专利名称：一种三维断层扫描材料试验机的制作方法
技术领域：
本发明涉及材料试验机(疲劳、蠕变、持久、万能材料试验机等)，具体提供了一种具有三维断层扫描实时监测功能的材料试验机。
背景技术：
材料试验机是材料研究领域不可或缺的实验设备，目前它主要用于对材料的各种力学性能进行检测。通常情况下，金属材料、复合材料及非均质材料在受力(拉伸、压缩、弯曲、疲劳、蠕变、持久等)——变形——破坏过程中，材料内部缺陷(裂纹、夹渣、气孔等)和/或不均匀物质(添加物、强化物、各种物相等)对材料力学性能、破坏方式、失效过程都有一定的影响，如果能够观察材料在受力——变形——破坏过程中，材料内部缺陷和/或不均匀物质的作用和行为特征，以及受检材料在试验时裂纹源的萌生——裂纹扩展——断裂的过程等，对材料损伤机理研究具有重大意义。
工业计算机断层扫描仪即工业CT，是在医用CT的基础上发展起来的用于工业产品无损检测和探伤的先进仪器。工业CT技术能够准确地再现物体内部的三维立体结构，能够定量地提供物体内部的物理、力学能特性，如缺陷的位置及尺寸、密度的变化及水平，异型结构的形状及精确尺寸，物体内部的杂质及分布等。工业CT的功能和特性在许多方面超过了X光和超声检测，为航空、航天、兵器等工业领域的精密部件提供了高端的无损检测手段，解决了其它方法无法解决的问题，但是到目前为止，尚没有将工业CT成功地用于材料试验机，用于研究材料内部缺陷在受力——变形条件下行为特征和在受力变形条件下裂纹产生及扩展机理的报道。
日本岛津公司曾经研制了一种复合检验系统他们是将工业CT的射线源和探测器固定，而被检试样在受力状态下(拉伸、压缩、弯曲)进行以试样轴心为轴中心的不停旋转，以实施对被检试样在某一区域的实时测试，但这种条件下存在两个较大问题。
为了实现受力试样的不间断旋转，上下夹头必须被同时、同步驱动，理论上讲这种对上下夹头的驱动可以实现，但在实际传动过程中由于各种因素(如上下夹头旋转系统的摩擦环境，转动轴、轮的加工误差，受力条件等诸多因素)会导致上下夹头的旋转速度有一定的差别，随着试样旋转角度的增加，上下夹头之间会产生越来越大的扭转角，这导致被检试样承受一定的扭矩载荷，而该扭矩的大小、方向不能计量。因而会影响检验结果(结论)的真实性，准确性。随着试验机的长期使用这种现象会日趋明显，导致检验结果偏差越来越大并且不能控制。
由于试样在加载过程中旋转，随着对试样施加载荷的增大旋转系统的磨擦阻力增大，摩损倾向增加，系统的精度和使用寿命降低。因而施加的最大载荷能力受到实现平稳转动条件制约，其最大力值在20KN左右(例如日本岛津研制的检测系统)，这就限制了被检样品的截面尺寸，(对于一般合金结构钢按σb＝750MPa(较低值)而言，20KN的载荷只能拉断截面约为27mm2的试样，对于圆棒试样其直径小于6mm，对于矩形试样其截面尺寸小于14×2mm)试样截面尺寸小会导致以下两个问题。
试样截面尺寸越�。淠诓看嬖谌毕莼虿痪任镏实目赡苄栽叫。贾氯⊙跫量蹋⊙段芟蓿锏郊觳饽康氖匝票改讯仍黾樱踔烈虼宋薹ù锏郊觳饽康�。
由于试样尺寸�。诓咳毕�、不均匀物质或裂纹产生及扩展受力条件及变形条件会因尺寸效应和边缘效应而与宏观(真实)受力构件不同，因此使检测结论的真实性，代表性，客观性受到限制。
发明的技术内容本发明的目的在于提供一种具有三维断层扫描功能的材料试验机，其可以对材料在受力——变形——破坏过程中，材料内部缺陷和/或不均匀物质的行为以及裂纹的形成和扩展过程进行实时检测。
本发明提供了一种具有三维CT扫描功能的材料试验机，其特征在于在材料试验机的实验台上装设一套三维工业CT扫描系统，三维工业CT扫描系统的射线源、与接收探测器围绕固定的受力试样运动。
本发明三维CT扫描功能的材料试验机，所述三维工业CT扫描系统主要包括CT旋转轨道、装置于轨道上的射线源、与射线源对置的接收探测器，旋转轨道平面垂直于试样受力方向，射线源、接收探测器、试样处于同一个平面；CT旋转轨道通过支架与试验机固定。
此外，本发明还提供了另一种结构的三维CT扫描功能的材料试验机，其特征在于在材料试验机的实验台上、受力不旋转的试样周围安装旋转的或固定的多点、面状射线源及圆周探测器。射线源及探测器可以通过支架安装材料试验机上。
本发明三维CT扫描功能的材料试验机中，所述支架可以接升降机构。
本发明三维CT扫描材料试验机中，所述材料试验机可以是疲劳、蠕变、持久、万能材料试验机等。
本发明只要对现有材料试验机和工业CT进行简单的技术改造，将工业CT装置在材料试验机上，使受力试样固定而将射线源和探测器三维运动从而实现对受力变形试样进行三维立体扫描。这样就消除了附加扭矩和载荷偏小问题，使检测结果更趋于客观、真实和具有代表性。本发明三维CT扫描功能的材料试验机可以观察金属材料、复合材料及非均质材料在受力——变形——破坏过程中，材料内部缺陷和/或不均匀物质对材料力学性能、破坏方式、失效过程的影响，及其在受力—破坏过程中的作用和行为特征以及裂纹萌生和扩展过程，并能够准确定量地检测出材料内部缺陷的位置及几何尺寸和分布。
图1为一种三维CT扫描材料试验机结构示意。
具体实施例方式实施例1如图1所示，材料试验机为万能材料试验机，主要由试验机框架(1)、横梁(2)、上下夹头(3)(4)、支架(5)、射线源(6)、接收探测器(7)构成，射线源(6)装置于支架(5)内的旋转轨道上，接收探测器(7)与射线源(6)对置装置于支架(5)内的旋转轨道上。
实施例2基本结构如图1，与实施例1不同的是，将多个射线源(6)与相应的探测器(7)在支架上以受试样品为中心面状圆周形排布。这种结构的三维断层扫描材料试验机与实施例1所述三维断层扫描材料试验机相比，可以减少扫描时间，提高成像速度，使其更适用于快速变形或脆性变形材料的破断过程的观察。
权利要求
1.一种三维CT扫描材料试验机，其特征在于在材料试验机的实验台上装设一套三维工业CT扫描系统，三维工业CT扫描系统的射线源、与接收探测器围绕固定的受力试样运动。
2.按照权利要求1所述三维CT扫描材料试验机，其特征在于所述三维工业CT扫描系统主要包括CT旋转轨道、装置于轨道上的射线源、与射线源对置的接收探测器，旋转轨道平面垂直于试样受力方向，射线源、接收探测器、试样处于同一个平面；CT旋转轨道通过支架与试验机固定。
3.按照权利要求2所述三维CT扫描材料试验机，其特征在于所述支架接升降机构。
4.一种三维CT扫描材料试验机，其特征在于在材料试验机的实验台上、受力不旋转的试样周围安装旋转的或固定的多点、面状射线源及圆周探测器。
5.按照权利要求4所述三维CT扫描材料试验机，其特征在于所述射线源及探测器可以通过支架安装材料试验机上。
6.按照权利要求5所述三维CT扫描材料试验机，其特征在于所述支架接升降机构。
7.按照权利要求1～6之一所述三维CT扫描材料试验机，其特征在于所述材料试验机包括疲劳、蠕变、持久、万能材料试验机。
全文摘要
一种三维CT扫描材料试验机，其特征在于在材料试验机包括疲劳、蠕变、持久、万能材料试验机等的实验台上装设一套三维工业CT扫描系统，三维工业CT扫描系统的射线源、与接收探测器围绕固定的受力试样运动。或者在材料试验机的实验台上、受力不旋转的试样周围安装旋转的或固定的多点、面状射线源及圆周探测器。本发明可以对材料在受力－变形－破坏过程中，材料内部缺陷和/或不均匀物质的行为特征，以及材料在试验过程中裂纹的萌生、扩展过程进行实时检测。
文档编号G01N23/04GK1548948SQ0311169
公开日2004年11月24日 申请日期2003年5月16日 优先权日2003年5月16日
发明者王严岩, 王景丽, 王磊 申请人:中国科学院金属研究所
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