材料原位力学试验机拉伸模块设计与试验研究

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1、材料原位力学试验机拉伸模块设计与试验研究DesignandExperimentalResearchonTensileModuleofIn-SituMechanicalTestingMachineofMaterials作者姓名：缑旭专业名称：机械电子工程指导教师：尚涛教授学位类别：工学硕士答辩日期：2015年5月30日摘要材料原位力学试验机拉伸模块设计与试验研究材料性能研究在半导体、航空航天、武器国防、汽车制造、微型传感器、大型装备制造和绿色新能源产业等领域中有着广泛的应用。传统材料力学测试对于试件在测试过程中的各种微观形貌的变化并没有足够的研究，而原位测试则可以获得这些详实的变化形貌图片，这

2、在材料破坏机理研究上的优势非常明显。在实际工作条件中，常规结构材料不会仅在常温下受到单一载荷的作用，更多情况下会受到多种载荷共同的作用。而功能材料作为具备特殊的物理、化学及生物学效应的特殊材料，更多情况下是在多物理场环境下工作。可见，无论是结构材料还是功能材料，在实际工况下大多会受到复杂物理环境和复合载荷的影响。因此对于材料而言，研究其在多物理场和多载荷环境下的力学性能研究无论对于生产生活还是学术研究都具有非常重要的意义。目前国内外原位测试力学研究得到较快发展，但仍局限于普通结构材料的单一载荷试验，针对特殊材料的多载荷和多物理场试验研究还并不多见。针对以上问题，本文以常规结构材料为主，结合功

3、能材料，开展了多载荷多物理场微观性能原位力学试验机的研制，提出了用于修正测试参数的理论算法，并开展了拉扭复合载荷试验和多物理场条件下的材料力学试验研究。本文从多载荷多物理场的角度出发，研制了材料原位力学试验机的拉伸模块部分，研究了其中涉及的结构设计、有限元分析和校核等问题。开发出一种新的试验机冷却系统，系统采用环形槽结构，通过水冷却方式对机体实现隔热降温，并通过隔热试验验证了该冷却系统的可靠性和安全性。针对拉伸测试参数的准确性，本文分别从试件夹持变形、机体受力变形和主轴同轴度三个因素分析了测试参数误差产生的原因，并相应提出了三种修正参数值的理论算法，研究了不同因素对于拉伸测试参数的影响量。通

4、过研究计算发现，试件夹持变形和机体受力变形对拉伸测试结果影响较明显，因此以二者修正算法为基础，建立了整体的参数修正算法公式。本文利用研制的试验机，针对常规结构材料和功能材料开展了原位拉伸试验，获得了N6镍的拉伸过程形貌变化图像，了解了N6镍的拉伸断裂过程。针I对5052铝开展了拉扭复合试验，研究了机体拉伸速率和扭转速率对材料力学性能参数的影响关系。针对Q235钢和N6镍，结合热、磁等外加物理场最大限度的模拟材料构件的真实工况，与常规环境试验下的材料试件相对比，分析研究热场和磁场对材料力学参数的影响关系。关键词：拉伸，原位测试，修正算法，多载荷，多物理场IIAbstractDesignande

5、xperimentalresearchontensilemoduleofin-situmechanicaltestingmachineofmaterialsIthasbeenwidelyusedinthefieldsofemiconductor,aerospace,defense,automotivemanufacturing,weapons,sensors,largeequipmentmanufacturingandnewenergyindustryaboutstudyingonthepropertiesofthematerials.Thereisnotenoughresearchabou

6、tchangesonmorphologyofspecimenintheprocessofthetraditionalmechanicsofmaterialstesting,butin-situtestingcanobtainthedetailedimageofit,whichisadvantagedobviouslyintheresearchofthematerialdamagemechanism.Intheactualworkingconditions,thematerialcan`tbestressedbythesingleloadatroomtemperature,moreoften,

7、itmaybestressedbytheeffectofmultiplephysicsfieldormultipleloads.Functionalmaterialsisaspecialmaterialthathasphysical,chemicalandbiologicaleffectsspecially,andalwaysworkinenvironmentofmultiplephysicalfieldin