CN104913974A - 材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统及其测试方法，属于精密科学仪器领域。测试方法通过对试件施加正交的拉伸载荷，使试件在一个平面上存在两个相互垂直的拉应力，同时在拉伸载荷的基础上还可以对试件施加疲劳载荷，用于研究不同载荷形式及载荷大小情况下材料的微观力学性能。系统由精密加载-传动单元、疲劳单元、力学和变形信号检测单元、试件夹持单元等部分组成。优点在于：测试系统结构新颖紧凑，可以分别实现单轴拉伸测试、双轴拉伸测试、单轴拉伸-疲劳测试、双轴拉伸-疲劳测试，与光学显微镜有良好的兼容性，可动态研究拉伸-疲劳载荷作用情况下材料的微观组织结构与变形损伤机制的相关性规律。

Description

材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统及其测试方法

技术领域

    本发明涉及精密科学仪器领域，特别涉及一种材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统及其测试方法。可作为单轴拉伸、双轴拉伸、单周拉伸-疲劳、双轴拉伸-疲劳材料微观力学性能测试平台使用，其中作为双轴拉伸-疲劳材料微观力学性能测试还可以实现双轴同频疲劳和双轴非同频疲劳等测试。且该系统可在部分光学显微镜下进行上述的各种材料微观力学性能测试，从而实现对被测材料的微观力学行为和变形损伤过程进行实时观察。同时，通过减速器和大减速比的蜗轮蜗杆实现了拉伸过程中的准静态加载技术；通过力学和变形信号检测单元对测试过程中试件承受的拉伸力、试件的拉伸变形等信号的采集，可以拟合被测材料在相应载荷作用下的应力应变历程，能够以此分析材料的微观力学性能；通过处理软件对力学和变形信号检测单元采集的力和变形信号进行分析处理，还可以对测试系统实现闭环控制。

背景技术

在对材料进行力学性能测试的过程中，通过光学显微镜等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，能够更深入地揭示各类材料及其制品的微观力学行为、损伤机理及其材料性能与所受载荷间的相关性规律。

为了测量材料及其制品的弹性模量、硬度、断裂极限、切变模量等重要参数，基于微纳米力学测试，提出了多种测试方法，其中，有关拉伸的测试方法主要包括单轴拉伸、单轴拉伸-疲劳、双轴拉伸等。然而，实际情况下，材料及其制品受到的载荷形式往往是非单一模式的，如拉伸/压缩-弯曲复合载荷模式、拉伸/压缩-疲劳复合载荷模式、剪切-扭转复合载荷模式等，因此，解析复合载荷模式作用下的材料的力学性能及其变性损伤机制对材料学的发展具有不可忽视的现实意义。

此外，实际工程中的板、壳结构部件所承受的大多是双向载荷，包括单晶金属、混凝土以及部分具有各向异性的复合材料，只是研究其单轴承受拉伸载荷下的力学性能，并不客观。因此，开发双轴拉伸-疲劳测试系统，对研究双向拉伸及疲劳载荷下材料的力学性能及材料的变形损伤机制具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统及其测试方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明可以分别实现单轴拉伸力学测试、双轴拉伸力学测试、单轴拉伸-疲劳力学测试、双轴拉伸-疲劳力学测试，其中针对双轴拉伸-疲劳力学测试，本系统还可以实现双轴同频疲劳加载和双轴非同频疲劳加载等模式，所述的双轴拉伸-疲劳材料微观力学性能测试系统还可以与部分光学显微镜兼容，对材料微观力学性能测试过程进行实时观察，如对材料的裂纹萌生、裂纹扩展和材料的失效破坏过程进行原位监测；此外，通过力学和变形信号检测单元对测试过程中试件承受的拉伸力、试件的拉伸变形等信号的采集，可以拟合被测材料在相应载荷作用下的应力应变历程，进而对材料在双轴拉伸-疲劳载荷作用下的微观力学行为、变形损伤机制进行深入研究。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统及其测试方法，包括精密加载-传动单元、疲劳单元、力学和变形信号检测单元、试件夹持单元等；其中，精密加载-传动单元通过螺钉固定在底板5上，疲劳单元通过两个对称的导轨Ⅰa32、滑块Ⅰa31和导轨Ⅰb36、滑块Ⅰb35安装在精密加载-传动单元上，疲劳单元通过四个相同的连杆17分别与试件夹持单元相连，力学和变形信号检测单元安装在试件夹持单元上。

所述的精密加载-传动单元提供测试系统的预加载力和用于调整试件夹持单元的位置所需要的力，由直流电机1提供动力，经过减速器2、蜗轮25、蜗杆24带动双向滚珠丝杠11转动；所述的直流电机1的输出轴经过联轴器3与蜗杆轴48相连，蜗轮25安装在双向滚珠丝杠11上，蜗轮25、蜗杆24起到降速增扭的作用；所述的双向滚珠丝杠11通过导轨Ⅱa9、滑块Ⅱa8、滑块Ⅱ29和导轨Ⅱb12、滑块Ⅱb13、滑块Ⅱ49e及丝杠支撑座28定固在底板5上，双向滚珠丝杠11上安装了两个相同的丝杠螺母Ⅰ、Ⅱ10、50，分别与两个相同的螺母座Ⅰ、Ⅱ14、30相连；所述的螺母座Ⅰ、Ⅱ14、30分为上下两部分，通过螺钉连接，以此降低安装难度；所述的螺母座Ⅰ、Ⅱ14、30上分别安装了导轨Ⅰa32、滑块Ⅰa31和导轨Ⅰb36、滑块Ⅰb35，两个滑块Ⅰa、b31、35均安装在下支撑板34上，支撑柱33与上支撑板44通过螺钉相连，上支撑板44固定连接柔性铰链15；所述的丝杠螺母Ⅰ、Ⅱ10、50，螺母座Ⅰ、Ⅱ14、30，导轨Ⅰa、b32、36和滑块Ⅰa、b31、35均为对称布置；所述的导轨Ⅰa、b32、36与水平面成20°夹角，因此，当滑块a、bⅠ31、35分别沿着导轨Ⅰa、b32、36运动时，会带动支撑柱33上下运动而保持其水平位置不变。

所述的疲劳单元包括柔性铰链15、四个相同的压电叠堆16以及四个相同的连杆17，其中柔性铰链15为对称结构，通过螺钉安装在下支撑板上44；所述的四个相同的压电叠堆16分别安装在柔性铰链15内，并通过铜片预紧；所述的连杆17一端通过销轴Ⅰ42与柔性铰链15相连，另一端通过销轴Ⅱ45与传感器固定座19相连，传感器固定座19通过螺钉安装在滑块Ⅳ38上。

所述的力学和变形信号检测单元包括四个相同的拉力传感器21和两个位移传感器Ⅰ、Ⅱ41、18，拉力传感器21通过螺纹连接于夹具体Ⅰ43和传感器固定座19之间；位移传感器Ⅱ18安装在两个相对的夹具体Ⅰ、Ⅱ43、51之间，位移传感器Ⅰ41和位移传感器Ⅱ18垂直布置；试件40承受的拉力和与其对应的拉力传感器的轴线在一条直线上。

所述的试件夹持单元由四个夹具体Ⅰ43和与之一一对应的压板39组成，试件安放在夹具体Ⅰ43与压板39之间，夹具体Ⅰ43和压板39之间通过螺钉连接，并通过旋紧螺钉对试件40进行夹紧；所述的夹具体Ⅰ43安装在滑块Ⅳ38上，滑块Ⅱc20和滑块Ⅳ38安装在同一个导轨Ⅲa37上；导轨Ⅲb、c、d52、53、54与导轨Ⅲa37相同；所述的夹具体Ⅰ43和压板39上加工有滚花，以保证夹持的可靠性。

本发明的测试系统可以在光学显微镜的动态监测下进行材料微观力学性能原位测试。根据原位观测目的不同，可以选择光学显微镜来监测试件在载荷作用下裂纹的萌生、扩展、至断裂过程；可以选择拉曼光谱仪对试件表面进行微区检测，进行拉伸/疲劳载荷作用下材料的相结构研究、晶粒及晶界变化、裂纹萌生等；也可以选择X射线衍射仪对试件进行物相分析、确定晶粒度和应力分布、研究材料的特殊性质与其原子排布、晶相变化间的关系等；部分观测设备可以配合使用，如光学显微镜和拉曼光谱仪等。

所述的导轨Ⅲa、b37、52安装在顶板Ⅰ22上，导轨Ⅲc、d53、54安装在顶板Ⅱ23上，立柱6通过螺纹与顶板Ⅱ23和底板5连接；顶板Ⅰ22的连接方式与顶板Ⅱ23的连接方式相同；立柱6将顶板Ⅱ23受到的拉力传导到底板5上。

所述的四个相同的压电叠堆16，其中同一个拉伸轴向上的两个压电叠堆输出一致，以保持试件的十字中心在测试过程中位置固定。

试件的四个拉伸-疲劳端处在一个平面上，四个端部的拉伸载荷由一个加载单元统一进行加载，疲劳载荷的施加则相互独立，即可以对四个拉伸-疲劳端分别施加疲劳载荷。测试过程中，由于装置结构的对称性，试件中心基本保持位置不变，有利于实现原位观测。可以在试件的十字中心，即试件的主要观测区预制压痕等缺陷，便于探究在不同载荷形式及载荷大小情况下，材料的微观力学性能及其变形、损伤机制。

本发明的另一目的在于提供一种材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试方法，通过对试件四个拉伸端同时施加拉伸载荷，使试件的十字中心在一个平面上存在两个相互垂直的拉应力，同时在拉伸载荷的基础上还可以对试件的四个拉伸端分别施加疲劳载荷，用于研究不同载荷形式及载荷大小情况下材料的微观力学性能；该测试方法基于测试系统结构的对称性，即四个拉伸端完全对称，且共用一个加载单元进行预加载，使得试件夹持单元拉动试件等速反向运动的同时，试件的十字中心保持静止，便于使用光学显微镜对材料测试过程进行动态监测；此外，双轴拉伸的四个拉伸端各使用一个压电叠堆进行疲劳加载，即各个拉伸端的疲劳加载相互独立，使疲劳加载方案选择多样性；具体步骤如下：

a.进行力学测试前，首先通过直流电机1调整四个夹具体及对应压板的位置，以便试件的安装；

b.将已经在十字中心预制人为缺陷的试件安装、夹紧后，需要将各个力传感器和位移传感器的示数清零；

c.对测试过程进行动态监测之前，需要调整光学显微镜镜头与试件的相对位置，直至试件的十字中心处在视场的中心位置；

d.以上调整完成后，准备进行测试以及测试过程中对观测点进行动态监测；

e. 基于测试系统结构的对称性，可以通过直流电机1对试件的四个拉伸端施加拉伸载荷，并选择合适的疲劳方式，对四个拉伸端施加相同频率或不同频率的疲劳载荷；

f.通过光学系统、CCD图像传感器采集图像信息，观测、记录试件观测点处裂纹的萌生、扩展等情况，并通过相应的接口电路，将图像信息传入计算机；

g.通过计算机内相应的处理软件对图像信息进行处理，计算出观测点空间位置的变化；

h.根据软件处理结果，由计算机对光学显微镜的驱动模块输入相应指令；

i.由光学显微镜的驱动器接收驱动指令，通过相应的电机对显微镜镜头的位置、高度等做出调整，以使显微镜镜头跟随观测点位置的变化进行调整；

j.通过以上调整完成闭环控制，使通过光学系统、CCD图像传感器能够采集到完整、清晰的图像信息，从而达到对观测点跟随观测的目的；

k.测试结束后，通过所得数据以及图像信息对材料在拉伸-疲劳复合载荷作用下的微观力学性能进行分析。

    本发明的有益效果在于：测试系统结构新颖、紧凑，质量轻巧，可以在光学显微镜的动态监测下进行材料微观力学性能原位测试，可以进行单轴拉伸测试、双轴拉伸测试、单轴拉伸-疲劳测试、双轴拉伸-疲劳测试，且针对双轴拉伸-疲劳测试还可以实现双轴同频和非同频两种低周疲劳测试，能够对材料及其制品在双向拉伸-疲劳加载模式作用下的微观力学性能及变性损伤机制做出准确评价；该测试系统可以借助于部分光学显微镜，对测试过程进行实时观察，实现原位观测。且该测试方法充分利用了该测试系统结构的对称性，并且只通过一个加载单元进行预加载，保证了测试过程中同轴两个拉伸端的对称和同步性，还保证了测试测试过程中试件十字中心的稳定性。综上所述，本发明不但具有良好的应用、开发前景，而且对原位测试技术及装置的发展、材料微观力学性能研究的进步有着重要意义。

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为本发明的测试系统的整体结构示意图；

图2为本发明的控制原理框图；

图3为本发明的精密加载-传动单元结构示意图；

图4为本发明的疲劳单元、试件夹持单元和力学和变形信号检测单元结构示意图；

图5为本发明的疲劳单元和试件夹持单元结构示意图；

图6为本发明的力学和变形信号检测单元结构示意图；

图7为本发明的原位观测原理示意图（实线表示测试前观测区A及显微镜镜头的位置，测试过程中，观测区A逐渐变化到了虚线位置，同时，镜头跟随试件观测区的运动进行调整，保证对材料发生的微观变形损伤进行全程动态监测）。

图中：图中：1、直流电机；2、减速器；3、联轴器；4、电机座；5、底板；6、立柱；7、立柱台；8、滑块Ⅱa；9、导轨Ⅱa；10、丝杠螺母Ⅰ；11、双向滚珠丝杠；12、导轨Ⅱb；13、滑块Ⅱb；14、螺母座Ⅰ；15、柔性铰链；16、压电叠堆；17、连杆；18位移传感器Ⅱ；19、传感器固定座；20、滑块Ⅱc；21、拉力传感器；22、顶板Ⅰ；23、顶板Ⅱ；24、蜗杆；25、蜗轮；26、轴承；27、轴承座；28、丝杠支撑座；29、滑块Ⅱd；30、螺母座Ⅱ；31、滑块Ⅰa；32、导轨Ⅰa；33、支撑柱；34、下支撑板；35、滑块Ⅰb；36、导轨Ⅰb；37、导轨Ⅲa；38、滑块Ⅳ；39、压板；40、试件；41、位移传感器Ⅰ；42、销轴Ⅰ；43、夹具体Ⅰ；44、上支撑板；45、销轴Ⅱ；46、固定板；47、止板；48、蜗杆轴；49、滑块Ⅱe；50、丝杠螺母Ⅱ；51、夹具体Ⅱ；52、导轨Ⅲb；53、导轨Ⅲc；54、导轨Ⅲd；55、夹紧片。

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7所示，本发明的材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统包括精密加载-传动单元、疲劳单元、力学和变形信号检测单元、试件夹持单元等，其中，精密加载-传动单元通过螺钉固定在底板5上，疲劳单元通过两个对称的导轨Ⅰa32、滑块Ⅰa31和导轨Ⅰb36、滑块Ⅰb35安装在精密加载-传动单元上，疲劳单元通过四个相同的连杆17分别与试件夹持单元相连，力学和变形信号检测单元安装在试件夹持单元上；所述的测试方法利用测试系统结构的对称性，使得试件夹持单元拉动试件反向运动的同时，试件的十字中心保持静止，便于使用光学显微镜进行原位观测；测试系统可以分别实现单轴拉伸测试、双轴拉伸测试、单轴拉伸-疲劳测试、双轴拉伸-疲劳测试，与光学显微镜有良好的兼容性，可动态研究拉伸-疲劳载荷作用情况下材料的微观组织结构与变形损伤机制的相关性规律。

参见图3所示，所述的精密加载-传动单元提供原位测试系统的预加载力和用于调整试件夹持单元的位置所需要的力，由固定在电机座4上的直流电机1提供动力，经过减速器2、蜗轮25、蜗杆24带动双向滚珠丝杠11转动；所述的直流电机1的输出轴经过联轴器3与蜗杆轴48相连，蜗轮25安装在双向滚珠丝杠11上，蜗轮25、蜗杆24起到降速增扭的作用；所述的双向滚珠丝杠11通过导轨Ⅱa9、滑块Ⅱa8、滑块Ⅱd29和导轨Ⅱb12、滑块Ⅱb13、滑块Ⅱe49，以及丝杠支撑座固28定在底板5上，双向滚珠丝杠11上安装了两个相同的丝杠螺母Ⅰ、Ⅱ10、50，分别与两个相同的螺母座Ⅰ、Ⅱ14、30相连；所述的螺母座Ⅰ、Ⅱ14、30分为上下两部分，通过螺钉连接，以此降低安装难度；所述的螺母座Ⅰ、Ⅱ14、30上分别安装了导轨Ⅰa32、滑块Ⅰa31和导轨Ⅰb36、滑块Ⅰb35，两个滑块Ⅰa、b31、35均安装在下支撑板34上，支撑柱33与上支撑板44通过螺钉相连，上支撑板44用于固定、连接柔性铰链15；所述的丝杠螺母Ⅰ、Ⅱ10、50，螺母座Ⅰ、Ⅱ14、30，导轨Ⅰa、b32、36和滑块a、bⅠ31、35均为对称布置；所述的导轨Ⅰa32、导轨Ⅰb36与水平面成20°夹角，因此，当滑块Ⅰa、31、35分别沿着导轨Ⅰa、a32、36运动时，会带动支撑柱33上下运动而保持其水平位置不变。

参见图4及图5所示，所述的疲劳单元包括柔性铰链15、四个相同的压电叠堆16以及四个相同的连杆17，其中柔性铰链15为对称结构，通过螺钉安装在下支撑板上44；所述的四个相同的压电叠堆16分别安装在柔性铰链15内，并通过铜片预紧；所述的连杆17一端通过销轴Ⅰ42与柔性铰链15相连，另一端通过销轴Ⅱ45与传感器固定座19相连，传感器固定座19通过螺钉安装在滑块Ⅳ38上。

所述的试件夹持单元由四个夹具体Ⅰ43和与之一一对应的压板39组成，试件安放在夹具体Ⅰ43与压板39之间，夹具体Ⅰ43和压板39之间通过螺钉连接，并通过旋紧螺钉对试件40进行夹紧；所述的夹具体Ⅰ43安装在滑块Ⅳ38上，滑块Ⅱc20和滑块Ⅳ38安装在同一个导轨Ⅲa37上；所述的夹具体Ⅰ43和压板39上加工有滚花，以保证夹持的可靠性。

参见图6所示，所述的力学和变形信号检测单元包括四个相同的拉力传感器21和两个位移传感器Ⅰ、Ⅱ41、18，拉力传感器21通过螺纹连接于夹具体Ⅰ43和传感器固定座19之间；位移传感器Ⅱ18安装在两个相对的夹具体Ⅰ43和夹具体Ⅱ51之间，位移传感器41和位移传感器Ⅱ18垂直布置。

所述的导轨Ⅲa37、导轨Ⅲb52安装在顶板Ⅰ22上，导轨Ⅲc53、导轨Ⅲd54安装在顶板Ⅱ23上，立柱6一端通过螺纹与顶板Ⅱ23连接，另一端通过立柱台7与底板5连接；顶板Ⅰ22的连接方式与顶板Ⅱ23的连接方式相同；立柱6将顶板Ⅱ23受到的拉力传导到底板5上。

所述的蜗杆轴48一端与联轴器3连接，另一端通过轴承26安装在轴承座27上。

所述的位移传感器Ⅱ18通过固定板46和夹紧片55安装在夹具体Ⅰ43上，传感器的端部与止板47始终保持接触，止板47安装在夹具体Ⅱ51上，测试前位移传感器Ⅱ18处在压缩状态，测试过程中，随着夹具体Ⅰ43和夹具体Ⅱ51之间距离的增加，位移传感器Ⅱ18慢慢伸长；位移传感器Ⅰ41的安装及测量方式与位移传感器Ⅱ18相同。

所述的四个相同的压电叠堆16，要求同一个拉伸轴向上的两个压电叠堆输出一致，以保持试件的十字中心在测试过程中原位不动，便于原位观测。

所述的双向拉伸的四个方向对应的压电叠堆16、连杆17、力传感器21、夹具体Ⅰ43等完全相同，保证双向拉伸时试件40的十字中心不发生水平运动，便于通过显微镜对测试过程进行原位观测。

所述的四个相同的力传感器21与试件40承受的拉力在一条直线上，保证了力传感器测量结果的准确性。

参见图1至图7，发明的材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试方法及其测试系统，所述的测试系统安装前，需要对测试系统中使用的四个相同的力传感器21和两个位移传感器Ⅱ、Ⅰ18、41进行标定与校正，再对测试系统进行安装、调试。进行材料力学性能测试前，需要对试件夹持单元进行复位操作，要求将试件夹持单元调整到合适的位置以便对试件进行定位和夹紧，且复位后要求位移传感器Ⅱ、Ⅰ18、41均处在受压状态，且保证其允许的伸长量大于试件的拉伸长度。

本发明的材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试方法，具体步骤如下：

a.进行力学测试前，首先通过直流电机1调整四个夹具体及对应压板的位置，以便试件的安装；

b.将已经在十字中心预制人为缺陷的试件安装、夹紧后，需要将各个力传感器和位移传感器的示数清零；

c.对测试过程进行动态监测之前，需要调整光学显微镜镜头与试件的相对位置，直至试件的十字中心处在视场的中心位置；

d.以上调整完成后，准备进行测试以及测试过程中对观测点进行动态监测；

e. 基于测试系统结构的对称性，可以通过直流电机1对试件的四个拉伸端施加拉伸载荷，并选择合适的疲劳方式，对四个拉伸端施加相同频率或不同频率的疲劳载荷；

f.通过光学系统、CCD图像传感器采集图像信息，观测、记录试件观测点处裂纹的萌生、扩展等情况，并通过相应的接口电路，将图像信息传入计算机；

g.通过计算机内相应的处理软件对图像信息进行处理，计算出观测点空间位置的变化；

h.根据软件处理结果，由计算机对光学显微镜的驱动模块输入相应指令；

i.由光学显微镜的驱动器接收驱动指令，通过相应的电机对显微镜镜头的位置、高度等做出调整，以使显微镜镜头跟随观测点位置的变化进行调整；

j.通过以上调整完成闭环控制，使通过光学系统、CCD图像传感器能够采集到完整、清晰的图像信息，从而达到对观测点跟随观测的目的；

k.测试结束后，通过所得数据以及图像信息对材料在拉伸-疲劳复合载荷作用下的微观力学性能进行分析。

根据实验目的需要，选择合适的测量方法，即单轴拉伸测试、双轴拉伸测试、单轴拉伸-疲劳测试或者双轴拉伸-疲劳测试，其中涉及的疲劳测试主要指低周疲劳测试，并在试件被拉伸的基础上进行，即试件预有一定变形或一定载荷条件下进行中低频拉伸测试。因此以所 发明的测试系统所进行的测试研究主要分析的是材料弹性模量E、屈服强度σ_S、强度极限σ_b、断后延伸率A、断面收缩率Z等力学性能参数。其中，

弹性模量 $E=\frac{\mathrm{\σ}}{\mathrm{\ϵ}},$

屈服强度 ${\mathrm{\σ}}_s=\frac{F_{eL}}{S_0},$

强度极限 ${\mathrm{\σ}}_b=\frac{F_b}{S_0},$

断后延伸率 $A=\frac{L_u-L_0}{L_0}\×100\%,$

断面收缩率 $Z=\frac{S_0-S_u}{S_0}\×100\%;$

其中，σ：材料的应力，ε：材料的应变，F_eL：下屈服点对应的材料载荷，F_b：材料的最大载荷，S₀：材料原始截面积，S_u：材料断后截面积，L₀：材料原始标距，L_u：材料断后标距。

材料的力学性能主要体现在材料在载荷作用下的变形和破坏性能等。而材料的弹性模量、断裂极限、疲劳强度等参数是材料力学性能测试中最主要的测试对象，通过拉伸测试能够测量材料的弹性模量、屈服强度、强度极限、断后伸长率和断面收缩率，从而衡量材料在承受拉伸载荷时的力学性能。通过载荷-位移曲线研究材料在双向拉伸载荷作用下的屈服、破坏过程。而循环加载力所产生的交变应力会对材料局部产生永久性损伤，并诱发裂纹的萌生、扩展、失稳。通过拉伸-疲劳测试可以测量疲劳载荷对材料力学性能的影响。

在测试的整个过程中，为了实时监测被测试件的裂纹萌生、扩展、失稳情况，测试前需要将试件进行抛光、腐蚀处理，由光学显微镜成像系统进行动态监测，并可同时记录图像，结合调试软件亦可实时获取表征材料力学性能的工程应力应变曲线及其他力学参数。

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 (8)

1.一种材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于：包括精密加载-传动单元、疲劳单元、力学和变形信号检测单元、试件夹持单元；其中，精密加载-传动单元通过螺钉固定在底板(5)上，疲劳单元通过两个对称的导轨Ⅰa(32)、滑块Ⅰa(31)和导轨Ⅰb(36)、滑块Ⅰb(35)安装在精密加载-传动单元上，疲劳单元通过四个相同的连杆(17)分别与试件夹持单元相连，力学和变形信号检测单元安装在试件夹持单元上。

2.根据权利要求1所述的材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于：所述的精密加载-传动单元提供预加载力和用于调整试件夹持单元的位置所需要的力，由直流电机(1)提供动力，经过减速器(2)、蜗轮(25)、蜗杆(24)带动双向滚珠丝杠(11)转动；所述的直流电机(1)的输出轴经过联轴器(3)与蜗杆轴(48)相连，蜗轮(25)安装在双向滚珠丝杠(11)上，蜗轮(25)、蜗杆(24)起到降速增扭的作用；所述的双向滚珠丝杠(11)通过导轨Ⅱa(9)、滑块Ⅱa(8)、滑块Ⅱ(29)和导轨Ⅱb(12)、滑块Ⅱb(13)、滑块Ⅱ(49)e及丝杠支撑座(28)定固在底板(5)上，双向滚珠丝杠(11)上安装了两个相同的丝杠螺母Ⅰ、Ⅱ(10、50)，分别与两个相同的螺母座Ⅰ、Ⅱ(14、30)相连；所述的螺母座Ⅰ、Ⅱ(14、30)分为上下两部分，通过螺钉连接，以此降低安装难度；所述的螺母座Ⅰ、Ⅱ(14、30)上分别安装了导轨Ⅰa(32)、滑块Ⅰa(31)和导轨Ⅰb(36)、滑块Ⅰb(35)，两个滑块Ⅰa、b(31、35)均安装在下支撑板(34)上，支撑柱(33)与上支撑板(44)通过螺钉相连，上支撑板(44)固定连接柔性铰链(15)；所述的丝杠螺母Ⅰ、Ⅱ(10、50)，螺母座Ⅰ、Ⅱ(14、30)，导轨Ⅰa、b(32、36)和滑块Ⅰa、b(31、35)均为对称布置；所述的导轨Ⅰa、b(32、36)与水平面成20°夹角，因此，当滑块a、bⅠ(31、35)分别沿着导轨Ⅰa、b(32、36)运动时，会带动支撑柱(33)上下运动而保持其水平位置不变。

3.根据权利要求1所述的材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于：所述的疲劳单元包括柔性铰链(15)、四个相同的压电叠堆(16)以及四个相同的连杆(17)，其中柔性铰链(15)为对称结构，通过螺钉安装在下支撑板上(44)；所述的四个相同的压电叠堆(16)分别安装在柔性铰链(15)内，并通过铜片预紧；所述的连杆(17)一端通过销轴Ⅰ(42)与柔性铰链(15)相连，另一端通过销轴Ⅱ(45)与传感器固定座(19)相连，传感器固定座(19)通过螺钉安装在滑块Ⅳ(38)上。

4.根据权利要求1所述的材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于：所述的力学和变形信号检测单元包括四个相同的拉力传感器(21)和两个位移传感器Ⅰ、Ⅱ(41、18)，拉力传感器(21)通过螺纹连接于夹具体Ⅰ(43)和传感器固定座(19)之间；位移传感器Ⅱ(18)安装在两个相对的夹具体Ⅰ、Ⅱ(43、51)之间，位移传感器Ⅰ(41)和位移传感器Ⅱ(18)垂直布置；试件(40)承受的拉力和与其对应的拉力传感器的轴线在一条直线上。

5.根据权利要求1所述的材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于：所述的试件夹持单元由四个夹具体Ⅰ(43)和与之一一对应的压板(39)组成，试件安放在夹具体Ⅰ(43)与压板(39)之间，夹具体Ⅰ(43)和压板(39)之间通过螺钉连接，并通过旋紧螺钉对试件(40)进行夹紧；所述的夹具体Ⅰ(43)安装在滑块Ⅳ(38)上，滑块Ⅱc(20)和滑块Ⅳ(38)安装在同一个导轨Ⅲa(37)上；导轨Ⅲb、c、d(52、53、54)与导轨Ⅲa(37)相同；所述的夹具体Ⅰ(43)和压板(39)上加工有滚花，以保证夹持的可靠性。

6.根据权利要求5所述的材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于：所述的导轨Ⅲa、b(37、52)安装在顶板Ⅰ(22)上，导轨Ⅲc、d(53、54)安装在顶板Ⅱ(23)上，立柱(6)通过螺纹与顶板Ⅱ(23)和底板(5)连接；顶板Ⅰ(22)的连接方式与顶板Ⅱ(23)的连接方式相同；立柱(6)将顶板Ⅱ(23)受到的拉力传导到底板(5)上。

7.根据权利要求3所述的材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于：所述的四个相同的压电叠堆(16)，其中同一个拉伸轴向上的两个压电叠堆输出一致，以保持试件的十字中心在测试过程中位置固定。

8.一种材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试方法，其特征在于：通过对试件四个拉伸端同时施加拉伸载荷，使试件的十字中心在一个平面上存在两个相互垂直的拉应力，同时在拉伸载荷的基础上还可以对试件的四个拉伸端分别施加疲劳载荷，用于研究不同载荷形式及载荷大小情况下材料的微观力学性能；该测试方法基于测试系统结构的对称性，即四个拉伸端完全对称，且共用一个加载单元进行预加载，使得试件夹持单元拉动试件等速反向运动的同时，试件的十字中心保持静止，便于使用光学显微镜对材料测试过程进行动态监测；此外，双轴拉伸的四个拉伸端各使用一个压电叠堆进行疲劳加载，即各个拉伸端的疲劳加载相互独立，使疲劳加载方案选择多样性；双轴拉伸-疲劳测试方法的具体调整步骤如下：

a.进行力学测试前，首先通过直流电机(1)调整四个夹具体及对应压板的位置，以便试件的安装；

b.将已经在十字中心预制人为缺陷的试件安装、夹紧后，需要将各个力传感器和位移传感器的示数清零；

c.对测试过程进行动态监测之前，调整光学显微镜镜头与试件的相对位置，直至试件的十字中心处在视场的中心位置； 

d.以上调整完成后，准备进行测试以及测试过程中对观测点进行动态监测；

e.通过直流电机(1)对试件的四个拉伸端施加拉伸载荷，并选择合适的疲劳方式，对四个拉伸端施加相同频率或不同频率的疲劳载荷；

f.通过光学系统、CCD图像传感器采集图像信息，观测、记录试件观测点处裂纹的萌生、扩展情况，并通过相应的接口电路，将图像信息传入计算机；

g.通过计算机内相应的处理软件对图像信息进行处理，计算出观测点空间位置的变化；

h.根据软件处理结果，由计算机对光学显微镜的驱动模块输入相应指令；

i.由光学显微镜的驱动器接收驱动指令，通过相应的电机对显微镜镜头的位置、高度做出调整，以使显微镜镜头跟随观测点位置的变化进行调整；

j.通过以上调整完成闭环控制，使通过光学系统、CCD图像传感器能够采集到完整、清晰的图像信息，从而达到对观测点跟随观测的目的；

k.测试结束后，通过所得数据以及图像信息对材料在拉伸-疲劳复合载荷作用下的微观力学性能进行分析。