本發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。

背景技術：

1、隨著航空航天、核能、汽車工業等領域的快速發展，能夠在超高溫環境下穩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系來獲得材料的基本力學參數。然而，這些方法主要關注宏觀力學行為，難以深入觀察材料內部微觀結構的變化，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)技術因其能夠進行三維無損檢測而被廣泛應用于材料內部結構的研究。與傳統的力學測試方法相比，原位ct成像技術結合力學加載實驗能夠在加載過程中實時觀察材料內部微觀結構的演化過程。該方法提供了動態、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，準確監測試樣的變形量對于分析材料的高溫力學行為至關重要。然而，在超高溫環境下，試樣的變形監測面臨著一系列挑戰。首先，一些傳統的位移測量方法(如外部lvdt傳感器)在高溫爐外的測量會由于高溫爐內溫度梯度和器件熱變形的干擾而產生較大誤差；另一方面，在與高分辨原位ct配合的小型高溫爐內，操作空間狹窄，且超高溫環境可能對傳感器和變形測量裝置產生復雜的熱干擾，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射線束視野內進行無阻礙的三維掃描，這就對變形測量裝置的結構提出了嚴苛要求：不僅要保證結構緊湊、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，材料內部的微觀結構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，將直接影響成像質量以及后續分析的準確性，因此，要求變形測量裝置具備較高的測量精度。

4、因此，克服上述技術難題，開發一種能夠用于原位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。

技術實現思路

1、為了解決上述技術問題，本發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，通過優化傳感器布局、引入耐高溫材料以及采用lvdt的測量技術，能夠實現小尺寸密閉高溫環境內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，應用于基于原位ct成像的高溫爐系統，所述試樣變形測量系統包括上位機、加載裝置1、引出測量裝置以及相互間隔90度布設在高溫爐系統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；所述高溫爐系統用于為待測試樣22提供不同的溫度環境，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內部，從下爐體6底部穿出高溫爐系統，使得待測試樣位于高溫爐系統的中段部位，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產生的位移量；

6、所述上位機用于根據x射線掃描成像的結果對三維重建對待測試樣22的形變過程進行三維重建，并根據待測試樣22的位移量以及x射線透射薄壁法蘭5產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，并由上安裝罩13側面螺孔頂入的螺絲頂住固定；上引出桿21為中空圓筒結構，且上端設有向外延伸的第一圓環安裝耳；兩個上鐵芯螺釘20分別旋入第一圓環安裝耳上的螺孔中，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，并由下安裝罩14側面螺孔頂入的螺絲頂住固定；下引出桿23為中空圓筒結構，且下端設有向外延伸的第二圓環安裝耳，上端設有向內延伸的第三圓環安裝耳；兩個下鐵芯螺釘分別旋入第二圓環安裝耳上的螺孔中，伸出螺孔的兩個下鐵芯螺釘的一端分別與兩個下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內部，使得下引出桿23由于自身重力的作用通過第三圓環安裝耳卡在套于下引出桿23內部的下拉頭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，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，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，所述上位機根據待測試樣的位移量以及x射線透射薄壁法蘭5產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：通過高溫爐系統對待測試樣22進行升溫，直至溫度達到設定值后加載裝置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施加拉伸載荷至設定值后，保持拉伸載荷不變，此時采用原位ct成像技術從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，還包括轉臺9；

29、所述轉臺9用于支撐所述高溫爐系統，并在拉伸載荷保持不變的階段旋轉與高溫爐系統結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，采用高溫陶瓷材料作為輔助引出設計，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x射線透射薄壁的變形對試樣變形測量的影響，本發明還采用視頻引伸計實時監測薄壁變形，并根據其數據修正lvdt測量結果，實現了超高溫環境下的高精度變形測量；本發明的測量系統能夠與高分辨率原位ct成像實驗兼容，滿足了在高溫環境下同時進行力學加載和微觀結構成像的需求，提升了原位實驗的實時性和精度；本發明的系統適用于拉伸、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，彌補了現有技術的空白。