基于中子和同步辐射的原位微动腐蚀磨损试验装置及方法与流程

1.本发明涉及一种可原位实时观测磨损试样内部损伤演化以及残余应力分布的腐蚀环境微动磨损试验装置及方法，具体涉及材料的微动磨损、磨损测试技术领域。


背景技术：

2.微动是由于受到外部周期性变化载荷的影响，而在紧密接触的两物体特定区域间往复产生微米级幅值的运动。发生在腐蚀环境中的微动磨损是机械与化学耦合作用的复杂磨损行为，在二者的共同作用下加速材料的流失，导致大型装备的服役可靠性的降低。一方面，磨损改变了材料对腐蚀的敏感性；另一方面腐蚀使磨损区的接触条件改变，二者之间存在交互作用。腐蚀微动磨损过程中磨损斑的形貌和轮廓等会显著影响微动磨损机理及磨损性能，也是揭示腐蚀与微动磨损交互作用的关键，但是迄今为止对微动腐蚀磨损形貌和轮廓的实时观测尚未实现。
3.微动腐蚀磨损普遍存在于核电、机械、航空航天、轨道交通和人体植入件等国民经济部门和医学领域。腐蚀环境下的微动磨损作为现代工程中常见的材料损失形式，具有重要的研究价值和实际意义。长期以来科学家采用显微镜对试样磨损后的磨损斑表面形貌和轮廓观察进而对材料的微动磨损行为进行分析，虽然可以从磨损斑获得材料破坏过程的信息，但是缺乏对三维空间中磨损斑形貌变化过程的记录，所以很难标定微动腐蚀磨损过程中磨损和腐蚀的具体交互作用形式。同步辐射光源的亮度是工业x射线机和实验室光源的上亿倍，能够在亚微米空间和皮秒时间尺度上准确捕捉试样内部微观组织，是开展各种物质微结构原位、动态、无损和可视化研究的超级显微镜和精密探针。基于中子源技术，能够非破坏性高时空分辨率表征材料内部微结构和残余应力及其在给定环境下的动态演化，为表征微动磨损斑处的残余应力分布提供了可能。
4.据调研国内外尚无可用于同步辐射光源成像和中子散射源的微动腐蚀磨损试验机，现存的大多数微动磨损试验机由于法向加载方式对试样的遮挡以及体积重量大，无法满足同步辐射光源和散裂中子源对于试验机的严苛要求。因此进行适用于散裂中子源和同步辐射光源的原位微动腐蚀磨损试验机的设计以实现对腐蚀环境下磨损斑形貌的实时残余应力场分布和三维成像表征，对微动腐蚀磨损的交互作用形式、复杂损伤机理和残余应力分布变化实现进一步的探索。


技术实现要素：

5.要解决的技术问题
6.为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种可实时观测微动腐蚀磨损接触面形貌变化以及残余应力场分布的微动腐蚀磨损试验装置及方法。
7.技术方案
8.一种基于中子和同步辐射的原位微动腐蚀磨损试验装置，其特征在于包括往复驱动机构、法向加载机构、数据检测机构、环境控制机构和数据采集机构，所述往复驱动机构
包括压电陶瓷促动器、交叉滚珠单元、连接台和下夹具，压电陶瓷促动器的一端与连接台连接，交叉滚珠单元固定在底座上，连接台置于交叉滚珠单元上端，下夹具固定于连接台上，下试样固定在下夹具上；所述法向加载机构包括可拧套筒、下滚针轴承和上滚针轴承、上加力杆、下加力杆、弹簧、弹簧限位筒、端盖、锁紧螺钉和上夹具，可拧套筒分别与下滚针轴承和上滚针轴承的内圈固结，可拧套筒一侧安装有锁紧螺钉，上滚针轴承上部与端盖接触，与上板固定，上加力杆上端置于可拧套筒内，固定于上板孔内，下端置于弹簧上固定，弹簧置于下加力杆上部固定，上试样置于上夹具孔内与下试样接触；所述数据检测机构一端连接下加力杆，另一端连接上夹具；所述环境控制机构置于下夹具上。
9.本发明进一步的技术方案：还包括总体支撑机构包括下支柱和上支柱、有机玻璃筒、上有机玻璃固定圈、下有机玻璃固定圈、底座和上板；有机玻璃筒的上下两端分别固定在上有机玻璃固定圈、下有机玻璃固定圈的凹槽内，上支柱上端与上板固定，下支柱下端固定于底板上。
10.本发明进一步的技术方案：所述的下支柱和上支柱为3个，均匀分布。
11.本发明进一步的技术方案：所述的可拧套筒上端设有一字手柄，方便旋转套筒。
12.本发明进一步的技术方案：所述的弹簧外部套有弹簧限位筒。
13.本发明进一步的技术方案：所述数据检测机构为二维力传感器，下加力杆下端置于二维力传感器上孔内，二维力传感器下端连接上夹具。
14.本发明进一步的技术方案：所述环境控制机构包括有机玻璃腐蚀介质盒和腐蚀装置盖，有机玻璃腐蚀介质盒置于下夹具上，腐蚀介质装置盖置于有机玻璃腐蚀介质盒上。
15.本发明进一步的技术方案：所述的腐蚀环境介质盒右侧开有一个进液口，左侧开有与右侧平齐的上排液口和略靠下的下排液孔。
16.一种基于中子和同步辐射的原位微动腐蚀磨损试验方法，其特征在于步骤如下：
17.步骤1：施加法向力时，旋转手柄使可转套筒旋转，上加力杆弹簧限位筒用两侧的螺钉固定，一起向下移动挤压弹簧，弹簧沿限位筒向下压缩推动下加力杆向下移动，上夹具与下试样接触挤压二维力传感器，二维力传感器检测压力并传递给数据采集卡，数据采集卡与电脑端相连，但电脑端显示压力数值达到要求后停止拧动可转套筒，并拧紧锁紧螺钉限制套筒转动，弹簧限位筒与下加力杆两侧用螺钉固定，保持法向力不变；
18.步骤2：产生微动位移时，压电陶瓷促动器外接压电陶瓷控制器，控制器与电脑相连，当电脑端给定位移幅值信号，压电陶瓷控制器驱动压电陶瓷促动器产生微动位移，压电陶瓷促动器将位移传递给连接台，连接台带动下夹具产生左右微动位移，从而使上下两试样之间产生微动磨损；二维力传感器可测量微动过程中摩擦力的变化，经采集卡采集后传送到电脑端进行记录。
19.本发明进一步的技术方案：当需要观察腐蚀环境下的微动磨损试验，还包括：安装好下试样并施加法向压力后，关闭左侧靠下的排液口，打开右侧进液口向腐蚀介质盒内通入腐蚀介质，当左侧上端的排液口有腐蚀介质排出后关闭进液口，当腐蚀介质液面稳定，上排液口不再有腐蚀介质排出时关闭上排液口，以此确定腐蚀介质没过下试样的液面高度，分别安装左右两部分的腐蚀介质盒盖，当试验结束后，打开下排液口将腐蚀介质排出。
20.有益效果
21.本发明提出的一种基于中子和同步辐射的原位微动腐蚀磨损试验装置及方法，包
括往复驱动机构、法向加载机构、检测机构和腐蚀介质环境机构。往复驱动机构采用压电陶瓷促动器为下试样提供切向位移，通过控制信号给定微动位移幅值。法向加载机构通过拧动套筒压缩弹簧单元施加载荷。检测机构采用安装在法向加载机构中的二维力传感器检测接触压力和摩擦力。腐蚀介质环境机构通过一个进液孔和两个排液孔保持不同工况下腐蚀介质液面的稳定。在试验过程中，置于旋转台的原位微动腐蚀磨损试验装置可以实现同步辐射光源180度无遮挡地进行试样成像，得到磨斑的三维形貌；实时准确地记录腐蚀与磨损交互作用下磨斑的演化过程，为研究苛刻环境中典型材料的性能分析积累工作基础，为深刻揭示腐蚀环境中微动磨损机理提供技术支持。
22.本装置与传统微动腐蚀磨损实验装置相比具有的优点：
23.1、本发明是一种体积小、质量轻并可用于散裂中子源和同步辐射光源的原位微动腐蚀磨损试验装置，可以很好的实现与散裂中子源和同步辐射光源的兼容性。试验装置的法向加载机构完全不会对试验过程中的扫描起到遮挡作用，确保高能x射线或中子束可以穿透试样，利用中子散射和同步辐射光源的高穿透特点得到腐蚀环境下微动磨损试样磨斑的三维形貌成像和残余应力分布图像。
24.2、本实验装置的整体结构均可实现随光源平台的同步旋转，采用三杆支撑结合有机玻璃罩可以方便的安装试样和实现腐蚀介质的进排。
25.3、法向力加载机构简单且使用，采用旋转套筒和上加力杆螺纹配合，将套筒的旋转转化为上加力杆的移动，进行法向力的施加，中间的弹簧段对法向位移变化起到缓冲作用，防止可拧套筒旋转时造成施加法向力的失控，在弹簧外侧安装弹簧限位筒为了保证上加力杆和下加力杆的位置固定，在后续试验过程中不会发生弹簧的摆动，采用二维力传感器检测法向力和摩擦力数值实现结构的精简。
26.4、有机玻璃介质盒开有一个进液孔和两个出液孔，高处的排液孔可以实现试验的不同工况下腐蚀介质液面高度的稳定。
27.5、下试样和上试样都直接通过螺纹配合旋紧在夹具中，方便且可靠。
附图说明
28.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
29.图1基于中子和同步辐射的原位微动腐蚀磨损试验装置的整体正视图；
30.图2基于中子和同步辐射的原位微动腐蚀磨损试验装置法向加载机构的爆炸视图；
31.图3基于中子和同步辐射的原位微动腐蚀磨损试验装置的夹具系统与腐蚀装置的爆炸视图。
32.1-底座、2-连接台、3a-下支柱、3b-上支柱、4-机玻璃筒固定圈、5-下夹具、6-有机玻璃筒、7-腐蚀介质盒、8-下试样、9-上夹具、10-二维力传感器、11-弹簧限位筒、12-键、13-螺栓、14a-下滚针轴承、14b-上滚针轴承、15-可拧套筒、16-上加力杆、17-上端盖、18-锁紧螺钉、19-弹簧、20-上板、21-下加力杆、22-上试样、23-腐蚀装置盖、24-压电陶瓷促动器支架、25-压电陶瓷促动器、26-交叉滚珠单元。
具体实施方式
33.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
34.本发明提出的一种基于中子和同步辐射的原位微动腐蚀磨损试验装置，包括往复驱动机构、法向加载机构、数据检测机构和环境控制机构。所述往复驱动机构包括压电陶瓷促动器25、交叉滚珠单元26、连接台2和下夹具5，压电陶瓷促动器25置于压电陶瓷促动器支架24内，右端外螺纹与连接台2左侧的内螺纹连接，交叉滚珠单元26固定在底座1上，连接台2置于交叉滚珠单元26上端，下夹具5为圆柱形固定于连接台2上，下试样8为圆柱形通过外螺纹与下夹具5的孔内螺纹配合。所述法向加载机构包括可拧套筒15、下滚针轴承14a和上滚针轴承14b、上加力杆16、下加力杆21、弹簧19、弹簧限位筒11、端盖17和上夹具9，可拧套筒15分别与下滚针轴承14a和上滚针轴承14b的内圈固结，一侧安装有锁紧螺钉18，上滚针轴承14b上部与端盖17接触，通过螺栓13与上板20固定，上加力杆16上端置于套筒15内，通过键12固定于上板20孔内，下端置于弹簧19上固定，弹簧19置于下加力杆21上部固定，弹簧19的内径卡下加力杆21的凸台上，外部套有弹簧限位筒11。所述数据检测机构为二维力传感器10，下加力杆21下端置于二维力传感器10上孔内，二维力传感器10下端连接上夹具9，上试样22置于上夹具9孔内与下试样8接触。所述环境控制机构包括有机玻璃腐蚀介质盒7和腐蚀装置盖23，有机玻璃腐蚀介质盒7置于下夹具5上，腐蚀介质装置盖23置于有机玻璃腐蚀介质盒7上。总体支撑机构由均匀分布的下支柱3a和上支柱3b、有机玻璃筒6、上有机玻璃固定圈4a、下有机玻璃固定圈4b以及底座1、上板20组成，有机玻璃筒6的上下两端分别固定在上有机玻璃固定圈4a、下有机玻璃固定圈4b的凹槽内，采用螺栓固定；上支柱3b上端与上板20用螺母固定，上支柱3b下端与上有机玻璃固定圈4a固定，下支柱3a上端与下有机玻璃固定圈4b固定，下支柱3a下端固定于底板1。
35.具体地，法向加载机构中的上加力杆16上端与套筒15采用螺纹配合，上加力杆16和下加力杆21中间安装弹簧19，三者外部套有可移动弹簧限位筒11，弹簧限位筒11上下两端开有孔与上下连接杆上的u形槽相对用于固定，弹簧限位筒11为了防止弹簧19在切向摩擦力作用下发生左右的摆动的可能，加限位套筒依靠限位套筒端部两侧的开孔经螺栓与上下加力杆21两侧的u形槽固定，限制弹簧切向的运动。
36.具体地，夹具装置分为上下两部分，包括上夹具9和下夹具5，上夹具9为小圆柱形，内有螺孔和试样配合，下夹具5为圆形大平台可以放置腐蚀介质装置7；上下圆柱形夹具对中。
37.具体地，腐蚀环境介质盒7右侧开有一个进液口7a，左侧开有与右侧平齐的上排液口7b和略靠下的下排液孔7c。
38.具体地，试样固定方式：上下试样都通过螺纹配合固定于夹具中。
39.本发明试验装置的安装步骤如下：
40.a、上有机玻璃筒固定圈4b的凹槽卡住有机玻璃套筒6上端，下有机玻璃筒固定圈4a的凹槽卡住有机玻璃筒6下端，三者紧固在一起，将三根下支柱3a拧紧于底座1上，紧固的整体安装在下支柱3a上，再安装上面三根上支柱3b；
41.b、上夹具9为上下不等的圆柱状，上部圆台有四个均匀分布的螺纹孔与二维力传感器10上对应的螺孔通过螺栓连接，下部的圆台有内置螺纹孔便于与带有外螺纹的上试样22装配；弹簧19卡紧上加力杆16和下加力杆21；将加力杆和弹簧19整体穿过可移动弹簧限位筒11，两侧的螺钉穿过弹簧限位筒11的上孔与上加力杆16的u形槽紧固，下加力杆21与二维力传感器10上端的螺纹孔拧紧；键12放在上加力杆16内，上加力杆16与上板20配合，可拧套筒15穿过滚针轴承14a与上加力杆16配合一段距离，将上板20与上支柱3b用螺母固定；可拧套筒15上端放置上滚针轴承14b，再用端盖17抵住上滚针轴承14b，为方便安装下试样将法向加载机构上升到最高留出装下试样8空间；
42.c、将压电陶瓷促动器支架24和交叉滚珠单元26的下滑道部分固定在底座1上，连接台2安装在交叉滚珠单元26的上部，下夹具5固定于下连接台2上，下试样8拧紧在下夹具5上。压电陶瓷促动器25接头处的外螺纹与连接台2的内螺纹旋紧后固定于压电陶瓷促动器支架24的孔内；
43.d、安装完毕后，施加的法向力固定后再用螺钉弹簧限位筒11和下加力杆21，防止试验中弹簧发生摆动；
44.e、需要在腐蚀环境中进行微动磨损试验时，在上述c步骤后将腐蚀介质盒7放置在下夹具5的平台上，进行法向力加载，加载到固定数值后，向腐蚀介质盒中通入腐蚀介质，腐蚀介质液面稳定后安装左右腐蚀介质盖23。
45.本发明还提供一种使用上述基于中子和同步辐射的原位微动腐蚀磨损试验装置进行基于同步辐射光源和基于散裂中子源的微动腐蚀磨损试验方法，在微动腐蚀损伤实验过程中，通过同步辐射光源对试样的照射，实时分阶段得到试样接触位置的三维立体图像，真正实现了微动腐蚀损伤演化历程的三维实时可视化；通过散裂中子源对试样的扫描可以实时观察到微动磨损试样内部的残余应力分布情况；将腐蚀介质中微动试验损伤过程可视化，对重要部件的稳定和长期运行具有实际的应用价值，也为其他苛刻环境中典型材料的性能分析研究积累微动腐蚀工作基础。其具体步骤如下：
46.a、施加法向力时，旋转手柄使可转套筒15旋转，上加力杆16弹簧限位筒11用两侧的螺钉固定，一起向下移动挤压弹簧19，弹簧19沿限位筒11向下压缩推动下加力杆21向下移动，上夹具9与下试样8接触挤压二维力传感器10，二维力传感器10检测压力并传递给数据采集卡，数据采集卡与电脑端相连，但电脑端显示压力数值达到要求后停止拧动可转套筒15，并拧紧锁紧螺钉18限制套筒15转动，弹簧限位筒11与下加力杆21两侧用螺钉固定，保持法向力不变。
47.b、产生微动位移时，压电陶瓷促动器外接压电陶瓷控制器，控制器与电脑相连，当电脑端给定位移幅值信号，压电陶瓷控制器驱动压电陶瓷促动器25产生微动位移，压电陶瓷促动器25将位移传递给连接台2，连接台2固定于交叉圆柱滚子单元26的上半部分，可以进行自由移动，连接台2带动下夹具5产生左右微动位移，从而使上下两试样之间产生微动磨损。二维力传感器10可测量微动过程中摩擦力的变化，经采集卡采集后传送到电脑端进行记录。
48.c、试验后拆卸下试样时，将旋转手柄使套筒15旋转，上加力杆16向上移动，弹簧19被反向拉伸，进而拉动下加力杆21向上移动，带着二维力传感器10、上夹具9及上试样22向上移动与下试样8分开，向上移动足够空间后将下试样8旋转拧松取下或者直接将上板的三
个螺母松开整体取下整个法向加载机构；试验前进行试样安装步骤同上。
49.腐蚀环境下的微动磨损试验，安装好下试样8并施加法向压力后，关闭左侧靠下的排液口7c，打开右侧进液口7a向腐蚀介质盒内通入腐蚀介质，当左侧上端的排液口7b有腐蚀介质排出后关闭进液口，当腐蚀介质液面稳定，上排液口7b不再有腐蚀介质排出时关闭上排液口7b。以此确定腐蚀介质没过下试样的液面高度，分别安装左右两部分的腐蚀介质盒盖23。当试验结束后，打开下排液口7a将腐蚀介质排出。
50.在试验开始前同步辐射光源或散裂中子源穿过两试样接触位置进行成像扫描，在试验开始后固定周次间距进行成像扫描，直至达到规定次数结束实验。
51.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。