双轴拉伸原位力学测试装置的设计分析与试验研究

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1、双轴拉伸原位力学测试装置的设计分析与试验研究DesignAnalysisandExperimentalResearchofanIn-situBiaxialTensileDeviceforCharacterizingMechanicsofMaterials作者姓名：鲁帅专业名称：机械制造及其自动化指导教师：赵宏伟教授学位类别：工学硕士答辩日期：2015年05月30日本文工作主要得到下列项目资助1、国家高技术研究发展计划(863)重大项目“跨尺度原位力学测试新技术与仪器装备的开发制造”（2012AA041206），2011.1

2、2-2015.122、国家自然科学基金项目“接近服役条件下材料微观力学性能原位测试新技术的研究”（51275198），2013.01-2016.123、国家自然科学基金优秀青年基金“材料微观力学性能原位测试技术与应用”（51422503），2015.01-2017.124、教育部新世纪优秀人才支持计划“材料微观力学性能原位测试技术与仪器”（NCET-12-0238），2013.01-2016.12摘要双轴拉伸原位力学测试装置的设计分析与试验研究在实际服役中,材料将不可避免的承受多种载荷的复合作用，这种复杂的受力状态会加剧材

3、料的失效和破坏，由于双轴拉伸测试能够模拟多种平面应力状态，有关十字形试件双轴拉伸的研究受到了研究者的广泛关注。近年来，利用商业化成像设备，集成材料试验机，对试验过程中材料的失效和破坏过程进行实时观测，研究材料的微观破坏机理，这种测试方式逐渐发展成为一种原位测试技术。通过原位观测与双轴拉伸测试技术结合，获得材料接近服役条件下的微观破坏机理，成为材料测试技术的研究热点。但现有双轴拉伸测试装置也存在体积较大，不利于同显微成像装置进行集成的问题，导致有关双轴拉伸原位测试技术的研究开展的较少。国外虽然已有商业化的小型双轴拉伸原位测试

4、装置出现，但功能较为单一，价格昂贵，且不易引进。国内在双轴拉伸原位测试方面发展较晚，还没有成熟的商业化产品出现。因此，开发具有自主知识产权的双轴拉伸力学原位测试装置，对于推动我国的接近服役条件下材料的微观破坏机理的研究具有重大意义。本文针对这一需求，在对国内外现有的原位双轴拉伸测试装置进行了综合的分析与评述基础之上，自制了一套新型双轴双向拉伸原位力学测试装置。论文主要工作如下：1、根据国内外原位双轴拉伸试验装置的研发现状，提出了新型双轴拉伸原位力学测试装置的设计方案，对工作原理进行了分析，对关键零件进行了静力学校核和有限元

5、分析、模态分析，根据分析结果，优化了装置结构，完成了装置的制造和装配。2、完成了测试系统机械单元和电控单元的集成调试。标定了力和位移传感器。对装置的重复性进行了验证试验。针对试验测得的应变值过大，导致弹性模量偏小，首先用一种算法，修正了试件过渡段和夹持段变形对测试的影响；其次，用实验的方法，测试了装置在加载时所发生的变形，发现机架变形同加载力存在一种线性关系，对机架变形提出一种修正方法。使用校准后的装置进行了准确性的验证试验，完成了多组单轴拉伸试验，并与标准试验机试验结果做对比，结果曲线和各项力学参数均相符，验证了装置的可

6、靠性和准确性。3、对典型金属材料6061铝、紫铜、AZ31B镁合金在双向应力下的力学性能开展试I验研究。通过有限元仿真分析方法，根据单轴试验得到的材料力学参数，对双轴拉伸试验进行模拟，之后对试件进行双轴拉伸试验，仿真结果与试验结果相一致，验证了仿真分析的正确性；开展了变温条件下的紫铜的双轴拉伸试验，发现随温度升高，紫铜强度和延伸率逐渐降低；针对双轴拉伸试验过程中试件的变形行为进行研究，对用6061铝制备的十字形试件在标距段边缘产生的非线性形变提出了一种指数拟合方法；针对紫铜试件表面微缺陷，在受双向拉力时的变形行为进行了研究

7、，发现受双向应力将加剧表面压痕形貌的扩大与压痕深度的减小，对试件施加适当大小的双向应力，将有利于试件表面保持平整；对AZ31B镁合金进行了原位双轴拉伸力学测试，观测了镁合金的金相组织在试验中的塑性变化，发现微观组织变化同试件宏观上的断裂失效现象的对应关系，验证了材料宏观上的破坏失效，是源自微观组织破坏和变化的聚集与扩展。关键词：双轴拉伸，复合载荷，原位测试，力学性能，测试装置IIABSTRACTDesignAnalysisandExperimentalResearchofanIn-situBiaxialTensileDev

8、iceforCharacterizingMechanicsofMaterialsIngeneralserviceconditions,materialsalwaysinevitablyundergocomplicatedloads.Itwillaggravatefailureandfractureoft