一种适用于中子衍射欧拉环用拉扭复合原位测试仪
阅读说明：本技术 一种适用于中子衍射欧拉环用拉扭复合原位测试仪 (One kind being suitable for neutron diffraction Euler ring tension-torsion composite in-situ tester ) 是由 刘蕴韬 张月锋 韩基石 陈东风 李眉娟 孙凯 白若玉 刘晓龙 陈星雨 侯宇晗 李 于 2019-08-14 设计创作，主要内容包括：本发明属于中子衍射技术领域,具体涉及一种适用于中子衍射欧拉环用拉扭复合原位测试仪。包括通过支撑座设置在底板上的驱动单元和试样拉伸单元,驱动单元通过传动单元带动试样拉伸单元对试样进行拉伸试验,驱动单元上设有位移检测单元,位移检测单元用于检测在拉伸试验中试样产生的位移；试样拉伸单元设有用于测定对试样进行拉伸的拉力的负荷测试装置；还包括中央控制器,中央控制器用于计算位移检测单元提供的位移信号和负荷测试装置所提供的拉力信号,并进行模拟转换后输出。该装置实现了中子衍射方法在线原位测试材料内部晶粒的织构分布,有效解决现有力学测试设备体积大、结构复杂、只能进行离线测量、维护费用高昂的问题。(The invention belongs to neutron diffraction techniques fields, and in particular to one kind is suitable for neutron diffraction Euler ring tension-torsion composite in-situ tester.Including the driving unit being arranged on bottom plate by support base and sample draw unit, driving unit drives sample draw unit to carry out tension test to sample by gear unit, driving unit is equipped with displacement detecting unit, and displacement detecting unit is used to detect the displacement that sample generates in tension test；Sample draw unit is equipped with the load test device for measuring the pulling force stretched to sample；It further include central controller, central controller is used to calculate pulling force signal provided by the displacement signal and load test device of displacement detecting unit offer, and exports after carrying out analog-converted.The arrangement achieves the distribution of the texture of the online in-situ test material internal crystal grain of neutron diffraction method, effectively solve the problems, such as that existing mechanical test equipment volume is big, structure is complicated, it is high to carry out off-line measurement, maintenance cost.)
技术领域
本发明属于中子衍射技术领域，具体涉及一种适用于中子衍射欧拉环用拉扭复合原位测试仪。
背景技术
中子衍射技术研究多晶材料内部的织构对于工业应用、新材料研制意义重大。中子衍射方法具有吸利用收系数低、穿透样品能力强、测量精度高、可以测量磁结构等优势，在航空航天、核电等领域均有广泛应用。
材料在服役过程中会受到不同程度的应力作用，会对材料造成影响。多晶材料的宏观力学性能主要取决于内部晶粒的取向分布，因此需要分析在外力作用下材料的微观晶粒排列情况。传统的材料力学试验都是在大型试验机上的离位完成的，同时现有的原位测试装置只能提供单一的拉伸或扭转力的载荷作用，无法研究材料在多元外力作用下原子结构或磁性结构的变化。为了最大程度模拟实际工况，需要发明设计能够进行原位应力加载的织构测试装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以实现在在纳米尺度下对材料进行原位应力测试的中子衍射原位织构测试装置。该原位装置集成在中子衍射原位织构测试装置的欧拉环上，可同时加载拉伸、扭转、旋转等功能，测试从开始施加载荷到最终卸载过程中，通过中子衍射成像方法对材料发生的微观形变进行全程动态监，在线表征材料织构分布。为深入揭示材料微织构分布与载荷作用的相关性规律的分析提供技术支持。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种适用于中子衍射欧拉环用拉扭复合原位测试仪，包括通过支撑座设置在底板上的驱动单元和试样拉伸单元，所述驱动单元通过传动单元带动所述试样拉伸单元对试样进行拉伸试验，所述驱动单元上设有位移检测单元，所述位移检测单元用于检测在所述拉伸试验中所述试样产生的位移；所述试样拉伸单元设有用于测定对所述试样进行拉伸的拉力的负荷测试装置；还包括中央控制器，所述中央控制器用于计算所述位移检测单元提供的位移信号和所述负荷测试装置所提供的拉力信号，并进行模拟转换后输出。
进一步，所述传动单元包括设置在所述支撑座上的第二同步轮组件；所述驱动单元包括旋转电机和与所述旋转电机串联的减速装置，所述减速装置与所述第二同步轮组件相连，使得所述旋转电机的动力带动所述第二同步轮组件。
进一步，所述试样拉伸单元包括平行设置在所述底板上的第一丝杠和第二丝杠，所述第一丝杠的顶端和所述第二丝杠的顶端靠近所述支撑座，所述第一丝杠的顶端与所述第二同步轮组件相连，同时所述第一丝杠的顶端和所述第二丝杠的顶端通过同步带相连，使得所述第一丝杠和所述第二丝杠能够随所述第二同步轮组件的旋转而旋转；所述第一丝杠和所述第二丝杠上穿设有前移动横梁和后移动横梁，所述前移动横梁靠近所述第一丝杠和所述第二丝杠的顶端，所述后移动横梁靠近所述第一丝杠和所述第二丝杠的尾端，所述第一丝杠和所述第二丝杠为左右旋型丝杠，所述前移动横梁和所述后移动横梁能够随着所述第一丝杠和所述第二丝杠的正向旋转或者反向旋转沿着所述第一丝杠和所述第二丝杠做相互靠近或者相互远离的位移，所述前移动横梁上设有前夹具主体，所述后移动横梁上设有后夹具主体，所述试样通过所述前夹具主体和所述后夹具主体固定在所述前移动横梁和所述后移动横梁之间，并随着所述前移动横梁和所述后移动横梁的相互远离实现所述拉伸试验。
进一步，所述位移检测单元设置在所述旋转电机上，用于记录所述旋转电机的旋转圈数，从而计算出所述前移动横梁和所述后移动横梁相对运动对所述试样进行拉伸的位移量作为所述位移信号，并将所述位移信号输入至所述中央控制器，由所述中央控制器模拟转换后输出。
进一步，所述试样拉伸单元还包括设置在所述前夹具主体上的前夹头，设置在所述后夹具主体上的后夹头，所述前夹头和所述后夹头用于将所述试样固定在所述前移动横梁和所述后移动横梁之间。
进一步，所述负荷测试装置设置在所述前移动横梁和所述前夹具主体之间，所述负荷测试装置的测试中心与所述前夹具主体以及所述后夹具主体所形成的测试轴线同轴，所述负荷测试装置的测力点在所述前移动横梁和所述后移动横梁产生的拉伸方向上。
进一步，还包括设置在所述试样拉伸单元上的同步旋转单元，用于驱动所述试样拉伸单元带动所述试样进行旋转。
进一步，
所述同步旋转单元包括同步旋转电机和第一同步轮组件和第一拉伸旋转轴和第二拉伸旋转轴；
所述前移动横梁上设置一台所述同步旋转电机，所述前夹具主体上设置所述第一拉伸旋转轴，所述同步旋转电机通过一根所述第一同步轮组件带动所述第一拉伸旋转轴旋转，从而带动所述前夹具主体旋转；
所述后移动横梁上设置一台所述同步旋转电机，所述后夹具主体上设置所述第二拉伸旋转轴，所述同步旋转电机通过一根所述第一同步轮组件带动所述第二拉伸旋转轴旋转，从而带动所述后夹具主体旋转；
两台所述同步旋转电机的转速和转向能够保持一致，从而实现所述前夹具主体和所述后夹具主体带动所述试样旋转。
进一步，所述前夹具主体包括前夹头和锁紧螺母，并通过销子固定在与所述前夹具主体相连的所述第一拉伸旋转轴上；所述后夹具主体包括后夹头和锁紧螺母，并通过销子固定在与所述后夹具主体相连的所述第二拉伸旋转轴上，所述试样固定在所述前夹具主体的所述锁紧螺母和所述后夹具主体的所述锁紧螺母中间，所述锁紧螺母用于将所述试样的两端分别固定在所述前夹头和所述后夹头上。
本发明的有益效果在于：
(1)实现了中子衍射方法在线原位测试材料内部晶粒的织构分布。通过将原位力学测试装置与中子衍射织构装置的欧拉环集成的方式，有效解决现有力学测试设备体积大、结构复杂、只能进行离线测量、维护费用高昂的问题；
(2)非线性校正技术提高测量精度。对力传感器采用非线性校正技术及自动调零技术，极大的提高了整机的测量精度；
(3)多种保护功能确保实验安全高效进行。例如实验时超最大负荷10﹪时自动停机；动横梁位移速度驱动系统过流自动停机；动横梁位移超上、下限位置自动保护功能。
(4)数据分析处理过程简洁、高效。软件单元可运行在Win7/Win10平台上，中文或英文操作界面对实验数据进行实时采集、显示与存储，并实时绘制实验曲线；在一个数据处理界面中可以完成数据统计、修改试样尺寸、图形叠加、特征数据标记、单位变换等数据操作。
附图说明
图1是本发明
具体实施方式
中所述的一种适用于中子衍射欧拉环用拉扭复合原位测试仪的示意图；
图2是本发明具体实施方式中所述的支撑座及传动单元的示意图；
图3是本发明具体实施方式中所述的驱动单元的示意图；
图4是本发明具体实施方式中所述的试样拉伸单元的示意图；
图5是本发明具体实施方式中所述的前夹具主体和后夹具主体的示意图；
图6是本发明具体实施方式中所述的同步旋转单元的示意图；
图中：1-底板，2-同步旋转单元，3-传动单元，4-支撑座，5-驱动单元，6-位移检测单元，7-负荷测试装置，8-试样拉伸单元，9-旋转电机，10-减速装置，11-同步旋转电机，12-第一同步轮组件，13-第一拉伸旋转轴，14-第二同步轮组件，15-第一丝杠，16-第二丝杠，17-前移动横梁，18-后移动横梁，19-前夹具主体，20-后夹具主体，21-前夹头，22-锁紧螺母，23-后夹头，24-销子，25-试样,26-第二拉伸旋转轴。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，本发明提供的一种适用于中子衍射欧拉环用拉扭复合原位测试仪，包括底板1、同步旋转单元2、传动单元3、支撑座4、驱动单元5、位移检测单元6、负荷测试装置7、试样拉伸单元8以及中央控制器等部件(中央控制器未标出)。
驱动单元5和试样拉伸单元8通过支撑座4设置在底板1上，驱动单元5通过传动单元3带动试样拉伸单元8对试样25进行拉伸试验，驱动单元5用于提供试样拉伸的动力；
传动单元3用于将该动力传递至试样拉伸单元8，试样拉伸单元8用于对试样25进行拉伸；
位移检测单元6设置在驱动单元5上，用于检测在拉伸试验中试样25产生的位移；
负荷测试装置7设置在试样拉伸单元8上，用于测定对试样25进行拉伸的拉力；
同步旋转单元2设置在试样拉伸单元8上，用于驱动试样拉伸单元8带动试样25进行旋转；
中央控制器与位移检测单元6和负荷测试装置7相连，用于计算位移检测单元6提供的位移信号和负荷测试装置7所提供的拉力信号，并对位移信号和拉力信号进行模拟转换后输出。
如图2所示，传动单元3包括支撑座4和设置在支撑座4上的第二同步轮组件14。
如图3所示，驱动单元5包括旋转电机9和与旋转电机9串联的减速装置10，减速装置10与第二同步轮组件14相连，使得旋转电机9的动力带动第二同步轮组件14。
如图4所示，试样拉伸单元8包括平行设置在底板1上的第一丝杠15和第二丝杠16，第一丝杠15和第二丝杠16接受传动单元3所传递扭矩，第一丝杠15的顶端和第二丝杠16的顶端靠近支撑座4，第一丝杠15的顶端与第二同步轮组件14相连，同时第一丝杠15的顶端和第二丝杠16的顶端通过同步带相连，使得第一丝杠15和第二丝杠16能够随第二同步轮组件14的旋转而旋转；第一丝杠15和第二丝杠16上穿设有前移动横梁17和后移动横梁18，前移动横梁17靠近第一丝杠15和第二丝杠16的顶端，后移动横梁18靠近第一丝杠15和第二丝杠16的尾端(即前移动横梁17靠近支撑座4，后移动横梁18远离支撑座4)，第一丝杠15和第二丝杠16为左右旋型丝杠；当第一丝杠15和第二丝杠16做正向旋转时(顺时针)，前移动横梁17和后移动横梁18能够随着第一丝杠15和第二丝杠16的正向旋转沿着第一丝杠15和第二丝杠16做相互靠近的位移；当第一丝杠15和第二丝杠16做反向旋转时(逆时针)，前移动横梁17和后移动横梁18能够随着第一丝杠15和第二丝杠16的反向旋转沿着第一丝杠15和第二丝杠16做相互远离的位移。前移动横梁17上设有前夹具主体19，后移动横梁18上设有后夹具主体20，试样25通过前夹具主体19和后夹具主体20固定在前移动横梁17和后移动横梁18之间，并随着前移动横梁17和后移动横梁18的相互远离实现拉伸试验。
如图5所示，试样拉伸单元8还包括设置在前夹具主体19上的前夹头21，设置在后夹具主体20上的后夹头23，前夹头21和后夹头23用于将试样25固定在前移动横梁17和后移动横梁18之间。
如图5所示，前夹具主体19包括前夹头21和锁紧螺母22，并通过销子24固定在与前夹具主体19相连的第一拉伸旋转轴13上；后夹具主体20包括后夹头23和锁紧螺母22，并通过销子24固定在与后夹具主体20相连的第二拉伸旋转轴26上，试样25固定在前夹具主体19的锁紧螺母22和后夹具主体20的锁紧螺母22中间，锁紧螺母22用于将试样25的两端分别固定在前夹头21和后夹头23上。
如图1所示，位移检测单元6设置在旋转电机9上(位移检测单元6与旋转电机9固定连接)，用于记录旋转电机9的旋转圈数，从而计算出前移动横梁17和后移动横梁18相对运动对试样25进行拉伸的位移量作为位移信号，并将位移信号输入至中央控制器，由中央控制器模拟转换后输出。
如图4、图6所示，负荷测试装置7设置在前移动横梁17和前夹具主体19之间，负荷测试装置7的测试中心与前夹具主体19以及后夹具主体20所形成的测试轴线同轴，负荷测试装置7的测力点在前移动横梁17和后移动横梁18产生的拉伸方向上。
如图6所示，同步旋转单元2包括同步旋转电机11、第一同步轮组件12、第一拉伸旋转轴13和第二拉伸旋转轴26；
前移动横梁17上设置一台同步旋转电机11，前夹具主体19上设置第一拉伸旋转轴13，第一拉伸旋转轴13与前夹具主体19同轴，同步旋转电机11通过一根第一同步轮组件12带动第一拉伸旋转轴13旋转，从而带动前夹具主体19旋转；
后移动横梁18上设置一台同步旋转电机11，后夹具主体20上设置第二拉伸旋转轴26，第二拉伸旋转轴26与后夹具主体20同轴，同步旋转电机11通过一根第一同步轮组件12带动第二拉伸旋转轴26旋转，从而带动后夹具主体20旋转；
两台同步旋转电机11的转速和转向能够保持一致，从而实现前夹具主体19和后夹具主体20带动试样25旋转。
参照图1～6对本发明所提供的一种适用于中子衍射欧拉环用拉扭复合原位测试仪的工作原理及方法进行说明。当试样25安装于前夹具主体19和后夹具主体20上，将锁紧螺母22锁紧，此时试样25安装固定完成。旋转电机9旋转并通过减速装置10驱动第二同步轮组件14，将转矩传递给第一丝杠15、第二丝杠16，由于第一丝杠15和第二丝杠16为左右旋型丝杠，故当第一丝杠15和第二丝杠16旋转时，带动前移动横梁17、后移动横梁18相对中心位置同时向相反方向运动，从而对试样25进行拉伸，并保证了试样观测点始终在视野中间位置。位移检测单元6与旋转电机9固定连接，记录旋转电机9旋转圈数，可计算出前移动横梁17、后移动横梁18相对运动对试样25进行拉伸位移量，并可将位移信号输入至中央控制器并形成相应信息输出。由此可根据负荷测试装置7及位移检测单元6分别输入的信号，经由中央控制器可输出相应的力-位移曲线，从而得出试样25的力学性能。
由于上述拉扭复合原位测试仪是将试样25至于中子衍射下进行测试，可通过控制旋转电机9的启停来控制整个试验过程的启停，由此可实现微观定点定时观测试样25被拉伸时的微观状态。
本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。