本發明屬于先進材料測試，特別涉及一種寬頻譜大載荷高效率高分辨的原位疲勞三維成像裝置及測試方法。

背景技術：

1、疲勞失效是指材料在循環載荷下發生裂紋擴展導致失效的現象，是材料失效的基本模式之一。疲勞斷裂發生在應變循環次數較多的情況下，如：機械結構、高速旋轉軸、汽車車輪等。一旦關鍵材料和部件發生疲勞失效，會導致火車脫軌、塔吊斷裂、飛機失事等重大事故。因此，掌握疲勞裂紋形核和擴展規律，并能夠預測疲勞壽命，對于保障國家財產和人民生命安全具有重要意義。

2、傳統疲勞研究方法，主要使用大型力學試驗機對樣品進行循環載荷加載，卸載后，利用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡等對疲勞裂紋進行觀察，獲取樣品表面信息，無法對樣品內部進行研究。近年來，將原位疲勞裝置和三維成像裝置(同步輻射光源成像線站、大型工業ct等)組合在一起，獲取樣品內部信息，并進行原位研究，成為疲勞研究的新方向。

3、然而，現有組合有很多缺點，現有原位疲勞裝置普遍存在重量大、尺寸大、可用頻率有限、載荷低等缺點。就三維成像裝置而言，同步輻射光源成像線站可以使用的機時有限，一般很難申請到機時，即使申請到了機時，也基本是只給一天或兩天。這么短的時間，對于疲勞研究來說，根本不夠。大型工業ct分辨率非常有限，一般在百微米量級，稍好一點的，在幾十微米量級。這么低的分辨率，無法進行疲勞研究。基于投影架構的微米ct，要實現高分辨成像，樣品必須緊貼射線源，但是現有原位疲勞裝置本身尺寸較大，與基于投影架構的微米ct相組合，也很難獲得高分辨疲勞成像結果。因此，現有原位疲勞裝置和三維成像裝置的各種組合滿足不了日益增加的疲勞研究需求。

4、綜上所述，現有原位疲勞三維成像裝置存在機時有限、分辨率低、頻譜窄、載荷低、效率低、重量大、尺寸大等缺點，亟需研發一套同時實現寬頻譜、大載荷、高效率、高分辨的原位疲勞三維成像裝置，并建立相關測試方法，為同時獲取材料疲勞過程中的表面信息、內部信息和演化信息提供一種新的技術手段，進而幫助掌握疲勞形變和斷裂機制，建立疲勞壽命預測模型，保障重要領域關鍵材料和部件的安全。

技術實現思路

1、本發明解決的技術問題在于提供一種寬頻譜大載荷高效率高分辨的原位疲勞三維成像裝置及測試方法，解決現有技術中重量大、尺寸大、效率低、分辨率低、頻譜窄、載荷低等問題，為研究疲勞裂紋形核、擴展和演化提供可用、易用和好用的技術手段。

2、本發明的技術方案為：

3、一種寬頻譜大載荷高效率高分辨的原位疲勞三維成像裝置，該裝置主要包括：油源、控制器、計算機、油管、數據傳輸線、主機，主機設置于x射線三維成像儀器的內部或外部，裝置設有兩套油管：內部油管和外部油管，內部油管的一端與油源連接，內部油管的另一端伸至x射線三維成像儀器內部使用，外部油管的一端與油源連接，外部油管的另一端在x射線三維成像儀器外部使用，油源分別通過兩套油管將液壓油輸送到主機上靜壓作動器組件的靜壓作動器缸體；裝置設有兩套數據傳輸線：內部數據傳輸線和外部數據傳輸線，內部數據傳輸線的一端與控制器的輸出端連接，內部數據傳輸線的另一端伸至x射線三維成像儀器內部與主機上的伺服閥連接，外部數據傳輸線的一端與控制器的輸出端連接，外部數據傳輸線的另一端在x射線三維成像儀器外部與主機上的伺服閥連接，控制器通過線路與計算機連接，控制器通過數據傳輸線控制主機疲勞實驗時的載荷和位移。

4、所述的寬頻譜大載荷高效率高分辨的原位疲勞三維成像裝置，主機包括底座、承載框架、靜壓作動器組件、導向組件、下夾具組件、上夾具組件，承載框架底部與底座可拆卸安裝，承載框架為分體結構，包括上部承載框架、中部承載框架、下部承載框架，上部承載框架、中部承載框架、下部承載框架由上至下依次固定連接；上部承載框架的頂部通過螺釘與上夾具組件的上夾具主體連接，上部承載框架的中下部分為承載筒，承載筒通過緊固螺釘與中部承載框架連接，保證上夾具組件在疲勞實驗時靜止不動；試樣安裝于承載筒內側上夾具組件的上夾具主體與下夾具組件的下夾具主體之間，導向組件安裝在承載框架的中部承載框架內側，確保下夾具組件相對上夾具組件做直線運動，下部承載框架同時作為靜壓作動器組件的靜壓作動器缸體，靜壓作動器組件用于驅動下夾具組件做疲勞動態運動，疲勞頻率范圍：0.01hz到300hz。

5、所述的寬頻譜大載荷高效率高分辨的原位疲勞三維成像裝置，靜壓作動器組件包括活塞桿、靜壓作動器缸體、缸體下缸蓋、缸體上缸蓋和活塞，靜壓作動器缸體內腔安裝有活塞桿、缸體下缸蓋、缸體上缸蓋和活塞，活塞桿的上部和下部分別穿設于缸體上缸蓋和缸體下缸蓋并呈滑動配合，活塞桿中部設有與靜壓作動器缸體內腔呈滑動配合的活塞；下部承載框架外側的伺服閥分別通過下部承載框架內部進油通道、回油通道與位于活塞上下的靜壓作動器缸體內腔相通，將液壓油在活塞上端和下端往復進油和回油，推動活塞桿上下運動。

6、所述的寬頻譜大載荷高效率高分辨的原位疲勞三維成像裝置，導向組件包括傳感器連接盤、導軌連板、滑塊、導軌、載荷傳感器、過渡板，傳感器連接盤與活塞桿的上端連接，導軌連板的底部和兩側分別與傳感器連接盤和滑塊連接，兩個導軌對稱安裝在承載框架的中部承載框架內側壁，導軌連板的兩側分別通過滑塊與導軌相對應并呈滑動配合，確保活塞桿在上下運動過程中沿直線運動，不發生旋轉；載荷傳感器的下端與傳感器連接盤連接，載荷傳感器的上端與過渡板連接。

7、所述的寬頻譜大載荷高效率高分辨的原位疲勞三維成像裝置，下夾具組件包括下夾具主體、下墊片、試樣下壓板、下壓緊螺釘，下夾具組件通過下夾具主體安裝在導向組件的過渡板上，試樣的下部插設于下夾具主體，用于試樣調整的下墊片安裝到下夾具主體內并位于試樣下部的一側，試樣下部的另一側設置試樣下壓板，下壓緊螺釘穿過試樣下壓板，將試樣下部壓緊固定；上夾具組件包括上夾具主體、上墊片、試樣上壓板、上壓緊螺釘，上夾具組件通過螺釘固定到上部承載框架上，試樣的上部插設于上夾具主體，上墊片安裝到上夾具主體內并位于試樣上部的一側，試樣上部的另一側設置試樣上壓板，上壓緊螺釘穿過試樣上壓板，將試樣上部壓緊固定。

8、所述的寬頻譜大載荷高效率高分辨的原位疲勞三維成像裝置，上部承載框架頂部開設的頂部通孔、上夾具主體開設的上通孔、下夾具主體開設的下通孔同軸一一對應，導向桿依次穿過頂部通孔、上通孔、下通孔；使用時，根據需要將上部承載框架獨立取下：首先在上通孔、下通孔和頂部通孔中插入導向桿，連接下夾具主體和上夾具主體；然后取下緊固螺釘和螺釘，取下上部承載框架。

9、所述的寬頻譜大載荷高效率高分辨的原位疲勞三維成像裝置，主機規格如下：外徑≤100mm，高度≤240mm，重量≤8kg；主機設置于x射線三維成像儀器的外部時，主機通過底座直接放置于實驗平臺上；主機設置于x射線三維成像儀器的內部時，主機通過底座固定安裝于x射線三維成像儀器的轉臺上面。

10、所述的寬頻譜大載荷高效率高分辨的原位疲勞三維成像裝置，承載筒的材料為碳纖維材料、工程塑料、有機玻璃或金屬材料。

11、所述的寬頻譜大載荷高效率高分辨的原位疲勞三維成像的測試方法，包括如下步驟：

12、步驟1：根據需求，選擇x射線三維成像儀器；

13、步驟2：在x射線三維成像儀器的轉臺上安裝主機，主機通過底座1與轉臺用螺釘固定連接，采用周向等間隔三個鎖緊螺釘固定主機，并連接x射線三維成像儀器內部的油管和數據傳輸線；

14、步驟3：啟動控制器，給油源通電，按下復位按鈕，啟動油源；

15、步驟4：安裝試樣前，將靜壓作動器組件的活塞桿向上移動，直至接近上限位置；

16、步驟5：先在上通孔、下通孔和頂部通孔中插入導向桿，取下上部承載框架，在上夾具主體內放入上墊片，在下夾具主體內放入下墊片，放入疲勞試樣，將試樣兩端完全放入上夾具主體和下夾具主體內，分別使用試樣上壓板和試樣下壓板壓住，并用上壓緊螺釘和下壓緊螺釘固定；

17、步驟6：安裝上部承載框架，用螺釘和緊固螺釘固定，拔出導向桿；

18、步驟7：利用x射線三維成像儀器對試樣進行三維掃描、三維重建和三維可視化，獲得試樣未加載前的三維信息；

19、步驟8：在計算機的原位測試軟件界面，設置試樣形狀、加載類型、控制方向、控制方式、循環次數，開始疲勞實驗；

20、步驟9：疲勞實驗到達目標循環次數后，暫停或結束疲勞實驗；

21、步驟10：對試樣進行拉力保載控制，利用x射線三維成像儀器對試樣進行三維掃描、三維重建和三維可視化，獲得疲勞加載特定循環次數的試樣三維信息；

22、步驟11：掃描完成后，繼續疲勞實驗，重復步驟9～10，直到完成實驗目的；

23、步驟12：完成實驗目的后，將力卸載到零，插入導向桿，取下螺釘和緊固螺釘，取下上部承載框架，取掉壓緊螺釘和試樣壓板，取出試樣，依次關閉原位測試軟件、計算機、油源和控制器。

24、所述的寬頻譜大載荷高效率高分辨的原位疲勞三維成像的測試方法，根據需求選擇第二種試驗流程，包括如下步驟：

25、步驟13：重復步驟1～7；

26、步驟14：關閉油源和控制器，拔掉x射線三維成像儀器內部的油管和數據線，將主機整體從轉臺上取下，在x射線三維成像儀器外部的實驗平臺上放置主機，連接x射線三維成像儀器外部的油管和數據傳輸線；

27、步驟15：啟動控制器和油源，重復步驟8～9，將力卸載到零，關閉油源和控制器，拔掉x射線三維成像儀器外部的油管和數據傳輸線；

28、步驟16：在x射線三維成像儀器轉臺上部安裝步驟15后的主機，主機通過底座與轉臺用螺釘固定連接，采用周向等間隔三個鎖緊螺釘固定主機，并連接x射線三維成像儀器內部的油管和數據傳輸線；

29、步驟17：重復步驟10；

30、步驟18：重復步驟14～17，直到完成實驗目的，重復步驟12。

31、本發明的設計思想是：

32、面向挖掘掌握內部信息和演化信息的疲勞研究需求，本發明將傳統的大型疲勞力學試驗機微型化，并和x射線三維成像儀器集成在一起，針對現有裝置尺寸大、重量大、效率低、分辨率低、適應性差、頻譜窄、載荷低等問題，發明一種寬頻譜大載荷高效率高分辨的原位疲勞三維成像裝置及測試方法，為研究疲勞裂紋形核位置、裂紋擴展機制、疲勞模型偏離實際等疑難科學問題提供方便、快捷、好用的技術手段。

33、本發明的優點及有益效果在于：

34、1、x射線三維成像儀器的樣品臺有載重上限，不同的x射線三維成像儀器樣品臺的載重上限也不同，有的甚至只能載重10kg。本發明的原位疲勞三維成像裝置的主機重量低，適用性廣，可用于多種x射線三維成像儀器。

35、2、x射線三維成像儀器的內部空間有限，而且光通量與距離成反比，射線源和探測器之間的距離越短，光通量越高，成像的效率和圖像質量越高。因此，主機尺寸越小越好，本發明的原位疲勞三維成像裝置的主機外徑可做到≤100mm，高度≤240mm，在同類型裝置中尺寸最小，集成度最高，非常有利于獲得高質量原位疲勞三維成像結果。

36、3、疲勞實驗時振動的影響很大，頻率越高，振動越大，對x射線三維成像儀器樣品臺、其他部件產生不利影響，甚至加速其失效過程。本發明的原位疲勞三維成像裝置設置了兩套油管，兩套數據傳輸線，在高頻疲勞實驗時，可采用步驟13～18的實驗流程，規避了高頻帶來的振動的影響。此外，高周疲勞和超高周疲勞，一次實驗時間可能是幾周甚至幾個月；x射線三維成像儀器三維掃描任務一般比較重，不可能拿出幾周甚至幾個月的時間來做一次疲勞實驗；本發明的原位疲勞三維成像裝置設置了兩套油管，兩套數據傳輸線，在高周疲勞實驗時，可采用步驟13～18的實驗流程，可靈活在普通三維成像實驗和原位疲勞三維成像實驗之間進行切換，既不耽誤x射線三維成像儀器的正常實驗任務，又保證了原位疲勞三維成像實驗的順利進行。

37、4、本發明的原位疲勞三維成像裝置的疲勞頻率范圍在0.01hz到300hz，最大載荷15kn，可滿足各類金屬、陶瓷、復合材料等的疲勞研究需求。