CN102384875B - 显微镜下拉压弯复合载荷模式材料力学性能测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种显微镜下拉压弯复合载荷模式材料力学性能测试装置，属于机电类。测试平台由精密拉伸/压缩载荷驱动单元、精密弯曲载荷驱动单元、夹持单元、检测单元等组成。测试平台可进行纯拉伸/压缩测试、纯三点弯曲测试及拉伸/压缩-弯曲复合载荷测试。优点在于：结构小巧，结构紧凑，且可在光学显微镜的实时观测下开展上述测试。复合载荷的加载模式，符合材料及构件在实际工况下的应力状态，亦可结合光学显微成像系统对材料在复合载荷作用下的微观力学行为和变性损伤机制进行深入研究。
Description
技术领域
本发明属机电类，特别涉及一种显微镜下拉压弯复合载荷模式材料力学性能测试装置。可作为独立拉伸/压缩模式或三点弯曲模式材料性能测试装置独立使用，亦可实现在给定拉伸/压缩应力水平下的三点弯曲测试或给定弯曲应力状态下的拉伸/压缩测试，即复合载荷测试模式。此外，结合光学显微成像的高分辨率在线监测，可对材料的微观力学行为和变性损伤过程进行实时观察。同时，通过对驱动单元的闭环控制及载荷/位移信号的采集，亦可拟合材料在复合载荷作用下的应力应变历程，为复合载荷模式下材料的力学性能测试提供了方法。
背景技术
在实际工况下，材料及其制品往往受到非单一载荷形式的作用，如拉弯组合、压剪组合及拉扭组合等，单一载荷形式的力学测试难以准确刻划实际工况下材料及构件的受载形式，即无法对复合载荷作用下材料的力学性能做出准确评价。如材料在拉应力作用下往往使其发生临界断裂破坏的弯曲应力远小于其抗弯强度，在弯曲应力作用下其发生临界断裂破坏的拉应力远小于其抗拉强度。现有研究中，复合载荷模式的加载主要是通过将被测试件通过与拉伸/压缩轴线互成角度的不规则装夹来实现的，即驱动源输出的加载力主要是是拉伸/压缩的轴向力，通过不同轴或不等高的拉伸/压缩模式使材料内部出现拉弯组合或压剪组合等复合载荷测试形式。上述测试方法难以实现对不同单一载荷模式的解析，同时，两种或多种载荷模式无法独立加载或依次加载，无法就材料及其制品在复合载荷作用下的力学性能及变性损伤机制做出准确评价。
拉伸/压缩及三点弯曲力学测试作为最能直观反映材料力学性能的有效评价手段，可直接获取如弹性模量、屈服强度、抗弯/拉强度等重要力学参数，基于这两种单一载荷形式的复合载荷测试模式亦为实际工况中较为普遍，且导致材料及其制品失效破坏的主要原因。微观尺度下对试件材料进行力学性能测试过程中，通过显微镜等成像仪器可对载荷作用下材料发生的微观变形、损伤直至失效破坏的过程进行全程动态监测。通过这种力学测试手段，可以揭示出外界载荷作用下材料变形损伤的规律，就特征尺寸厘米级以上的宏观试件所开展的有关测试因可避免因为微构件的尺寸效应等问题带来的困扰，将更有利于研究材料及其制品服役状态下的真实微观力学行为与变形损伤机制。
与此同时，在已有的可用于原位观测的复合载荷测试装置及研究的报道中，主要是针对低维材料等微尺度构件的测试，如果碳纳米管、线或带有预制缺口的薄膜材料等，前者需要借助扫描电镜等成像系统及聚焦离子束等复杂方法完成微器件的夹持，且多基于微机电系统（MEMS）等复杂工艺实现，后者大都需要借助基板材料来实现试样的合成和生长，且往往需要腐蚀和沉积等复杂工艺方法，且因用于附着薄膜材料的基板往往为硬脆性材料，夹持较为困难，因此对此种材料的力学测试多见于单轴压缩测试，测试方法较为单一。针对特征尺寸厘米级以上三维试件的复合载荷测试，未涉及借助成像仪器的原位观测，无法较为深入的开展复合载荷与材料的微观力学行为及变性损伤过程的结合性研究。
因此，设计一种可用与显微镜下纯拉伸/压缩、纯三点弯曲测试及拉伸/压缩-弯曲复合载荷模式材料力学性能测试平台以十分必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种显微镜下拉压弯复合载荷模式材料力学性能测试装置，解决了现有技术存在的上述问题。可集成纯拉伸/压缩测试、纯三点弯曲测试及基于上述两种单一载荷形式的复合载荷测试。测试平台由精密拉伸/压缩载荷驱动单元、精密弯曲载荷驱动单元、夹持单元、检测单元等组成。测试平台结构小巧，结构紧凑，且可在光学显微镜的实时显微观测下开展上述测试。复合载荷的加载模式，符合材料及构件在实际工况下的应力水平，本发明针对特征尺寸厘米级以上三维试件所研制，拉伸/压缩及三点弯曲载荷可独立加载或依次加载，结合光学显微成像系统对对材料的裂纹萌生、扩展和材料失效断裂过程进行原位监测，进而对材料在复合载荷作用下的微观力学行为和变形损伤机制进行深入研究。可作为独立拉伸/压缩模式或三点弯曲模式材料性能测试装置独立使用，亦可实现在给定拉伸/压缩应力水平下的三点弯曲测试或给定弯曲应力状态下的拉伸/压缩测试，即复合载荷测试模式。此外，结合光学显微成像的高分辨率在线监测，可对材料的微观力学行为和变性损伤过程进行实时观察。同时，通过对驱动单元的闭环控制及载荷/位移信号的采集，亦可拟合材料在复合载荷作用下的应力应变历程，为复合载荷模式下材料的力学性能测试提供了方法。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
显微镜下拉压弯复合载荷模式材料力学性能测试装置，包括精密拉伸/压缩载荷驱动单元、精密弯曲载荷驱动单元、夹持单元及检测单元，所述精密拉伸/压缩载荷驱动单元是：直流伺服电机2与由减速器4、同步带5、同步带轮6及精密滚珠丝杠29构成的传动单元相连接，直流伺服电机2以脉冲/换向方式输出精密角位移及可控扭矩，通过与直流伺服电机2相连接的减速器4、同步带5及同步带轮6及精密滚珠丝杠29等组成的传动单元将直流伺服电机2提供的旋转运动转换成直线运动，直流伺服电机2与精密滚丝杠29分别通过直流伺服电机法兰架3及滚珠丝杠支承座8与测试平台基座11相连接；
所述精密弯曲载荷驱动单元是：直线电机15固定在X向精密移动平台13上，提供X方向精密直线位移，所述X向精密移动平台13的下层与测试平台基座11刚性连接；
所述夹持单元由夹具体支撑架10、夹具体压板12及夹具19构成，其中夹具体支撑架10分别与滚珠丝杠方螺母Ⅰ、Ⅱ9、22刚性连接；夹具19与被测试件18的接触面设有滚花状结构，通过夹具体压板12的预紧来提供稳定的夹持力；
所述检测单元由拉压力传感器20、压力传感器16及直流伺服电机编码器1组成，分别用以检测复合载荷测试中被测试件19所受的拉伸/压缩载荷、三点弯曲载荷及拉伸压缩变形量；同时，拉压力传感器20及直流伺服电机编码器1可分别通过载荷模拟信号及编码器标定变形数字信号为直流伺服电机2提供精密脉冲/方向闭环控制模式的反馈源；所述拉压力传感器（20）通过拉压力传感器基座（21）与滚珠丝杠方螺母Ⅱ（22）固定连接；所述压力传感器（16）的一端与压力传感器基座（23）连接，另一端与三点弯头（17）连接，所述直流伺服电机编码器（1）与直流伺服电机（2）的转子同轴连接；所述的精密拉伸/压缩载荷驱动单元由同步带传动实现运动及动力传递，其中同步带轮6通过键25分别与减速器4及精密滚珠丝杠29连接。
所述的精密弯曲载荷驱动单元整体安装于具有单自由度的手动精密驱动平台上，三点弯曲测试的驱动动力源是由直线电机15提供的，用于三点弯曲测试的压力传感器16与三点弯头17刚性连接，X向精密移动平台13用于对三点弯曲的初始接触进行手动粗调，直线电机15用于三点弯曲测试的初始接触精调及提供弯曲载荷动力源。
所述的用于夹持被测试件的夹具19与被测试件18的接触面设有致密的滚花状结构；夹具体压板12通过螺栓连接方式与夹具体支撑架11连接，并与夹具19以面接触方式刚性接触；夹具体支撑架11与滚珠丝杠方螺母Ⅱ22刚性连接。
所述的三点弯头17及滚珠丝杠螺母副Ⅰ、Ⅱ9、22的运动时序可控，且可分别独立驱动；即测试平台可分别实现纯拉伸/压缩测试、纯三点弯曲测试及拉伸/压缩-弯曲复合载荷测试。
所述的精密双向滚珠丝杠29设有两段旋向相异的小导程滚道，即可确保在给定应力水平的拉伸测试过程中，滚珠丝杠螺母支架Ⅰ、Ⅱ9、22可实现同步的反向运动，从而保证被测试件18的几何中心位置始终处于成像区域的最中央，便于成像仪器的观测及图像记录，同时，导轨滑块I、Ⅱ27、28分别通过燕尾槽型机构紧贴于精密导轨轨道7上，并分别与滚珠丝杠螺母支架Ⅰ、Ⅱ9、22刚性连接，对精密双向滚珠丝杠螺母副所输出的往复运动起到精密导向作用。
本发明所述的测试平台主体尺寸为147mm×118mm×58mm，可安装于金相显微镜等光学显微镜的载物平台上，即与主流高分辨率显微成像组件均具有良好的结构兼容性。
本发明的有益效果在于：与现有技术相比，本发明可提供在任意拉伸/压缩应力水平下的三点弯曲测试模式或在任意弯曲应力水平下的拉伸/压缩测试模式，即拉伸/压缩-三点弯曲复合载荷测试模式。同时测试平台可置于光学成像组件的载物平台上，可以开展在高分辨率显微成像系统在线观测下的原位复合载荷测试。测试材料范围广，测试内容丰富，可针对各类特征尺寸厘米级以上的三维宏观试件的微观力学行为和变形损伤机制做出准确评价。拉伸-弯曲及压缩-弯曲复合载荷模式更复合材料及其制品在工作中的实际应力状态。同时，拉伸/压缩驱动力及弯曲驱动力的精确闭环控制亦可通过两种载荷传感器及光电编码器提供的模拟量或数字量反馈来实现。综上所述，本发明对丰富原位和促进材料力学性能测试技术及装备具有重要的理论意义和良好的应用开发前途。
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示意图；
图 2为本发明的后视示意图；
图 3为本发明的左视示意图；
图 4为本发明的俯视示意图；
图 5、图6为本发明的夹持单元示意图；
图 7、图8为本发明的弯曲单元示意图。
图中：1、直流伺服电机编码器；2、直流伺服电机； 3、直流伺服电机法兰架； 4、减速器； 5、同步带； 6、同步带轮； 7、精密导轨；8、滚珠丝杠支承座； 9、滚珠丝杠方螺母Ⅰ； 10、夹具支撑架； 11、基座；12、夹具体压板；13、X向精密移动平台；14、直线电机法兰架； 15、直线电机； 16、压力传感器； 17、三点弯头； 18、被测试件； 19、夹具；
20、拉压力传感器； 21、拉压力传感器基座； 22、滚珠丝杠方螺母Ⅱ；23、压力传感器基座； 24、夹具体紧固螺钉； 25、键； 26、拉压力传感器紧固螺钉； 27、滑块Ⅰ； 28、滑块Ⅱ； 29、精密滚珠丝杠。
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8，本发明的显微镜下拉压弯复合载荷模式材料力学性能测试装置，包括精密拉伸/压缩载荷驱动单元、精密弯曲载荷驱动单元、夹持单元及检测单元，所述精密拉伸/压缩载荷驱动单元是：直流伺服电机2与由减速器4、同步带5、同步带轮6及精密滚珠丝杠29构成的传动单元相连接，直流伺服电机2以脉冲/换向方式输出精密角位移及可控扭矩，通过与直流伺服电机2相连接的减速器4、同步带5及同步带轮6及精密滚珠丝杠29等组成的传动单元将直流伺服电机2提供的旋转运动转换成直线运动，直流伺服电机2与精密滚丝杠29分别通过直流伺服电机法兰架3及滚珠丝杠支承座8与测试平台基座11相连接；
所述精密弯曲载荷驱动单元是：直线电机15通过直线电机基座23固定在X向精密移动平台13上，提供X方向精密直线位移，所述X向精密移动平台13的下层与测试平台基座11刚性连接；
所述夹持单元由夹具体支撑架10、夹具体压板12及夹具19构成，其中夹具体支撑架10分别与滚珠丝杠方螺母Ⅰ、Ⅱ9、22刚性连接；夹具19与被测试件18的接触面设有滚花状结构，通过夹具体压板12的预紧来提供稳定的夹持力；
所述检测单元由拉压力传感器20、压力传感器16及直流伺服电机编码器1组成，分别用以检测复合载荷测试中被测试件19所受的拉伸/压缩载荷、三点弯曲载荷及拉伸压缩变形量；同时，拉压力传感器20及直流伺服电机编码器1可分别通过载荷模拟信号及编码器标定变形数字信号为直流伺服电机2提供精密脉冲/方向闭环控制模式的反馈源；所述拉压力传感器20通过拉压力传感器基座21及拉压力传感器紧固螺钉26与滚珠丝杠方螺母Ⅱ22固定连接；所述压力传感器16的一端与直线电机15连接，另一端与三点弯头17连接，所述直流伺服电机编码器1连接在直流伺服电机2的端部；
所述的精密拉伸/压缩载荷驱动单元由同步带传动实现运动及动力传递，其中同步带轮6通过键25分别与减速器4及精密滚珠丝杠29连接。
所述的精密弯曲载荷驱动单元整体安装于具有单自由度的手动精密驱动平台上，三点弯曲测试的驱动动力源是由直线电机15提供的，用于三点弯曲测试的压力传感器16与三点弯头17刚性连接，X向精密移动平台13用于对三点弯曲的初始接触进行手动粗调，直线电机15用于三点弯曲测试的初始接触精调及提供弯曲载荷动力源。
所述的用于夹持被测试件的夹具19与被测试件18的接触面设有致密的滚花状结构；夹具体压板12通过螺栓连接方式与夹具体支撑架11连接，并与夹具19以面接触方式刚性接触；夹具体支撑架11与滚珠丝杠方螺母Ⅱ22刚性连接。
所述的三点弯头17及滚珠丝杠螺母副Ⅰ、Ⅱ9、22的运动时序可控，且可分别独立驱动；即测试平台可分别实现纯拉伸/压缩测试、纯三点弯曲测试及拉伸/压缩-弯曲复合载荷测试。
所述的精密双向滚珠丝杠29设有两段旋向相异的小导程滚道，即可确保在给定应力水平的拉伸测试过程中，滚珠丝杠螺母支架Ⅰ、Ⅱ9、22可实现同步的反向运动，从而保证被测试件18的几何中心位置始终处于成像区域的最中央，便于成像仪器的观测及图像记录，同时，导轨滑块I、Ⅱ27、28分别通过燕尾槽型机构紧贴于精密导轨7上，并分别与滚珠丝杠螺母支架Ⅰ、Ⅱ9、22刚性连接，对精密双向滚珠丝杠螺母副所输出的往复运动起到精密导向作用。
本发明所述的测试平台主体尺寸为147mm×118mm×58mm，可安装于金相显微镜等光学显微镜的载物平台上，即与主流高分辨率显微成像组件均具有良好的结构兼容性。
参见图1至图8，本发明涉及的显微镜下小型化拉伸/压缩弯曲复合载荷模式材料力学性能测试平台中所涉及到的元器件具体型号为：直流伺服电机2型号为Maxon RE-MAX22 25W、拉压力传感器14型号为TEST-304型、高线数光电编码器1型号为HEDL9140-1000、压力传感器16型号为UNIPULSE-1000、直线电机15型号为28BY。直流伺服电机2及直线电机15的精密运动输出均由脉冲/方向模式控制，拉压力传感器20型号为TEST-304型、压力传感器16型号为UNIPULSE-1000及高线数光电编码器型号为HEDL9140-1000可分别提供载荷模拟量信号或编码器标定位移数字量信号为测试平台的闭环控制提供反馈源。
在实施测试前，需要对用于拉伸/压缩载荷测试的拉压力传感器及用于三点弯曲的压力传感器进行标定测试，同时利用激光测微仪对在一定载荷作用下传感器的弹性变形值进行测试，便于对拉伸/压缩及三点弯曲载荷作用下试件的变形进行计算。在具体的测试过程中，首先为便于显微成像系统对被测试件18的观测及图像采集，在试件制备的过程中，需采用线切割加工方法试制处带有应力薄弱区域或预知缺口的标准试件，并通过单面抛光处理得到较好表面光洁度，或通过化学腐蚀等工艺得到金相等显微形貌，之后给定直流伺服电机2适当转速，使夹具体支撑架11运动到合理的位置，便于被测试件18的夹持，然后将被测试件18安装于具有滚化状形貌的夹具19中，之后将夹具体压板紧靠夹具19，同时拧紧夹具体紧固螺栓24，完成被测试件18的夹持。X向精密移动平台与基座11具有确定的相对位置，通过手动调节X向精密移动平台的手动旋钮，对三点弯头17的位置进行粗调，直至其与被测试件18较为接近，但未发成初始接触。与此同时，显微成像组件的物镜与三点弯头17相对布置，用于测试过程中被测试件18的表面形貌的同步观测。
在拟定初始测试点的准确位置后，可选择两种载荷模式的复合加载，其中模式一为：给定编码器标定速率作为被测试件18的恒应变速率，此应变速率范围为0.1μm/s至100μm/s，或以拉压力传感器20提供的模拟量信号作为反馈源提供的恒载荷速率，在脉冲信号的控制下直流伺服电机2输出精确角位移，通过减速器4的减速增矩及同步带、滚珠丝杠螺母副9、22、29传动，将直流伺服电机输出的旋转运动转换成往复单轴双向直线运动，同时拉压力传感器20及直流伺服电机编码器1对对拉伸压缩轴向的载荷F进行检测及滚珠丝杠方螺母Ⅰ、Ⅱ9、22的位移值l进行同步拾取。在拉伸/压缩行程的任意应力水平下，以脉冲方式驱动直线电机15输出精密直线位移，进行独立的三点弯曲测试，直至显微成像组件观测到初始裂纹源及其萌生或失效破坏现象。同时，如前所述，通过对在一定载荷作用下传感器的弹性变形值进行的标定测试，亦可较为准确的间接计算出试件在拉伸/压缩及弯曲载荷作用下的应变值。
同理，改变拉伸压缩及三点弯曲测试的顺序，以可实现在已有弯曲应力状态下的拉伸/压缩测试，即第二种复合载荷测试模式。
在测试的整个过程中，被测试件的裂纹萌生、扩展及变形损伤情况由高放大倍率的扫描电子显微镜成像系统进行动态监测，并可同时记录图像，结合上位机调试软件亦可实时获取表征材料力学性能的工程应力-应变曲线及抗弯强度、抗拉强度等重要力学参数。
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。凡在本发明的精神和原则之内，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。
Claims (6)
1.一种显微镜下拉压弯复合载荷模式材料力学性能测试装置，其特征在于：包括精密拉伸/压缩载荷驱动单元、精密弯曲载荷驱动单元、夹持单元及检测单元，所述精密拉伸/压缩载荷驱动单元是：直流伺服电机（2）与由减速器（4）、同步带（5）、同步带轮（6）及精密双向滚珠丝杠（29）构成的传动单元相连接，直流伺服电机（2）通过直流伺服电机法兰架（3）与测试平台基座（11）相连接，精密双向滚珠丝杠（29）通过滚珠丝杠支承座（8）与测试平台基座（11）相连接；所述精密弯曲载荷驱动单元是：直线电机（15）固定在X向精密移动平台（13）上，所述X向精密移动平台（13）的下层与测试平台基座（11）刚性连接；所述夹持单元由夹具体支撑架（10）、夹具体压板（12）及夹具（19）构成，其中夹具体支撑架（10）分别与滚珠丝杠方螺母Ⅰ、Ⅱ（9、22）刚性连接；夹具（19）与被测试件（18）的接触面设有滚花状结构；所述检测单元由拉压力传感器（20）、压力传感器（16）及直流伺服电机编码器（1）组成，所述拉压力传感器（20）通过拉压力传感器基座（21）与滚珠丝杠方螺母Ⅱ（22）固定连接；所述压力传感器（16）的一端与压力传感器基座（23）连接，另一端与三点弯头（17）连接，所述直流伺服电机编码器（1）与直流伺服电机（2）的转子同轴连接。
2.根据权利要求1所述的显微镜下拉压弯复合载荷模式材料力学性能测试装置，其特征在于：所述的同步带轮（6）通过键（25）分别与减速器（4）及精密双向滚珠丝杠（29）连接。
3.根据权利要求1所述的显微镜下拉压弯复合载荷模式材料力学性能测试装置，其特征在于：所述的夹具（19）与被测试件（18）的接触面设有致密的滚花状结构；夹具体压板（12）通过螺栓连接方式与夹具体支撑架（11）连接，并与夹具（19）以面接触方式刚性接触；夹具体支撑架（11）与滚珠丝杠方螺母Ⅱ（22）刚性连接。
4.根据权利要求1所述的显微镜下拉压弯复合载荷模式材料力学性能测试装置，其特征在于：所述的三点弯头（17）及滚珠丝杠方螺母Ⅰ、Ⅱ（9、22）的运动时序可控，且分别独立驱动；即测试平台可分别实现纯拉伸/压缩测试、纯三点弯曲测试及拉伸/压缩-弯曲复合载荷测试。
5.根据权利要求1或2所述的显微镜下拉压弯复合载荷模式材料力学性能测试装置，其特征在于：所述的精密双向滚珠丝杠（29）设有两段旋向相异的小导程滚道。
6.根据权利要求4所述的显微镜下拉压弯复合载荷模式材料力学性能测试装置，其特征在于：所述的测试平台主体尺寸为147mm×118mm×58mm。
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