拉伸—剪切复合载荷原位力学测试装置设计分析与试验研究

研制一台拉伸-剪切复合载荷原位力学测试装置，对于研究在拉伸-剪切复合载荷作用下的材料力学性能有着重要的科学意义。目前针对材料在拉伸-剪切复合载荷作用下的材料力学性能的研究，多采用Arcan夹具或改进过的Iosipescu剪切测试夹具来实现拉伸-剪切复合载荷测试。而Arcan夹具实际使用中可以施加拉伸-剪切力比例有限，并且可以研究的复合载荷内容有限；采用改进过的Iosipescu剪切测试夹具，不易与光学显微镜结合使用。因此，本文将设计一台拉伸-剪切力可以任意复合的力施加方式，且能够进行原位测试的测试装置；另外将推导在拉伸-剪切复合载荷作用下弹性模量和剪切模量的求解公式，整机刚度对拉伸、剪切试验的影响的修正系数，并探索预拉伸载荷对剪切试验的影响、预剪切载荷对拉伸试验的影响。本文主要的研究工作可以概述为： （1）拉伸-剪切标准试件形状尺寸设计和拉伸-剪切基本理论分析 根据材料性能试验中常采用的试件类型，设计了适用于本装置，针对各种金属材料的拉伸-剪切标准试件的形状和相关细节；阐述了金属材料在拉伸剪切力作用下材料力学性能的变化规律等相关理论，推导了材料在纯拉伸、纯剪切、拉伸-剪切复合载荷作用下的弹性模量和剪切模量的求解方法。 （2）拉伸-剪切复合载荷原位力学测试装置的设计分析 完成了拉伸-剪切复合载荷原位力学测试装置的机械结构、电控部分和控制软件的设计、分析、制造、装配等工作；并且利用Abaqus有限元分析软件对关键元件的动静态特性进行了有限元仿真分析。 （3）精密传感器的标定和整机刚度对拉伸-剪切试验影响的修正系数 分别设计制造了力传感器标定装置和位移传感器标定装置，并且使用这两台标定装置完成了精密力传感器和精密位移传感器的标定工作；提出了修正整机刚度对拉伸剪切试验影响的拉伸修正系数和剪切修正系数。并且将修正后的拉伸试验曲线和商业拉伸测试装置进行了对比。 （4）纯拉伸、纯剪切、拉伸-剪切复合载荷原位力学测试装置的试验研究 使用4种典型金属材料的完成了多组纯拉伸、纯剪切试验以获得材料力学性能，使用AZ31B镁合金分别与材料轧制方向呈0°、45°、90°的试件进行了多组纯拉伸试验产生以验证材料轧制方向对试验的影响。通过有限元分析的方法发现剪切头半径和剪切头间距对纯剪切试验结果有影响；通过试验发现了预拉伸力对剪切试验、预剪切力对拉伸试验有影响；结合超景深金相显微镜对Q235试件在拉伸-剪切复合载荷作用下微观形貌的变化过程原位观测；结合扫描电子显微镜（SEM）和超景深金相显微镜对比分析了不同材料在纯拉伸、拉伸-剪切复合载荷试验后断口的区别。