變角度雙軸拉伸與熱場耦合材料微觀力學性能原位測試儀

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耦合材料微觀力學性能原位測試儀，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程中的材料力學性能。其中X軸為固定軸，Y軸為動軸，通過旋轉伺服電機帶動齒圈旋轉，使Y軸可以與X軸相交任意角度。當Y軸轉到預定角度以后旋轉伺服電機停止，調整X軸和Y軸的伺服電機到適當的位置，安裝預先制作好的相交角度為30度、45度和90度的試件，再進行相應角度下的雙軸拉伸，對材料在不同相交角度下的力學性能進行表征，為研究材料在不同角度作用下的失效進行評估和預測。

關鍵詞：變角度;雙軸拉伸;原位;材料力學性能;測試儀

1 緒論

材料是社會制造業的基礎，是社會發展的必要物質條件。由于材料測試技術發展緩慢，對材料的破壞機理缺乏研究，制約著材料技術與制造業的發展。在工程實踐中經常發生材料失效而引發的重大事故如圖1所示，對經濟和生命安全造成損失。

目前，雙軸拉伸測試是一種比較常用的獲取材料力學性能參數的測試方法[1-3]。然而，材料在實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，設計一臺變角度雙軸拉伸與熱場耦合材料微觀力學性能原位測試儀變得十分必要。通過預置X軸與Y軸的夾角，并安裝與預置夾角相同度的雙軸拉伸試件，再進行雙軸拉伸測試，以模擬材料在真實服役工況下，任意角度雙軸載荷對材料變形、損傷的影響，進一步揭示材料在任意角度雙向應力下的失效機理，為服役材料在單向和復雜平面應力下的安全性設計，提供有利的參考。

2 方案設計

變角度雙軸拉伸與熱場耦合材料微觀力學性能原位測試儀的功能包括：（1）X軸固定，改變Y軸與X軸的夾角，通過旋轉伺服電機驅動齒圈帶動Y軸旋轉，進而實現X軸與Y軸夾角的改變;（2）采用兩根雙向滾珠絲杠實現雙軸拉伸;（3）利用虛擬儀器對設備進行數據采集和控制;（4）集成光學顯微鏡實現雙軸拉伸過程的原位表征;（5）實現雙軸拉伸與熱場的耦合加載，選取鹵素燈作為熱源，其功率為1000W，對于裝置采用的小型試樣，可以做到瞬間的加熱。且鹵素燈的加熱量可控，能測出材料在不同溫度場下的應變數據，實現裝置與熱場的耦合。

3 旋轉部分齒輪的設計計算

3.1 主動齒輪接觸線單位長度上的平均載荷計算及其影響因素

載荷的大小是衡量齒輪在傳動過程中是否失效的重要參數。影響載荷大小的因素很多，如電動機附加的性能、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K對平均載荷進行修正。

P—電動機功率，取0.4kW;d1—主動輪分度圓直徑，取78mm;L—齒面接觸線長度，取30mm;n—電機轉速，取960r/min;α—壓力角，取20°;K—載荷系數，（K=KAKVKαKβ）;KA—使用系數，取1.00;KV—動載系數，取1.2;Kα—齒間載荷分配系數，取1.00;Kβ—齒向載荷分配系數，取1.1。

將參數代入式（2）中得：

3.2 齒輪傳動比

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

4 變角度雙軸拉伸與熱場耦合微觀力學性能原位測試儀的設計

4.1 旋轉部分設計

儀器是為了測量試件在任意角度受力時材料的力學性能。齒圈的旋轉是實現雙軸拉伸角度調整的重要機構，是變角度雙軸拉伸原位微觀材料力學性能測試儀的突出特點如圖2所示。

裝置由旋轉伺服電機驅動第一牽引齒輪，控制整個機構的旋轉。第一牽引齒輪與從動齒圈傳動連接，帶動齒圈旋轉。而且，動齒圈的上端與旋轉板固定連接，下端與圓形導軌滑塊固定連接，帶動旋轉板隨從動齒圈發生旋轉，使X軸與Y軸夾角發生改變。利用底板上安裝的光電傳感器，可以對旋轉板旋轉的角度進行精準定位，當旋轉板轉到30度，45度時，轉動電機停止轉動。進而實現預定角度下的雙軸拉伸材料力學性能的檢測。

4.2 拉伸部分設計

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準。裝置的拉伸部分是由拉伸伺服電機、電機支座、支撐座、電機配重、聯軸器、絲杠、主動動齒輪、從動齒輪、支座蓋組成的如圖3所示。由拉伸伺服電機通過聯軸器驅動主動齒輪傳遞動力，使從動齒輪開始旋轉。從動齒輪與絲杠的一端連接傳遞扭矩，帶動絲杠等速旋轉。絲杠的每節都帶有螺紋部分都裝有梯形絲杠螺母，將絲杠旋轉的運動轉化為沿著絲杠長度方向的直線運動。絲杠工作時，通過位移傳感器和力傳感器測得材料的拉伸變形量和載荷[5]。此外，拉伸伺服電機的另外一端設有電機配重，保證裝置重心得平衡，以及旋轉板的平行度。

4.3 夾緊裝置的設計

在試樣在拉伸的過程中，通過上下夾具的夾緊力，試樣逐漸被拉伸，從而得到材料的力學性能。為了增大上下夾具的夾緊力，在上下夾具中都設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設燕尾槽。測試時，將試樣對應放置于燕尾槽中，上夾具的表面做一個燕尾的凸臺，上下夾具通過螺紋固定，可以更好的保證試樣的預緊。

4.4 加熱裝置和原位測試

變角度雙軸拉伸與熱場耦合材料微觀力學性能原位測試儀器還包括有加熱燈，加熱燈位于夾具機構右上方，用于對試件進行加熱如圖5所示。

加熱機構包括有加熱燈和底座，加熱燈可以轉換角度進行加熱，加熱臺燈固定于底座上。顯微鏡固定于可旋轉支架上方，支架上方有旋鈕，可對支架進行旋轉定位以便切換不同的角度便于觀察試件的情況，實現試樣的原位監測[6]。

5 結論

變角度雙軸拉伸與熱場耦合材料微觀力學性能原位測試儀是機電一體化雙軸拉伸材料力學性能測試儀。該裝置是X軸固定，Y軸旋轉改變與X軸的夾角，當到達預置角度時停止旋轉，裝上相應角度的試件，再進行雙軸拉伸。而且，雙軸拉伸能夠與熱場耦合，模擬不同環境溫度對材料性能的影響，可有效彌補現有儀器的不足，增強材料測試數據的可靠性。

參考文獻：

[1]蘭劍，謝官模，夏俊康，等.復合材料開孔層合板雙軸拉伸的漸進損傷[J].材料科學與工程學報，2020，38（2）：214-219.

[2]李海連，趙宏偉，羅春陽，等.雙軸拉伸-彎曲復合原位測試裝置設計與試驗[J].哈爾濱工程大學學報，2019，40（7）：1340-1346.

[3]魯國富，邱振宇，高成軍，等.基于雙軸拉伸試驗的飛艇蒙皮材料非線性分析[J].復合材料學報，2018，35（5）：1166-1171.

[4]譚慶昌，趙洪志，吳鹿鳴.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2007.

[5]楊國標，方如華，曾偉明，等.材料的雙軸拉伸的規律的研究[J].實驗力學，2006，21（005）：596-600.

[6]趙宏偉，馬志超，李秦超，等.雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學測試裝置[P].中國發明專利，CN201210105657.5.2012-08-22.

鹽城工學院教改研究項目：基于LabVIEW的測試技術與信號處理虛擬仿真實驗平臺的設計（項目編號：JYKT2019B005）

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