CN104359769A - 三点、四点弯曲作用下材料微观力学性能的原位测试仪器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三点、四点弯曲作用下材料微观力学性能的原位测试仪器，属于材料微观力学性能测试技术领域。属于集机电一体化的材料微观力学性能精密测试仪器。直流伺服电机与涡轮、蜗杆相连，通过二级涡轮蜗杆传动机构实现减速增扭后带动丝杠运动，结合基座的支撑后丝杠带动精密滑块，实现弯头移动，结合试件样品的支撑单元共同作用，从而实现三点弯曲、四点弯曲实验。优点在于：体积小、结构紧凑、重量轻、动态特性好、能耗低。传感器直接安装在仪器基座上，充分保证了测试精度；同时两边弯头跨距可以调节，三点弯曲压头和四点弯曲压头拆卸方便，互换简洁，采用竖直结构布局，有利于保证仪器与商业化材料性能表征仪器装备的载物台结构兼容。

Description

三点、四点弯曲作用下材料微观力学性能的原位测试仪器

技术领域

    本发明涉及材料微观力学性能测试技术领域，特别涉及材料微观力学性能原位测试技术领域，尤指一种三点、四点弯曲作用下材料微观力学性能的原位测试仪器。其以在对样品进行三点弯曲或四点弯曲加载的同时，借助电镜等显微成像仪器(如扫描电子显微镜SEM、raman光谱仪、X射线衍射仪、金相显微镜和光学显微镜等)对加载过程中样品的微观变形，损伤以及断裂过程开展原位监测，属于高端制造装备与材料试验机技术领域。

背景技术

任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式外力的作用，如起重机上的钢索，受到悬挂物拉力的作用，柴油机上的连杆，在传递动力时，不仅受到拉力的作用，而且还受到冲击力的作用，轴类零件要受到弯矩、扭力的作用等等。这就要求金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过许可变形或不破坏的能力，这种能力就是材料的力学性能，而要了解材料的力学性能以及影响材料力学性能的各种因素，就必须结合材料的失效形式，通过设计实验来了解材料各方面的力学性能。主要的几种金属材料力学性能试验包括拉伸试验、压缩试验、扭转试验、弯曲试验、硬度试验、冲击韧度试验、疲劳试验等。其中弯曲试验则是应用最广泛的力学性能试验方法之一。传统的三点弯曲、四点弯曲试验一般是在万能材料试验机上进行的，试验时将标准试样放在一定跨距的支座上，然后在标准试样上加载进行弯曲，由于三点弯曲、四点弯曲加载比较符合实际生产中结构件以及功能件的实际工作情况，所以常在弯曲试验中被采用。这种三点弯曲、四点弯曲测试装置体积大，属于“非原位”三点弯曲、四点弯曲测试领域，即在测试的动态过程中，不能借助于扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、激光共聚焦显微镜、超景深显微镜等显微成像组件对被测试件在三点弯曲、四点弯曲加载工况下，开展原位实时的动态监测。

而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，通过电子显微镜等观测仪器对载荷作用下材料发生的微观变形损伤进行全程动态监测的一种力学测试技术。该技术深入的揭示了各类材料及其制品的微观力学行为、损伤机理及其与载荷作用和材料性能间的相关性规律。在诸多纳米力学测试的范畴中，弹性模量、硬度、断裂极限等参数是微构件力学特性测试中的最主要的测试对象，针对这些力学属性产生了多种测试方法，如拉伸/压缩法，扭转法、弯曲法、纳米压痕法和鼓膜法等，其中原位弯曲测试能够反映构件材料的弯曲强度特性，并能最直观的测量材料弹性模量、屈服极限和断裂强度等重要力学参数。

当前原位微纳米三点弯曲、四点弯曲测试的研究尚处萌芽阶段，具体表现在：受到原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜和透射电子显微镜(TEM)等的腔体空间的限制，多数研究集中在微、纳米尺度材料和结构上，如纳米管、纳米线以及薄膜材料等极微小结构的单纯原位纳米弯曲测试上，缺少对宏观尺寸的跨尺度原位纳米力学测试的深入研究，从而严重阻碍了微小结构材料的微观力学行为和损伤机制新现象、新规律的发现，从测试手段和方法上来说，借助商业化的纳米压痕仪进行的原位纳米压痕测试和借助商业化的原为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。对结构紧凑，体积小巧，精度高，测试试件多样化的三点弯曲、四点弯曲原位测试装置鲜有提及，极大制约了研究的深入与发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三点、四点弯曲作用下材料微观力学性能的原位测试仪器，解决了现有机械设备在材料的机械性能测试和在此过程中观察试件微观形态变化是独立的、分离的问题，以及现有测试设备体积大、结构复杂、费用昂贵及兼容性差等问题，通过不同的载荷加载方式对材料试件进行材料微观力学性能测试，进而提供一种三点弯曲、四点弯曲作用下材料微观力学性能的原位测试仪器，可以借助于扫描电子显微镜、激光共聚焦显微镜、超景深显微镜等高倍数的显微成像组件，在获取准确的载荷-挠度曲线的同时，能够原位实时监测被测试件在三点弯曲、四点弯曲工况下的微观变形、损伤、裂纹的萌生、扩展路径等微观力学。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

三点、四点弯曲作用下材料微观力学性能的原位测试仪器，直流伺服电机1通过电机支座19安装在底座12上，蜗杆a2固定在直流伺服电机1上，涡轮a3和蜗杆b6分别安装在轴5上，轴5两端固定在支架4上，涡轮b7安装在丝杠16上，丝杠16通过连接板a8与滑动基座9相连，连接板b10与弯头a、b11、15分别安装在滑动基座9上，滑动基座9两边安装在精密滑块18上，精密滑块18安装在导轨17上；直流伺服电机1通过涡轮a、b3、7和蜗杆a、b2、6减速增扭后驱动丝杠16，丝杠16通过连接板a8带动滑动基座9，由精密滑块18在导轨17上滑动，实现连接板b10、弯头a11及弯头b15的运动，完成三点弯曲、四点弯曲实验。

所述的底座12上安装有精密力传感器14，压头13安装在精密力传感器14上。精密力传感器14直接安装在底座12上，与传统安装方法相比，无中间传动部分，不会受到丝杠间隙和刚度变形的影响，测试精度得到很大的提高，充分保证了测试精度。

所述的弯头a11与弯头b15间的跨距可调，可以对不同尺寸的试件进行测试。

所述的三点、四点弯曲作用下材料微观力学性能的原位测试仪器总体尺寸为95mm×70mm×120mm。

本发明采用立式布局，结构紧凑，总体尺寸小，采用自行设计的滑动基座9，免去很多连接件等中间环节，减少摩擦，提高精度。可以与各种电子显微镜真空腔体的载物平台相互兼容，并且能够精确的观测到三点弯曲、四点弯曲平面的实时变形。采用二级涡轮、蜗杆传动机构减速增扭，使测试仪器运动平稳，传动效率更高。三点弯曲和四点弯曲压头通过螺纹连接安装在测试仪器上面，因此拆卸方便，互换简洁。整体结构紧凑、尺寸小，可置于扫描电子显微镜真空腔内、Raman光谱仪载物台、XRD载物台以及常规金相显微镜或光学显微镜载物台上，结合这些材料性能表征仪器，对载荷作用下材料的微观力学行为、损伤机制以及微观组织结构的演化进行动态原位监测。

本发明的有益效果在于：体积小，结构紧凑，功能可靠，安装方便，便于操作的力学性能测试仪器，适用于超景深显微镜、激光共聚焦显微镜、Raman光谱仪、XRD以及常规金相显微镜或光学显微镜等显微成像组件的原位三点弯曲、四点弯曲测试装置，结合这些材料性能表征仪器，对载荷作用下材料的微观力学行为、损伤机制以及微观组织结构的演化进行动态原位监测，本发明综合现有的原位力学性能测试平台，采用了简便可行的更换压头方法解决普通测试平台只能进行三点弯曲或者四点弯曲的问题，采用了压头通过传感器，直接紧固在底座上的方法解决传动链过多、测量结果不精确的问题，采用了可移动的弯头和竖直的结构设计解决普通测试平台难以对被测试件的正面和侧边同时进行原位观测的难题，采用二级涡轮、蜗杆传动机构减速增扭，使整体布局更加合理，传动效率得到提高。

综上，本发明对丰富原位微纳米力学性能测试内容和促进材料力学性能测试技术及装备的发展，具有重要的理论指导意义和良好的应用开发前景。

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为本发明的轴侧示意图；

图2为本发明的主视示意图；

图3为本发明的电机驱动涡轮蜗杆轴测视图；

图4为本发明的三点弯曲结构示意图；

图5为本发明的四点弯曲结构示意图。

图中：1、直流伺服电机；2、蜗杆a；3、涡轮a；4、支架；5、轴；6、蜗杆b；7、涡轮b；8、连接板a；9、滑动基座；10、连接板b；11、弯头a；12、底座；13、压头；14、精密力传感器；15、弯头b；16、丝杠；17、导轨；18、精密滑块；19、电机支座。

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3所示，本发明的三点、四点弯曲作用下材料微观力学性能的原位测试仪器，包括精密驱动单元、传动和执行单元、信号控制和检测单元、连接和支撑单元，具体结构是：直流伺服电机1与电机支座19通过螺栓安装在底座12上，蜗杆a2固定在直流伺服电机1上，涡轮a3和蜗杆b6分别安装在轴5上，轴5两端固定在支架4上，涡轮b7通过螺钉安装在丝杠16上，丝杠16与连接板a8通过螺钉与滑动基座9相连，连接板b10与弯头a、b11、15通过螺钉安装在滑动基座9上，滑动基座9两边通过螺钉安装在精密滑块18上，精密滑块18通过螺钉安装在导轨17上。直流伺服电机1通电，通过涡轮a、b3、7和蜗杆a、b2、6减速增扭后驱动丝杠16，丝杠16通过连接板a8带动滑动基座9，由精密滑块18在导轨17上来回滑动，实现连接板b10、弯头a11及弯头b15的运动，完成三点弯曲、四点弯曲实验。

参见图1及图2所示，精密力传感器14通过螺纹连接安装在底座12上，压头13通过螺纹连接紧固在精密力传感器14上，精密力传感器14直接安装在底座12上，与传统安装方法相比，无中间传动部分，不会受到丝杠间隙和刚度变形的影响，测试精度能够得到很大的提高，充分保证了测试精度。

参见图1及图2所示，弯头a11与弯头b15的跨距可以通过滑动弯头调整，可以对不同尺寸的试件进行测试。

参见图1及图2所示，所述的三点、四点弯曲作用下材料微观力学性能的原位测试仪器采用立式结构，总体尺寸小95mm×70mm×120mm，采用自行设计的滑动基座9，免去很多连接件等中间环节，减少摩擦，提高精度。

参见图1及图2所示，所述的三点、四点弯曲作用下材料微观力学性能的原位测试仪器可以与各种电子显微镜真空腔体的载物平台相互兼容，并且能够精确的观测到三点弯曲、四点弯曲平面的实时变形。

参见图1至图3所示，所述的三点、四点弯曲作用下材料微观力学性能的原位测试仪器，采用二级涡轮、蜗杆传动机构减速增扭，使测试仪器运动平稳，传动效率更高。

参见图4及图5所示，所述的三点、四点弯曲作用下材料微观力学性能的原位测试仪器的三点弯曲、四点弯曲压头通过螺纹连接安装在测试仪器上，压头拆卸方便，互换简洁。

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 (4)

1.一种三点、四点弯曲作用下材料微观力学性能的原位测试仪器，其特征在于：直流伺服电机（1）通过电机支座（19）安装在底座（12）上，蜗杆a（2）固定在直流伺服电机（1）上，涡轮a（3）和蜗杆b（6）分别安装在轴（5）上，轴（5）两端固定在支架（4）上，涡轮b（7）安装在丝杠（16）上，丝杠（16）通过连接板a（8）与滑动基座（9）相连，连接板b（10）与弯头a、b（11、15）分别安装在滑动基座（9）上，滑动基座（9）两边安装在精密滑块（18）上，精密滑块（18）安装在导轨（17）上；直流伺服电机（1）通过涡轮a、b（3、7）和蜗杆a、b（2、6）减速增扭后驱动丝杠（16），丝杠（16）通过连接板a（8）带动滑动基座（9），由精密滑块（18）在导轨（17）上滑动，实现连接板b（10）、弯头a（11）及弯头b（15）的运动，完成三点弯曲、四点弯曲实验。

2.根据权利要求1所述的三点、四点弯曲作用下材料微观力学性能的原位测试仪器，其特征在于：所述的底座（12）上安装有精密力传感器（14），压头（13）安装在精密力传感器（14）上。

3.根据权利要求1所述的三点、四点弯曲作用下材料微观力学性能的原位测试仪器，其特征在于：所述的弯头a（11）与弯头b（15）间的跨距可调。

4.根据权利要求1或2或3所述的三点、四点弯曲作用下材料微观力学性能的原位测试仪器，其特征在于：所述的三点、四点弯曲作用下材料微观力学性能的原位测试仪器总体尺寸为95mm×70mm×120mm。