本發(fā)明屬于高溫力學測試，尤其涉及一種用于原位ct成像超高溫力學加載實驗的試樣變形測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著航空航天、核能、汽車工業(yè)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，能夠在超高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作的材料逐漸成為研究的重點。例如，陶瓷基復合材料、耐高溫合金和碳化硅等材料被廣泛應用于高溫工作環(huán)境中。這些材料在高溫下的力學性能直接影響其服役可靠性，因此，在高溫條件下對材料進行力學性能測試與表征顯得尤為重要。傳統(tǒng)的高溫力學性能測試方法，如拉伸、壓縮和彎曲等實驗，通常通過測量載荷與位移之間的關(guān)系來獲得材料的基本力學參數(shù)。然而，這些方法主要關(guān)注宏觀力學行為，難以深入觀察材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化，例如裂紋擴展、孔洞演化及晶格缺陷的運動等。

2、近年來，x射線計算機斷層掃描(ct)技術(shù)因其能夠進行三維無損檢測而被廣泛應用于材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究。與傳統(tǒng)的力學測試方法相比，原位ct成像技術(shù)結(jié)合力學加載實驗能夠在加載過程中實時觀察材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的演化過程。該方法提供了動態(tài)、高分辨率的三維圖像，有助于揭示諸如裂紋起始與擴展、孔洞的形成與合并、以及界面損傷等微觀機制。

3、在原位ct成像超高溫力學加載實驗中，準確監(jiān)測試樣的變形量對于分析材料的高溫力學行為至關(guān)重要。然而，在超高溫環(huán)境下，試樣的變形監(jiān)測面臨著一系列挑戰(zhàn)。首先，一些傳統(tǒng)的位移測量方法(如外部lvdt傳感器)在高溫爐外的測量會由于高溫爐內(nèi)溫度梯度和器件熱變形的干擾而產(chǎn)生較大誤差；另一方面，在與高分辨原位ct配合的小型高溫爐內(nèi)，操作空間狹窄，且超高溫環(huán)境可能對傳感器和變形測量裝置產(chǎn)生復雜的熱干擾，從而導致測量裝置因材料性能退化或電磁輻射干擾而無法正常工作，顯著降低測量的精度和穩(wěn)定性；此外，原位ct成像要求試樣和加載裝置能夠在x射線束視野內(nèi)進行無阻礙的三維掃描，這就對變形測量裝置的結(jié)構(gòu)提出了嚴苛要求：不僅要保證結(jié)構(gòu)緊湊、對x射線的吸收或散射影響最小，還要避免復雜的機械部件遮擋ct的成像視場；最后，在原位ct成像過程中，材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)變化需要通過高分辨率的三維重建進行表征，如果試樣變形的測量誤差較大，將直接影響成像質(zhì)量以及后續(xù)分析的準確性，因此，要求變形測量裝置具備較高的測量精度。

4、因此，克服上述技術(shù)難題，開發(fā)一種能夠用于原位ct成像超高溫力學加載實驗的高精度試樣變形測量系統(tǒng)與方法，不僅具有重要的科學意義，也對提高材料研究的準確性和可靠性具有極其重要的應用價值。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種用于原位ct成像超高溫力學加載實驗的試樣變形測量系統(tǒng)，通過優(yōu)化傳感器布局、引入耐高溫材料以及采用lvdt的測量技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)小尺寸密閉高溫環(huán)境內(nèi)試樣變形的精確測量。

2、一種用于原位ct成像超高溫力學加載實驗的試樣變形測量系統(tǒng)，應用于基于原位ct成像的高溫爐系統(tǒng)，所述試樣變形測量系統(tǒng)包括上位機、加載裝置1、引出測量裝置以及相互間隔90度布設(shè)在高溫爐系統(tǒng)周圍的四臺視頻引伸計7，且視頻引伸計正對x射線透射薄壁法蘭5，待測試樣安裝在引出測量裝置的中段部位；所述高溫爐系統(tǒng)用于為待測試樣22提供不同的溫度環(huán)境，且依次由上爐體4、x射線透射薄壁法蘭5、下爐體6組裝而成；

3、所述引出測量裝置從上爐體4頂部穿入高溫爐系統(tǒng)內(nèi)部，從下爐體6底部穿出高溫爐系統(tǒng)，使得待測試樣位于高溫爐系統(tǒng)的中段部位，且待測試樣22能夠被從x射線透射薄壁法蘭5處透射而來的x射線掃描；

4、所述加載裝置1用于連接引出測量裝置的上端，以此對待測試樣22施加拉伸載荷直至待測試樣22斷裂，并采用原位ct成像技術(shù)從x射線透射薄壁法蘭5處對待測試樣22的形變過程進行x射線掃描成像；同時，引出測量裝置用于測量待測試樣22形變過程中產(chǎn)生的位移量；

5、所述四臺視頻引伸計7分別從四個不同的方向測量待測試樣22形變過程中x射線透射薄壁法蘭5產(chǎn)生的位移量；

6、所述上位機用于根據(jù)x射線掃描成像的結(jié)果對三維重建對待測試樣22的形變過程進行三維重建，并根據(jù)待測試樣22的位移量以及x射線透射薄壁法蘭5產(chǎn)生的位移量確定待測試樣22的變形量。

7、進一步地，所述引出測量裝置包括安裝在上爐體4中的上變形引出測量組件3以及安裝在下爐體6中的下變形引出測量組件8，且待測試樣連接在上變形引出測量組件3與下變形引出測量組件8之間；

8、所述上變形引出測量組件3包括上拉頭11、上引出桿21、上安裝罩13、兩個上lvdt組件、兩個上鐵芯螺釘20；其中，上安裝罩13安裝于上爐體4的上端面；兩個上lvdt組件安裝于上安裝罩13的安裝孔內(nèi)，并由上安裝罩13側(cè)面螺孔頂入的螺絲頂住固定；上引出桿21為中空圓筒結(jié)構(gòu)，且上端設(shè)有向外延伸的第一圓環(huán)安裝耳；兩個上鐵芯螺釘20分別旋入第一圓環(huán)安裝耳上的螺孔中，伸出螺孔的兩個上鐵芯螺釘20的一端分別與兩個上lvdt組件螺紋連接；同時，上引出桿21通過上爐體4上端面的通孔穿入上爐體4內(nèi)部，使得上引出桿21由于自身重力的作用卡在套于上引出桿21內(nèi)部的上拉頭11的變徑面處，其中，上拉頭11的下端也通過上爐體4上端面的通孔穿入上爐體4內(nèi)部，并連接有待測試樣；上拉頭11的上端從兩個上lvdt組件中間穿出上安裝罩13，然后與加載裝置1連接，由加載裝置1通過上拉頭11為待測試樣施加拉伸載荷；兩個上lvdt組件用于測量待測試樣形變過程中產(chǎn)生的位移量；

9、所述下變形引出測量組件8包括下拉頭17、下引出桿23、下安裝罩14、兩個下lvdt組件、兩個下鐵芯螺釘；其中，下安裝罩14安裝于下爐體6的下端面；兩個下lvdt組件安裝于下安裝罩14的安裝孔內(nèi)，并由下安裝罩14側(cè)面螺孔頂入的螺絲頂住固定；下引出桿23為中空圓筒結(jié)構(gòu)，且下端設(shè)有向外延伸的第二圓環(huán)安裝耳，上端設(shè)有向內(nèi)延伸的第三圓環(huán)安裝耳；兩個下鐵芯螺釘分別旋入第二圓環(huán)安裝耳上的螺孔中，伸出螺孔的兩個下鐵芯螺釘?shù)囊欢朔謩e與兩個下lvdt組件螺紋連接；同時，下引出桿23通過下爐體6下端面的通孔穿入下爐體6內(nèi)部，使得下引出桿23由于自身重力的作用通過第三圓環(huán)安裝耳卡在套于下引出桿23內(nèi)部的下拉頭17的變徑面處，其中，下拉頭17的上端也通過下爐體6下端面的通孔穿入下爐體6內(nèi)部，且下拉頭17的上端通過連接待測試樣為下拉頭17提供拉伸載荷；下拉頭17的下端從兩個下lvdt組件中間穿出下安裝罩14；下拉頭17的下端安裝有一個鎖緊螺母，在拉伸實驗時可卡在下安裝罩14下端面來限制下拉頭17向上運動；兩個下lvdt組件用于測量待測試樣形變過程中產(chǎn)生的位移量。

10、進一步地，一種用于原位ct成像超高溫力學加載實驗的試樣變形測量系統(tǒng)，還包括上蓋板12和下蓋板15；

11、其中，上蓋板12用于封裝上安裝罩13，下蓋板15用于封裝下安裝罩14。

12、進一步地，上安裝罩13和下安裝罩14上還開有水冷管頭；

13、所述水冷管頭用于通入冷水，分別用于控制上lvdt組件、下lvdt組件的工作溫度維持在設(shè)定范圍。

14、進一步地，一種用于原位ct成像超高溫力學加載實驗的試樣變形測量系統(tǒng)，還包括立柱2；

15、所述加載裝置1通過立柱2安裝在上爐體4上端面。

16、進一步地，所述上位機根據(jù)待測試樣的位移量以及x射線透射薄壁法蘭5產(chǎn)生的位移量確定待測試樣的變形量的方法為：

17、在拉伸階段，所述變形量的計算方法為：獲取兩個上lvdt組件測量的位移量平均值與兩個下lvdt組件測量的位移量平均值之間的差值；獲取四臺視頻引伸計7測量的x射線透射薄壁法蘭5位移量平均值；將差值和x射線透射薄壁法蘭5位移量平均值的差值作為所述變形量；

18、在保載階段，所述變形量為兩個上lvdt組件測量的位移量平均值與兩個下lvdt組件測量的位移量平均值之間的差值。

19、進一步地，四臺視頻引伸計7測量的x射線透射薄壁法蘭5位移量平均值的獲取方法為：

20、在x射線透射薄壁法蘭5的豎直方向上、下各貼一個標記，間隔90度共貼四組；

21、調(diào)整各臺視頻引伸計7的攝像頭位置和焦距，使得每臺視頻引伸計7對準一組標記，確保標記在視頻中可見；

22、各臺視頻引伸計7分別采集待測試樣形變過程中各組標記對應的距離變化量；

23、將四組標記的兩個標記之間的距離變化量的平均值作為x射線透射薄壁法蘭5位移量平均值。

24、進一步地，加載裝置1對待測試樣施加拉伸載荷直至待測試樣斷裂的方法為：

25、s1：通過高溫爐系統(tǒng)對待測試樣22進行升溫，直至溫度達到設(shè)定值后加載裝置1對待測試樣22施加拉伸載荷；采用引出測量裝置用于測量待測試樣22形變過程中產(chǎn)生的位移量；采用視頻引伸計7測量x射線透射薄壁法蘭5產(chǎn)生的位移量；

26、s2：加載裝置1對待測試樣22施加拉伸載荷至設(shè)定值后，保持拉伸載荷不變，此時采用原位ct成像技術(shù)從x射線透射薄壁法蘭5處對待測試樣22的形變過程進行x射線掃描成像；

27、s3：重復步驟s1和s2，直至待測試樣22斷裂，得到待測試樣在拉伸全過程的x射線掃描成像和變形量。

28、進一步地，一種用于原位ct成像超高溫力學加載實驗的試樣變形測量系統(tǒng)，還包括轉(zhuǎn)臺9；

29、所述轉(zhuǎn)臺9用于支撐所述高溫爐系統(tǒng)，并在拉伸載荷保持不變的階段旋轉(zhuǎn)與高溫爐系統(tǒng)結(jié)合為一體的引出測量裝置，以此對待測試樣進行不同視角下的x射線掃描成像。

30、有益效果：

31、本發(fā)明提供一種用于原位ct成像超高溫力學加載實驗的試樣變形測量系統(tǒng)，采用高溫陶瓷材料作為輔助引出設(shè)計，將試樣標距段變形量引出至高溫爐外并使用lvdt進行測量；同時，為了消除高溫爐內(nèi)x射線透射薄壁的變形對試樣變形測量的影響，本發(fā)明還采用視頻引伸計實時監(jiān)測薄壁變形，并根據(jù)其數(shù)據(jù)修正lvdt測量結(jié)果，實現(xiàn)了超高溫環(huán)境下的高精度變形測量；本發(fā)明的測量系統(tǒng)能夠與高分辨率原位ct成像實驗兼容，滿足了在高溫環(huán)境下同時進行力學加載和微觀結(jié)構(gòu)成像的需求，提升了原位實驗的實時性和精度；本發(fā)明的系統(tǒng)適用于拉伸、壓縮、剪切、彎曲、壓痕等多種高溫原位實驗，為全面研究材料的力學性能和行為提供了有力工具，以滿足對材料性能和行為全面的深入研究需求，彌補了現(xiàn)有技術(shù)的空白。