流速度控制加热后微构件试样的冷却速度。

真空及气氛系统由进出气体管道14、气口控制阀21、真空感应器9、气氛流量传感器10、气体控制系统和真空系统构成，其中进出气体管道14、气口控制阀21、真空感应器9和气氛流量传感器10安装在外方内圆中空壳形件的固定机架3内。通过真空感应器9测定固定机架3内圆体空腔真空度数据，气口控制阀21和真空系统控制固定机架3内圆体空腔真空度。同理，通过气氛流量感应器10测定固定机架3圆体空腔内气氛流量数据，气口控制阀21和气体控制系统控制固定机架3圆体内气氛压力。

图像采集系统由CCD22、数据采集模块24和图像处理软件构成，图像采集系统将光学显微镜23和中央控制系统连接。

光学显微镜23的镜头下置微构件拉伸仪，由CCD22时时采集置于微构件拉伸仪内动定载物台6的微构件试样7微观组织形貌或表面形貌变化，并通过数据采集卡传送中央控制系统。

中央控制系统由电脑25、所有感应器（温度、压力、位移、速度、真空和气氛）和图像采集以及分量控制系统（加热控制系统、冷却控制系统、气体控制系统和真空系统）和数据处理和图像处理软件构成，通过感应器给电脑发出测量数据，电脑对比设定值，给分量控制系统各种指令，实现在不同温度、不同气氛、不同速度的单向拉伸测试，并反馈给中央控制系统，中央控制系统接收各种测量数据，再通过数据处理软件给出材料单向拉伸或压缩时的应力、应变速率、应变程度、温度、环境气氛变化曲线，由图像处理软件给出微构件试样组织与形貌变化。

密封系统有各接口密封件和固定机架圆体空腔表层的封闭用石英玻璃片构成，以保证微构件拉伸仪真空度要求和气氛压力。

动、定载物台6、8上面各通过固定螺丝15固定连接用于绝缘电加热器的电流，防止整个仪器导电伤及使用者的第一、二陶瓷垫片16、18。固定机架3的圆体空腔与定载物台8、动载物台6、真空感应器9和气氛流量传感器10之间密封连接。

 

整个仪器工作时，将要测试的微构件试样7安装在动载物台6和定载物台8之间，通过螺栓15固定，然后封闭固定机架圆体空腔表层的用石英玻璃13。将微构件拉伸仪安装在光学显微镜23下，连接好加热控制系统、冷却控制系统、气体控制系统和真空系统以及传感器。在电脑25上设定用户所需加热温度、冷却速度、拉伸或压缩加载力、加载速度等参数。电脑25控制直流步进电机1转速，通过直流步进电机1和减速箱2带动两根旋向相同的丝杆4，由此带动动载物台6移动，由于定载物台8不动，使测试试样7就被单向拉伸或压缩。动载物台6移动时，电脑25通过控制直流步进电机1转速高低来改变动载物台6的移动速度，实行不同应变速率的单向拉伸或压缩变形，其控制电机1转速通过速度传感器20测定值与用户输入的加载速度对比值，由电脑25通过计算，控制直流步进电机1转速高低。电脑25通过安装在动载物台6和定载物台8内电加热器17对测试试样7进行加热，加热速度取决于温度传感器12的测定值与用户输入的加热速度对比差，由电脑25控制决定电加热器17的电流大小。固定机架3圆体空腔的真空度或气氛由真空感应器9和气氛流量传感器10测定值对比用户输入值，由电脑25判断并控制是否需要进一步抽真空或加大气氛流量。

Claims (4)

1.一种多功能微构件拉伸仪，包括中央控制系统、加热系统、冷却系统、拉伸系统、真空及气氛系统、图像采集系统、光学显微镜，其特征在于: 所述拉伸系统由直流步进电机(1)、减速箱(2)、两根旋向相同丝杆(4)、固定机架(3)、动载物台(6)，定载物台(8)、位移传感器(5)、压力传感器(11)和速度传感器(20)构成，直流步进电机(1)通过减速箱(2)连接两根旋向相同的丝杆(4)，两根丝杆(4)穿过固定机架(3)连接动载物台(6)，定载物台(8)一侧穿过固定机架(3)与压力传感器(10)连接，且丝杆(4)与速度传感器(20)连接，动载物台(6)与位移传感器(5)连接，定载物台(8)与压力传感器(11)连接；所述加热系统由电加热器(17)、温度传感器(22)和自动升温控温系统构成，电加热器(17)设置在动载物台(6)和定载物台(8)内，温度传感器(12)与微构件试样(7)连接；所述冷却系统由水冷却管道(19)、温度传感器(22)和冷却水循环系统构成，水冷却管道(19)布置在动载物台(6)和定载物台(8)内；所述真空及气氛系统由进出气体管道(14)、气口控制阀(21)、真空感应器(9)、气氛流量传感器(10)构成，进出气体管道(14)、气口控制阀(21)、真空感应器(9)和气氛流量传感器(10)安装在外方内圆中空壳形件的固定机架（3）内；所述图像采集系统由CCD(22)、数据采集卡(24)构成，光学显微镜(23)中的CCD(22)通过数据采集卡(24)与中央控制系统中的电脑(25)连接，由CCD(22)时时采集置于动、定载物台（6、8）上的微构件试样（7）微观组织形貌或表面形貌变化图像，并通过数据采集卡(24)将图像信号传送电脑(25)；中央控制系统的电脑(25)分别接收位移传感器(5)、压力传感器(11)、速度传感器(20)、温度传感器(12)、气氛流量传感器(10)、真空感应器(9)发出的测量数据信号，经对比设定值后输出控制信号给加热系统、冷却系统、拉伸系统和真空及气氛系统，实现在不同温度、不同气氛、不同速度的单向拉伸测试，并接收测量反馈信号，绘制出材料单向拉伸或压缩时的应力、应变速率、应变程度、温度、环境气氛变化曲线，给出微构件试样组织与形貌变化图形。

2.根据权利要求1所述的多功能微构件拉伸仪，其特征在于：用于微构件单向拉伸的微构件试样(7)尺寸为长度≤30mm、宽度为≤2mm，厚度≤0.5mm的狗骨型试样，用于压缩测试的微构件试样(7)为1mm直径，长度为3mm圆棒试样。

3.根据权利要求1所述的多功能微构件拉伸仪，其特征在于：所述动、定载物台（6、8）上面各通过固定螺丝（15）固定连接用于绝缘电加热器的电流，防止整个仪器导电伤及使用者的第一、二陶瓷垫片（16、18）。

4.根据权利要求1所述的多功能微构件拉伸仪，其特征在于：所述固定机架(3)的圆体空腔与定载物台（8）、动载物台（6）、真空感应器（9）和气氛流量传感器（10）之间密封连接。