CN115979850A - 摆锤-电磁协同加速冲击压入原位测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种摆锤‑电磁协同加速冲击压入原位测试装置，属于材料微观力学性能测试领域。主要由摆锤动作单元、电磁线圈加速单元、原位测试单元等部分组成。直流电机带动摆锤抬升至特定高位并用电磁铁吸附，以实现摆锤冲击过程中初速度和冲击能量的一致性；冲击压头在获得摆锤重力势能转化的动能的基础上，通过电磁线圈二次加速获得更高的速度与冲击力，实现摆锤‑电磁协同的短程瞬态高速冲击测试；被测试件夹持台后安装有声发射传感器用以监测冲击过程中被测材料的瞬态弹性波与裂纹动态扩展行为，载荷和位移检测单元分别用于采集被测试件的冲击载荷和压入位移。本发明将电磁弹射技术应用到冲击压入测试中，结构紧凑，体积小巧，冲击压入速度高。

Description

摆锤-电磁协同加速冲击压入原位测试装置

技术领域

本发明涉及材料微观力学性能测试领域，特别涉及一种集成电磁加速和“光学-红外-声发射”原位测试为一体的摆锤式电磁加速冲击压痕原位测试装置。电磁线圈二次加速可对材料进行短程高速冲击，减小装置体积，为揭示在高应变率下材料的力学性能和损伤机理提供新的思路。

背景技术

在工业领域中，通常通过冲击试验来研究冲击载荷下产品的抗冲击性能，为材料的安全性和可靠性提供保证。而在冲击领域中，摆锤冲击装置是冲击试验中比较常用的设备，其工作原理为：让具有一定重量的摆锤在特定高度下通过重力的作用来产生动能，并将其自由降落到最低点时撞击试件的表面，从试件的破坏结果中评估其物理性能。然而传统的冲击试验往往需要频繁更换锤头来实现不同冲击载荷，无疑降低了试验效率，并且试验操作极为不便。所以利用电磁弹射的原理对冲击压头进行不同速度的调节显得尤为重要。

纳米压痕测试技术主要用于测量材料在微纳米尺度下的硬度与弹性模量，它通过计算机程序控制载荷发生连续变化，实时测量压痕深度，由于施加的是超低载荷，所以可以达到纳米级的压深。然而现有的纳米压痕测试大都是静态测试，适用于测量薄膜、涂层等超薄层材料的力学性能，如载荷-位移曲线、弹性模量、硬度、断裂韧性、应变硬化效应、粘弹性或蠕变行为等。但是因为其静态测试的特点无法解释材料在冲击载荷作用下的结构相变、裂纹动态扩展和冲击损伤失效机制等一系列动态特性。就冲击压入测试仪器而言，多为通过单一加载手段实现的压入测试，如瑞士Alemnis公司开发的基于压电驱动式的微小型冲击压痕仪，其最高冲击速度为50mm/s，最高冲击应变为10⁵/s，是通过逆压电效应实现的精密驱动进行压入测试的，为解决材料在动态测试中接触零点误差、卸载曲线拟合等问题提供了新思路。英国MicroMaterials公司开发的基于电磁驱动式的冲击压痕测试模块，其压头采用电磁摆锤驱动模式，通过交变磁场开展疲劳压入测试和冲击压入测试。此产品主要聚焦于材料的疲劳性能测试，从另一角度对材料的力学性能进行了补充。

现有的分析手段仅是通过试件的破坏结果去反推原因，无法得知具体的过程量，因此急需一种能够多维度对试件在试验时各物理量变化过程进行监测的测试装置。通过耦合“光学-红外-声发射”多种物理场对材料在冲击过程中的各个参数指标进行原位测试，以揭示材料在不同应变速率下的动态特性。

微纳米冲击压入测试仪，是获取材料动态硬度、冲击韧度等冲击动力学性能参数的必要仪器，也是新物性、新现象、新规律发现的重要工具，表现出极端化、微型化与智能化趋势。但受限于单一驱动技术的制约，现有仪器无法实现高速冲击测试，难以同时获取材料动态力学响应和微区损伤，关键材料冲击损伤失效机制研究受到了极大限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种摆锤式电磁加速冲击压痕原位测试装置，解决现有技术存在的上述问题。本发明将冲击试验与电磁弹射进行结合，利用电磁铁驱使摆锤撞击冲头，将势能转化为冲头的动能，再借由电磁线圈进行二次加速，对材料进行冲击压痕测试。本发明可以实现更换冲头类型、调节预设高度、改变线圈大小等操作。该装置主要由控制摆锤预设高度和电磁线圈电流大小来实现对冲头冲击速度的调节。同时还集成了高速相机、红外热成像仪、声发射探头等设备，构造了“光学-红外-声发射”多场耦合的原位测试方法，为揭示材料的性能提供了方法。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种摆锤-电磁协同加速冲击压入原位测试装置，其特征在于主要由摆锤压痕动作单元、电磁线圈加速单元、试件夹持单元、原位测试单元等部分组成。其中。摆锤压痕动作单元中的冲击压头10置于套接在电磁线圈加速单元中的冲击轨道13中，且冲击轨道13套接安装在电磁线圈加速单元中具有环形结构的支撑台12中，原位测试单元中的声发射传感器2嵌入安装在试件夹持单元中试件夹持台3的后方。

所述摆锤压痕动作单元由大理石隔震台5、摆锤6、电磁铁7、电磁铁固定架8、隔震台9、冲击压头10构成。摆锤的摆角范围为0°～180°，可根据冲击能量和冲击速度需要调节其初始下落高度，并利用摆锤重力势能转化为冲击动能，为二次电磁弹射提供初始冲击速度。

所述电磁线圈加速单元由电磁线圈11、支撑台12、冲击轨道13构成。电磁线圈11套接在冲击轨道13上，可根据冲击压入速度要求模块化更换不同规格的线圈以达实现冲击速度的调节。

所述试件夹持单元由试件夹持台3和被测试件14构成。试件夹持台3采用圆形夹持面的设计，其通孔内嵌入安装有圆柱形声发射传感器2，试件夹持台3的竖直平面与冲击轨道13的端面保持一定的距离，便于原位测试单元中的红外热成像仪1和高速相机4对冲击压入过程中冲击压头10与被测试件14间相互作用行为的原位监测。

所述原位测试单元由红外热成像仪1、高速相机4和声发射传感器2构成。红外热成像仪1和高速相机4分别布置在被测试件两侧，在声发射传感器2的前端探头表面上粘贴有被测试件14。

冲击压头10由传动压杆和微型压头组成，微型压头通过其尾端的外螺纹与传动压杆刚性连接，且微型压头的形状可更换为球形、锥形、三棱锥形、四棱锥形和立方角形，以满足具有不同冲击韧度和动态硬度的被测试件14的冲击测试需求，结合被测试件14的厚度、冲击压头10的长度和微型压头的形状调节，可实现不同应变速率下的冲击压入测试。与此同时，摆锤6和冲击压头10传动压杆均采用具有优异抗冲击和抗疲劳性能的高熵合金材料制备，且摆锤6和冲击压头10的横截面积比以及厚度/长度比均为定值，即可实现不同载荷下相同的冲击惯量比。

所述的电磁线圈11的几何轴线与冲击压头10的运动方向即冲击速度方向一致，电磁铁7通过螺栓连接固定在电磁铁固定架8上，并驱使摆锤进行第一次加速；电磁线圈11通过电磁弹射式加速原理驱使冲击压头10进行第二次加速。摆锤-电磁协同加速冲击通过摆锤6的重力势能和电磁线圈11的电磁能协同向冲击压头10的动能转换，冲击压头10在获得摆锤重力势能转化的动能的基础上，通过电磁线圈11二次加速获得更高的冲击速度与冲击力，进而实现摆锤-电磁协同的短程内的瞬态高速冲击压入测试。通过调节储能装置向电磁线圈11施加的瞬态电流值，可实现二次电磁弹射模式下冲击压头10速度的可控调节。

本发明的有益效果在于：结构设计新颖、整体尺寸小，实现了材料的冲击测试。在冲击压痕动作单元的设计中，利用电磁铁使摆锤的冲击初速度得到进一步提升；将电磁弹射运用到该装置中，由于其非接触加速的特性，使得摩擦阻力变小，灵敏度提高，能够实现良好的动态冲击效果。相比于传统的摆锤冲击试验机，本发明为摆锤式冲击压痕试验机提供了一种新思路。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的立体结构的轴测图；

图2为本发明的立体结构的正面示意图；

图3为本发明的立体结构的侧面示意图；

图4为本发明的电磁弹射线圈的结构图；

图5为本发明的摆锤压痕动作单元的结构图；

图6(a)为本发明的摆锤压痕动作单元的吸附状态示意图；

图6(b)为本发明的摆锤压痕动作单元的冲击状态示意图。

图中：1、红外热成像仪；2、声发射传感器；3、试件夹持台；4、高速相机；5、大理石隔震台；6、摆锤；7、电磁铁；8、电磁铁固定架；9、隔震台；10、冲击压头；11、电磁线圈；12、轨道支撑台；13、冲击轨道；14、被测试件。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参照图1至图4所示，本发明的摆锤-电磁协同加速冲击压入原位测试装置，主要由摆锤压痕动作单元、电磁线圈加速单元、试件夹持单元、原位测试单元等部分组成。其中摆锤压痕动作单元中的冲击压头置于套接在电磁线圈加速单元中的冲击轨道中，且冲击轨道套接安装在电磁线圈加速单元中具有环形结构的支撑台中，原位测试单元中的声发射传感器嵌入安装在试件夹持单元中试件夹持台的后方。所述电磁线圈加速单元由电磁线圈、支撑台、冲击轨道构成。电磁线圈套接在冲击轨道上，可根据冲击压入速度要求模块化更换不同规格的线圈以达实现冲击速度的调节。所述试件夹持单元由试件夹持台和被测试件构成。试件夹持台采用圆形夹持面的设计，其通孔内嵌入安装有圆柱形声发射传感器，试件夹持台的竖直平面与冲击轨道的端面保持一定的距离，便于原位测试单元中的红外热成像仪和高速相机对冲击压入过程中冲击压头与被测试件间相互作用行为的原位监测。所述原位测试单元由红外热成像仪、高速相机和声发射传感器构成。红外热成像仪和高速相机分别布置在被测试件两侧，，在声发射传感器的前端探头表面上粘贴有被测试件。

参照图5、图6(a)和图6(b)所示，所述摆锤压痕动作单元由大理石隔震台、摆锤、电磁铁、电磁铁固定架、隔震台、冲击压头构成。摆锤的摆角范围为0°～180°，可根据冲击能量和冲击速度需要调节其初始下落高度，并利用摆锤重力势能转化为冲击动能，为二次电磁弹射提供初始冲击速度。根据试验设计研究所需的冲击速度选择合适的摆锤，不同质量的摆锤撞击到冲击压头上，通过动量定理，给予冲击压头不同的初速度；也可以通过更改电磁线圈的电流大小来控制冲头二次加速的速度大小。冲击压头放置在冲击轨道中，使得冲击压头可以沿着直线运动；电磁线圈套接在冲击轨道上，因其非接触式加速的特性，减小了冲击压头运动过程中的摩擦，使得试验误差更小。同样因为电磁线圈特殊的加速特点，使得冲击轨道的设计更加宽容，以适配不同种类的冲击压头，如球头、锥头等。

本发明摆锤-电磁协同加速冲击压入原位测试装置在使用时，其工作过程具体如下：

首先根据试验设计需要选取合适的冲击压头和与其适配的摆锤，将被测试件安装在圆形夹持面上，调整冲击压头和摆锤的位置，使摆锤吸附于电磁铁上，使冲击压头置于冲击轨道中并露出本体的三分之一以供摆锤击打。调节高速相机和红外热成像仪，使其聚焦于试件的被冲击表面；开启声发射传感器，使其信号处于稳定状态。前置工作准备完成后，触发电磁铁使摆锤下落，在摆锤击打冲击压头时电磁线圈进行协同加速。冲击试验完成后，回收冲击压头和试件并关闭高速相机、红外热成像仪和声发射传感器，并要对电磁线圈进行充分放电。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种摆锤-电磁协同加速冲击压入原位测试装置，其特征在于主要由摆锤压痕动作单元、电磁线圈加速单元、试件夹持单元、原位测试单元等部分组成；其中，摆锤压痕动作单元中的冲击压头(10)置于套接在电磁线圈加速单元中的冲击轨道(13)中，且冲击轨道(13)套接安装在电磁线圈加速单元中具有环形结构的支撑台(12)中，原位测试单元中的声发射传感器(2)嵌入安装在试件夹持单元中试件夹持台(3)的后方；

所述摆锤压痕动作单元由大理石隔震台(5)、摆锤(6)、电磁铁(7)、电磁铁固定架(8)、隔震台(9)、冲击压头(10)构成；摆锤的摆角范围为0°～180°，可根据冲击能量和冲击速度需要调节其初始下落高度，并利用摆锤重力势能转化为冲击动能，为二次电磁弹射提供初始冲击速度；

所述电磁线圈加速单元由电磁线圈(11)、支撑台(12)、冲击轨道(13)构成；电磁线圈(11)套接在冲击轨道(13)上，可根据冲击压入速度要求模块化更换不同规格的线圈以达实现冲击速度的调节；

所述试件夹持单元由试件夹持台(3)和被测试件(14)构成；试件夹持台(3)采用圆形夹持面的设计，其通孔内嵌入安装有圆柱形声发射传感器(2)，试件夹持台(3)的竖直平面与冲击轨道(13)的端面保持一定的距离，便于原位测试单元中的红外热成像仪(1)和高速相机(4)对冲击压入过程中冲击压头(10)与被测试件(14)间相互作用行为的原位监测；

所述原位测试单元由红外热成像仪(1)、高速相机(4)和声发射传感器(2)构成；红外热成像仪(1)和高速相机(4)分别布置在被测试件两侧，，在声发射传感器(2)的前端探头表面上粘贴有被测试件(14)。

2.根据权利要求1所述的一种摆锤-电磁协同加速冲击压入原位测试装置，其特征在于，冲击压头(10)由传动压杆和微型压头组成，微型压头通过其尾端的外螺纹与传动压杆刚性连接，且微型压头的形状可更换为球形、锥形、三棱锥形、四棱锥形和立方角形，以满足具有不同冲击韧度和动态硬度的被测试件(14)的冲击测试需求，结合被测试件(14)的厚度、冲击压头(10)的长度和微型压头的形状调节，可实现不同应变速率下的冲击压入测试；与此同时，摆锤(6)和冲击压头(10)传动压杆均采用具有优异抗冲击和抗疲劳性能的高熵合金材料制备，且摆锤(6)和冲击压头(10)的横截面积比以及厚度/长度比均为定值，即可实现不同载荷下相同的冲击惯量比。

3.根据权利要求1所述的一种摆锤-电磁协同加速冲击压入原位测试装置，其特征在于，所述的电磁线圈(11)的几何轴线与冲击压头(10)的运动方向即冲击速度方向一致，电磁铁(7)通过螺栓连接固定在电磁铁固定架(8)上，并驱使摆锤进行第一次加速；电磁线圈(11)通过电磁弹射式加速原理驱使冲击压头(10)进行第二次加速；摆锤-电磁协同加速冲击通过摆锤(6)的重力势能和电磁线圈(11)的电磁能协同向冲击压头(10)的动能转换，冲击压头(10)在获得摆锤重力势能转化的动能的基础上，通过电磁线圈(11)二次加速获得更高的冲击速度与冲击力，进而实现摆锤-电磁协同的短程内的瞬态高速冲击压入测试；通过调节储能装置向电磁线圈(11)施加的瞬态电流值，可实现二次电磁弹射模式下冲击压头(10)速度的可控调节。

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