CN103335898B - 拉伸-剪切复合加载模式下材料微观力学性能原位测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种拉伸-剪切复合加载模式下材料微观力学性能原位测试装置，属于原位力学性能测试领域。拉伸模块和剪切模块的分别由电机动力组件、传动组件及执行组件、装夹支撑组件、信号检测及控制组件构成；剪切模块还包括压电驱动组件，可以对试件施加高频剪切疲劳载荷。由空心杯转子直流电机与行星齿轮减速箱连接，且通过蜗轮蜗杆传动部件与精密双向滚珠丝杠连接，与滚珠丝杠螺母相连的方螺母通过两侧导轨支持导向。两种载荷均分别依靠精密力传感器和直线电位器收集力和位移信号。本发明体积小巧、结构紧凑、测试精度高，能够实现拉伸剪切两种载荷在不同应变速率和应力比下的测试，并可与金相显微镜等显微成像设备的载物平台相互兼容。

Description

拉伸-剪切复合加载模式下材料微观力学性能原位测试装置

技术领域

本发明涉及原位力学性能测试领域，特别涉及一种拉伸-剪切复合加载模式下材料微观力学性能原位测试装置。本装置可以作为拉伸和纯剪切两种材料力学性能测试装置独立使用，亦可以实现拉剪两种载荷在不同加载时序下的复合载荷测试，同时可以进行高频抗剪疲劳性能测试；试验装置可以置于金相显微镜等显微成像设备下对试件在拉剪复合载荷加载过程中的微观形态进行原位观测，如微观裂纹的产生、长大以及扩展方式等；可以实现对载荷/位移信号的采集、转换及控制，以一种较为新颖的方法精确测定材料在微纳米尺度下的力学特性。

背景技术

原位力学性能测试是指在微/纳米尺度下对试件材料进行力学性能测试的过程中，通过电子显微镜、原子力显微镜以及光学显微镜等仪器对各种载荷作用下材料发生的微观变形、损伤进行全程原位监测的一种力学测试方法。该技术在探测载荷的类型、大小与材料性能间的相关性规律的同时，也从微观层面揭示了各类材料及其制品的力学特性、损伤破坏机理，对深入认识材料在复杂受力状态下的力学行为有很大的帮助。在诸多微纳米力学性能测试的范畴中，弹性模量、切变模量、屈服极限、断裂极限、弯曲模量、硬度等参数是微构件力学特性测试中最主要的测试对象，针对这些力学参量产生了很多种测试方法，如拉伸/压缩法、弯曲法、剪切法、扭转法、纳米压痕/划痕和鼓膜法等。

材料及其制品在实际工况下往往受到非单一载荷的作用，如拉剪组合、拉弯组合等，单一载荷作用的测试方式可能不能表现材料在真实服役状态下的力学性能，如材料在拉应力作用下往往使其发生临界断裂破坏的剪切应力远小于其剪切强度，在剪切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拉伸的轴向力，通过不同轴或不等高的拉伸模式使材料内部出现不同的复合载荷测试形式。该测试方法造成了两种或多种载荷模式无法独立加载或依次加载，就难以实现对不同单一载荷模式的解析，也无法就材料及其制品在不同应力组合的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。

目前的原位纳米力学测试技术具有以下局限性：（1）多数原位纳米测试集中在以微/纳机电系统原理为基础，对纳米管、纳米线以及薄膜材料等极微小结构进行单纯原位纳米拉伸测试上，缺少对宏观尺寸（薄膜材料或三维试件）的跨尺度原位微/纳米力学性能测试的深入研究；（2）目前的原位力学测试主要借助商业化的原位纳米拉伸仪和纳米压痕仪分别进行原位纳米拉伸测试和原位压痕测试，商业化测试设备费用昂贵，测试方法单一，且不能提供对材料在多载荷复合模式下的力学测试；（3）在进行疲劳性能测试时，目前的原位疲劳试验机一般仅能提供50HZ以下的低周疲劳测试，不能反映试件及其制品在实际疲劳工况下的力学性能。

在原位拉伸剪切复合载荷力学性能测试技术应用之前，拉伸试验和剪切试验一般是依靠大型材料试验机对试件进行离位测试。试验机按照相关标准以均匀速率对试件进行加载，由与试验机相连的计算机绘出载荷-挠度曲线，进而得到相关载荷作用下应力-应变曲线图。因此，传统的材料试验机是将试件加载到拉断或剪断之后，才得出材料的拉伸屈服极限、拉伸强度极限、剪切屈服极限、剪切强度极限等力学参数；并且传统弯曲试验机针对的大都是大尺度宏材尺度试件，未涉及到高分辨率显微成像系统下的原位观测，无法较为深入地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，设计一种结构小巧紧凑、性能可靠、精度高的并且能与显微成像设备兼容的原位拉剪复合载荷试验装置有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种拉伸-剪切复合加载模式下材料微观力学性能原位测试装置，解决了现有技术存在的上述问题。本装置是针对特征尺寸在毫米级以上的宏观试件实施微纳米级拉伸-剪切复合加载模式下材料微观力学性能原位测试的试验装置。本发明具有体积小巧、结构紧凑、测试精度高、可提供的测试内容丰富等特点，能够在光学显微镜等显微成像系统内原位观测几何特征尺寸在毫米级以上的宏观试件在复合载荷作用下的微观变形和损伤破坏过程；可在进行原位拉剪测试的同时，结合相关软件算法，自动拟合生成拉伸、剪切载荷作用下的应力应变曲线，即可得到材料的弹性模量、剪切模量、拉伸屈服/断裂极限和剪切屈服/断裂极限等重要力学参数；也可通过剪切模块上设置的压电驱动单元对材料试件进行剪切高频疲劳测试，反映出材料样品在现实工况下的抗剪疲劳性能。本发明提供了一种新的测试装置，可对特征尺寸毫米级以上三维试件实施跨尺度原位拉剪复合载荷力学测试，配合光学显微镜材料等显微成像设备对材料的微观变形、损伤及断裂过程实施原位观测，为复合载荷模式下材料的力学性能测试提供了新的方法。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

拉伸-剪切复合加载模式下材料微观力学性能原位测试装置，包括拉伸加载模块和剪切加载模块两部分，拉伸加载模块和剪切加载模块的主体结构分别由动力组件、传动及执行组件、信号检测及控制组件、装夹支撑组件构成；

所述拉伸加载模块的动力组件、传动及执行组件的装配关系是：空心杯转子直流电机Ⅰ2与行星齿轮减速箱Ⅰ3相连，再通过蜗杆蜗轮副与精密双向滚珠丝杠Ⅰ39连接，拉伸方螺母Ⅰ、Ⅱ27、43分别与双向滚珠丝杠螺母Ⅰ、Ⅱ46、48通过沉头螺钉刚性连接，且拉伸方螺母Ⅰ、Ⅱ27、43通过两侧导轨Ⅰ45支持导向；其中，空心杯转子直流电机减速组件与电机组件支座Ⅰ4紧固连接，电机组件支座Ⅰ4与底板8固定连接；套在行星齿轮减速箱Ⅰ3输出轴上的蜗杆Ⅰ5通过紧固螺钉固定，蜗轮Ⅰ6亦通过紧固螺钉刚性连接于精密双向滚珠丝杠Ⅰ39上，精密双向滚珠丝杠Ⅰ39和精密轴承通过丝杠支撑座Ⅰ7与底板8连接；拉伸方螺母Ⅰ、Ⅱ27、43分别与导轨Ⅰ45的滑块通过沉头螺钉相连，导轨Ⅰ45与底板8刚性连接；

所述剪切加载模块的动力组件、传动及执行组件的装配关系是：空心杯转子直流电机Ⅱ10与行星齿轮减速箱Ⅱ11相连，再通过蜗杆蜗轮副与精密双向滚珠丝杠Ⅱ30连接，剪切方螺母Ⅰ、Ⅱ18、32分别与双向滚珠丝杠螺母Ⅲ、Ⅳ47、49通过沉头螺钉刚性连接，且剪切方螺母Ⅰ、Ⅱ18、32通过两侧导轨Ⅱ、Ⅲ20、31支持导向；其中，空心杯转子直流电机减速组件与电机组件支座Ⅱ12紧固连接，电机组件支座Ⅱ12与底板8固定连接；套在行星齿轮减速箱Ⅱ11输出轴上的蜗杆Ⅱ13通过紧固螺钉固定，蜗轮Ⅱ14亦通过紧固螺钉刚性连接于精密双向滚珠丝杠Ⅱ30上，精密双向滚珠滚珠丝杠Ⅱ30和精密轴承通过丝杠支撑座Ⅱ15与底板8连接；剪切方螺母Ⅰ、Ⅱ18、32分别与导轨Ⅱ、Ⅲ20、31的滑块通过沉头螺钉相连，导轨Ⅱ、Ⅲ20、31分别与底板8刚性连接。

所述的信号检测及控制组件包括光电编码器Ⅰ、Ⅱ1、9、力传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ24、19、33及直线电位器Ⅰ、Ⅱ44、41，可以作为直流电机Ⅰ、Ⅱ2、10精密脉冲/方向闭环控制模式的反馈源，并且能够实现复合载荷测试中拉伸载荷/位移、剪切载荷/位移的精确检测；所述光电编码器Ⅰ、Ⅱ1、9分别与直流电机Ⅰ、Ⅱ2、10同轴连接；拉伸加载模块的力传感器Ⅰ24与夹具支撑架Ⅰ25连接，另一端和力传感器固定挡板23通过螺纹连接，并用螺母紧固，直线电位器Ⅰ44的主体通过沉头螺钉固定于拉伸方螺母Ⅱ43上，直线电位器Ⅰ44的导杆端与电位器导杆压板Ⅰ21接触；剪切加载模块的力传感器Ⅱ、Ⅲ19、33的两端分别与剪切头Ⅰ、Ⅱ22、29和柔性铰链Ⅰ、Ⅱ16、34端部连接，直线电位器Ⅱ41的主体通过沉头螺钉固定于紧固在剪切方螺母Ⅱ32上的电位器支撑架40上，导杆端与固定在另一侧的剪切方螺母Ⅰ18上的电位器导杆压板Ⅱ42保持接触；力传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ24、19、33的受力方向、直线电位器Ⅰ、Ⅱ44、41的伸缩方向与试件38在两种载荷作用下的变形方向一致。

所述的剪切加载模块上集成了压电驱动组件，包括压电叠堆Ⅰ、Ⅱ17、35和柔性铰链Ⅰ、Ⅱ16、34，所述压电叠堆Ⅰ、Ⅱ17、35分别安装于柔性铰链Ⅰ、Ⅱ16、34的方形槽内，与剪切头Ⅰ、Ⅱ22、29保持同轴；柔性铰链Ⅰ、Ⅱ16、34通过沉头螺钉分别与剪切方螺母Ⅰ、Ⅱ18、32刚性连接，柔性铰链Ⅰ、Ⅱ16、34另一侧分别与力传感器Ⅱ、Ⅲ19、33通过螺纹连接。压电叠堆Ⅰ、Ⅱ17、35工作时始终处于受压状态，剪切模块在给定的应力水平下压电叠堆Ⅰ、Ⅱ17、35具有一定的位移及载荷输出能力，柔性铰链Ⅰ、Ⅱ16、34可保证按照一定的比例系数将压电叠堆Ⅰ、Ⅱ17、35输出的精密往复位移传递至剪切头Ⅰ、Ⅱ22、29处，作用于试件38受剪区域，模拟材料承受疲劳剪切载荷的状态，其中剪切头Ⅰ、Ⅱ22、29由超硬合金材料制成。另外，由于存在加工和装配误差，两侧的剪切头Ⅰ、Ⅱ22、29存在不能同时作用在试件38上的可能，这时压电驱动组件可以提供剪切模块的微位移，保证试件两侧的剪切头Ⅰ、Ⅱ22、29同时作用。

所述的装夹支撑组件包括夹具支撑架Ⅰ、Ⅱ25、37、夹具压板Ⅰ、Ⅱ26、36，所述夹具压板Ⅰ、Ⅱ26、36分别与夹具支撑架Ⅰ、Ⅱ25、37通过螺栓连接，夹具支撑架Ⅱ37通过沉头螺钉与拉伸方螺母Ⅱ43刚性连接，另一侧的夹具支撑架Ⅰ25通过交叉导轨28支撑在拉伸方螺母Ⅰ27之上；夹具压板Ⅰ、Ⅱ26、36和夹具支撑架Ⅰ、Ⅱ25、37与试件38的接触面均设置为致密的滚花结构，保证试件38的牢靠装夹。

所述的拉伸加载模块和剪切加载模块的双向直线运动通过两根高低交错布置的精密双向滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ39、30来实现，该精密双向滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ39、30设有两段旋向相反的小导程滚道；试件38的中间部位也是受力集中的区域，通过精密双向滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ39、30的传动，两侧的双向滚珠丝杠螺母Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ46、48、47、49能够同步反向运动，在加载的过程中能够实现试件38中心部位始终处于成像区域的最中央，便于成像设备的实时观测和记录。

所述的拉伸加载模块和剪切加载模块实现分别驱动加载，运动时序可控，试验装置可以分别实现拉伸测试、纯剪切测试和拉伸—剪切复合载荷测试。

所述的拉伸-剪切复合加载模式下材料微观力学性能原位测试装置结构小巧，能够实现与金相显微镜等显微成像设备的载物平台兼容，在测试试样力学性能的同时，对试样提供力学行为和失效模式的原位观测。

本发明的有益效果在于：与传统技术相比，本发明具有体积小巧、结构紧凑、刚度高、测试精度高、可提供的测试内容丰富等特点，可以与金相显微镜等显微成像设备的载物平台相互兼容，能够对各种材料的三维宏观试件进行拉伸和剪切复合载荷下的跨尺度原位力学测试，并且能够提供在一定拉伸载荷下的高频剪切疲劳测试。通过载荷/位移信号的同步检测，结合相关软件算法，可自动拟合生成拉剪复合载荷作用下的应力应变曲线，并可实现拉抻剪切两种载荷在不同加载时序的多种组合方式，对材料及其制品在复合载荷在下的微观变形进行动态在线观测，以揭示材料在微纳米尺度下的力学行为和损伤断裂机制。

综上所述，本发明丰富了原位微纳米力学性能测试领域，促进了材料力学性能测试装备的发展，拥有良好的开发应用前景。

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为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的俯视示意图；

图3为本发明的右视示意图；

图4为本发明的正视示意图；

图5为本发明的两双向滚珠丝杠的布置示意图；

图6为本发明的拉伸模块的结构示意图；

图7为办发明的剪切压电驱动组件的结构示意图；

图8为本发明的试件装夹支撑部分的结构示意图。

图中：

1、光电编码器Ⅰ；2、空心杯转子直流电机Ⅰ；3、行星齿轮减速箱Ⅰ；4、电机组件支座Ⅰ；5、蜗杆Ⅰ；6、蜗轮Ⅰ；7、丝杠支撑座Ⅰ；8、底板；9、光电编码器Ⅱ；10、空心杯转子直流电机Ⅱ；11、行星齿轮减速箱Ⅱ；12、电机组件支座Ⅱ；13、蜗杆Ⅱ；14、蜗轮Ⅱ；15、丝杠支撑座Ⅱ；16、柔性铰链Ⅰ；17、压电叠堆Ⅰ；18、剪切方螺母Ⅰ；19、力传感器Ⅱ；20、导轨Ⅱ；21、电位器导杆压板Ⅰ；22、剪切头Ⅰ；23、力传感器固定挡板；24、力传感器Ⅰ；25、夹具支撑架Ⅰ；26、夹具压板Ⅰ；27、拉伸方螺母Ⅰ；28、交叉导轨；29、剪切头Ⅱ；30、精密双向滚珠丝杠Ⅱ；31、导轨Ⅲ；32、剪切方螺母Ⅱ；33、力传感器Ⅲ；34、柔性铰链Ⅱ；35、压电叠堆Ⅱ；36、夹具压板Ⅱ；37、夹具支撑架Ⅱ；38、试件；39、精密双向滚珠丝杠Ⅰ；40、电位器支撑架；41、直线电位器Ⅱ；42、电位器导杆压板Ⅱ；43、拉伸方螺母Ⅱ；44、直线电位器Ⅰ；45、导轨Ⅰ；46、双向滚珠丝杠螺母Ⅰ；47、双向滚珠丝杠螺母Ⅲ；48、双向滚珠丝杠螺母Ⅱ；49、双向滚珠丝杠螺母Ⅳ。

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所示，本发明的拉伸-剪切复合加载模式下材料微观力学性能原位测试装置，包括拉伸加载模块和剪切加载模块两部分，拉伸加载模块和剪切加载模块的主体结构分别由动力组件、传动及执行组件、信号检测及控制组件、装夹支撑组件构成；

所述拉伸加载模块的动力组件、传动及执行组件的装配关系是：空心杯转子直流电机Ⅰ2与行星齿轮减速箱Ⅰ3相连，再通过蜗杆蜗轮副与精密双向滚珠丝杠Ⅰ39连接，拉伸方螺母Ⅰ、Ⅱ27、43分别与双向滚珠丝杠螺母Ⅰ、Ⅱ46、48通过沉头螺钉刚性连接，且拉伸方螺母Ⅰ、Ⅱ27、43通过两侧导轨Ⅰ45支持导向；其中，空心杯转子直流电机减速组件与电机组件支座Ⅰ4紧固连接，电机组件支座Ⅰ4与底板8固定连接；套在行星齿轮减速箱Ⅰ3输出轴上的蜗杆Ⅰ5通过紧固螺钉固定，蜗轮Ⅰ6亦通过紧固螺钉刚性连接于精密双向滚珠丝杠Ⅰ39上，精密双向滚珠丝杠Ⅰ39和精密轴承通过丝杠支撑座Ⅰ7与底板8连接；拉伸方螺母Ⅰ、Ⅱ27、43分别与导轨Ⅰ45的滑块通过沉头螺钉相连，导轨Ⅰ45与底板8刚性连接；

所述剪切加载模块的动力组件、传动及执行组件的装配关系是：空心杯转子直流电机Ⅱ10与行星齿轮减速箱Ⅱ11相连，再通过蜗杆蜗轮副与精密双向滚珠丝杠Ⅱ30连接，剪切方螺母Ⅰ、Ⅱ18、32分别与双向滚珠丝杠螺母Ⅲ、Ⅳ47、49通过沉头螺钉刚性连接，且剪切方螺母Ⅰ、Ⅱ18、32通过两侧导轨Ⅱ、Ⅲ20、31支持导向；其中，空心杯转子直流电机减速组件与电机组件支座Ⅱ12紧固连接，电机组件支座Ⅱ12与底板8固定连接；套在行星齿轮减速箱Ⅱ11输出轴上的蜗杆Ⅱ13通过紧固螺钉固定，蜗轮Ⅱ14亦通过紧固螺钉刚性连接于精密双向滚珠丝杠Ⅱ30上，精密双向滚珠滚珠丝杠Ⅱ30和精密轴承通过丝杠支撑座Ⅱ15与底板8连接；剪切方螺母Ⅰ、Ⅱ18、32分别与导轨Ⅱ、Ⅲ20、31的滑块通过沉头螺钉相连，导轨Ⅱ、Ⅲ20、31分别与底板8刚性连接。

通过上述几级传动环节，可将直流电机Ⅰ、Ⅱ2、10的精密驱动实现很大程度上的减速增扭，保证载荷足够大和应变速率足够低，最终满足试件的准静态加载要求。另外通过导轨Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ45、20、31的支撑作用，保证拉伸方螺母Ⅰ、Ⅱ27、43和剪切方螺母Ⅰ、Ⅱ18、32运动时受力平稳，不会因试件38受力点与双向滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ39、30受力点的高度差而产生侧翻和倾覆现象。

所述的信号检测及控制组件包括光电编码器Ⅰ、Ⅱ1、9、力传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ24、19、33及直线电位器Ⅰ、Ⅱ44、41，可以作为直流电机Ⅰ、Ⅱ2、10精密脉冲/方向闭环控制模式的反馈源，并且能够实现复合载荷测试中拉伸载荷/位移、剪切载荷/位移的精确检测；所述光电编码器Ⅰ、Ⅱ1、9分别与直流电机Ⅰ、Ⅱ2、10同轴连接；拉伸加载模块的力传感器Ⅰ24与夹具支撑架Ⅰ25连接，另一端和力传感器固定挡板23通过螺纹连接，并用螺母紧固，直线电位器Ⅰ44的主体通过沉头螺钉固定于拉伸方螺母Ⅱ43上，直线电位器Ⅰ44的导杆端与电位器导杆压板Ⅰ21接触；剪切加载模块的力传感器Ⅱ、Ⅲ19、33的两端分别与剪切头Ⅰ、Ⅱ22、29和柔性铰链Ⅰ、Ⅱ16、34端部连接，直线电位器Ⅱ41的主体通过沉头螺钉固定于紧固在剪切方螺母Ⅱ32上的电位器支撑架40上，导杆端与固定在另一侧的剪切方螺母Ⅰ18上的电位器导杆压板Ⅱ42保持接触；力传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ24、19、33的受力方向、直线电位器Ⅰ、Ⅱ44、41的伸缩方向与试件38在两种载荷作用下的变形方向一致，以确保载荷/位移信号的同步性和准确性。

所述的剪切加载模块上集成了压电驱动组件，包括压电叠堆Ⅰ、Ⅱ17、35和柔性铰链Ⅰ、Ⅱ16、34，所述压电叠堆Ⅰ、Ⅱ17、35分别安装于柔性铰链Ⅰ、Ⅱ16、34的方形槽内，与剪切头Ⅰ、Ⅱ22、29保持同轴；柔性铰链Ⅰ、Ⅱ16、34通过沉头螺钉分别与剪切方螺母Ⅰ、Ⅱ18、32刚性连接，柔性铰链Ⅰ、Ⅱ16、34另一侧分别与力传感器Ⅱ、Ⅲ19、33通过螺纹连接。压电叠堆Ⅰ、Ⅱ17、35工作时始终处于受压状态，剪切模块在给定的应力水平下压电叠堆Ⅰ、Ⅱ17、35具有一定的位移及载荷输出能力，柔性铰链Ⅰ、Ⅱ16、34可保证按照一定的比例系数将压电叠堆Ⅰ、Ⅱ17、35输出的精密往复位移传递至剪切头Ⅰ、Ⅱ22、29处，作用于试件38受剪区域，模拟材料承受疲劳剪切载荷的状态，其中剪切头Ⅰ、Ⅱ22、29由超硬合金材料制成。另外，由于存在加工和装配误差，两侧的剪切头Ⅰ、Ⅱ22、29存在不能同时作用在试件38上的可能，这时压电驱动组件可以提供剪切模块的微位移，保证试件两侧的剪切头Ⅰ、Ⅱ22、29同时作用。

所述的装夹支撑组件包括夹具支撑架Ⅰ、Ⅱ25、37、夹具压板Ⅰ、Ⅱ26、36，所述夹具压板Ⅰ、Ⅱ26、36分别与夹具支撑架Ⅰ、Ⅱ25、37通过螺栓连接，夹具支撑架Ⅱ37通过沉头螺钉与拉伸方螺母Ⅱ43刚性连接，另一侧的夹具支撑架Ⅰ25通过交叉导轨28支撑在拉伸方螺母Ⅰ27之上，交叉球导轨28的设置使夹具支撑架Ⅰ25能够沿拉伸方向运动，同时使其能在剪切方向固定牢靠。夹具压板Ⅰ、Ⅱ26、36和夹具支撑架Ⅰ、Ⅱ25、37与试件38的接触面均设置为致密的滚花结构，保证试件38的牢靠装夹。

所述的剪切模块的剪切载荷的施加通过试件两侧的剪切头Ⅰ、Ⅱ实现，此作用方式为纯剪切载荷，更接近材料的实际服役情况，便于对试件38进行受力分析。

所述的拉伸加载模块和剪切加载模块的双向直线运动通过两根高低交错布置的精密双向滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ39、30来实现，该精密双向滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ39、30设有两段旋向相反的小导程滚道；试件38的中间部位也是受力集中的区域，通过精密双向滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ39、30的传动，两侧的双向滚珠丝杠螺母Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ46、48、47、49能够同步反向运动，在加载的过程中能够实现试件38中心部位始终处于成像区域的最中央，便于成像设备的实时观测和记录。

所述的拉伸加载模块和剪切加载模块实现分别驱动加载，运动时序可控，试验装置可以分别实现拉伸测试、纯剪切测试和拉伸—剪切复合载荷测试。

所述的拉伸-剪切复合加载模式下材料微观力学性能原位测试装置结构小巧，能够实现与金相显微镜等显微成像设备的载物平台兼容，在测试试样力学性能的同时，对试样提供力学行为和失效模式的原位观测。

在实施测试前，首先需要对拉伸模块和剪切模块的力传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ24、19、33进行标定，同时利用激光测微仪对装置结构的刚度进行测定，排除可能影响测量精确性的因素。在试件38的制备过程中，为达到理想的剪切测试效果，可以在两剪切头Ⅰ、Ⅱ22、29的微小空隙间对试件预制缺口，并通过单面抛光处理得到可用于高分辨率显微成像的表面光洁度，或通过化学试剂腐蚀得到试件上表面的金相显微形貌，然后将试件38安放于具有滚花结构的夹具支撑架Ⅰ、Ⅱ25、37和夹具压板Ⅰ、Ⅱ26、36之间，拧紧沉头螺钉，完成对试件38的夹持。

驱动剪切模块的电机，使试件两侧的剪切头Ⅰ、Ⅱ22、29靠近，但未形成初始接触。此时可将装置置于显微设备的镜头之下，使试件38的中央部位进入成像区域的最中央。之后可以选择多种加载方式：拉伸载荷，纯剪切载荷，高频剪切疲劳载荷，并可以实现上述载荷在不同加载时序下的互相组合。在施加剪切载荷时，由于加工和装配存在一定的误差，可能存在试件两侧的剪切头Ⅰ、Ⅱ22、29不能同时接触的情况，这时可利用单侧的压电驱动组件输出微小位移，实现剪切头Ⅰ、Ⅱ22、29的同时作用。

在测试过程中，裂纹产生、长大和扩展方式等微观现象可以借助光学显微镜等显微成像设备实时监测，并结合上位机调试软件获得测试的载荷/位移、应力/应变图像。

Claims (6)

1.一种拉伸-剪切复合加载模式下材料微观力学性能原位测试装置，其特征在于：包括拉伸加载模块和剪切加载模块两部分，拉伸加载模块和剪切加载模块的主体结构分别由动力组件、传动及执行组件、信号检测及控制组件、装夹支撑组件构成；

所述拉伸加载模块的动力组件、传动及执行组件的装配关系是：空心杯转子直流电机Ⅰ（2）与行星齿轮减速箱Ⅰ（3）相连，再通过蜗杆蜗轮副与精密双向滚珠丝杠Ⅰ（39）连接，拉伸方螺母Ⅰ、Ⅱ（27、43）分别与双向滚珠丝杠螺母Ⅰ、Ⅱ（46、48）通过沉头螺钉刚性连接，且拉伸方螺母Ⅰ、Ⅱ（27、43）通过两侧导轨Ⅰ（45）支持导向；其中，空心杯转子直流电机减速组件与电机组件支座Ⅰ（4）紧固连接，电机组件支座Ⅰ（4）与底板（8）固定连接；套在行星齿轮减速箱Ⅰ（3）输出轴上的蜗杆Ⅰ（5）通过紧固螺钉固定，蜗轮Ⅰ（6）亦通过紧固螺钉刚性连接于精密双向滚珠丝杠Ⅰ（39）上，精密双向滚珠丝杠Ⅰ（39）和精密轴承通过丝杠支撑座Ⅰ（7）与底板（8）连接；拉伸方螺母Ⅰ、Ⅱ（27、43）分别与导轨Ⅰ（45）的滑块通过沉头螺钉相连，导轨Ⅰ（45）与底板（8）刚性连接；

所述剪切加载模块的动力组件、传动及执行组件的装配关系是：空心杯转子直流电机Ⅱ（10）与行星齿轮减速箱Ⅱ（11）相连，再通过蜗杆蜗轮副与精密双向滚珠丝杠Ⅱ（30）连接，剪切方螺母Ⅰ、Ⅱ（18、32）分别与双向滚珠丝杠螺母Ⅲ、Ⅳ（47、49）通过沉头螺钉刚性连接，且剪切方螺母Ⅰ、Ⅱ（18、32）通过两侧导轨Ⅱ、Ⅲ（20、31）支持导向；其中，空心杯转子直流电机减速组件与电机组件支座Ⅱ（12）紧固连接，电机组件支座Ⅱ（12）与底板（8）固定连接；套在行星齿轮减速箱Ⅱ（11）输出轴上的蜗杆Ⅱ（13）通过紧固螺钉固定，蜗轮Ⅱ（14）亦通过紧固螺钉刚性连接于精密双向滚珠丝杠Ⅱ（30）上，精密双向滚珠丝杠Ⅱ（30）和精密轴承通过丝杠支撑座Ⅱ（15）与底板（8）连接；剪切方螺母Ⅰ、Ⅱ（18、32）分别与导轨Ⅱ、Ⅲ（20、31）的滑块通过沉头螺钉相连，导轨Ⅱ、Ⅲ（20、31）分别与底板（8）刚性连接。

2.根据权利要求1所述的拉伸-剪切复合加载模式下材料微观力学性能原位测试装置，其特征在于：所述的信号检测及控制组件包括光电编码器Ⅰ、Ⅱ（1、9）、力传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（24、19、33）及直线电位器Ⅰ、Ⅱ（44、41），可以作为直流电机Ⅰ、Ⅱ（2、10）精密脉冲/方向闭环控制模式的反馈源，并且能够实现复合载荷测试中拉伸载荷/位移、剪切载荷/位移的精确检测；所述光电编码器Ⅰ、Ⅱ（1、9）分别与直流电机Ⅰ、Ⅱ（2、10）同轴连接；拉伸加载模块的力传感器Ⅰ（24）与夹具支撑架Ⅰ（25）连接，另一端和力传感器固定挡板（23）通过螺纹连接，并用螺母紧固，直线电位器Ⅰ（44）的主体通过沉头螺钉固定于拉伸方螺母Ⅱ（43）上，直线电位器Ⅰ（44）的导杆端与电位器导杆压板Ⅰ（21）接触；剪切加载模块的力传感器Ⅱ、Ⅲ（19、33）的两端分别与剪切头Ⅰ、Ⅱ（22、29）和柔性铰链Ⅰ、Ⅱ（16、34）端部连接，直线电位器Ⅱ（41）的主体通过沉头螺钉固定于紧固在剪切方螺母Ⅱ（32）上的电位器支撑架（40）上，导杆端与固定在另一侧的剪切方螺母Ⅰ（18）上的电位器导杆压板Ⅱ（42）保持接触；力传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（24、19、33）的受力方向、直线电位器Ⅰ、Ⅱ（44、41）的伸缩方向与试件（38）在两种载荷作用下的变形方向一致。

3.根据权利要求1所述的拉伸-剪切复合加载模式下材料微观力学性能原位测试装置，其特征在于：所述的剪切加载模块上集成了压电驱动组件，包括压电叠堆Ⅰ、Ⅱ（17、35）和柔性铰链Ⅰ、Ⅱ（16、34），所述压电叠堆Ⅰ、Ⅱ（17、35）分别安装于柔性铰链Ⅰ、Ⅱ（16、34）的方形槽内，与剪切头Ⅰ、Ⅱ（22、29）保持同轴；柔性铰链Ⅰ、Ⅱ（16、34）通过沉头螺钉分别与剪切方螺母Ⅰ、Ⅱ（18、32）刚性连接，柔性铰链Ⅰ、Ⅱ（16、34）另一侧分别与力传感器Ⅱ、Ⅲ（19、33）通过螺纹连接。

4.根据权利要求1所述的拉伸-剪切复合加载模式下材料微观力学性能原位测试装置，其特征在于：所述的装夹支撑组件包括夹具支撑架Ⅰ、Ⅱ（25、37）、夹具压板Ⅰ、Ⅱ（26、36），所述夹具压板Ⅰ、Ⅱ（26、36）分别与夹具支撑架Ⅰ、Ⅱ（25、37）通过螺栓连接，夹具支撑架Ⅱ（37）通过沉头螺钉与拉伸方螺母Ⅱ（43）刚性连接，另一侧的夹具支撑架Ⅰ（25）通过交叉导轨（28）支撑在拉伸方螺母Ⅰ（27）之上；夹具压板Ⅰ、Ⅱ（26、36）和夹具支撑架Ⅰ、Ⅱ（25、37）与试件（38）的接触面均设置为致密的滚花结构，保证试件（38）的牢靠装夹。

5.根据权利要求1所述的拉伸-剪切复合加载模式下材料微观力学性能原位测试装置，其特征在于：所述的拉伸加载模块和剪切加载模块的双向直线运动通过两根高低交错布置的精密双向滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ（39、30）来实现，该精密双向滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ（39、30）设有两段旋向相反的小导程滚道；试件（38）的中间部位也是受力集中的区域，通过精密双向滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ（39、30）的传动，两侧的双向滚珠丝杠螺母Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ（46、48、47、49）能够同步反向运动，在加载的过程中能够实现试件（38）中心部位始终处于成像区域的最中央，处于有利的观测位置。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的拉伸-剪切复合加载模式下材料微观力学性能原位测试装置，其特征在于：所述的拉伸-剪切复合加载模式下材料微观力学性能原位测试装置与显微成像设备的载物平台兼容。