材料微观力学性能原位拉伸测试仪研制与试验研究

材料科学是现代科技进步的基础，是一切技术产业进步的推动力量。一个国家的材料生产工艺技术决定了其国民工业体系的完整性，还间接影响到该国在地区事务中的话语权，鉴于材料科学技术的重大作用，世界各国投入了大量的精力对新材料、新工艺进行研究。材料的受载情况及其微观结构性能决定了其使用寿命，因此，对材料载荷作用下的微观结构变形、损伤、破坏机理进行研究，对材料力学性能进行测试具有重大的意义。原位拉伸测试可以实现材料载荷作用下的微观结构观测和力学性能测试，将材料测试过程中的微观结构变化与获得的力学性能曲线结合起来进行分析，有助于材料微观机理的深入研究。论文对材料微观力学性能原位测试技术发展现状进行了综合分析，在此基础上开发了材料微观力学性能原位拉伸测试仪。 论文对国内外原位拉伸测试技术和显微成像技术的发展现状进行了综述分析；在此基础上提出了基于金相显微镜的材料微观力学性能原位拉伸测试仪的总体设计方案；对测试仪工作原理进行了分析，其工作模块主要包括驱动单元、动力传递及转换单元、导向机构、信号检测单元和测试执行机构，对各个模块的工作原理进行了分析，对各个模块进行了有限元仿真分析和结构优化；开发了适用于本测试仪的微型高精度引伸计和力传感器，模拟实际工况对微型高精度引伸计和力传感器进行了静力学仿真分析。 论文设计了信号放大电路、低通滤波电路，对位移传感器和力传感器信号进行信号放大、滤波，使用Multisim10仿真软件对电路进行了仿真分析，采用了三级放大电路对模拟量信号进行放大，仿真结果表明放大电路没有出现明显失真现象；对论文使用的USB2817数据采集卡的性能参数进行了介绍，模拟量采集有两种连接方式，论文选用了单端连接方式；阐述了论文采用的伺服电机驱动器和伺服电机编码器的工作原理；基于LabVIEW软件开发了模拟量信号采集程序，对信号采集程序进行了测试，测试结果表明信号采集程序能够满足使用要求；采用串口通信的方式实现了计算机与伺服电机驱动器的数据传输，开发了伺服电机控制程序，实现了对伺服电机转速的精确控制。 提出了力传感器的动、静态标定方法，并对力传感器进行了动、静态标定试验，标定结果表明力传感器具有很好的静态特性，对冲击载荷的检测存在一定误差；对直线电位器式位移传感器的工作原理进行了阐述，提出了图像像素位移标定方法，运用该方法对位移传感器进行了高精度小量程标定，使用全量程标定方法选择性能最好的量程区间作为位移传感器的实际使用区间；设计了变截面非标准试件，提出了弹性变形等效标距法，以Q235-A(F)钢为例对试件的塑性变形等效标距进行了计算；使用论文研制的原位拉伸测试仪对T2纯铜和AZ31B镁合金材料进行了拉伸测试试验，并利用金相显微镜对拉伸测试的整个过程进行了原位观测，对不同测试阶段的试件微观结构进行了分析研究，T2纯铜为延性断裂，AZ31B镁合金为准解理断裂，由测试结果可知，论文研制的材料微观力学性能原位拉伸测试仪具有较高的测试精度、稳定性和可重复性。