(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210741163.X (22)申请日 2022.06.28 (71)申请人 西南交通大 学 地址 610031 四川省成 都市金牛区二环路 北一段111号 (72)发明人 钱伟建　吴圣川　张万恩　奥妮　 吴正凯　 (74)专利代理 机构 成都信博专利代理有限责任 公司 5120 0 专利代理师 舒启龙 (51)Int.Cl. G01N 3/18(2006.01) G01N 3/38(2006.01) G01N 3/02(2006.01) G01N 3/04(2006.01)G01N 23/04(2018.01) G01N 23/05(2006.01) G01N 23/207(2006.01) (54)发明名称 基于同步辐射和中子的材料高温拉伸和疲 劳试验机及方法 (57)摘要 一种基于同步辐射和中子的材料高温拉伸 和疲劳试验机及方法， 上腔体部件结构为： 圆台 形的上腔体的侧板上均布有4个卤素灯和4个石 英观察窗； 下腔体部件上、 下对称地设置在上腔 体部件下方， 石英透射窗嵌设在上、 下腔体底板 的卡槽中从而形成密闭腔室， 夹固试样的上、 下 夹具分别伸入密闭腔室内， 上夹具上部与伺服电 机的滚珠丝杠连接； 水冷机构与上、 下腔体内的 夹套连通， 下腔体上有通入 氧气或惰性气体的接 口， X射线发生器和接收器位于石英透射窗两侧； 下夹具上设有声音传感器。 本发 明能准确反映极 端高温、 气体氛围及外力载荷对 材料服役性能的 耦合作用， 为理论研究和实践提供宝贵的实验数 据。 权利要求书3页 说明书8页 附图3页 CN 115078118 A 2022.09.20 CN 115078118 A 1.一种基于同步辐射和中子的材料高温拉伸和疲劳试验机， 其特征在于， 上腔体部件 结构为： 上腔 体 （16） 为由顶板、 底板以及侧板围合而成的圆台形， 上腔 体侧板上均布 安装有 四个卤素灯 （26） ， 该四个卤素灯分别与上腔 体轴线呈45°伸入上腔 体内， 上腔 体侧板上还均 布安装有四个石英观察窗 （30） ； 下墙体部件位于上腔体部件下方， 且与上腔体部件结构相 同、 上下对称设置;圆筒状的石英透射窗 （15)嵌设在上腔体底板和下腔体 （14)底板二者的 卡槽中;下夹具 （29)底部经螺钉固定在底座 （7)上,底座 （7)固定在四轴样品台 （6)上,下夹 具顶部从下腔体顶板孔中伸入下腔体内.往复驱动机构由伺服电机 （2)通过联轴器 （22)连 接滚珠丝杆 （20)组成； 往复驱动机构安装在由四根支撑杆 （24） 固定在支撑板 （23） 底 面构成 的支撑平 台上， 支撑平 台固定在上腔体顶板上； 上夹具 （25） 底部经螺钉固定在连接杆 （18） 底部， 连接杆顶部连接拉压传感器后固定在滚珠丝杠 （20） 底部， 上夹具顶部从上腔体顶板 孔中伸入上腔体内； 上、 下夹具 （25、 29） 结构相同， 上下对称设置； 上夹具 （25） 由柱状主体 （25b） 和连接球 （25a） 组成， 柱状主体 （25b） 下部有一由圆柱状盲孔和条形开口组成的凹槽； 试样 （27） 上、 下端分别旋接在上、 下夹具的两个连接球 （25a、 29a） 上， 且两个连接球 （25a、 29a） 分别套装在上、 下夹具的两个柱状主体 （25b、 29b） 的两个凹槽中； X射线发生器 （3） 和X 射线接收器 （11） 分别位于石英透射窗 （15） 左、 右两侧； 位于上腔体一侧的中子发射器 （3b） 和位于下腔 体一侧的中子透射接收器 （11b） 之间的光路穿过上、 下腔 体的对应石英观 察窗， 两个中子衍射接收器 （11d、 11c） 分别位于下腔体一侧和上腔体一侧； 水冷机构 （1） 通过管路 分别与上、 下腔体二者侧板和顶板上的夹套连通， 该两个夹套上均设有出水口； 与氧气瓶 （2） 连接的气泵 （4） 以及与惰性气体瓶 （12） 连接的另一气泵 （10） 分别经管路与下腔体连通； 用于监测试样加载断裂的声音传感器设置在位于下腔体内的下夹具的柱状主体 （29b） 上， 声音传感器以及拉压传感器二 者的输出信号分别接 至单片机 （5） 的输入端。 2.根据权利要求1所述一种基于同步辐射和中子的材料高温拉伸和疲劳试验机， 其特 征在于， 还具有与伺服电机 （21） 连接的电机控制器 （13） 。 3.根据权利要求1所述一种基于同步辐射和中子的材料高温拉伸和疲劳试验机， 其特 征在于， 所述上、 下夹具的二者的柱状主体 （25b、 29b） 分别与上、 下腔体 （16、 14） 二者顶板的 孔之间设置有动态密封结构 （17） ； 上腔体部件中， 四个卤素灯 （26） 以及四个石英观察窗 （30） 与上腔体侧板的对应孔之间均安装有密封圈； 气泵 （4） 和另一气泵二者管路与下腔体 的连接处均设置有密封圈。 4.根据权利要求1或2或3所述一种基于同步辐射和中子的材料高温拉伸和疲劳试验 机， 其特征在于， 所述上腔体 （16） 的侧板和底板之间的夹角为 45°。 5.一种采用权利要求1或2或3或4所述疲劳试验机的试验方法， 其特征在于， 包括以下 步骤： 首先将试验机各部分组装、 连接完毕， 然后将原位试验机的四轴样品台置于支撑台 （8） 上， 安装位置根据X射线高度调整， 通过激光定位系统精确定位样品测试位置， 保证X射线穿 过试样感兴趣区域， 校准样品台及试验机轴线然后根据待测样品材质、 大小和试验目的， 确 定成像视场大小和X射线能量 等试验参数； 试验开始时， 经石英观察窗将试样两端分别安装于上、 下夹具端部凹槽内， 随后 通过气 泵 （4） 或另一气泵 （10） 将氧气瓶或惰性气体瓶中的气体通入上、 下腔体以及石英透射窗共 同构成的封闭腔室， 完成气 体环境调整后关闭气泵或另一气泵， 以避免腔 体内部空气流动，权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115078118 A 2卤素灯在卤素灯控制器控制下对试样测试段进行加热， 同时启动水冷机构使得上、 下腔体 以及上、 下夹具保持室温 温度； 根据实验目的和实验材料， 确定实验中的应力加载条件， 其中疲劳试验仅适用于正应 力比加载， 推荐应力比取值为0.1， 加载频率范围为1～100  Hz， 应力水平推荐使用75%、 55%、 40%、 30%的静强度作为分级的最大值； 当 由高温光学双色测温仪测得的试样表面温度达到 预期水平后， 通过电机控制 器控制伺服电机将电信号转化成机械信号传递给联轴器， 并转 化为滚珠丝杠输出的往复轴向位移， 由拉压传感的测量读取的实际加载应力大小 经连接杆 传递， 通过 上、 下夹具间的相对移动作用于试样上； 拉伸单调加载一定大小或疲劳循环加载一定周次后， 当通过声音传感器采集到突发型 或连续型信号时， 表明试样发生损伤， 此时即控制伺服电机停止转动， 并适当减小静态加载 水平使样品在保持损伤状态不发生进一 步恶化的同时确保损伤特 征清晰可 见； 此时， 可在X射线接收器未开启的条件下通过石英观察窗进行直接观察； 或启动X射线 发生器， 控制四轴样品台旋转并带动试验机主体及内部试样匀速旋转180度， 旋转过程中， 同时通过X射线接收器接收X射线发生器发出并穿过石英观 察窗及试样的X射线以采集图像 数据， 完成对试样当前损伤状态的18 0度成像后， 再次对 试样进行进一步拉伸或特定循环周 次的疲劳加载， 重复以上操作， 直至 达到预期的损伤状态或循环周次， 关闭X射线发生器； 对所得图像数据进行重构完成材料内部三维形貌表征， 三维展示拉伸或疲劳试验过程 中的材料损伤历程； 基于中子束的原位透射或衍 射试验步骤： 1)首先将试验机各部分组装、 连接完毕， 然后将原位试验机安装在中子谱仪样品台上， 需要注意的是， 由于试验原理不同， 此时需水平 放置试验机主体； 试验机的安装位置要根据 现场中子束流条件调整， 通过激光定位系统精确定位样品测试位置， 确保入射和衍射 （或透 射） 中子束流路径经过样品测试段； 然后根据待测样品特性和试验要求， 确定测试中子波长 范围和中子谱仪运行模式等试验方案； 2)试验开始时， 经30将27两端分别安装于25、 29端部凹槽内， 随后通过4或10将2 或12中 的气体通入14及16共同构成的封闭腔室； 完成气体环境调整后 关闭4或10以避免腔体内部 空气流动； 26在9控制下对27测试 段进行加热， 同时启动1使得14、 16、 25、 2 9保持室温 温度； 3)根据实验目的和实验材料， 确定实验中的应力加载条件； 其中疲劳试验仅适用于正 应力比加载， 推荐应力比取值为0.1， 加载频率范围为1～100  Hz， 应力水平推荐使用75%、 55%、 40%、 30%的静强度作为分级的最大值； 当由31测得的27表面 温度达到预期水平后， 通过 13控制21将电信号转化 成机械信号传递给22并转化为20输出的往复轴向位移； 由19测量读 取的实际加载应力大小经18传递， 通过25、 2 9间的相对移动作用于27 上； 4)拉伸单调加载一定大小或疲劳循环加载一定周次后， 当5通过传感器采集到突发型 或连续型信号时表明27发生损伤， 此时即控制21停止转动并适当减小静态加载水平使样品 在保持损伤状态不发生进一 步恶化的同时确保损伤特 征清晰可 见； 5)此时， 可在中子发生器未开启的条件下通过石英观察窗进行直接观察， 或启动