CN104502202A - 服役温度下材料双轴静动态性能在线测试平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种服役温度下材料双轴静动态性能在线测试平台，属于精密驱动领域。通过四组正交布置的压电驱动器实现大行程双轴同步同速或同步异速位移输出，结合嵌入式高温电热合金片/帕尔贴片，针对特征尺寸为毫米级的块体材料或薄膜材料开展高/低温服役条件下的双轴静态拉伸测试或动态疲劳测试。易于实现与较大真空腔体的扫描电子显微镜或其他具有开放式承载空间的显微成像设备，如光学显微镜、原子力显微镜、高速摄像机等结合使用，即可开展多种模式的双轴静态拉伸测试或大频率范围的双轴动态疲劳测试，便于开展对各类结构材料或功能材料在复杂服役条件下，如高/低温条件、静动态平面应力条件，的微观结构演化行为和疲劳失效机制的研究。

Description

服役温度下材料双轴静动态性能在线测试平台

技术领域

本发明涉及精密驱动领域，材料疲劳性能的原位力学测试领域，尤指一种服役温度下材料双轴静动态性能在线测试平台。该平台通过与扫描电子显微镜、X射线衍射仪和光学显微镜等成像仪器设备的兼容使用，可对高/低温服役环境和平面应力状态下材料的疲劳失效机制进行研究，为了解、揭示材料的疲劳损伤和提升工程结构的服役可靠性和稳定性提供测试方法。

背景技术

材料及其制品在交变载荷作用时，虽然其所受的载荷幅值远低于其屈服强度或抗拉强度，但经过反复的、长期的变形累积，最终发生断裂破坏的行为通常都是由于疲劳失效所致。由于缺乏对材料疲劳失效机理及疲劳微观力学性能的深入研究，各类因材料疲劳失效引起的事故因其难以预测性和极大破坏性而造成了巨大的经济损失，如1998年我国发生的大型水轮机泄水锥的疲劳断裂和2003年日本环境监测卫星的报废等。

现有微观尺度下疲劳力学性能的测试大都通过商业化的疲劳试验机的非原位测试后，再利用扫描电子显微镜等的高分辨率观测功能，对材料局部缺陷处因应力集中而产生的滑移和微裂纹成核以及疲劳断口开展研究，或利用扫描电子显微镜下小型化原位拉伸测试仪实现往复的拉伸、压缩动作，但一般应用在对加载频率要求不高的低周疲劳测试中。商业化疲劳试验机以电液伺服疲劳试验机的应用最为广泛，如美国MTS及Instron等公司的产品在我国的科研院校中应用非常普遍，这些试验机通常包括液压泵站、液压阀、油缸等液压系统单元，集成高性能频率发生器，能够实现大频率范围的驱动加载功能。但由于这类试验机体积较大，难以实现与各类成像设备的集成，一般不具备实现原位疲劳测试的功能。而受限于伺服电机及步进电机的回转惯性，尤其是集成了较大减速比减速机构后，现有小型化拉伸测试仪难以实现较高频率的加载，即难以开展更加符合各类构件实际工况下的高周疲劳测试的要求。因此，原位疲劳测试仪器的研制与开发面临着结构小型化以及测试频率提高等迫切问题。此外，因扫描电子显微镜及AFM获取高清晰图像的成像时间较长，难以实时对承受中、高频率交变载荷的试件进行图像采集，因此一般采取一定循环周数后进行图像采集的方法来对因交变载荷导致的疲劳裂纹萌生及扩展行为进行观测。

日本岛津公司推出的极少数能够与扫描电子显微镜兼容使用的液压驱动型疲劳测试仪，该仪器可实现±5 kN的最大加载力以及10 mm的有效振幅，但最高加载频率仅为10 Hz，虽对原位拉伸测试仪器能够提供的疲劳测试加载频率有了较大提升，但仍难以满足中、高频疲劳测试的要求。此外，该仪器的液压驱动单元及试件夹持单元分别固定安装于扫描电子显微镜的密封挡板上，未使用扫描电子显微镜的多自由度载物平台，难以实现扫描电子显微镜对试件感兴趣区域的寻找与特定观测，并且由于测试仪器与扫描电子显微镜一体化安装，导致该扫描电子显微镜其他功能难以正常使用。

压电器件因其快速响应、结构小巧紧凑、可靠性好等特性也被应用在微尺度构件的疲劳测试上。其中，PI公司推出了压电型疲劳加载模块，并成功地应用在微尺度构件的疲劳特性研究中。2005年，韩国首尔国立大学的D. Son等搭建了基于压电驱动器的疲劳测试装置，用于对光刻、电铸和注塑（LIGA）加工的镍基微机电系统（MEMS）构件的高周疲劳性能进行研究，该测试装置包括压电驱动器、三轴位移手动调整平台以及CCD模块，测试过程中采用应变控制模式，加载频率为20 Hz，结果表明，应力比R为0.13时，该镍基MEMS构件的疲劳强度约为143 MPa，疲劳寿命约为4×10⁴次。2010年，日本京都大学的T. Tsuchiya等亦采用压电驱动技术开发了一种用于高湿度环境下微机电材料疲劳失效性能测试的装置，被测试件为100 μm×13 μm×3.3 μm的单晶硅材料，且被置于一个具有流通气流的环境腔内，气流的温度和湿度可调。该测试装置采用PI公司的Polytec压电驱动器，并置于大平台光学显微镜的三轴手动精密操作平台上，可实现最大加载力为0.2 N，有效运动行程为±15 μm，极限加载频率为100 Hz。通过测试发现，在环境湿度为60%，应力比R为0.15的情况下，单晶硅薄膜的疲劳寿命为2.72×10⁵次。但由于压电器件的输出位移多在几十微米级别，难以实现对块体材料的大行程往复运动加载，且压电驱动器中大刚度的柔性铰链机构往往会削弱压电器件的输出位移，而小刚度的柔性铰链则由于其惯性力，难以实现较高加载频率下的快速响应。

综上，截止目前为止，国内外对原位疲劳测试的研究可归纳为三类：一是扫描电子显微镜下利用原位拉伸测试仪器实现的较低频率加载的低周疲劳测试；二是扫描电子显微镜下利用液压驱动技术实现的对块体材料的大行程疲劳测试，但其加载频率有限，且难以调整成像区域；三是CCD下基于压电驱动技术的微尺度构件的高频疲劳测试。上述方法因结构较大、乡音频率不足、存在机械惯性以及放大倍率不足等因素，限制了扫描电子显微镜下对疲劳损伤机制的深入研究，且上述方法较少涉及温度服役环境平面应力状态下的疲劳测试装置。因材料及其制品的疲劳失效往往归因于复杂的应力状态和温度环境，因此，设计一种用于双轴力学性能测试、体积小巧，测试精度高，且能与扫描电子显微镜等多种成像仪器实现兼容使用服役温度下的疲劳测试装置十分必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种服役温度下材料双轴静动态性能在线测试平台，解决了现有技术存在的上述问题。本发明的主体尺寸为149mm×139mm×29mm，可在Zeiss EVO 18型扫描电子显微镜和FEI Quant250型号扫描电镜等的真空腔体内兼容使用。相比于现有电液伺服型或电机驱动型疲劳测试仪，本发明通过四组正交布置的压电驱动装置实现大行程双轴同步同速或同步异速位移输出，结合嵌入式高温电热合金片或帕尔贴片，可针对特征尺寸为毫米级的块体材料或薄膜材料开展高/低温服役条件下的静态拉伸测试或动态疲劳测试。对材料在平面应力状态下疲劳失效行为的研究可对工程结构在复杂服役条件下的微观结构演化行为和疲劳失效机制的研究。与此同时，本发明利用高温电热合金片和帕尔贴片实现的高低温温度加载功能，可构建接近材料真实服役条件下的物理场环境，为揭示材料在微尺度下的热疲劳行为与变形损伤的相关性提供了测试方法。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

服役温度下材料双轴静动态性能在线测试平台，包括双轴压电驱动单元、加热/制冷单元、十字形试件夹持单元、双轴载荷/位移检测单元以及基座支撑单元，其中，双轴压电驱动单元中的柔性铰链9通过螺纹连接方式分别与双轴载荷/位移检测单元中的拉压力传感器8以及基座支撑单元中的基座7刚性连接，十字形试件夹持单元中的下夹具体15分别通过螺纹连接方式与基座支撑单元中的导轨滑块6刚性连接，且分别通过其侧边卡槽和后端的内螺纹孔与双轴载荷/位移检测单元中的引伸计13的标距叉以及拉压力传感器8紧固连接；加热/制冷单元通过盘式安装卡槽16嵌入安装于基座支撑单元中的基座7的定位孔中；

所述双轴压电驱动单元由四个正交布置且共面安装的压电驱动器组成，每个压电驱动器由压电叠堆Ⅰ1、压电叠堆Ⅱ2及柔性铰链9组成，压电叠堆Ⅰ、Ⅱ1、2采用串联布置方式用于输出较大幅值的交变位移或恒定位移，柔性铰链9采用圆弧过渡型铰链形式，其菱形内包络结构对压电叠堆Ⅰ、Ⅱ1、2输出的可控位移进行放大；

所述加热/制冷单元包括高温电热合金片/帕尔贴片10和盘式安装卡槽16，其中高温电热合金片/帕尔贴片10嵌入安装于盘式安装卡槽16的矩形槽中，矩形槽的宽度与高温电热合金片/帕尔贴片10的宽度一致；

所述十字形试件夹持单元包括上夹具体14、下夹具体15、夹具体紧固螺钉17及十字形试件3，所述上夹具体14和下夹具体15分别具有相互配合使用的凹槽和凸台结构，以实现对十字形试件3在两个正交拉伸方向上的对中性；

所述双轴载荷/位移检测单元包括四组拉压力传感器8和引伸计13，其中任意相邻的两个拉压力传感器8垂直安装，并通过螺纹连接方式分别与下夹具体15以及柔性铰链9刚性连接，任意相邻的两个引伸计13亦垂直安装，且其弹性标距叉嵌入式安装在下夹具体15的矩形卡槽内；一组相邻的拉压力传感器8和引伸计13在正交拉伸平面内的互成角度为45°；

所述基座支撑单元包括支撑垫块5、导轨滑块6、基座7以及直线导轨18，所述导轨滑块6对下夹具体15拉伸轴向上的直线运动起导向作用，直线导轨18通过螺纹连接方式固定安装在基座7的矩形凹槽内，基座7通过支撑垫块5与柔性铰链9过渡刚性连接。

所述的压电叠堆Ⅰ1和压电叠堆Ⅱ2的弹性伸长和回复运动对应于被测十字形试件3的受载形式分别为拉伸和压缩，压电叠堆Ⅰ、Ⅱ1、2始终处于承受压缩应力的状态，每组对侧压电叠堆输出同步同频的等幅位移，以确保被测十字形试件3承受同轴异向运动；每组邻侧压电叠堆亦输出同步同频的等幅变形或同步异频的异幅变形，以分别实现在两个正交拉伸方向上相同或不同应力比的平面应力状态；压电叠堆Ⅰ1和压电叠堆Ⅱ2的串联排布结构以及柔性铰链9的菱形式内包络拓扑结构实现压电叠堆Ⅰ、Ⅱ1、2输出位移的位移放大比率为7.4。

所述的上夹具体14具有菱形凹槽，该凹槽的两个楔形面夹角为120°，而下夹具体15则具有菱形凸台，该凸台形状与上夹具体14的菱形凹槽相配合，两楔形面夹角亦为120°；十字形试件3的夹持端与菱形凸台、凹槽的形状亦保持一致，面向十字形试件3标距部分的一组楔形面用于十字形试件3承受拉伸载荷工况下的对中性定位，而背向十字形试件3标距部分的一组楔形面则用于十字形试件3承受压缩载荷工况下的对中性定位，菱形凸台及凹槽上均带有与拉伸/压缩方向垂直的锯齿结构，以增加交变载荷作用下的夹持稳定性。

所述的高温电热合金片/帕尔贴片10的数量为八个，且厚度、宽度和长度规格均一致，整体嵌入式安装于盘式安装卡槽16中，高温电热合金片和帕尔贴片分别用于对被测十字形试件3进行加热和制冷，八个高温电热合金片/帕尔贴片十字包络的拓扑结构充分对十字形试件3的四段标距部分进行热辐射或冷辐射，高温电热合金片和帕尔贴片根据温度服役环境的不同任意切换，盘式安装卡槽16为耐高温石英制品。

所述的引伸计13的数量为四个，其弹性标距叉通过嵌入方式紧固安装在下夹具体15的卡槽内，且每个引伸计13的几何轴线与相邻两正交拉伸轴线互成45°；根据相邻两个压电驱动器的加载电压的比率，确定两相邻下夹具体15的绝对位移亦存在该比率关系，因此可通过单个引伸计13测量互相垂直的相邻两下夹具体15沿各自拉伸/压缩方向上的绝对位移，即可对被测十字形试件3沿不同加载方向上的变形量进行定量检测；将四个引伸计13所获取的弹性位移进行均值化处理，可对十字形试件3的变形量进行准确计算。

所述的基座7中心设有盘式结构用于增强基座刚度，且其上设有阵列沉孔，用于与扫描电子显微镜或其他具有开放式承载环境的载物台固定安装；沿各拉伸轴向，基座7的矩形板状结构上通过线切割方式加工有凹槽，用于安装直线导轨18并确保四个直线导轨18沿各自拉伸/压缩方向安装的平行度；此外，当卸除用于安装高温电热合金片/帕尔贴片10的盘式安装卡槽16时，基座7的中心定位孔亦可透过可见光源或X射线，即可利用底部透射可见光源对十字形试件3进行形貌观测或利用X射线对十字形试件3进行X射线衍射分析。

所述的服役温度下材料双轴静动态性能在线测试平台的主体尺寸为149 mm × 139 mm × 29 mm。

    本发明的有益效果在于：结构紧凑、测试精度高，主体尺寸为149 mm × 139 mm × 29 mm。与现有技术相比，本发明利用紧凑型的特殊拓扑结构的压电驱动器输出可控的双轴同步同速或同步异速位移，结合高温电热合金片的加热功能或帕尔贴片的制冷功能，可开展温度服役条件下的高频疲劳测试。此外，本发明通过与扫描电子显微镜等成像仪器设备的兼容使用，可对高/低温服役环境和平面应力状态下材料的疲劳失效机制进行研究，为了解、揭示材料的疲劳损伤和提升工程结构的服役可靠性和稳定性提供测试方法。实用性强。

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为本发明的俯视示意图；

图3为本发明的主视示意图；

图4为本发明的十字试件夹持单元示意图；

图5为本发明的双轴压电驱动单元示意图；

图6为本发明的柔性铰链变形原理示意图；

图 7为本发明的加热/制冷单元示意图；

图 8为本发明的基座支撑单元示意图；

图 9为本发明的十字形试件实际变形计算方法示意图。

图中：1、压电叠堆Ⅰ；2、压电叠堆Ⅱ；3、十字形试件；4、压电驱动器紧固螺钉；5、支撑垫块；6、导轨滑块；7、基座；8、拉压力传感器；9、柔性铰链；10、高温电热合金片/帕尔贴片；11、下夹具体安装螺钉；12、压电叠堆预紧螺钉；13、引伸计；14、上夹具体；15、下夹具体；16、盘式安装卡槽；17、夹具体紧固螺钉；18、直线导轨。

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，本发明的服役温度下材料双轴静动态性能在线测试平台，包括双轴压电驱动单元、加热/制冷单元、十字形试件夹持单元、双轴载荷/位移检测单元以及基座支撑单元，其中，双轴压电驱动单元中的柔性铰链9通过螺纹连接方式分别与双轴载荷/位移检测单元中的拉压力传感器8以及基座支撑单元中的基座7刚性连接，十字形试件夹持单元中的下夹具体15分别通过螺纹连接方式与基座支撑单元中的导轨滑块6刚性连接，且分别通过其侧边卡槽和后端的内螺纹孔与双轴载荷/位移检测单元中的引伸计13的标距叉以及拉压力传感器8紧固连接；加热/制冷单元通过盘式安装卡槽16嵌入安装于基座支撑单元中的基座7的定位孔中；

参见图5及图6所示，所述双轴压电驱动单元由四个正交布置且共面安装的压电驱动器组成，每个压电驱动器由压电叠堆Ⅰ1、压电叠堆Ⅱ2及柔性铰链9组成，压电叠堆Ⅰ、Ⅱ1、2采用串联布置方式用于输出较大幅值的交变位移或恒定位移，柔性铰链9采用圆弧过渡型铰链形式，其菱形内包络结构对压电叠堆Ⅰ、Ⅱ1、2输出的可控位移进行放大，压电叠堆Ⅰ、Ⅱ1、2通过压电叠堆预紧螺钉12与柔性铰链9相连。

参见图7所示，所述加热/制冷单元包括高温电热合金片/帕尔贴片10和盘式安装卡槽16，其中高温电热合金片/帕尔贴片10嵌入安装于盘式安装卡槽16的矩形槽中，矩形槽的宽度与高温电热合金片/帕尔贴片10的宽度一致；

参见图4所示，所述十字形试件夹持单元包括上夹具体14、下夹具体15、夹具体紧固螺钉17、下夹具体安装螺钉11及十字形试件3，所述上夹具体14和下夹具体15分别具有相互配合使用的凹槽和凸台结构，以实现对十字形试件3在两个正交拉伸方向上的对中性；

所述双轴载荷/位移检测单元包括四组拉压力传感器8和引伸计13，其中任意相邻的两个拉压力传感器8垂直安装，并通过螺纹连接方式分别与下夹具体15以及柔性铰链9刚性连接，任意相邻的两个引伸计13亦垂直安装，且其弹性标距叉嵌入式安装在下夹具体15的矩形卡槽内；一组相邻的拉压力传感器8和引伸计13在正交拉伸平面内的互成角度为45°；

参见图8所示，所述基座支撑单元包括支撑垫块5、导轨滑块6、基座7以及直线导轨18，所述导轨滑块6对下夹具体15拉伸轴向上的直线运动起导向作用，直线导轨18通过螺纹连接方式固定安装在基座7的矩形凹槽内，基座7通过支撑垫块5、压电驱动器紧固螺钉4与柔性铰链9过渡刚性连接。

所述的压电叠堆Ⅰ1和压电叠堆Ⅱ2的弹性伸长和回复运动对应于被测十字形试件3的受载形式分别为拉伸和压缩，压电叠堆Ⅰ、Ⅱ1、2始终处于承受压缩应力的状态，每组对侧压电叠堆输出同步同频的等幅位移，以确保被测十字形试件3承受同轴异向运动；每组邻侧压电叠堆亦输出同步同频的等幅变形或同步异频的异幅变形，以分别实现在两个正交拉伸方向上相同或不同应力比的平面应力状态；压电叠堆Ⅰ1和压电叠堆Ⅱ2的串联排布结构以及柔性铰链9的菱形式内包络拓扑结构实现压电叠堆Ⅰ、Ⅱ1、2输出位移的位移放大比率为7.4。

所述的上夹具体14具有菱形凹槽，该凹槽的两个楔形面夹角为120°，而下夹具体15则具有菱形凸台，该凸台形状与上夹具体14的菱形凹槽相配合，两楔形面夹角亦为120°；十字形试件3的夹持端与菱形凸台、凹槽的形状亦保持一致，面向十字形试件3标距部分的一组楔形面用于十字形试件3承受拉伸载荷工况下的对中性定位，而背向十字形试件3标距部分的一组楔形面则用于十字形试件3承受压缩载荷工况下的对中性定位，菱形凸台及凹槽上均带有与拉伸/压缩方向垂直的锯齿结构，以增加交变载荷作用下的夹持稳定性。

所述的高温电热合金片/帕尔贴片10的数量为八个，且厚度、宽度和长度规格均一致，整体嵌入式安装于盘式安装卡槽16中，高温电热合金片和帕尔贴片分别用于对被测十字形试件3进行加热和制冷，八个高温电热合金片/帕尔贴片十字包络的拓扑结构充分对十字形试件3的四段标距部分进行热辐射或冷辐射，高温电热合金片和帕尔贴片根据温度服役环境的不同任意切换，盘式安装卡槽16为耐高温石英制品。

所述的引伸计13的数量为四个，其弹性标距叉通过嵌入方式紧固安装在下夹具体15的卡槽内，且每个引伸计13的几何轴线与相邻两正交拉伸轴线互成45°；根据相邻两个压电驱动器的加载电压的比率，确定两相邻下夹具体15的绝对位移亦存在该比率关系，因此可通过单个引伸计13测量互相垂直的相邻两下夹具体15沿各自拉伸/压缩方向上的绝对位移，即可对被测十字形试件3沿不同加载方向上的变形量进行定量检测；将四个引伸计13所获取的弹性位移进行均值化处理，可对十字形试件3的变形量进行准确计算。

所述的基座7中心设有盘式结构用于增强基座刚度，且其上设有阵列沉孔，用于与扫描电子显微镜或其他具有开放式承载环境的载物台固定安装；沿各拉伸轴向，基座7的矩形板状结构上通过线切割方式加工有凹槽，用于安装直线导轨18并确保四个直线导轨18沿各自拉伸/压缩方向安装的平行度；此外，当卸除用于安装高温电热合金片/帕尔贴片10的盘式安装卡槽16时，基座7的中心定位孔亦可透过可见光源或X射线，即可利用底部透射可见光源对十字形试件3进行形貌观测或利用X射线对十字形试件3进行X射线衍射分析。

参见图1至图9所示，本发明所涉及的服役温度下材料双轴静动态性能在线测试平台，该测试平台的整体尺寸约为149mm×139mm×29mm，是根据FEI Quant 250型和Zeiss EVO 18型扫描电镜的真空腔体和成像条件所设计的，同时可与Olympus DSX-500和Leica DM-2700光学显微成像系统兼容使用。本发明中涉及到的元器件和具体型号为：压电叠堆Ⅰ1和压电叠堆Ⅱ2的型号为XP-8×8/18，其最大标称位移为22μm，静电容量为1.6μF，响应频率为45kHz。引伸计13的型号为YSJ-2.5，量程为2.5mm，线性度为0.25%。拉压力传感器8的型号为JLCS-V，量程为100N，线性度为0.5%。高温电热合金片为高电阻电热合金，其材料为Cr20Ni80，所使用的帕尔贴制冷片型号为TEC1-19906，其额定电压为24V，冷产量为86.4W，热电偶对数为199。基座7、上夹具体14、下夹具体15及柔性铰链9的主体结构均采用线切割方式加工，上夹具体14和下夹具体15的锯齿状结构以及矩形槽结构均采用电火花方式加工，基座7的导轨定位面以及与扫描电子显微镜载物台的安装平面均采用磨削加工进行平坦化处理。

柔性铰链9所使用的材料为65Mn合金，该合金符合GB/T 1222-2007的制备要求。经热处理及冷拔硬化后，65Mn合金可实现较高的强度，其屈服强度优于430MPa，对称循环疲劳极限优于400MPa。测试过程中，为削弱压电叠堆Ⅰ1和压电叠堆Ⅱ2加载和卸载过程中的迟滞现象对拉伸和压缩应变带来的影响，采用前馈反馈综合控制方法，以提升系统响应速度，提高控制精度。通过多通道精密电源对八个压电叠堆同时供电，并在控制回路中对压电叠堆输出电压波形与频率进行跟踪，利用其输出位移量作为反馈源，结合压电元叠堆激励的时序、相位与频率对输入多通道模拟电压信号进行有效补偿。采用Art USB2817多路数据采集卡对四组引伸计13及拉压力传感器8输出的模拟电压信号并经进行精密同步采集，该信号与上位机（PC机）软件中给定参考数字信号比较，给定信号的依据为压电叠堆输入电压-输出位移关系，比较信号通过PI参数整定得到用于补偿压电叠堆输出位移的电压信号，最终控制系统实现对压电叠堆输出位移的准确控制。

在具体的测试过程中，根据权利要求书3所述的夹持方法，被测十字形试件3首先通过线切割方式加工出各向对称的结构，其两个楔形面的夹角为120°，且夹持端与菱形凸台、凹槽的形状亦保持一致。在测试之前，通过机械抛光、电化学抛光或横切方式对十字形试件3进行抛光处理，对于可制备出金相的多晶体材料，亦可通过化学腐蚀制备出具有特定晶粒度的金相组织。此外，为对交变载荷作用下试件初始裂纹萌生及扩展的现象进行有针对的观测，对厚度在亚毫米级的块体材料可利用显微硬度计在十字形试件3的标距部分制备出具有特定三维形貌特征的显微压痕，针对厚度在50μm以内的薄膜材料亦可利用纳米压痕仪制备出纳米压痕形貌，压痕形貌可视为在材料合成、制备及加工过程中人为预制的初始缺陷，即可利用高分辨率显微成像手段就该压痕形貌在交变载荷及服役温度下的变形行为进行在线监测。在完成试件制备之后，将十字形试件3安装于下夹具体15的菱形凸台上，通过上夹具体14的菱形凹槽进行对中性定位。进一步，可采用激光位移传感器（LK-G100）沿试件拉伸轴向匀速运动分别对十字形试件3的侧面和抛光面位移进行检测，用于对十字形试件3水平面内和竖直方向上的同轴度进行定量测量。之后，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。选择测试模式为静态拉伸测试或疲劳测试，若为静态拉伸测试，在上位机软件中设定测试的应变速率或应力速率，此时压电叠堆的输入电压为线性递增电压信号；若为疲劳测试，则在上位机软件中设定不同拉伸方向的测试频率、幅值，此时压电叠堆的输入电压为具有特定频率和幅值的正弦信号或脉冲信号。测试过程中，压电叠堆Ⅰ1和压电叠堆Ⅱ2始终处于受压状态，且最高加载频率低于为200Hz，以远离测试平台的共振区。压电叠堆的输入电压来源于任意波形发生器输出的电压信号，该信号需通过压电驱动电源的功率放大后方可作为有效输入电压。为实现对十字形试件3已制备压痕区域在交变载荷作用下变形过程的观测，在完成给定循环次数（如10²-5×10²）后，应停止对压电叠堆进行供电，一方面利于压电叠堆在循环工作过程中积累电荷的释放，一方面便于扫描电子显微镜对压痕区域疲劳裂纹的扩展行为进行高分辨率静态观测。此外，如图9所示，当对两个相邻压电驱动器所施加的电压分别为U _x 和U _y 时，十字形试件3在对应的两个正交拉伸方向的变形量分别为Δd _x 和Δd _y ，由于柔性铰链9始终工作在其弹性变形阶段，U _x 、U _y 、Δd _x 和Δd _x 存在如公式（1）所示的关系，即Δd _x 与Δd _y 的比值等同于加载电压U _x 与U _y 的比值，又因引伸计13的初始几何轴线与十字形试件3的两个正交拉伸方向所呈锐角为45°，因此十字形试件3的初始标距l _o 、引伸计13的当前数值l以及Δd _x 和Δd _x 存在如公式（2）所示的关系。因此，当 _lo 、l、U _x 和U _y 均为已知量时，Δd _x 和Δd _y 可计算求得。在此基础上，将四个引伸计13的计算结果做均值处理所得到的变形量为个正交拉伸方向的精确变形量ΔD _x 和ΔD _y ，计算方法如公式（3）和（4）所示。

                                                                                                            （1）

                                          （2）

                                                           （3）

                                                           （4）

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)

1.一种服役温度下材料双轴静动态性能在线测试平台，其特征在于：包括双轴压电驱动单元、加热/制冷单元、十字形试件夹持单元、双轴载荷/位移检测单元以及基座支撑单元，其中，双轴压电驱动单元中的柔性铰链（9）通过螺纹连接方式分别与双轴载荷/位移检测单元中的拉压力传感器（8）以及基座支撑单元中的基座（7）刚性连接，十字形试件夹持单元中的下夹具体（15）分别通过螺纹连接方式与基座支撑单元中的导轨滑块（6）刚性连接，且分别通过其侧边卡槽和后端的内螺纹孔与双轴载荷/位移检测单元中的引伸计（13）的标距叉以及拉压力传感器（8）紧固连接；加热/制冷单元通过盘式安装卡槽（16）嵌入安装于基座支撑单元中的基座（7）的定位孔中；

所述双轴压电驱动单元由四个正交布置且共面安装的压电驱动器组成，每个压电驱动器由压电叠堆Ⅰ（1）、压电叠堆Ⅱ（2）及柔性铰链（9）组成，压电叠堆Ⅰ、Ⅱ（1、2）采用串联布置方式用于输出较大幅值的交变位移或恒定位移，柔性铰链（9）采用圆弧过渡型铰链形式，其菱形内包络结构对压电叠堆Ⅰ、Ⅱ（1、2）输出的可控位移进行放大；

所述加热/制冷单元包括高温电热合金片/帕尔贴片（10）和盘式安装卡槽（16），其中高温电热合金片/帕尔贴片（10）嵌入安装于盘式安装卡槽（16）的矩形槽中，矩形槽的宽度与高温电热合金片/帕尔贴片（10）的宽度一致；

所述十字形试件夹持单元包括上夹具体（14）、下夹具体（15）、夹具体紧固螺钉（17）及十字形试件（3），所述上夹具体（14）和下夹具体（15）分别具有相互配合使用的凹槽和凸台结构，以实现对十字形试件（3）在两个正交拉伸方向上的对中性；

所述双轴载荷/位移检测单元包括四组拉压力传感器（8）和引伸计（13），其中任意相邻的两个拉压力传感器（8）垂直安装，并通过螺纹连接方式分别与下夹具体（15）以及柔性铰链（9）刚性连接，任意相邻的两个引伸计（13）亦垂直安装，且其弹性标距叉嵌入式安装在下夹具体（15）的矩形卡槽内；一组相邻的拉压力传感器（8）和引伸计（13）在正交拉伸平面内的互成角度为45°；

所述基座支撑单元包括支撑垫块（5）、导轨滑块（6）、基座（7）以及直线导轨（18），所述导轨滑块（6）对下夹具体（15）拉伸轴向上的直线运动起导向作用，直线导轨（18）通过螺纹连接方式固定安装在基座（7）的矩形凹槽内，基座（7）通过支撑垫块（5）与柔性铰链（9）过渡刚性连接。

2.根据权利要求1所述的服役温度下材料双轴静动态性能在线测试平台，其特征在于：所述的压电叠堆Ⅰ（1）和压电叠堆Ⅱ（2）的弹性伸长和回复运动对应于被测十字形试件（3）的受载形式分别为拉伸和压缩，压电叠堆Ⅰ、Ⅱ（1、2）始终处于承受压缩应力的状态，每组对侧压电叠堆输出同步同频的等幅位移，以确保被测十字形试件（3）承受同轴异向运动；每组邻侧压电叠堆亦输出同步同频的等幅变形或同步异频的异幅变形，以分别实现在两个正交拉伸方向上相同或不同应力比的平面应力状态；压电叠堆Ⅰ（1）和压电叠堆Ⅱ（2）的串联排布结构以及柔性铰链（9）的菱形式内包络拓扑结构实现压电叠堆Ⅰ、Ⅱ（1、2）输出位移的位移放大比率为7.4。

3.根据权利要求1所述的服役温度下材料双轴静动态性能在线测试平台，其特征在于：所述的上夹具体（14）具有菱形凹槽，该凹槽的两个楔形面夹角为120°，而下夹具体（15）则具有菱形凸台，该凸台形状与上夹具体（14）的菱形凹槽相配合，两楔形面夹角亦为120°；十字形试件（3）的夹持端与菱形凸台、凹槽的形状亦保持一致，面向十字形试件（3）标距部分的一组楔形面用于十字形试件（3）承受拉伸载荷工况下的对中性定位，而背向十字形试件（3）标距部分的一组楔形面则用于十字形试件（3）承受压缩载荷工况下的对中性定位，菱形凸台及凹槽上均带有与拉伸/压缩方向垂直的锯齿结构，以增加交变载荷作用下的夹持稳定性。

4.根据权利要求1所述的服役温度下材料双轴静动态性能在线测试平台，其特征在于：所述的高温电热合金片/帕尔贴片（10）的数量为八个，且厚度、宽度和长度规格均一致，整体嵌入式安装于盘式安装卡槽（16）中，高温电热合金片和帕尔贴片分别用于对被测十字形试件（3）进行加热和制冷，八个高温电热合金片/帕尔贴片十字包络的拓扑结构充分对十字形试件（3）的四段标距部分进行热辐射或冷辐射，高温电热合金片和帕尔贴片根据温度服役环境的不同任意切换，盘式安装卡槽（16）为耐高温石英制品。

5.根据权利要求1所述的服役温度下材料双轴静动态性能在线测试平台，其特征在于：所述的引伸计（13）的数量为四个，其弹性标距叉通过嵌入方式紧固安装在下夹具体（15）的卡槽内，且每个引伸计（13）的几何轴线与相邻两正交拉伸轴线互成45°；根据相邻两个压电驱动器的加载电压的比率，确定两相邻下夹具体（15）的绝对位移亦存在该比率关系，通过单个引伸计（13）测量互相垂直的相邻两下夹具体（15）沿各自拉伸/压缩方向上的绝对位移，对被测十字形试件（3）沿不同加载方向上的变形量进行定量检测；将四个引伸计（13）所获取的弹性位移进行均值化处理，对十字形试件（3）的变形量进行准确计算。

6.根据权利要求1所述的服役温度下材料双轴静动态性能在线测试平台，其特征在于：所述的基座（7）中心设有盘式结构用于增强基座刚度，且其上设有阵列沉孔，用于与扫描电子显微镜或具有开放式承载环境的载物台固定安装；沿各拉伸轴向，基座（7）的矩形板状结构上通过线切割方式加工有凹槽，用于安装直线导轨（18）并确保四个直线导轨（18）沿各自拉伸/压缩方向安装的平行度；卸除盘式安装卡槽（16）时，基座（7）的中心定位孔透过可见光源或X射线，利用底部透射可见光源对十字形试件（3）进行形貌观测或利用X射线对十字形试件（3）进行X射线衍射分析。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的服役温度下材料双轴静动态性能在线测试平台，其特征在于：所述的服役温度下材料双轴静动态性能在线测试平台的主体尺寸为149 mm × 139 mm × 29 mm。