CN103528887A - 原位拉/压-扭转复合载荷材料微观力学测试平台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种原位拉/压-扭转复合载荷材料微观力学测试平台，属于材料力学测试领域。由基座、精密加载单元、检测控制单元、夹持及连接单元组成。其中精密加载单元包括扭矩加载单元和拉压加载单元，可实现拉压载荷、扭矩载荷的独立、复合加载；检测控制单元针对拉压载荷和扭转载荷分别使用拉压力传感器和扭矩传感器进行载荷检测，结合接触式电容位移传感器、圆光栅尺、光电编码器对加载机构实施监测和控制。本发明结构紧凑，体积小巧，应变速率可控。通过本发明可对材料在复合载荷作用下的微观组织结构变化、变形损伤机制和性能演化规律进行原位监测，为揭示材料在接近服役条件下微纳米尺度的力学特性和损伤机制提供有效的测试方法。
Description
技术领域
本发明涉及材料力学测试领域，特别涉及一种原位拉/压-扭转复合载荷材料微观力学测试平台。可在扫描电子显微镜、金相显微镜、Raman光谱仪、X射线衍射仪等固态材料性能表征仪器的动态监测下研究分析拉伸/压缩载荷作用、扭转载荷作用，特别是拉伸/压缩与扭转复合载荷共同作用下试件样品材料的微观组织结构变化、变形损伤机制和性能演化规律，结合检测控制单元可同步进行载荷/位移信号的精密检测、分析与闭环控制。通过本发明可对材料在复合载荷作用下的微观变形、损伤和断裂过程进行原位监测，为揭示材料在接近服役条件下微纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供有效的测试方法。
背景技术
原位微纳米力学测试技术是指在微纳米尺度下对试件材料进行力学性能测试过程中，通过电子显微镜、原子力显微镜和光学显微镜等成像仪器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的一种力学测试技术。在诸多微纳米力学参数测试的范畴中，弹性模量、切变模量、屈服极限抗扭强度等参数是材料力学特性测试中的最主要的研究对象，针对这些力学参数产生了多种测试方法，如扭转法、拉伸法及纳米压入法等。通过原位力学测试可以揭示出，在外界载荷作用下材料变形损伤的规律，复合载荷下原位力学测试有利于研究材料及其制品在接近服役状态下较为真实的力学行为与变形损伤机制。
当前精密材料力学性能复合载荷原位测试的研究尚不完善，具体表现在：（1）受到各种观测设备腔体尺寸限制，多数研究都集中在以微/纳机电系统工艺为基础，对纳米管、纳米线以及薄膜材料等极微小结构的单纯原位纳米拉伸测试上。因而缺少对宏观尺寸（薄膜材料或三维试件）的跨尺度原位纳米力学测试的深入研究，从而严重阻碍了学术界对较大尺寸元件的微观力学行为和损伤机制的新现象、新规律的发现；（2）从测试手段和方法上来说，主要借助商业化的纳米压痕仪进行的原位纳米压痕测试和原位纳米拉伸仪进行的原位拉伸测试。两种方法均存在设备费用昂贵，测试方法单一，测试内容乏善可陈的特点，对结构紧凑，体积小巧的复合载荷原位测试装置鲜有提及，极大制约了研究的深入与发展；（3）从测试内容上看，现有仪器设备的测试内容相对单一，两种及两种以上载荷类型的复合测试仪器鲜有提及，限制了复杂工况下材料的微观力学性能及损伤机制的研究深入化。
在原位纳米拉伸/压缩-扭转复合载荷力学测试技术应用之前，拉伸/压缩试验与扭转试验一般是在材料试验机上的离位测试。试验机依规定的速率均匀地加载试样，由试验机绘出载荷-伸长曲线，进而得到载荷作用下应力-应变曲线图，因此，最初的拉伸机和剪切测试机是将材料拉断或剪断后，得出材料的拉伸屈服极限、拉伸强度极限、剪切屈服极限、剪切极限等力学参数。传统拉伸机和剪切测试机针对的都是宏材尺度试件，未涉及材料纳米尺度范畴的力学性能研究，亦未涉及到高分辨率显微成像系统下的原位观测。
因此，设计一种体积小、结构紧凑，测试精度高，能够利用电子显微镜等成像系统实时监测宏观试件在载荷作用下的微观变形和损伤过程的拉伸/压缩-扭转复合载荷力学测试平台已十分必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种原位拉/压-扭转复合载荷材料微观力学测试平台，解决了现有技术存在的上述问题，且一定程度上填补了现有技术的空白。为实现精度高、应变速率可控、体积小、结构精巧的可用于精密材料微观力学性能原位复合载荷测试的装置提供一种有效的方案。通过原位拉伸/压缩-扭转测试获得材料的切变模量、屈服极限和强度极限等力学参数，在已知材料泊松比的情况下，亦可通过简单计算亦可得到材料的弹性模量。通过本测试装置可监测材料的微观组织结构变化、变形损伤机制和性能演化规律，为揭示材料在微观尺度下的力学特性和损伤机制提供了测试方法。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
原位拉/压-扭转复合载荷材料微观力学测试平台，包括测试平台基座40、精密加载单元、检测控制单元、夹持及连接单元，所述精密加载单元包含扭矩加载单元和拉压加载单元，由精密直流伺服电机Ⅰ、Ⅱ9、17、二次包络型蜗轮蜗杆副Ⅰ、Ⅱ、精密滚珠丝杠副、精密滚珠直线导轨组成，其中精密直流伺服电机Ⅰ、Ⅱ9、17可提供高分辨率扭矩及角位移输出，二次包络型蜗轮蜗杆副Ⅰ可提供2500：1的较大减速比，可对精密直流伺服电机Ⅰ、Ⅱ9、17输出的动力进行较大程度减速、增矩，分别给扭矩加载单元和拉压加载单元提供超低速准静态的加载方式；
所述检测控制单元包含扭转检测控制部分和拉伸/压缩检测控制部分，所述扭转检测控制部分由精密扭矩传感器7、精密圆光栅尺8、圆光栅读数头39及与精密直流伺服电机Ⅰ9同步运动的高线数光电编码器11组成，可为测试平台提供包括变形角速率、扭矩加载速率、编码器标定角位移速率在内的三种模拟或数字量作为精密直流伺服电机Ⅰ9的脉冲/方向闭环控制模式的反馈信号源，即扭矩加载单元可实现恒角变形速率、恒扭矩加载速率及恒编码标定角位移速率三种加载/卸载方式；所述拉伸/压缩检测控制部分由精密拉压力传感器16、精密接触式电容位移传感器32及与精密直流伺服电机Ⅱ17同步运动的高线数光电编码器15组成，可为测试平台提供包括变形角速率、扭矩加载速率、编码器标定角位移速率在内的三种模拟或数字量作为精密直流伺服电机Ⅱ17的脉冲/方向闭环控制模式的反馈信号源，即拉压加载单元可实现恒变形速率、恒加载速率及恒编码标定位移速率三种加载/卸载方式；
所述夹持及连接单元包括被测试件37、夹具体Ⅰ12、夹具体Ⅱ13，所述被测试件37通过夹具体Ⅰ、Ⅱ12、13的上下压板以及螺钉以压紧方式定位夹持。
所述的扭矩加载单元包括精密直流伺服电机Ⅰ9、一级蜗杆Ⅰ5、一级蜗轮Ⅰ4、二级蜗轮Ⅰ1、二级蜗杆Ⅰ43、扭矩传感器法兰架Ⅰ41、扭矩传感器法兰架Ⅱ44、夹具体Ⅰ12，所述二级蜗杆Ⅰ43通过轴承和轴承座用螺钉安装在测试平台基座40上，扭矩传感器法兰架Ⅰ41由扭转单元轴承Ⅰ3和扭转单元轴承座Ⅰ2支撑和固定，精密直流伺服电机Ⅰ9通过电机法兰盘Ⅰ6安装在测试平台基座40上，经过减速比均为1：50的二次包络型蜗轮蜗杆副Ⅰ进行减速、增矩，将扭矩通过扭矩传感器法兰架Ⅰ、Ⅱ41、44和精密扭矩传感器7加载至被测试件37；所述二次包络型蜗轮蜗杆副Ⅰ由相互配合的二级蜗轮Ⅰ1、二级蜗杆Ⅰ43及一级蜗轮Ⅰ4、一级蜗杆Ⅰ5构成。
所述的拉压加载单元包括精密直流伺服电机Ⅱ17、精密滚珠丝杠螺母基座30、精密滚珠直线导轨19、精密滚珠直线导轨滑块33、精密直线导轨31、拉压力传感器拖板14、夹具体Ⅱ13、以及由相互配合的一级蜗杆Ⅱ22、一级蜗轮Ⅱ23、二级蜗杆Ⅱ26、二级蜗轮Ⅱ27构成的二次包络型蜗轮蜗杆副Ⅱ，由精密滚珠丝杠固定基座Ⅰ20、精密滚珠丝杠29、精密滚珠导轨基座Ⅱ47构成的精密滚珠丝杠副，其中安装在电机法兰盘Ⅱ21上的精密直流伺服电机Ⅱ17通过减速比均为1：50的二次包络型蜗轮蜗杆副Ⅱ进行减速、增矩，其蜗轮蜗杆副由二级蜗杆轴承座Ⅰ、Ⅱ24、28安装在测试平台基座40上，扭矩经过安装在基座上的精密滚珠丝杠副减速并由丝杠螺母输出直线位移，拉压力传感器基座18、精密拉压力传感器16、精密滚珠丝杠螺母基座30分别安装在丝杠螺母上，在由精密滚珠直线导轨19和精密滚珠丝杠螺母基座30构成的精密滚珠直线导轨副和精密直线导轨31的定位、导向作用下，将拉压载荷加载至被测试件37。
所述的扭矩检测控制部分的高线数光电编码器Ⅰ11安装在精密直流伺服电机Ⅰ9尾端，精密扭矩传感器7通过两端法兰联接在扭矩传感器法兰架Ⅰ41和精密圆光栅尺8之间以传递和测量扭矩，圆光栅读数头39通过槽定位安装在测试平台基座40上，并可以调整与精密圆光栅尺8的距离以达到最佳检测效果；拉伸/压缩检测控制部分的高线数光电编码器Ⅱ15安装在精密直流伺服电机Ⅱ17尾端，精密拉压力传感器16安装在拉压力传感器基座18和拉压力传感器拖板14之间。
所述的原位拉/压-扭转复合载荷材料微观力学测试平台的主体尺寸约为266mm×100mm×72mm，与Zeiss EVO 18及Hitachi TM-1000型扫描电子显微镜具有良好的结构兼容性、真空兼容性及电磁兼容性。测试平台基座40上有X射线衍射（XRD）通道36，可与其他主流商业化扫描电子显微镜、X射线衍射仪、原子力显微镜及光学显微镜等兼容使用。
所述的扭矩加载单元的支撑及定位装置包括扭转单元轴承座Ⅰ、Ⅱ2、38、扭转单元轴承Ⅰ、Ⅱ3、10、电机法兰盘Ⅰ6、二级蜗杆轴承座Ⅲ42，所述扭转单元轴承座Ⅱ38和扭转单元轴承Ⅱ10承受来自扭矩传感器法兰架Ⅱ44的拉压载荷，使精密扭矩传感器7只承受扭矩不受拉伸/压缩载荷。
所述的拉压加载单元的支撑及定位装置包括拉压力传感器拖板14、精密直线导轨31、拉压力传感器基座18、电机法兰盘Ⅱ21、二级蜗杆轴承座Ⅰ24、二级蜗杆轴承Ⅰ25、二级蜗杆轴承座Ⅱ28，经夹具体Ⅱ13传递至拉压力传感器拖板14的扭矩载荷，由拖板两侧精密直线导轨31承担，并且保持试件轴线方向的自由度，使精密拉压力传感器16只承受拉伸/压缩载荷不受扭矩载荷影响。
本发明的有益效果在于：与现有技术相比，本发明体积小巧，结构紧凑，测试精度高，角应变速率可控，与各种主流电子显微镜真空腔体匹配，应用范围广泛，可以对各种材料的特征尺寸毫米级以上宏观试件进行跨尺度原位拉伸/压缩-扭转复合载荷试验，对材料及其制品在复合载荷下的微观变形进行动态观测，以揭示材料在微纳米尺度下的力学行为和损伤机制。并通过载荷/位移信号的同步检测，结合相关算法，亦可自动拟合生成载荷作用下的应力-应变曲线。综上所述，本发明对丰富原位微纳米力学测试内容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景。本发明可在扫描电子显微镜、金相显微镜、Raman光谱仪、X射线衍射仪等固态材料性能表征仪器的动态监测下研究分析拉伸/压缩载荷作用、扭转载荷作用，特别是拉伸/压缩与扭转复合载荷共同作用下试件样品材料的微观组织结构变化、变形损伤机制和性能演化规律，结合检测控制单元可同步进行载荷/位移信号的精密检测、分析与闭环控制。本发明与市场主流成像仪器具有良好的使用兼容性。
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图；
图2为本发明的主视图；
图3为本发明的俯视图；
图4为本发明的左视图；
图5为本发明的右视图。
图中：1. 二级蜗轮Ⅰ，2. 扭转单元轴承座Ⅰ，3. 扭转单元轴承Ⅰ，4. 一级蜗轮Ⅰ，5. 一级蜗杆Ⅰ，6. 电机法兰盘Ⅰ，7. 精密扭矩传感器，8. 精密圆光栅尺，9. 精密直流伺服电机Ⅰ，10. 扭转单元轴承Ⅱ，11. 高线数光电编码器Ⅰ，12. 夹具体Ⅰ，13. 夹具体Ⅱ，14. 拉压力传感器拖板，15. 高线数光电编码器Ⅱ，16. 精密拉压力传感器，17. 精密直流伺服电机Ⅱ，18. 拉压力传感器基座，19. 精密滚珠直线导轨，20. 精密滚珠丝杠固定基座Ⅰ，21. 电机法兰盘Ⅱ，22. 一级蜗杆Ⅱ，23. 一级蜗轮Ⅱ，24. 二级蜗杆轴承座Ⅰ，25. 二级蜗杆轴承Ⅰ，26. 二级蜗杆Ⅱ，27. 二级蜗轮Ⅱ，28. 二级蜗杆轴承座Ⅱ，29. 精密滚珠丝杠，30. 精密滚珠丝杠螺母基座，31. 精密直线导轨，32. 精密接触式电容位移传感器，33. 精密滚珠直线导轨滑块，34. 精密滚珠导轨基座Ⅰ，35. 位移传感器联接座，36. X射线衍射（XRD）通道，37. 被测试件，38. 扭转单元轴承座Ⅱ，39. 圆光栅读数头，40. 测试平台基座，41. 扭矩传感器法兰架Ⅰ，42. 二级蜗杆轴承座Ⅲ，43. 二级蜗杆Ⅰ，44. 扭矩传感器法兰架Ⅱ，45. 夹具体上压块，46. 夹具体下压块，47. 精密滚珠导轨基座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，本发明的原位拉/压-扭转复合载荷材料微观力学测试平台，包括测试平台基座40、精密加载单元、检测控制单元、夹持及连接单元，所述精密加载单元包含扭矩加载单元和拉压加载单元，由精密直流伺服电机Ⅰ、Ⅱ9、17、二次包络型蜗轮蜗杆副Ⅰ、Ⅱ、精密滚珠丝杠副、精密滚珠直线导轨组成，其中精密直流伺服电机Ⅰ、Ⅱ9、17可提供高分辨率扭矩及角位移输出，二次包络型蜗轮蜗杆副Ⅰ可提供2500：1的较大减速比，可对精密直流伺服电机Ⅰ、Ⅱ9、17输出的动力进行较大程度减速、增矩，分别给扭矩加载单元和拉压加载单元提供超低速准静态的加载方式；
所述检测控制单元包含扭转检测控制部分和拉伸/压缩检测控制部分，所述扭转检测控制部分由精密扭矩传感器7、精密圆光栅尺8、圆光栅读数头39及与精密直流伺服电机Ⅰ9同步运动的高线数光电编码器11组成，可为测试平台提供包括变形角速率、扭矩加载速率、编码器标定角位移速率在内的三种模拟或数字量作为精密直流伺服电机Ⅰ9的脉冲/方向闭环控制模式的反馈信号源，即扭矩加载单元可实现恒角变形速率、恒扭矩加载速率及恒编码标定角位移速率三种加载/卸载方式；所述拉伸/压缩检测控制部分由精密拉压力传感器16、精密接触式电容位移传感器32及与精密直流伺服电机Ⅱ17同步运动的高线数光电编码器15组成，可为测试平台提供包括变形角速率、扭矩加载速率、编码器标定角位移速率在内的三种模拟或数字量作为精密直流伺服电机Ⅱ17的脉冲/方向闭环控制模式的反馈信号源，即拉压加载单元可实现恒变形速率、恒加载速率及恒编码标定位移速率三种加载/卸载方式；检测控制单元，针对扭矩信号检测及控制部分和拉伸/压缩检测及控制部分，分别通过对扭矩传感器法兰架Ⅰ、Ⅱ41、44、扭转单元轴承座Ⅰ、Ⅱ2、38和拉压力传感器拖板14的结构设计，使得精密扭矩传感器7和精密拉压力传感器16都只承受各自所测试的载荷，从而提高了测试精度，并避免了价格昂贵的拉扭传感器的使用，降低测试平台成本。
所述夹持及连接单元包括被测试件37、夹具体Ⅰ12、夹具体Ⅱ13，所述被测试件37通过夹具体Ⅰ、Ⅱ12、13的上下压板以及螺钉以压紧方式定位夹持。
所述的扭矩加载单元包括精密直流伺服电机Ⅰ9、一级蜗杆Ⅰ5、一级蜗轮Ⅰ4、二级蜗轮Ⅰ1、二级蜗杆Ⅰ43、扭矩传感器法兰架Ⅰ41、扭矩传感器法兰架Ⅱ44、夹具体Ⅰ12，所述二级蜗杆Ⅰ43通过轴承和轴承座用螺钉安装在测试平台基座40上，扭矩传感器法兰架Ⅰ41由扭转单元轴承Ⅰ3和扭转单元轴承座Ⅰ2支撑和固定，精密直流伺服电机Ⅰ9通过电机法兰盘Ⅰ6安装在测试平台基座40上，经过减速比均为1：50的二次包络型蜗轮蜗杆副Ⅰ进行减速、增矩，将扭矩通过扭矩传感器法兰架Ⅰ、Ⅱ41、44和精密扭矩传感器7加载至被测试件37；所述二次包络型蜗轮蜗杆副Ⅰ由相互配合的二级蜗轮Ⅰ1、二级蜗杆Ⅰ43及一级蜗轮Ⅰ4、一级蜗杆Ⅰ5构成。
所述的拉压加载单元包括精密直流伺服电机Ⅱ17、精密滚珠丝杠螺母基座30、精密滚珠直线导轨19、精密滚珠直线导轨滑块33、精密直线导轨31、拉压力传感器拖板14、夹具体Ⅱ13、以及由相互配合的一级蜗杆Ⅱ22、一级蜗轮Ⅱ23、二级蜗杆Ⅱ26、二级蜗轮Ⅱ27构成的二次包络型蜗轮蜗杆副Ⅱ，由精密滚珠丝杠固定基座Ⅰ20、精密滚珠丝杠29、精密滚珠导轨基座Ⅱ47构成的精密滚珠丝杠副，其中安装在电机法兰盘Ⅱ21上的精密直流伺服电机Ⅱ17通过减速比均为1：50的二次包络型蜗轮蜗杆副Ⅱ进行减速、增矩，其蜗轮蜗杆副由二级蜗杆轴承座Ⅰ、Ⅱ24、28安装在测试平台基座40上，扭矩经过安装在基座上的精密滚珠丝杠副减速并由丝杠螺母输出直线位移，拉压力传感器基座18、精密拉压力传感器16、精密滚珠丝杠螺母基座30分别安装在丝杠螺母上，在由精密滚珠直线导轨19和精密滚珠丝杠螺母基座30构成的精密滚珠直线导轨副和精密直线导轨31的定位、导向作用下，将拉压载荷加载至被测试件37。
所述的扭矩检测控制部分的高线数光电编码器Ⅰ11安装在精密直流伺服电机Ⅰ9尾端，精密扭矩传感器7通过两端法兰联接在扭矩传感器法兰架Ⅰ41和精密圆光栅尺8之间以传递和测量扭矩，圆光栅读数头39通过槽定位安装在测试平台基座40上，并可以调整与精密圆光栅尺8的距离以达到最佳检测效果；拉伸/压缩检测控制部分的高线数光电编码器Ⅱ15安装在精密直流伺服电机Ⅱ17尾端，精密拉压力传感器16安装在拉压力传感器基座18和拉压力传感器拖板14之间。
所述的原位拉/压-扭转复合载荷材料微观力学测试平台的主体尺寸约为266mm×100mm×72mm，与Zeiss EVO 18及Hitachi TM-1000型扫描电子显微镜具有良好的结构兼容性、真空兼容性及电磁兼容性。测试平台基座40上有X射线衍射（XRD）通道36，可与其他主流商业化扫描电子显微镜、X射线衍射仪、原子力显微镜及光学显微镜等兼容使用。
所述的扭矩加载单元的支撑及定位装置包括扭转单元轴承座Ⅰ、Ⅱ2、38、扭转单元轴承Ⅰ、Ⅱ3、10、电机法兰盘Ⅰ6、二级蜗杆轴承座Ⅲ42，所述扭转单元轴承座Ⅱ38和扭转单元轴承Ⅱ10承受来自扭矩传感器法兰架Ⅱ44的拉压载荷，使精密扭矩传感器7只承受扭矩不受拉伸/压缩载荷。
所述的拉压加载单元的支撑及定位装置包括拉压力传感器拖板14、精密直线导轨31、拉压力传感器基座18、电机法兰盘Ⅱ21、二级蜗杆轴承座Ⅰ24、二级蜗杆轴承Ⅰ25、二级蜗杆轴承座Ⅱ28，经夹具体Ⅱ13传递至拉压力传感器拖板14的扭矩载荷，由拖板两侧精密直线导轨31承担，并且保持试件轴线方向的自由度，使精密拉压力传感器16只承受拉伸/压缩载荷不受扭矩载荷影响。
本发明的检测控制单元的扭转检测控制部分，由精密扭矩传感器7、精密圆光栅尺8、圆光栅读数头39检测扭转/角位移信号，为测试平台提供包括变形角速率、扭矩加载速率、编码器标定角位移速率在内的三种模拟或数字量作为精密直流伺服电机Ⅰ9的脉冲/方向闭环控制模式的反馈信号源。测试平台可实现恒角变形速率、恒扭矩加载速率及恒编码标定角位移速率三种加载/卸载方式。高线数光电编码器Ⅰ11结合Accelnet型伺服位置控制单元对精密直流伺服电机Ⅰ9进行精确的角位移控制，从而保证测试过程中被测试件37的角应变速率可调并输出给定扭矩值。同理，拉伸/压缩检测控制部分，由精密拉压力传感器16、精密接触式电容位移传感器32提供拉压力/位移信号，通过闭环控制模式控制精密直流伺服电机Ⅱ17输出拉伸/压缩载荷。
本发明在具体的测试过程中，被测试件37采用车削加工再通过线切割方式将夹持部分加工出用于夹持的对称平面，并利用小型外圆抛光机对时间进行抛光处理，得到可用于高分辨率显微成像监测的较好表面光洁度，或者通过化学腐蚀等工艺得到金相等显微形貌。然后将被测试件37装夹在压块式夹头的上下压块之间，之后拧紧压板紧固螺钉，完成试件装夹。关闭扫描电子显微镜真空腔密闭挡板并通过扫描电镜自身的载物平台在XOY平面内拟定测试点的准确位置。然后，给定拉伸/压缩-扭转测试的试件变形量或控制方式，以脉冲输出的方式驱动开始测试过程，即通过测试算法程序设定测试条件和参数，在时序脉冲控制信号作用下精密直流伺服电机Ⅰ、Ⅱ9、17输出精确角位移，通过两级较大减速比二次包络型蜗轮蜗杆副的减速、增距最终实现对被测试件37的超低速准静态加载。测试过程中精密扭矩传感器7对被测试件37的扭矩M进行检测，扭转变形量h由精密圆光栅尺8同步拾取；精密拉压力传感器16检测试件拉伸/压缩轴线载荷F，直线变形量b由精密接触式电容位移传感器32检测。四路信号通过模数转换并进行必要的信号调理后送入计算机。在测试的整个过程中，被测试件37在载荷作用下材料的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，结合软件亦可实时获取表征材料力学性能的应力-应变曲线、切变模量、弹性模量等重要力学参数。
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)
1.一种原位拉/压-扭转复合载荷材料微观力学测试平台，其特征在于：包括测试平台基座（40）、精密加载单元、检测控制单元、夹持及连接单元，所述精密加载单元包含扭矩加载单元和拉压加载单元，由精密直流伺服电机Ⅰ、Ⅱ（9、17）、二次包络型蜗轮蜗杆副Ⅰ、Ⅱ、精密滚珠丝杠副、精密滚珠直线导轨组成，其中精密直流伺服电机Ⅰ、Ⅱ（9、17）可提供高分辨率扭矩及角位移输出，二次包络型蜗轮蜗杆副Ⅰ可提供2500：1的减速比，可对精密直流伺服电机Ⅰ、Ⅱ（9、17）输出的动力进行较大程度减速、增矩，分别给扭矩加载单元和拉压加载单元提供超低速准静态的加载方式；
所述检测控制单元包含扭转检测控制部分和拉伸/压缩检测控制部分，所述扭转检测控制部分由精密扭矩传感器（7）、精密圆光栅尺（8）、圆光栅读数头（39）及与精密直流伺服电机Ⅰ（9）同步运动的高线数光电编码器（11）组成，可提供包括变形角速率、扭矩加载速率、编码器标定角位移速率在内的三种模拟或数字量作为精密直流伺服电机Ⅰ（9）的脉冲/方向闭环控制模式的反馈信号源，即扭矩加载单元可实现恒角变形速率、恒扭矩加载速率及恒编码标定角位移速率三种加载/卸载方式；所述拉伸/压缩检测控制部分由精密拉压力传感器（16）、精密接触式电容位移传感器（32）及与精密直流伺服电机Ⅱ（17）同步运动的高线数光电编码器（15）组成，可提供包括变形角速率、扭矩加载速率、编码器标定角位移速率在内的三种模拟或数字量作为精密直流伺服电机Ⅱ（17）的脉冲/方向闭环控制模式的反馈信号源，即拉压加载单元可实现恒变形速率、恒加载速率及恒编码标定位移速率三种加载/卸载方式；
所述夹持及连接单元包括被测试件（37）、夹具体Ⅰ（12）、夹具体Ⅱ（13），所述被测试件（37）通过夹具体Ⅰ、Ⅱ（12、13）的上下压板以及螺钉以压紧方式定位夹持。
2.根据权利要求1所述的原位拉/压-扭转复合载荷材料微观力学测试平台，其特征在于：所述的扭矩加载单元包括精密直流伺服电机Ⅰ（9）、一级蜗杆Ⅰ（5）、一级蜗轮Ⅰ（4）、二级蜗轮Ⅰ（1）、二级蜗杆Ⅰ（43）、扭矩传感器法兰架Ⅰ（41）、扭矩传感器法兰架Ⅱ（44）、夹具体Ⅰ（12），所述二级蜗杆Ⅰ（43）通过轴承和轴承座用螺钉安装在测试平台基座（40）上，扭矩传感器法兰架Ⅰ（41）由扭转单元轴承Ⅰ（3）和扭转单元轴承座Ⅰ（2）支撑和固定，精密直流伺服电机Ⅰ（9）通过电机法兰盘Ⅰ（6）安装在测试平台基座（40）上，经过减速比均为1：50的二次包络型蜗轮蜗杆副Ⅰ进行减速、增矩，将扭矩通过扭矩传感器法兰架Ⅰ、Ⅱ（41、44）和精密扭矩传感器（7）加载至被测试件（37）；所述二次包络型蜗轮蜗杆副Ⅰ由相互配合的二级蜗轮Ⅰ（1）、二级蜗杆Ⅰ（43）及一级蜗轮Ⅰ（4）、一级蜗杆Ⅰ（5）构成。
3.根据权利要求1所述的原位拉/压-扭转复合载荷材料微观力学测试平台，其特征在于：所述的拉压加载单元包括精密直流伺服电机Ⅱ（17）、精密滚珠丝杠螺母基座（30）、精密滚珠直线导轨（19）、精密滚珠直线导轨滑块（33）、精密直线导轨（31）、拉压力传感器拖板（14）、夹具体Ⅱ（13）、以及由相互配合的一级蜗杆Ⅱ（22）、一级蜗轮Ⅱ（23）、二级蜗杆Ⅱ（26）、二级蜗轮Ⅱ（27）构成的二次包络型蜗轮蜗杆副Ⅱ，由精密滚珠丝杠固定基座Ⅰ（20）、精密滚珠丝杠（29）、精密滚珠导轨基座Ⅱ（47）构成的精密滚珠丝杠副，其中安装在电机法兰盘Ⅱ（21）上的精密直流伺服电机Ⅱ（17）通过减速比均为1：50的二次包络型蜗轮蜗杆副Ⅱ进行减速、增矩，其蜗轮蜗杆副由二级蜗杆轴承座Ⅰ、Ⅱ（24、28）安装在测试平台基座（40）上，扭矩经过安装在基座上的精密滚珠丝杠副减速并由丝杠螺母输出直线位移，拉压力传感器基座（18）、精密拉压力传感器（16）、精密滚珠丝杠螺母基座（30）分别安装在丝杠螺母上，在由精密滚珠直线导轨（19）和精密滚珠丝杠螺母基座（30）构成的精密滚珠直线导轨副和精密直线导轨（31）的定位、导向作用下，将拉压载荷加载至被测试件（37）。
4.根据权利要求1所述的原位拉/压-扭转复合载荷材料微观力学测试平台，其特征在于：所述的扭矩检测控制部分的高线数光电编码器Ⅰ（11）安装在精密直流伺服电机Ⅰ（9）尾端，精密扭矩传感器（7）通过两端法兰联接在扭矩传感器法兰架Ⅰ（41）和精密圆光栅尺（8）之间以传递和测量扭矩，圆光栅读数头（39）通过槽定位安装在测试平台基座（40）上，并可以调整与精密圆光栅尺（8）的距离以达到最佳检测效果；拉伸/压缩检测控制部分的高线数光电编码器Ⅱ（15）安装在精密直流伺服电机Ⅱ（17）尾端，精密拉压力传感器（16）安装在拉压力传感器基座（18）和拉压力传感器拖板（14）之间。
5.根据权利要求1至4任意项所述的原位拉/压-扭转复合载荷材料微观力学测试平台，其特征在于：所述的原位拉/压-扭转复合载荷材料微观力学测试平台的主体尺寸为266mm×100mm×72mm，测试平台基座（40）上有X射线衍射（XRD）通道（36）。
6.根据权利要求1或2所述的原位拉/压-扭转复合载荷材料微观力学测试平台，其特征在于：所述的扭矩加载单元的支撑及定位装置包括扭转单元轴承座Ⅰ、Ⅱ（2、38）、扭转单元轴承Ⅰ、Ⅱ（3、10）、电机法兰盘Ⅰ（6）、二级蜗杆轴承座Ⅲ（42），所述扭转单元轴承座Ⅱ（38）和扭转单元轴承Ⅱ（10）承受来自扭矩传感器法兰架Ⅱ（44）的拉压载荷，使精密扭矩传感器（7）只承受扭矩不受拉伸/压缩载荷。
7.根据权利要求1或3所述的原位拉/压-扭转复合载荷材料微观力学测试平台，其特征在于：所述的拉压加载单元的支撑及定位装置包括拉压力传感器拖板（14）、精密直线导轨（31）、拉压力传感器基座（18）、电机法兰盘Ⅱ（21）、二级蜗杆轴承座Ⅰ（24）、二级蜗杆轴承Ⅰ（25）、二级蜗杆轴承座Ⅱ（28），经夹具体Ⅱ（13）传递至拉压力传感器拖板（14）的扭矩载荷，由拖板两侧精密直线导轨（31）承担，并且保持试件轴线方向的自由度，使精密拉压力传感器（16）只承受拉伸/压缩载荷不受扭矩载荷影响。
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| CN103528887B (zh) | 2016-08-17 |
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