技术领域
[0001] 本
发明涉及拉扭性能测试技术领域，特别涉及一种作用于扫描电镜下的形状
记忆合金拉扭实验观测装置及方法。
背景技术
[0002] 形状记忆合金是一种具有形状记忆效应的合金，属于一种集
感知和驱动为一体的新型功能材料。热
力载荷作用下形状记忆合金(Shape Memory Alloys,SMAs)特有的热弹性
马氏体
相变赋予其奇异的特性，如形状记忆效应(Shape Memory Effect,SME)和伪弹性(Pseudoelastisity,PE)等。这些特性使形状记忆合金在工业、国防、仪表和医疗领域获得了广泛应用。形状记忆合金的在
电子、机械、宇航、运输、建筑、化学、医疗、
能源、家电以及日常生活用品等领域都有广泛的应用。一般采用的都是小尺寸的形状记忆合金的试件。特别是在
生物医学方面的应用中，对小尺寸有更加特殊的要求。例如，骨科内固定物的制作，锯齿臂环抱内
固定器、
锁式髓内钉、抓髌器、椎体钉、
椎间融合器等。另外主要用于制造血管内壁
支架和
微创手术器械的NiTiSMAs微管，也是用的小尺寸试件，并且需要将材料的外径控制在人体血管内径的尺寸范围内，才能执行相应的功能。
[0003] 为了更好地认识形状记忆合金的特性，对形状记忆合金的拉扭性能以及形状恢复性能进行试验研究，具有重要意义。
[0004]
现有技术中，存在的用于检测各种金属拉扭性能的设备，多数是针对普通的金属，对测试试件没有特殊要求，故为了便于测试试件的安装，其试件和夹具的尺寸均设置得较大，夹具多数采用
法兰盘结构的形式。比如美国MTSsystems Corporation公司出产的MTS（material testingSYSTEM材料测试系统）
操作系统（产品型号MTS858/material testing system858/MTS858万能材料试验机）就属于这种设备。但对于形状记忆合金由于成本较贵和自身性能特殊，所以需要制作成为较小尺寸（一般检测部分采用直径5mm左右的圆管形状）的试件，然后配合有
温度控制的措施，这样才能准确地检测出其拉扭性能，以及高温下恢复的功能。现有技术中也存在一些能够检测小尺寸试件拉扭性能的设备，但均存在成本高昂的
缺陷，而且同样并不适合用于具有特殊功能的形状记忆合金的拉扭性能测试。
[0005] 因此急需一种适合用于具有特殊功能的形状记忆合金的拉扭性能测试装置及方法。
发明内容
[0006] 有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种适合用于具有特殊功能的形状记忆合金的拉扭性能测试装置及方法。
[0007] 本发明的目的之一是提出一种形状记忆合金拉扭实验观测装置；本发明的目的之二是提出一种形状记忆合金拉扭实验观测方法。
[0008] 本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：
[0009] 本发明提供的形状记忆合金拉扭实验观测装置，包括形状记忆合金拉扭实验夹具，所述形状记忆合金拉扭实验夹具包括
底板、试件夹头、拉
压实验单元和扭转实验单元，所述试件夹头、拉压实验单元和扭转实验单元设置于底板上；
[0010] 所述拉压实验单元包括拉压
定位箱、拉压荷重
传感器、拉压
丝杆和拉压
螺母；
[0011] 所述试件夹头包括活动端夹头、固定端夹头；
[0012] 所述扭转实验单元包括扭转定位箱、扭转荷重传感器、扭转丝杆、扭转螺母、扭转传动
齿条和扭转
齿轮；
[0013] 所述拉压螺母设置于拉压定位箱上，所述拉压螺母通过拉压丝杆与拉压荷重传感器的一端连接，所述拉压丝杆用于将拉压螺母的旋转运动转化为拉压丝杆的直线运动，所述试件夹头的固定端夹头与拉压荷重传感器另一端连接，所述试件夹头的活动端夹头与固定端夹头之间用于固定试件；
[0014] 所述扭转螺母设置于扭转定位箱上，所述扭转螺母通过扭转丝杆与扭转荷重传感器的一端连接，所述扭转丝杆用于将扭转螺母的旋转运动转化为扭转丝杆的直线运动，所述扭转荷重传感器另一端与扭转传动齿条连接，所述活动端夹头内设置扭转齿轮，所述扭转齿轮与待测试件连接，所述扭转齿轮与扭转传动齿条
啮合连接。
[0015] 进一步，所述拉压传感器通过
万向节与试件夹头的固定端夹头连接。
[0016] 进一步，所述固定端夹头对称设置有至少两个顶紧
螺栓，所述顶紧螺栓通过
螺纹转动固定试件。
[0017] 进一步，所述拉压荷重传感器和扭转荷重传感器上设置有输出
导线，所述输出导线与应变仪连接。
[0018] 进一步，还包括扫描电镜，所述扫描电镜用于自动获取试件发生形变的图像并储存和对图像进行处理分析，所述形状记忆合金拉扭实验夹具平放于扫描电镜工作仓内的
工作台上，再对扫描电镜进行微调至形状记忆合金拉扭实验夹具中的形状记忆合金观测
位置。
[0019] 进一步，还包括千分表固定座，所述千分表固定座相对于扭转传动齿条所在的方向设置于底板上，所述千分表固定座用于固定千分表来直接测出试件的轴向位移。
[0020] 进一步，所述试件为NiTi SMAs微管试件。
[0021] 本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的：
[0022] 本发明提供的形状记忆合金拉扭实验观测方法，包括以下步骤：
[0023] S1：设置形状记忆合金拉扭实验夹具并获取试件的原始长度l；
[0024] S2：用应变仪对拉压荷重传感器和扭转荷重传感器进行标定；
[0025] S3：确定应变仪显示的微应变与拉压荷重传感器和扭转荷重传感器受力的对应关系；
[0026] S4：进行拉伸试验，通过旋转拉压螺母对试件施加拉伸力，通过拉压荷重传感器测量试件的微应变数Δl；
[0027] S5：进行扭转试验，通过旋转扭转螺母对试件施加扭转力，通过扭转荷重传感器测试作用于试件所受剪
应力；
[0028] S6：将形状记忆合金拉扭实验夹具送入扫描电镜的工作舱并通过扫描电镜观测并记录试件测试数据。
[0029] 进一步，还包括以下步骤：
[0030] S41：在拉伸试验中通过以下公式来计算拉伸名义应变：
[0031] 其中，l表示原始长度，Δl表示作用于试件的拉力由应变仪读出的微应变数Δl；
[0032] S51：在旋转实验中通过以下公式来计算扭转名义应变：
[0033]
[0034] 式中，F为应变仪读出的试件所受剪力，R为齿轮的半径，r为薄壁圆筒的平均半径，t为圆筒的壁厚；τ为作用于试件所受剪应力，
[0035]
[0036] 式中，r为薄壁圆筒的平均半径，φ为圆筒两端的相对扭转
角，φ值通过与齿条连接的丝杆位移比上齿轮的周长得出，所述丝杆的位移通过千分表直接读出，γ为扭转名义应变。
[0037] 进一步，所述试件为NiTi SMAs微管试件。
[0038] 本发明的优点在于：本发明采用包括试件夹头、拉压实验单元和扭转实验单元的形状记忆合金拉扭实验夹具，以及扫描电镜观测系统来观测形状记忆合金拉扭实验时试件在伪弹性相变过程中的表面微结构变化特性。能够同时完成形状记忆合金的拉伸和扭转性能测试，并且试件安装和固定方便快捷，夹持连接稳定可靠，能够很好地完成特殊功能的形状记忆合金拉扭性能测试。有利于形状记忆合金的性能研究，成本低，具有实施便宜的优点。
附图说明
[0039] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
[0040] 图1为本发明
实施例提供的形状记忆合金拉扭实验观测装置结构图；
[0041] 图2为本发明实施例提供的形状记忆合金拉扭实验观测方法
流程图；
[0042] 图3为试件的外形及尺寸纵向示意图；
[0043] 图4为试件的外形及尺寸横向示意图。
[0044] 图中，底板1、拉压定位箱2、拉压荷重传感器3、拉压丝杆4、拉压螺母5、活动端夹头6、固定端夹头7、扭转定位箱8、扭转荷重传感器9、扭转丝杆10、扭转螺母11、扭转传动齿条12、扭转齿轮13、千分表固定座14。
具体实施方式
[0045] 以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
[0046] 图1为本发明实施例提供的形状记忆合金拉扭实验观测装置结构图，图2为本发明实施例提供的形状记忆合金拉扭实验观测方法流程图，图3为试件的外形及尺寸纵向示意图，图4为试件的外形及尺寸横向示意图，如图所示：本发明提供装置是针对采用非标准小尺寸试件而设置的，该试件为NiTiSMAs微管试件，材料的相变温度利用示差热分析仪(DSC200-PC)确定,其奥氏体转变结束温度、奥氏体转变开始温度、马氏体转变开始温度、马氏体转变结束温度分别为：Af=-0.5℃,As=-23℃,Ms=-49℃,Mf=-76℃,从四个相变温度可以看出在室温下该材料处于奥氏体状态，其伪弹性力学行为得以保证。试件的外形尺寸如图3所示，其中，L0表示试件的长度为40mm，L1表示试件加持长12mm，D0表示外径1.7mm，d表示内径1.4mm。
[0047] 本发明提供的形状记忆合金拉扭实验观测装置，包括形状记忆合金拉扭实验夹具，所述形状记忆合金拉扭实验夹具包括底板1、试件夹头、拉压实验单元和扭转实验单元，所述试件夹头、拉压实验单元和扭转实验单元设置于底板1上；
[0048] 所述拉压实验单元包括拉压定位箱2、拉压荷重传感器3、拉压丝杆4和拉压螺母5；
[0049] 所述试件夹头包括活动端夹头6和固定端夹头7；
[0050] 所述扭转实验单元包括扭转定位箱8、扭转荷重传感器9、扭转丝杆10、扭转螺母11、扭转传动齿条12和扭转齿轮13；
[0051] 所述拉压螺母5设置于拉压定位箱2上，所述拉压螺母5通过拉压丝杆4与拉压荷重传感器3的一端连接，所述拉压丝杆4用于将拉压螺母5的旋转运动转化为拉压丝杆4的直线运动，所述试件夹头的固定端夹头7与拉压荷重传感器3另一端连接，所述试件夹头的活动端夹头6与固定端夹头7之间用于固定试件；
[0052] 所述扭转螺母11设置于扭转定位箱8上，所述扭转螺母11通过扭转丝杆10与扭转荷重传感器9的一端连接，所述扭转丝杆10用于将扭转螺母11的旋转运动转化为扭转丝杆10的直线运动，所述扭转荷重传感器9另一端与扭转传动齿条12连接，所述活动端夹头6内设置扭转齿轮13，所述扭转齿轮13与待测试件连接，所述扭转齿轮13与扭转传动齿条12啮合连接。
[0053] 所述拉压传感器通过万向节与试件夹头的固定端夹头连接。
[0054] 所述固定端夹头对称设置有至少两个顶紧螺栓，所述顶紧螺栓通过螺纹转动固定试件。
[0055] 所述拉压荷重传感器和扭转荷重传感器上设置有输出导线，所述输出导线与应变仪连接。
[0056] 还包括扫描电镜，所述扫描电镜用于自动获取试件发生形变的图像并储存和对图像进行处理分析，所述形状记忆合金拉扭实验夹具平放于扫描电镜工作仓内的工作台上，再对扫描电镜进行微调至形状记忆合金拉扭实验夹具中的形状记忆合金观测位置。
[0057] 还包括千分表固定座14，所述千分表固定座14相对于扭转传动齿条12所在的方向设置于底板上，所述千分表固定座14用于固定千分表来直接测出试件的轴向位移。
[0058] 本发明实施例提供了一种形状记忆合金拉扭实验观测方法，包括以下步骤：
[0059] S1：设置形状记忆合金拉扭实验夹具并获取试件的原始长度l；
[0060] S2：用应变仪对拉压荷重传感器和扭转荷重传感器进行标定；
[0061] S3：确定应变仪显示的微应变与拉压荷重传感器和扭转荷重传感器受力的对应关系；
[0062] S4：通过千分表直接测出试件的轴向位移；
[0063] S5：进行拉伸试验，拉压荷重传感器所受拉力即作用于试件的拉力由应变仪读出的微应变数Δl，然后除以试件的原始长度得到拉伸名义应变：
[0064] 其中，l表示原始长度，Δl表示微应变数；
[0065] S6：旋转扭转螺母对试件施加扭转力，通过扭转荷重传感器测试作用于试件所受剪应力，计算公式为：
[0066]
[0067] 式中，F为应变仪读出的试件所受剪力，R为齿轮的半径，r为薄壁圆筒的平均半径，t为圆筒的壁厚；
[0068] 扭转名义应变采用以下步骤获取：
[0069] 扭转加载，根据薄壁圆筒扭转时的剪应变计算公式为：
[0070]
[0071] 式中，r为薄壁圆筒的平均半径，φ为圆筒两端的相对扭转角，φ值通过与齿条连接的丝杆位移比上齿轮的周长得出，所述丝杆的位移通过千分表直接读出；
[0072] S7：将形状记忆合金拉扭实验夹具送入扫描电镜的工作舱并通过扫描电镜观测并记录试件测试数据。
[0073] 本实施例提供的形状记忆合金拉扭实验观测装置是可以同时进行拉伸实验和扭转实验，有利于提高形状记忆合金的性能研究的效率，且具有实施便宜、方便的优点。
[0074] 本实施例采用的扫描电镜作为观测系统采用标准商业设备，为电子扫描
显微镜SEMJSM-6460LV，其工作仓尺寸为240*240*70mm；为配合工作仓，可以自动获取试件发生形变的图像并储存，以并对这些图像进行处理分析等，以实现自动化处理等过程。本实施例提供的形状记忆合金拉扭实验夹具的底板采用长*宽*高为230*230*60mm，观测时，将形状记忆合金拉扭实验装置平放于扫描电镜工作仓内的工作台上，再对扫描电镜进行微调至形状记忆合金观测位置。
[0075] 本实施例提供的拉压荷重传感器为GBLGM-4高
精度荷重传感器，最大伸长量为3mm，最大量程为500N；扭转荷重传感器为GBLGM-4高精度荷重传感器，最大量程为50N，即可施加的最大
扭矩为±500N.mm，设计的扭转角的范围为±30°(或者0～60°)，即设备可以施加的最大剪应变max=0.053；齿轮的外直径为20mm。
[0076] 以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些
修改和变型属于本发明
权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
