CN103353431B - 基于拉压、疲劳复合载荷模式下的原位压痕力学测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于拉压、疲劳复合载荷模式下的原位压痕力学测试装置，属于精密测试仪器领域。主要由精密驱动单元、拉压、疲劳复合载荷单元、压痕载荷单元、精密传感检测单元组成。其中精密驱动单元可实现准静态加载，拉压、疲劳复合载荷单元使试件中心基本保持不变，结合高分辨率的成像系统可进行材料的原位力学性能观测。疲劳模块加载在拉压模块之上，采用精密的压电驱动技术进行材料的疲劳性能测试。压痕载荷单元布置于试件正上方，竖直压入试件，由丝杆步进电机带动压痕柔性铰链直线进给，嵌入其中的压痕压电叠堆则进行精密压入驱动，可进行跨尺度原位压痕力学测试。具有结构紧凑、体积小、响应迅速、精度高、成本低等优点。

Description

基于拉压、疲劳复合载荷模式下的原位压痕力学测试装置

技术领域

    本发明涉及原位纳米力学性能测试领域，特别涉及精密测试仪器领域，尤指一种基于拉压、疲劳复合载荷模式下的原位压痕力学测试装置，可以在不同拉伸/压缩、疲劳复合载荷预加应力作用下进行材料样品的原位压痕测试。

背景技术

原位纳米力学测试技术是指对材料在纳米尺度下进行力学性能测试，并利用电子显微镜、原子力显微镜、光学显微镜等成像仪器针对材料发生载荷作用下发生的响应微观变形、损伤直至失效破坏现象进行全程动态监测的一种力学测试技术。在原位纳米力学性能测试领域内，硬度、弹性模量、屈服强度、抗拉强度、疲劳强度等参数是材料力学特性测试中的最主要的几个材料性能表征参数，响应的发展了许多测试手段与方法，如拉伸/压缩法、三点弯曲法、纳米压痕法等。通过基于拉压、疲劳复合载荷模式下的原位压痕力学测试手段势必可以发现外界复杂载荷作用下材料更为新颖的现象，揭示出响应变形损伤的规律。而就较大尺寸试件所开展的有关测试将更有利于研究材料及其制品在接近真实服役状态下的力学行为与变形损伤机制。

目前，针对原位纳米力学测试技术相关仪器的研制尚不成熟，还处于萌芽状态，具体表现如下：1.现有的原位纳米力学试验装置载荷单一，无法对材料在复合载荷作用下进行相关力学性能测试，从而不能模拟工件在真实服役状态下的实际状况。2.现有的原位压痕材料试验机，只是在工件自由应力状态下进行压痕试验，而针对工件在残留预应力下的现象则鲜有涉及。亟待改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于拉压、疲劳复合载荷模式下的原位压痕力学测试装置，解决了现有技术存在的上述问题。其结构紧凑、体积小、响应迅速、精度高、成本低，且可以在不同拉伸/压缩、疲劳复合载荷应力作用下进行材料的原位压痕测试。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

基于拉压、疲劳复合载荷模式下的原位压痕力学测试装置，包括精密驱动单元、拉压、疲劳复合载荷单元、压痕载荷单元、精密传感检测单元，所述精密驱动单元由直流伺服电机1、蜗杆3和蜗轮4组成，直流伺服电机1由电机座2支撑，而电机座2通过螺钉Ⅲ35固定在基座32一侧，其输出轴与蜗杆3固连，带动蜗轮4转动，大减速比传动，可实现准静态加载；

所述拉压、疲劳复合载荷单元包括拉压载荷模块、疲劳载荷模块，可进行拉压或疲劳的单独加载，亦或是拉压、疲劳复合加载，所述的拉压载荷模块由拉伸台Ⅰ、Ⅱ9、15、双向滚珠丝杠10、滚珠丝杠支撑座5、滚珠直线导轨Ⅰ14组成，其中双向滚珠丝杠10通过滚珠丝杠支撑座5支撑，而滚珠丝杠支撑座5通过螺钉Ⅳ36与基座32固定，将蜗轮3的旋转运动转化为拉伸台Ⅰ、Ⅱ9、15相对的直线运动，而夹具Ⅰ、Ⅱ11、13分别通过螺钉Ⅰ33、螺钉Ⅷ40固定在拉伸台Ⅰ、Ⅱ9、15上，进而对试件12进行相对的拉伸/压缩加载，其试件12中心可基本保持不变；所述疲劳载荷模块由疲劳压电叠堆6、疲劳柔性铰链7和预紧螺钉Ⅰ8组成，疲劳压电叠堆6嵌入疲劳柔性铰链7内部，并通过预紧螺钉Ⅰ8进行叠堆的预紧，疲劳柔性铰链7一端通过螺钉Ⅰ33与夹具Ⅰ11相连，一端通过螺钉Ⅱ34固定于拉伸台Ⅰ9上；

所述压痕载荷单元由丝杠步进电机30、电机座Ⅱ31、梯形螺母28、压痕台27、压痕压电叠堆25、压痕柔性铰链23、预紧螺钉Ⅱ43和滚珠直线导轨Ⅱ29组成，其中丝杠步进电机30带动梯形螺母28移动，进而带动压痕台27在滚珠直线导轨Ⅱ29上直线移动，进行压入过程的宏观粗调整，压痕柔性铰链23通过螺钉Ⅹ42与压痕台27固定，压痕压电叠堆25嵌入压痕柔性铰链23之中，并通过预紧螺钉Ⅱ43进行预紧，进行精密的压入驱动；

所述精密传感检测单元包括直线位移传感器16、力传感器Ⅰ、Ⅱ20、22、光栅读数头24、光栅26，其中直线位移传感器16通过螺钉Ⅵ38固定在拉伸台Ⅱ15上，其伸缩端与拉伸台Ⅰ9固连；力传感器Ⅰ20一侧通过力传感器固定板18、螺钉Ⅴ37与拉伸台Ⅱ15连接，另一侧通过夹板17与夹具Ⅱ13连接，夹板17通过螺钉Ⅶ39固定在拉伸台Ⅱ15之上；力传感器Ⅱ22与金刚石压头19通过压头套筒21连接，固定在压痕柔性铰链23前端；光栅26贴于压痕柔性铰链23一侧，相应的光栅读数头24则通过螺钉Ⅸ41与基座32直接固定。

所述的精密驱动单元采用直流伺服电机1作为动力源，经过蜗轮4蜗杆3实现大减速比减速增扭，进行拉伸/压缩载荷的准静态加载。

所述的双向滚珠丝杠10两端设有旋向相逆的丝杠，确保在拉伸/压缩测试过程中，拉伸台Ⅰ、Ⅱ9、15可实现同步的反向运动，从而保证试件12的几何中心位置始终处于成像区域的最中央，便于观测及图像记录。

所述的疲劳柔性铰链7采用椭圆形桥式位移放大机构，放大了疲劳压电叠堆6的有效行程，即增大了拉伸疲劳载荷加载范围。

所述的疲劳柔性铰链7与压痕柔性铰链23整体采用对称式设计，保证了输出载荷的平稳，性能良好。

所述的疲劳柔性铰链7、压痕柔性铰链23端部分别设有疲劳压电叠堆6、压痕压电叠堆25的预紧铰链机构，分别通过预紧螺钉Ⅰ8、预紧螺钉Ⅱ43预紧，避免对精密的疲劳压电叠堆6、压痕压电叠堆25造成损伤。

所述的精密传感检测单元采用光栅26与光栅读数头24配合，用于检测金刚石压头19对试件12的精密压入位移。由于直线光栅系统为非接触式，避免了对精密压痕过程中的干扰。

本发明的有益效果在于：可以在不同拉伸/压缩、疲劳复合载荷应力作用下进行材料的原位压痕测试，具有结构紧凑、体积小、响应迅速、精度高、成本低等特点，主要应用于原位纳米力学性能测试领域。克服现有原位纳米力学测试技术中加载模式单一，无法针对残留应力进行压痕试验的缺陷与不足，使得试验过程更加接近工件真实的服役情况，具有广泛的应用前景。

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为本发明的三维轴视图。

图2为本发明的正视图。

图3为本发明的侧视图。

图4为本发明疲劳单元示意图。

图5为本发明压痕单元示意图。

图中：1.直流伺服电机；  2.电机座Ⅰ；  3.蜗杆；  4.蜗轮;  5.滚珠丝杠支撑座；  6.疲劳压电叠堆；   7.疲劳柔性铰链；  8.预紧螺钉Ⅰ；  9.拉伸台Ⅰ；  10.双向滚珠丝杠；11.夹具Ⅰ；  12.试件；   13.夹具Ⅱ；   14.滚珠直线导轨Ⅰ；   15.拉伸台Ⅱ；  16.直线位移传感器；  17.夹板；  18.力传感器固定板；  19.金刚石压头；  20.力传感器Ⅰ；  21压头套筒；   22.力传感器Ⅱ；  23.压痕柔性铰链；  24.光栅读数头；  25.压痕压电叠堆；26.光栅；    27.压痕台；  28.梯形螺母；   29.滚珠直线导轨Ⅱ；  30.丝杠步进电机；   31.电机座Ⅱ；  32.基座；   33.螺钉Ⅰ；  34.螺钉Ⅱ；  35.螺钉Ⅲ；  36.螺钉Ⅳ；   37.螺钉Ⅴ；  38.螺钉Ⅵ；  39.螺钉Ⅶ；  40.螺钉Ⅷ；  41.螺钉Ⅸ；  42螺钉Ⅹ； 43.预紧螺钉Ⅱ。

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5所示，本发明的基于拉压、疲劳复合载荷模式下的原位压痕力学测试装置，包括精密驱动单元、拉压、疲劳复合载荷单元、压痕载荷单元、精密传感检测单元，所述精密驱动单元由直流伺服电机1、蜗杆3和蜗轮4组成，直流伺服电机1由电机座2支撑，而电机座2通过螺钉Ⅲ35固定在基座32一侧，其输出轴与蜗杆3固连，带动蜗轮4转动，大减速比传动，可实现准静态加载；

所述拉压、疲劳复合载荷单元包括拉压载荷模块、疲劳载荷模块，可进行拉压或疲劳的单独加载，亦或是拉压、疲劳复合加载，所述的拉压载荷模块由拉伸台Ⅰ、Ⅱ9、15、双向滚珠丝杠10、滚珠丝杠支撑座5、滚珠直线导轨Ⅰ14组成，其中双向滚珠丝杠10通过滚珠丝杠支撑座5支撑，而滚珠丝杠支撑座5通过螺钉Ⅳ36与基座32固定，将蜗轮3的旋转运动转化为拉伸台Ⅰ、Ⅱ9、15相对的直线运动，而夹具Ⅰ、Ⅱ11、13分别通过螺钉Ⅰ33、螺钉Ⅷ40固定在拉伸台Ⅰ、Ⅱ9、15上，进而对试件12进行相对的拉伸/压缩加载，其试件12中心可基本保持不变；所述疲劳载荷模块由疲劳压电叠堆6、疲劳柔性铰链7和预紧螺钉Ⅰ8组成，疲劳压电叠堆6嵌入疲劳柔性铰链7内部，并通过预紧螺钉Ⅰ8进行叠堆的预紧，疲劳柔性铰链7一端通过螺钉Ⅰ33与夹具Ⅰ11相连，一端通过螺钉Ⅱ34固定于拉伸台Ⅰ9上；

所述压痕载荷单元由丝杠步进电机30、电机座Ⅱ31、梯形螺母28、压痕台27、压痕压电叠堆25、压痕柔性铰链23、预紧螺钉Ⅱ43和滚珠直线导轨Ⅱ29组成，其中丝杠步进电机30带动梯形螺母28移动，进而带动压痕台27在滚珠直线导轨Ⅱ29上直线移动，进行压入过程的宏观粗调整，压痕柔性铰链23通过螺钉Ⅹ42与压痕台27固定，压痕压电叠堆25嵌入压痕柔性铰链23之中，并通过预紧螺钉Ⅱ43进行预紧，进行精密的压入驱动；

所述精密传感检测单元包括直线位移传感器16、力传感器Ⅰ、Ⅱ20、22、光栅读数头24、光栅26，其中直线位移传感器16通过螺钉Ⅵ38固定在拉伸台Ⅱ15上，其伸缩端与拉伸台Ⅰ9固连；力传感器Ⅰ20一侧通过力传感器固定板18、螺钉Ⅴ37与拉伸台Ⅱ15连接，另一侧通过夹板17与夹具Ⅱ13连接，夹板17由螺钉Ⅶ39固定在拉伸台Ⅱ15之上；力传感器Ⅱ22与金刚石压头19通过压头套筒21连接，固定在压痕柔性铰链23前端；光栅26贴于压痕柔性铰链23一侧，相应的光栅读数头24则通过螺钉Ⅸ41与基座32直接固定。

所述的精密驱动单元采用直流伺服电机1作为动力源，经过蜗轮4蜗杆3实现大减速比减速增扭，进行拉伸/压缩载荷的准静态加载。

所述的拉压载荷模块中的双向滚珠丝杠10两端设有旋向相逆的丝杠，确保在拉伸/压缩测试过程中，拉伸台Ⅰ、Ⅱ9、15可实现同步的反向运动，从而保证试件12的几何中心位置始终处于成像区域的最中央，便于观测及图像记录。

所述的疲劳载荷模块中的疲劳柔性铰链7采用椭圆形桥式位移放大机构，放大了疲劳压电叠堆6的有效行程，即增大了拉伸疲劳载荷加载范围。

所述的疲劳柔性铰链7与压痕柔性铰链23整体采用对称式设计，保证了输出载荷的平稳，性能良好。

所述的疲劳柔性铰链7、压痕柔性铰链23端部分别设有疲劳压电叠堆6、压痕压电叠堆25的预紧铰链机构，分别通过预紧螺钉Ⅰ8、预紧螺钉Ⅱ43预紧，避免对精密的疲劳压电叠堆6、压痕压电叠堆25造成损伤。

所述的精密传感检测单元采用光栅26与光栅读数头24配合，用于检测金刚石压头19对试件12的精密压入位移。由于直线光栅系统为非接触式，避免了对精密压痕过程中的干扰。

精密驱动单元采用直流伺服电机作为动力源，经过蜗轮蜗杆大减速比减速增扭，可实现准静态加载。拉压、疲劳复合载荷单元呈水平布置，其中拉压模块采用双向滚珠丝杠，使得试件中心基本保持不变，结合高分辨率的成像系统可进行材料的原位力学性能观测。疲劳模块加载在拉压模块之上，采用精密的压电驱动技术进行材料的疲劳性能测试。压痕载荷单元布置于试件正上方，竖直压入试件，由丝杆步进电机带动压痕柔性铰链直线进给，嵌入其中的压痕压电叠堆则进行精密压入驱动，可进行跨尺度原位压痕力学测试。精密传感检测单元包括直线位移传感器、光栅、力传感器，用于检测试验过程中位移与载荷的数值。本测试装置可进行多种载荷复合加载更接近实际工况，利用压痕检测技术实现对工件的无损检测，此外还具有结构紧凑、体积小、响应迅速、精度高、成本低等特点，结合压痕无损检测揭示了在拉伸/压缩、疲劳复合载荷应力作用下材料的力学特性和损伤机制。

参见图1至图5，本发明的具体工作过程如下：

在利用基于拉压、疲劳复合载荷应力模式下的新型原位压痕力学测试装置实施测试之前，需要对拉伸/压缩、疲劳复合载荷测试的力传感器及压痕测试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/压缩及压痕载荷作用下试件的变形进行计算。对直线光栅系统的光栅和光栅读数头进行合理安装与布置，进行调节测试。分别对疲劳柔性铰链与压痕柔性铰链中的压电叠堆进行预紧。

测试时，可以选择单一载荷模式，如：纯拉伸/压缩载荷模式，纯疲劳载荷模式，纯压痕检测模式。其中纯拉伸/压缩载荷模式中动力源由直流伺服电机1输出，经过一级蜗轮4、蜗杆3减速，由双向滚珠丝杠10将旋转运动转化为拉伸台Ⅰ、Ⅱ9、15相对的直线运动，进而对试件12进行单一的拉伸/压缩载荷加载。纯疲劳载荷模式中对疲劳压电叠堆6通交变电压，利用逆压电效应伸长与缩短交替变形，经过疲劳柔性铰链7进行驱动的传递与放大，最终实现对试件12的疲劳测试。纯压痕检测模式中由丝杠步进电机30带动梯形螺母28移动，进而带动压痕台27在滚珠直线导轨Ⅱ29上直线移动，先进行压入过程的宏观粗调整。然后对嵌入压痕柔性铰链23之中的压痕压电叠堆25通电，驱动金刚石压头19，进行压痕的精密压入过程，检测材料的硬度与弹性模量。

也可选择复合载荷加载模式，如：（1）、拉压加载压痕检测模式：在拉伸/压缩载荷模式中加载后再保载，此时同时进行压痕检测模式，即实现对试件12在拉伸/压缩轴向应力作用下，检测材料的硬度与弹性模量。（2）、疲劳加载压痕检测模式：在疲劳载荷模式加载之后，再进行压痕检测模式，即实现对试件12在疲劳交变应力作用下，检测材料的硬度与弹性模量。（3）、拉压、疲劳加载压痕检测模式：拉伸/压缩载荷模式与疲劳载荷模式同时进行，保载之后再进行压痕检测模式，即实现对试件12在拉伸/压缩轴向应力与疲劳交变应力共同作用下，检测材料的硬度与弹性模量。（4）、拉压、疲劳载荷模式，即在拉伸/压缩载荷模式进行的同时再施加疲劳载荷模式，进行拉压、疲劳测试，检测在拉伸/压缩轴向应力与疲劳交变应力共同作用下材料的力学性能。

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。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于拉压、疲劳复合载荷模式下的原位压痕力学测试装置，其特征在于：包括精密驱动单元、拉压、疲劳复合载荷单元、压痕载荷单元、精密传感检测单元，所述精密驱动单元由直流伺服电机（1）、蜗杆（3）和蜗轮（4）组成，直流伺服电机（1）由电机座（2）支撑，而电机座（2）通过螺钉Ⅲ（35）固定在基座（32）一侧，其输出轴与蜗杆（3）固连，带动蜗轮（4）转动，大减速比传动，可实现准静态加载；

所述拉压、疲劳复合载荷单元包括拉压载荷模块、疲劳载荷模块，可进行拉压或疲劳的单独加载，亦或是拉压、疲劳复合加载，所述的拉压载荷模块由拉伸台Ⅰ、Ⅱ（9、15）、双向滚珠丝杠（10）、滚珠丝杠支撑座（5）、滚珠直线导轨Ⅰ（14）组成，其中双向滚珠丝杠（10）通过滚珠丝杠支撑座（5）支撑，而滚珠丝杠支撑座（5）通过螺钉Ⅳ（36）与基座（32）固定，将蜗轮（3）的旋转运动转化为拉伸台Ⅰ、Ⅱ（9、15）相对的直线运动，而夹具Ⅰ、Ⅱ（11、13）分别通过螺钉Ⅰ（33）、螺钉Ⅷ（40）固定在拉伸台Ⅰ、Ⅱ（9、15）上，进而对试件（12）进行相对的拉伸/压缩加载，其试件（12）中心保持不变；所述疲劳载荷模块由疲劳压电叠堆（6）、疲劳柔性铰链（7）和预紧螺钉Ⅰ（8）组成，疲劳压电叠堆（6）嵌入疲劳柔性铰链（7）内部，并通过预紧螺钉Ⅰ（8）进行叠堆的预紧，疲劳柔性铰链（7）一端通过螺钉Ⅰ（33）与夹具Ⅰ（11）相连，一端通过螺钉Ⅱ（34）固定于拉伸台Ⅰ（9）上；

所述压痕载荷单元由丝杠步进电机（30）、电机座Ⅱ（31）、梯形螺母（28）、压痕台（27）、压痕压电叠堆（25）、压痕柔性铰链（23）、预紧螺钉Ⅱ（43）和滚珠直线导轨Ⅱ（29）组成，其中丝杠步进电机（30）带动梯形螺母（28）移动，进而带动压痕台（27）在滚珠直线导轨Ⅱ（29）上直线移动，进行压入过程的宏观粗调整，压痕柔性铰链（23）通过螺钉Ⅹ（42）与压痕台（27）固定，压痕压电叠堆（25）嵌入压痕柔性铰链（23）之中，并通过预紧螺钉Ⅱ（43）进行预紧，进行精密的压入驱动；

所述精密传感检测单元包括直线位移传感器（16）、力传感器Ⅰ、Ⅱ（20、22）、光栅读数头（24）、光栅（26），其中直线位移传感器（16）通过螺钉Ⅵ（38）固定在拉伸台Ⅱ（15）上，其伸缩端与拉伸台Ⅰ（9）固连；力传感器Ⅰ（20）一侧通过力传感器固定板（18）、螺钉Ⅴ（37）与拉伸台Ⅱ（15）连接，另一侧通过夹板（17）与夹具Ⅱ（13）连接，夹板（17）通过螺钉Ⅶ（39）固定在拉伸台Ⅱ（15）之上；力传感器Ⅱ（22）与金刚石压头（19）通过压头套筒（21）连接，固定在压痕柔性铰链（23）前端；光栅（26）贴于压痕柔性铰链（23）一侧，相应的光栅读数头（24）则通过螺钉Ⅸ（41）与基座（32）直接固定。

2.根据权利要求1所述的基于拉压、疲劳复合载荷模式下的原位压痕力学测试装置，其特征在于：所述的精密驱动单元采用直流伺服电机（1）作为动力源，经过蜗轮（4）蜗杆（3）实现大减速比减速增扭，进行拉伸/压缩载荷的准静态加载。

3.根据权利要求1所述的基于拉压、疲劳复合载荷模式下的原位压痕力学测试装置，其特征在于：所述的双向滚珠丝杠（10）两端设有旋向相逆的丝杠，确保在拉伸/压缩测试过程中，拉伸台Ⅰ、Ⅱ（9、15）可实现同步的反向运动，从而保证试件（12）的几何中心位置始终处于成像区域的最中央，便于观测及图像记录。

4.根据权利要求1所述的基于拉压、疲劳复合载荷模式下的原位压痕力学测试装置，其特征在于：所述的疲劳柔性铰链（7）采用椭圆形桥式位移放大机构，放大了疲劳压电叠堆（6）的有效行程，即增大了拉伸疲劳载荷加载范围。

5.根据权利要求1所述的基于拉压、疲劳复合载荷模式下的原位压痕力学测试装置，其特征在于：所述的疲劳柔性铰链（7）与压痕柔性铰链（23）整体采用对称式设计。

6.根据权利要求1或5所述的基于拉压、疲劳复合载荷模式下的原位压痕力学测试装置，其特征在于：所述的疲劳柔性铰链（7）、压痕柔性铰链（23）端部分别设有疲劳压电叠堆（6）、压痕压电叠堆（25）的预紧铰链机构，分别通过预紧螺钉Ⅰ（8）、预紧螺钉Ⅱ（43）预紧，避免对精密的疲劳压电叠堆（6）、压痕压电叠堆（25）造成损伤。

7.根据权利要求1所述的基于拉压、疲劳复合载荷模式下的原位压痕力学测试装置，其特征在于：所述的精密传感检测单元采用光栅（26）与光栅读数头（24）配合，用于检测金刚石压头（19）对试件（12）的精密压入位移。