本发明涉及材料微观力学性能测试领域的精密科学仪器，特别涉及一种变温拉扭复合载荷材料力学性能原位测试装置及方法。可以针对高低温环境下承受拉伸-扭转复合载荷作用的材料力学行为与损伤机制进行精准测试分析。
背景技术：
材料微观力学性能原位测试技术可以动态监测材料的微观力学服役行为及变形损伤机制，具有广阔的应用前景和重要的科学意义。原位监测的手段包括：扫描电子显微镜技术、原子力显微镜技术、红外吸收光谱技术、x射线衍射技术、中子衍射技术等。在众多微观观测方法中，中子衍射技术是唯一的技术手段来检测多晶材料内部三维应力。自20世纪80年代开始，发达国家已经开始利用中子衍射技术测量残余应力等，国际上越来越多的国家开始建立专门的中子衍射实验室。目前，美国、日本等发达国家已经为中子谱仪配备了各种环境下的加载设备，实现各种加载条件下材料的原位观测，但是国内对于此类设备的研究还处于初步阶段。
此外，航空航天部件和军工设备等经常会在高温低温等极端恶略的工况下服役，而温度对材料力学性能的影响是无法忽略的，因此在常温下测得的力学参数是不准确的，依照这样的参数去设计，难以保证结构的可靠性。因此，力热耦合类的力学性能测试装置应运而生。但是现有的力热耦合类装置仅仅能够实现单独高温或者低温加载，而对于研究材料在低温到高温的连续温度范围内的力学性能仍较为困难。
现有的拉伸扭转装置的加载力较小，如2014年崔丽娜等人申请的拉伸一扭转复合载荷材料微观力学性能原位测试仪（cn203811485u）；且多数采用单侧拉伸扭转，如2014年韦民等人申请的汽车离合器拉伸、扭转组合试验机（cn204085884u）。此外，现有的拉伸扭转力学性能测试装置难以与热场耦合，实现83k~600k的温度加载区间。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种变温拉扭复合载荷材料力学性能原位测试装置及方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明具有以下特点：（1）较大的加载力，可以实现100kn的拉伸力加载及200n.m的扭矩加载；（2）通过对称的结构布置，实现双侧的拉伸扭转，从而保证观测点位置基本不变，便于中子衍射下的原位观测；（3）通过与高低温加载系统集成，实现-100℃~300℃的连续变温范围加载；（4）通过巧妙的结构设计，使试件中心位置距离仪器底部小于500mm；（5）与中子衍射仪集成，实现原位观测。本发明提供了一种模拟材料在高低温连续变温环境下的拉扭复合材料力学性能测试方法，对于揭示材料失效的微观变化具有重要意义。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
变温拉扭复合载荷材料力学性能原位测试装置，整体采用立式结构布置，包括拉伸单元、扭转单元、力和位移检测单元、高低温加载系统以及密封腔3；拉伸单元和扭转单元对称的布置在密封腔3的两侧，实现双向的拉伸-扭转，拉伸单元采用直流电机ⅱ47，经过减速器46减速增扭后，通过同步带ⅰ、ⅱ16、38带动同侧的丝杠ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ8、20、25、44实现同步旋转运动，从而实现拉伸力的加载；扭转单元采用直流电机ⅰ、ⅲ15、50，经过蜗轮11蜗杆13一级减速增扭后，实现扭矩的加载；力和位移检测单元采用拉扭传感器2采集拉力及扭矩信号，采用光栅尺5、圆光栅、ⅰ、ⅱ12、48以及读数头ⅰ、ⅱ、ⅲ10、32、33采集拉伸位移及扭转角信号；高低温加载系统采用氮气变温系统，可以实现-100℃~300℃的温度加载区间；密闭腔3置于两个拉扭单元之间，与拉扭单元通过销连接，试样置于高低温密封腔内，中子射线通过高低温密闭腔体的蓝宝石视窗对被测样品的力学行为和损伤机制进行动态原位观测。
所述的拉伸单元采用直流电机ⅱ47提供驱动动力，通过减速器46减速并改变力矩的传递方向，将动力传递到同步轮ⅲ40上，同步轮ⅲ40通过同步带ⅰ、ⅱ16、38以及导向轮39的作用将动力传递到同步轮ⅰ、ⅱ、ⅳ9、37、42上，从而驱动同侧的丝杠ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ8、20、25、44同步转动，丝杠螺母副将丝杠ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ8、20、25、44的旋转运动变为螺母ⅰ、ⅱ、ⅲ31、35、45的直线运动，螺母ⅰ、ⅱ、ⅲ31、35、45与支撑板ⅰ、ⅲ24、30通过法兰连接，带动支撑板ⅰ、ⅲ24、30上下移动，从而实现拉伸力的加载；其中所述直流电机ⅱ47通过拉伸电机支座41固定在支撑板ⅳ1，同步轮ⅲ40通过平键安装到直流电机ⅱ47的输出轴上；同步轮ⅱ、ⅳ37、42通过平键安装到丝杠ⅲ、ⅳ25、44上，丝杠ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ8、20、25、44通过丝杠支座ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ7、17、36、43固定在两侧的支撑板ⅳ1上；支撑板ⅰ、ⅲ24、30通过导轨ⅰ、ⅱ、ⅲ4、18、29滑块ⅰ、ⅱ、ⅳ、ⅴ6、19、23、27的导向作用，沿直线运动，导轨ⅰ、ⅱ、ⅲ4、18、29安装到支撑板ⅳ1上。
所述的扭转单元采用直流电机ⅰ、ⅲ15、50提供驱动动力，所述直流电机ⅰ、ⅲ15、50通过扭转电机支座ⅰ、ⅱ14、49固连在支撑板ⅰ24上，蜗杆通过键连接在直流电机ⅲ50的输出轴上，蜗轮安装的扭矩的输出轴上；所述输出轴加工有销孔，与高低温密闭腔3的腔体通过销连接；扭转单元整体固连在支撑板ⅰ24上，随支撑板ⅰ24上下移动，从而实现拉伸及扭转力的加载。
所述的力和位移检测单元包括拉扭力传感器2、光栅尺、圆光栅ⅰ、ⅱ12、48以及读数头ⅰ、ⅱ、ⅲ10、32、33；所述拉扭传感器2一端通过法兰盘与轴51固连，另一端通过法兰盘与上部的拉扭输出轴固连，通过控制轴的拉伸扭转，经由拉扭传感器2，带动拉扭输出轴的运动，从而实现力的测量；直线光栅位移传感器布置在侧面，光栅尺5固定在支撑板ⅳ1上，读数头ⅲ33布置在支撑板ⅱ26上；圆光栅ⅱ48安装在拉扭输出轴上，读数头ⅱ32固连在支撑板ⅱ26上，通过测量读数头ⅱ32与圆光栅ⅱ48之间的相对扭转角，实现扭转位移的测量；其中所述的支撑板ⅱ26通过滑块ⅲ、ⅳ21、22导向作用，沿直线运动。
所述的高低温加载系统由液氮杜瓦55、加热器52、氮发生器及主储层液位探针53、电子流量控制器和液氮自动填充系统组成，所述液氮杜瓦55有两个液氮储液罐，液氮由液氮杜瓦55流出，经加热器52加热，最后在氮气喷嘴54喷出设定温度的氮气，在高低温密封腔内安装热电偶64。
所述的密封腔3由上动卡头58、下动卡头61、水冷单元ⅰ、ⅱ65、66、氮气馈入口63、真空吸口57、残余氮气排放口62、电阻规56、压力表59、充气阀60、热电偶64、观察窗28、电控箱组成，所述氮气馈入口63、真空吸口57、残余氮气排放口62分别通过法兰的连接方式固连到在高低温密封腔后壁；所述电阻规56、压力表59、充气阀60、热电偶64通过法兰的连接方式布置在高低温密封腔侧壁；所述上、下动卡头58、61通过多层胶圈密封的方式与高低温腔体连接，保证上、下动卡头58、61在拉扭运动时腔体的密封性；高低温密封腔3外部设有水冷单元ⅰ、ⅱ65、66以及真空的双层隔热。
所述的高低温腔体3内部布置有热电偶64，通过pid调节实现温度的闭环控制。
本发明的另一目的在于提供一种变温拉扭复合载荷材料力学性能原位测试方法，通过调节氮气温度，在-100℃~300℃的连续变温加载下，对材料进行拉扭复合载荷下的力学性能测试，且基于中子衍射实现原位观测，对材料的损伤机制进行动态监测，其具体步骤如下：
a.实验开始前首先将拉扭单元复位，便于试件的安装夹紧；
b.之后进行试件的装夹，打开高低温密封腔前门，将试件放入高低温密封腔并将试件两端分别旋进至两侧夹具进行固定，关闭前门并锁紧；
c.试件装夹完毕后，将高低温腔体通过销连接与试验机的拉扭轴固连；
d.将拉扭力传感器以及位移传感器全部清零；
e.前期准备工作结束后，开始温度的加载；首先启动机械泵将密封腔内部抽真空，从而避免由于低温结冰、高温氧化现象对于中子衍射原位观测的影响，观察真空计，当达到真空要求时，关闭机械泵；
f.之后，开启高低温加载系统，循环水冷启动，设定加载温度，向密封腔内馈入氮气，观察压力表，当密封室内压力大于0.1mpa时，自动开启电磁真空截止阀，事先调好安全压力的单向排气阀开始排放残余氮气；馈入氮气的同时点击温度加载模式，通过电机的往复旋转，保证力传感器示数始终为零；
g.观察温度计示数，当达到设定温度后，进行拉扭实验；首先需要设置拉伸速率、扭转速率，之后进行拉扭试验，并采集拉伸力、拉伸位移、扭矩以及扭转角；
h.试验结束后，关闭氮气馈入阀门；打开充气阀，使密封室气压与外界平衡，开启前门，待密封腔内温度与外界温度一致后，取出试件。
本发明的有益效果在于：加载力大、测试精度较高、高低温连续变温。与现有传统试验机相比，具有以下优势：（1）试件距离仪器底部高度小于500mm，满足特殊工况下要求；（2）力热耦合加载，且实现了温度从-100℃~300℃的连续变温；（3）与中子衍射仪高度集成，实现原位观测；（4）较大的拉伸扭矩加载力。总之，本发明为在高温、低温以及高低温连续变温下承受复杂受力状态时的材料断裂机制的研究提供了有效方法，具有很强的实用性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的整体外观结构轴测图；
图2为本发明的内部结构轴测图；
图3为本发明的拉扭单元轴测图；
图4为本发明的高低温密封腔轴测图；
图5为本发明的高低温加载系统轴测图；
图6为本发明的中子衍射下原位观测原理图。
图中：1、支撑板ⅳ；2、拉扭传感器；3、高低温密闭箱；4、导轨ⅰ；5、光栅尺；6、滑块ⅰ；7、丝杠支座ⅰ；8、丝杠ⅰ；9、同步轮ⅰ；10、读数头ⅰ；11、蜗轮；12、圆光栅ⅰ；13、蜗杆；14、扭转电机支座ⅰ；15、直流电机ⅰ；16、同步带ⅰ；17、丝杠支座ⅱ；18、导轨ⅱ；19、滑块ⅱ；20、丝杠ⅱ；21、滑块ⅲ；22、滑块ⅳ；23、滑块ⅴ；24、支撑板ⅰ；25、丝杠ⅲ；26、支撑板ⅱ；27、滑块ⅵ；28、观察窗；29、导轨ⅲ；30、支撑板ⅲ；31、螺母ⅰ；32、读数头ⅱ；33、读数头ⅲ；34、读数头支座；35、螺母ⅱ；36、丝杠支座ⅲ；37、同步轮ⅱ；38、同步带ⅱ；39、导向轮；40、同步轮ⅲ；41、拉伸电机支座；42、同步轮ⅳ；43、丝杠支座ⅳ；44、丝杠ⅳ；45、螺母ⅲ：46、减速器；47、直流电机ⅱ；48、圆光栅ⅱ；49、扭转电机支座ⅱ；50、直流电机ⅲ；51、轴；52、加热器；53探针安装处；54、氮气喷嘴；55、杜瓦；56、电阻规；57、真空吸口；58、上动卡头；59、压力表；60、充气阀；61、下动卡头；62、氮气排放口；63、氮气馈入口；64、热电偶；65、水冷单元ⅰ；66、水冷单元ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图6所示，本发明的变温拉扭复合载荷材料力学性能原位测试装置，整体采用立式结构布置，包括拉伸单元、扭转单元、力和位移检测单元、高低温加载系统以及密封腔3。拉伸单元和扭转单元对称的布置在密封腔3的两侧，实现双向的拉伸-扭转，拉伸单元采用直流电机ⅱ47，经过减速器46减速增扭后，通过同步带ⅰ、ⅱ16、38带动同侧的丝杠ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ8、20、25、44实现同步旋转运动，从而实现拉伸力的加载；扭转单元采用直流电机ⅰ、ⅲ15、50，经过蜗轮11蜗杆13一级减速增扭后，实现扭矩的加载；力和位移检测单元采用拉扭传感器2采集拉力及扭矩信号，采用光栅尺5、圆光栅、ⅰ、ⅱ12、48以及读数头ⅰ、ⅱ、ⅲ10、32、33采集拉伸位移及扭转角信号；高低温加载系统采用氮气变温系统，可以实现-100℃~300℃的温度加载区间；密闭腔3置于两个拉扭单元之间，与拉扭单元通过销连接，试样置于高低温密封腔内，中子射线通过高低温密闭腔体的蓝宝石视窗对被测样品的力学行为和损伤机制进行动态原位观测。
参见图3所示，所述的拉伸单元采用直流电机ⅱ47提供驱动动力，通过减速器46减速并改变力矩的传递方向，将动力传递到同步轮ⅲ40上，同步轮ⅲ40通过同步带ⅰ、ⅱ16、38以及导向轮39的作用将动力传递到同步轮ⅰ、ⅱ、ⅳ9、37、42上，从而驱动同侧的丝杠ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ8、20、25、44同步转动，丝杠螺母副将丝杠ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ8、20、25、44的旋转运动变为螺母ⅰ、ⅱ、ⅲ31、35、45的直线运动，螺母ⅰ、ⅱ、ⅲ31、35、45与支撑板ⅰ、ⅲ24、30通过法兰连接，带动支撑板ⅰ、ⅲ24、30上下移动，从而实现拉伸力的加载；其中所述直流电机ⅱ47通过拉伸电机支座41固定在支撑板ⅳ1，同步轮ⅲ40通过平键安装到直流电机ⅱ47的输出轴上；同步轮ⅱ、ⅳ37、42通过平键安装到丝杠ⅲ、ⅳ25、44上，丝杠ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ8、20、25、44通过丝杠支座ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ7、17、36、43固定在两侧的支撑板ⅳ1上；支撑板ⅰ、ⅲ24、30通过导轨ⅰ、ⅱ、ⅲ4、18、29滑块ⅰ、ⅱ、ⅳ、ⅴ6、19、23、27的导向作用，沿直线运动，导轨ⅰ、ⅱ、ⅲ4、18、29安装到支撑板ⅳ1上。
参见图3所示，所述的扭转单元采用直流电机ⅰ、ⅲ15、50提供驱动动力，所述直流电机ⅰ、ⅲ15、50通过扭转电机支座ⅰ、ⅱ14、49固连在支撑板ⅰ24上，蜗杆通过键连接在直流电机ⅲ50的输出轴上，蜗轮安装的扭矩的输出轴上；所述输出轴加工有销孔，与高低温密闭腔3的腔体通过销连接；扭转单元整体固连在支撑板ⅰ24上，随支撑板ⅰ24上下移动，从而实现拉伸及扭转力的加载。
参见图2、3所示，所述的力和位移检测单元包括拉扭力传感器2、光栅尺、圆光栅ⅰ、ⅱ12、48以及读数头ⅰ、ⅱ、ⅲ10、32、33。所述拉扭传感器2一端通过法兰盘与轴51固连，另一端通过法兰盘与上部的拉扭输出轴固连，通过控制轴的拉伸扭转，经由拉扭传感器2，带动拉扭输出轴的运动，从而实现力的测量；直线光栅位移传感器布置在侧面，光栅尺5固定在支撑板ⅳ1上，读数头ⅲ33布置在支撑板ⅱ26上；圆光栅ⅱ48安装在拉扭输出轴上，读数头ⅱ32固连在支撑板ⅱ26上，通过测量读数头ⅱ32与圆光栅ⅱ48之间的相对扭转角，实现扭转位移的测量；其中所述的支撑板ⅱ26通过滑块ⅲ、ⅳ21、22导向作用，沿直线运动。
参见图5所示，所述的高低温加载系统可以实现-100~300℃的温度加载区间。其主要由液氮杜瓦55、加热器52、氮发生器及主储层液位探针53、电子流量控制器和液氮自动填充系统等部分组成，所述液氮杜瓦55有两个液氮储液罐，气体发生器储液罐由主外储层储液器包围，从而保证热输入为零；液氮自动填充系统会自动检测气体发生器中液氮的体积，实现储液器与气体发生器储液罐之间的自动灌装，从而保证气体发生器的条件在相当长的一段时间内是恒定的，进而产生恒定的流量。液氮由液氮杜瓦55流出，经加热器52加热，最后在氮气喷嘴54喷出设定温度的氮气，在高低温密封腔内安装热电偶64，测定腔体内氮气的实际温度，通过pid实现温度的闭环控制。
参见图4所示，所述的高低温密封腔3由上动卡头58、下动卡头61、水冷单元ⅰ、ⅱ65、66、氮气馈入口63、真空吸口57、残余氮气排放口62、电阻规56、压力表59、充气阀60、热电偶64、观察窗28、电控箱等主要零部件组成，所述氮气馈入口63、真空吸口57、残余氮气排放口62分别通过法兰的连接方式固连到在高低温密封腔后壁；所述电阻规56、压力表59、充气阀60、热电偶64通过法兰的连接方式布置在高低温密封腔侧壁；所述上、下动卡头58、61通过多层胶圈密封的方式与高低温腔体连接，保证上、下动卡头58、61在拉扭运动时腔体的密封性；高低温密封腔3外部设有水冷单元ⅰ、ⅱ65、66以及真空的双层隔热，避免高低温腔体内部与外界的热交换，保证了温度的稳定性，而整个氮气氛围的加热环境，保证了温度加载的均匀性。
高低温加载时，高低温加载系统通过氮气馈入口63将设定温度的氮气喷入高低温腔体3内部，特定温度的氮气通过热对流以及热辐射的方式与试件进行热量的传导，高低温腔体3内部布置有热电偶64，通过pid调节实现温度的闭环控制，保证温度加载的稳定性以及准确性。
本发明的变温拉扭复合载荷材料力学性能原位测试方法，通过调节氮气温度，在-100℃~300℃的连续变温加载下，对材料进行拉扭复合载荷下的力学性能测试，且基于中子衍射实现原位观测，对材料的损伤机制进行动态监测，其具体步骤如下：
a.实验开始前首先将拉扭单元复位，便于试件的安装夹紧；
b.之后进行试件的装夹，打开高低温密封腔前门，将试件放入高低温密封腔并将试件两端分别旋进至两侧夹具进行固定，关闭前门并锁紧；
c.试件装夹完毕后，将高低温腔体通过销连接与试验机的拉扭轴固连；
d.将拉扭力传感器以及位移传感器全部清零；
e.前期准备工作结束后，开始温度的加载；首先启动机械泵将密封腔内部抽真空，从而避免由于低温结冰、高温氧化现象对于中子衍射原位观测的影响，观察真空计，当达到真空要求时，关闭机械泵；
f.之后，开启高低温加载系统，循环水冷启动，设定加载温度，向密封腔内馈入特定温度的氮气，观察压力表，当密封室内压力大于0.1mpa时，自动开启电磁真空截止阀，事先调好安全压力的单向排气阀开始排放残余氮气；馈入氮气的同时点击温度加载模式，通过电机的往复旋转，保证力传感器示数始终为零；
g.观察温度计示数，当达到设定温度后，进行拉扭实验；首先需要设置拉伸速率、扭转速率等相关力学性能参数，之后进行拉扭试验，并采集拉伸力、拉伸位移、扭矩以及扭转角等相关力学性能参数；
h.试验结束后，关闭氮气馈入阀门；打开充气阀，使密封室气压与外界平衡，开启前门，待密封腔内温度与外界温度一致后，取出试件。
本发明所述的变温拉扭复合载荷材料力学性能原位测试装置，由于采用双侧拉伸扭转的加载方式，试件中心区域近似不变，从而更加有利于进行中子衍射下的原位观测。本装置采用立式结构，通过巧妙的结构设计，使测试装置结构紧凑，满足在变温、中子衍射原位监测等特定条件下的原位拉伸-扭转测试试验。装置可实现变温环境下的拉伸或扭转单一载荷加载的材料力学性能测试试验，特别是还可以实现变温环境下拉伸、扭转复合载荷模式加载的测试试验。变温加载模块采用高低温加载系统进行加载，可实现-100~300℃的连续变温，从而模拟材料真实服役环境下的复杂环境。装置通过巧妙的机械结构集成中子衍射原位监测功能，进而对材料变形损伤实施动态原位监测。本装置突破了部分传统试验机仅能实现单向拉伸或单向扭转加载测试的局限：通过对称的机械结构巧妙的实现了双向拉伸与正反向扭转的加载测试，充分保证了原位监测的材料微区位置不变，从而实现对样品材料特定微区的力学行为、损伤机制实施动态原位监测，为深入分析研究载荷作用材料微观力学行为与变形损伤机制，进而揭示载荷作用对材料宏观力学响应的影响提供了重要的基础与支撑。本发明为测试分析变温环境下复杂载荷作用对材料力学行为的影响规律提供了重要的基础与支撑，在材料科学、装备制造、航天航空、武器系统和核工业等领域具有广阔的应用前景。
本发明通过测量矩形截面试件的拉伸力、位移量、扭转角以及扭矩，经过计算可以得到材料的弹性模量e、纯扭转下材料的切变模量g、预拉伸下材料的切变模量
弹性模量:e=
纯扭转下切变模量：
预拉伸下切变模量：
扭转屈服强度：
抗扭强度：
其中，m：扭矩；l：标距长度；
材料的力学性能主要表现在材料在载荷作用下的变形和破坏性能等。材料的弹性模量、断裂极限、疲劳强度等参数是材料力学性能测试中最主要的测试对象。通过拉伸扭转测试能够测量材料的弹性模量、切变模量、屈服强度、抗拉强度、抗扭强度、断后伸长率和断面收缩率,从而衡量材料在承受拉伸扭转载荷时的力学性能。而温度对材料力学性能也会有很大影响。本发明可以进行拉伸、扭转或高低温单一载荷的加载，也可以实现拉伸、扭转及高低温复合载荷的加载，对于探究力热耦合下材料力学性能的研究具有重要意义。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。