CN105181500A - 拉伸-弯曲复合载荷原位纳米压痕测试装置及方法 - Google Patents

拉伸-弯曲复合载荷原位纳米压痕测试装置及方法 Download PDF

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CN105181500A CN201510585343.3A CN201510585343A CN105181500A CN 105181500 A CN105181500 A CN 105181500A CN 201510585343 A CN201510585343 A CN 201510585343A CN 105181500 A CN105181500 A CN 105181500A
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Abstract

本发明涉及一种拉伸-弯曲复合载荷原位纳米压痕测试装置及方法,属于精密科学仪器与材料力学试验机领域。测试装置总体结构为十字分布,由拉伸加载模块、弯曲加载模块和压痕加载模块三部分组成,拉伸加载模块置于中间,弯曲加载模块和压痕加载模块分布于拉伸模块的两侧;拉伸加载模块、弯曲加载模块和压痕加载模块均由驱动组件、传动组件、执行组件、位移信号和力信号精密检测组件组成;所述拉伸加载模块、弯曲加载模块和压痕加载模块的加载力线处在同一平面。可实现对载荷/位移信号的同步采集,对伺服驱动系统的闭环控制。本装置结构小巧,可以与主流光学显微镜兼容,实现对特征尺寸在毫米级以上的宏观试件的多载荷原位测试。

Description

拉伸-弯曲复合载荷原位纳米压痕测试装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及精密科学仪器与材料力学试验机领域,特别涉及一种集精密驱动、检 测为一体的拉伸-弯曲复合载荷原位纳米压痕测试装置及方法。本发明属于小型测试仪 器,能够与显微成像设备兼容,实现对材料测试过程中的原位观测,为材料的宏观力学性能 测试、微观变形损伤机制的探究提供有效的测试方法。
背景技术
[0002] 传统的材料测试方法主要有拉伸、弯曲、扭转、剪切、冲击、疲劳等测试方法,利用 这些方法及其对应的理论可以测量材料的弹性模量、强度极限、疲劳极限、硬度等力学参 量。随着材料制备技术的发展,新型材料的结构尺寸越来越小(例如薄膜镀层材料),传统 的测试方法难以准确测量其力学性能,纳米压痕测试方法因运而生。1961年,Stillwell 和Tabor最早提出了用压头压入材料的弹性回复来检测材料的力学性能的方法。1992年, Oliver和Pharr改进了压痕卸载曲线的处理方法,完善了压痕理论体系,奠定了纳米压痕 技术的基础。
[0003] 根据是否有显微成像设备在线实时监测所测试材料的变形损伤情况,纳米测试分 为原位纳米测试和离位纳米测试,目前大多数纳米力学研究处于离位测试阶段。A. M. Minor 等人曾指出了离位测试的不足:由于无法利用显微成像设备对试件进行原位监测,材料的 变形损伤机制与载荷作用和材料性能参数之间的规律难以研究。以微/纳机电系统为原理 的原位测试技术工艺复杂,且应用范围存在局限,无法对宏观尺寸(特征尺寸毫米级以上) 的三维试件进行测试。
[0004] 目前对于材料力学性能测试的研究多停留在单一载荷上,材料的力学性能参数都 是在理想化的条件下测试出来的,然而材料及其制品在实际工况中的受力情况比较复杂, 力学性能的表现与单一载荷的情况往往不同,单一载荷的力学性能测试无法准确评价复合 载荷下材料的力学性能。清华大学教授温诗铸指出:当前对于材料的变形损伤机制缺乏深 入的研究,而这又是微小元件设计制造环节迫切需要的。单一载荷测试显然无法研究材料 的变形损伤机制与多种形式载荷之间的规律。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种拉伸-弯曲复合载荷原位纳米压痕测试装置及方法, 解决了现有技术存在的上述问题。本发明在测试过程中通过特定的加载单元为被测试件材 料施加确定的拉伸-弯曲预加载荷,使被测试件材料受到特定的拉伸、弯曲、拉伸-弯曲预 应力,在这种情况下,再对被测材料样品进行原位纳米压痕测试,以测定在相应预应力状态 下材料的压痕响应、硬度以及弹性模量等基本力学性能参数的动态变化情况及其与预加载 荷和材料性能间的相关性规律,较好的模拟材料及其制品在实际工况下的应力水平。基于 该原理和方法的装置集成了拉伸、弯曲、纳米压痕三个加载模块,亦可实现拉伸、弯曲、纳米 压痕三种载荷的单独加载测试,以及拉伸-弯曲复合加载测试。本发明可实现对载荷/位 移信号的同步采集,对伺服驱动系统的闭环控制。本发明针对特征尺寸毫米级以上三维试 件所研制,在保证刚度和精度的前提下,实现了体积小、结构紧凑的特点。可置于光学显微 镜下对试件进行在线实时监测,观察材料的裂纹萌生、扩展和材料失效断裂过程,进而对材 料在复合载荷作用下的微观力学行为和变形损伤机制进行深入研究。
[0006] 本发明的上述目的通过以下技术方案实现:
[0007] 拉伸-弯曲复合载荷原位纳米压痕测试装置,在测试过程中先通过特定的加载单 元使被测试件材料受到特定的拉伸、弯曲、拉伸-弯曲预应力,再对被测材料样品进行原位 纳米压痕测试,以测定在相应预应力状态下材料的压痕响应、硬度以及弹性模量等基本力 学性能参数的动态变化情况及其与预加载荷和材料性能间的相关性规律;所述装置亦可实 现拉伸-弯曲-压痕三种形式载荷的单独加载及拉伸-弯曲、拉伸-压痕、弯曲-压痕复合 加载;所述装置的总体结构为十字分布,由拉伸加载模块、弯曲加载模块和压痕加载模块三 部分组成;拉伸加载模块置于中间,弯曲加载模块和压痕加载模块分布于拉伸模块的两侧; 拉伸加载模块、弯曲加载模块和压痕加载模块均由驱动组件、传动组件、执行组件、位移信 号和力信号精密检测组件组成;所述拉伸加载模块、弯曲加载模块和压痕加载模块的加载 力线处在同一平面,可以有效降低仪器的高度,便于在显微镜下观察,增大了机架的刚度, 减小了由于加载力线和丝杠轴线不重合产生的倾覆力矩;压痕加载模块和弯曲加载模块对 称分布在拉伸加载模块两侧,压痕加载模块的压头30在压入时,弯曲压头32置于试件31 背面与试件31相切,起辅助支承作用。
[0008] 所述的拉伸加载模块的驱动组件、传动组件、执行组件的装配关系为:直流伺服电 机I 4驱动由蜗杆I 7、蜗轮I 8组成的两级蜗轮蜗杆副I,两级涡轮蜗杆副I通过蜗轮蜗 杆轴I 11连接,蜗轮蜗杆轴I 11与轴承I 10相配合,轴承I 10安装在轴承座I 9上,轴 承座I 9与底板45相连;蜗轮蜗杆副I驱动双向滚珠丝杠 50,双向滚珠丝杠通过丝杠螺母 I 52带动载物台I 14、载物台II 27,实现载物台I 14、载物台II 27的相对反向运动;载物 台I 14、载物台II 27分别带动夹具I 2、夹具II 29运动,实现对试件31的拉伸加载;其中 直流伺服电机I 4固定在电机法兰I 5上,电机法兰I 5固定在底板45上;双向滚珠丝杠 50-端用丝杠支承座I 12固定在底板上;载物台I 14、载物台II 27与滑块I 51固定,滑 块I 51与导轨I 49构成移动副,导轨I 49用螺钉刚性固定于底板45上;夹具I 2刚性固 定于连接板I 15上,并与力传感器I 3相连接,连接板I 15通过滑块II 48、导轨II 47连接 在载物台I 14上;夹具II 29刚性固定在载物台II 27上;测量板I 46刚性固定于载物台载 物台II 27上。
[0009] 所述的弯曲加载模块的驱动组件、传动组件、执行组件的装配关系为:直流伺服电 机II 37驱动由蜗杆II 39、蜗轮II 43组成的两级蜗轮蜗杆副II,两级涡轮蜗杆副II通过蜗轮 蜗杆轴II 42连接,蜗轮蜗杆轴II 42与轴承II 41相配合,轴承II 41安装在轴承座II 40上, 轴承座II 40与底板45相连;蜗轮蜗杆副I驱动滚珠丝杠 53,滚珠丝杠通过丝杠螺母II 54 带动载物台III 34,弯曲压头32随着载物台III 34运动,从而实现弯曲加载;所述直流伺服电 机II 37与电机法兰II 38相连,固定在底板45上;滚珠丝杠 53 -端通过丝杠支承座II 44 固定在底板上;载物台III 34通过滑块III 56、导轨III 55构成的移动副连接在底板45上;弯 曲压头和载物台III 34中间通过力传感器II 33连接。
[0010] 所述的拉伸加载模块和弯曲加载模块的位移信号和力信号精密检测组件包括力 传感器I、II 3、33、位移传感器I、II 13、36、传感器夹具I、II 16、35和直流伺服电机上的 霍尔传感器,所述力传感器I 3-端通过螺母I 6固定在载物台I 14上,另一端与夹具I 2 相连;力传感器II 33-端通过螺母II 57固定在载物台III34上,另一端与弯曲压头32连接; 位移传感器I 13安装在传感器夹具I 16上,传感器夹具I 16刚性固定在连接板上;位移 传感器II 36安装在传感器夹具II 35上,传感器夹具II 35刚性固定在载物III 34台上;位移 传感器I、II和力传感器I、II用以对复合载荷的位移信号和力信号进行精密检测,可以作 为直流伺服电机闭环控制的反馈源。
[0011] 所述的压痕加载模块的装配关系为:电动滑台17刚性固定于底板45上驱动压头 30进行宏观进给;压电扫描台19固定于载物台IV 18上驱动压头30进行微观精密压入;压 头30通过连接柱28与力传感器III 25,力传感器III 25固定在连接板II 20前端对力信号进 行精密检测;位移信号精密检测组件由手动平台21、悬臂板22、传感器夹具III 24、电容式位 移传感器23、测量板26、组成,所述的测量板II 26固定在力传感器III 25前;手动平台21固 定在载物台IV 18上对电容式位移传感器23进行微调,电容式位移传感器23通过传感器夹 具III 24固定在悬臂板22上对位移信号进行精密检测。
[0012] 所述的夹具I 2通过连接板I 15固定在滑块II 48上,避免夹具I 2和力传感器 I 3处于悬臂状态,增大刚度,避免了在进行弯曲加载时力传感器I 3受到侧向力而影响。
[0013] 本发明的另一目的在于提供一种拉伸-弯曲复合载荷原位纳米压痕测试方法,其 中,拉伸测试方法为:驱动直流伺服电机II 37和电动滑台17,使弯曲加载模块和压痕加载 距离拉伸加载模块适当远距离,将试件装在夹具I、II 2、29上,用压紧块1压紧,将装置置 于显微镜下,使试件中部位于成像区域中间;按预定转速启动直流伺服电机I 4对试件进 行加载,同时由力传感器I 3和位移传感器I 13对载荷和位移信号进行实时检测,得出载 荷-位移曲线,再结合胡克定律,得出材料的弹性模量E
[0014] E° - $
[0015] 式中〇和ε由载荷-位移曲线获得。
[0016] 弯曲测试方法为:将试件装在夹具I、II 2、29上,用压紧块1压紧,试件处于两端 夹紧的状态下;将装置置于显微镜下,使试件中部位于成像区域中间,按给定的转速启动弯 曲加载模块的直流伺服电机II 37对试件31进行加载,同时由力传感器II 33和位移传感器 II 36对载荷和位移信号进行实时检测,得出载荷-位移曲线;根据夹持与加载方式,试件的 弯曲加载测试可建模为三次超静定力学模型,试件的挠度
Figure CN105181500AD00071
[0018] 弯曲压头处X二I的挠度 2
Figure CN105181500AD00072
[0020] 由此得出两端固定时的三点弯曲弹性模量 CN 105181500 A ^ ΗΠ T> 4/8 贞
Figure CN105181500AD00081
[0022] 式中Ρ_为最大载荷,由力传感器II 33测得,L为试件标距,f_由位移传感器II 36 测得。
[0023] 压痕测试方法为:启动直流伺服电机I 4调整夹具I、II 2、29到适当位置,装紧试 件31,将装置置于显微镜下,使试件中部位于成像区域中间;驱动精密电动滑台17对压头 30进行宏观调整,使压头30距离试件5~10um,然后用压电扫描台驱动压头30进行微观 精密压入/压出,同时对压入位移信号和载荷信号进行实时采集,获取载荷-深度曲线;由 相关接触力学的知识,试件材料的接触刚度可表示为:
Figure CN105181500AD00082
[0025] 由Oliver-Pharr的理论,卸载部分的压入载荷-深度曲线近似满足以下幂函数关 系式:
[0026] P = a (h-hf)m
[0027] 结合上述两式
[0028] S = a m (hnax-hf)
[0029] 试件材料的压痕硬度可表示为:
Figure CN105181500AD00083
[0031] 式中式中P为压入载荷,h为压入深度,α和m为拟合参数,A为试件与材料的接 触面积。
[0032] 本发明的有益效果在于:与现有技术相比,本发明的原位纳米压痕测试可以基于 预拉应力和预弯曲应力下,且预拉应力和预弯曲应力可以连续变化,由此可以研究在不同 预拉应力和预弯曲应力下材料的力学性能,揭示载荷作用与材料性能参数之间的关系;本 发明体积小、结构紧凑,可以与光学显微镜兼容,实时在线观察材料裂纹萌生、扩展和材料 失效断裂过程,深入研究材料的变形损伤机制;本发明可以实现特征尺寸毫米级以上的三 维试件的原位测试,更为精准的测试材料的弹性模量、硬度、强度极限等力学参量;本发明 可以对金属材料、半导体材料、光电材料、生物材料等多种固体材料进行测试。综上,本发明 适应材料测试技术的发展要求,具有广阔的市场前景。
附图说明
[0033] 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。
[0034] 图1为本发明的整体外观结构示意图;
[0035] 图2为本发明的俯视示意图;
[0036] 图3为本发明的正视示意图;
[0037] 图4、图5为本发明的拉伸加载模块示意图;
[0038] 图6为本发明的弯曲加载模块示意图;
[0039] 图7为本发明的压痕加载模块示意图;
[0040] 图8为拉伸预加载条件下的压痕测试原理示意图;
[0041] 图9为弯曲预加载条件下的压痕测试原理示意图;
[0042] 图10为拉伸-弯曲复合载荷预加载条件下的压痕测试原理示意图。
[0043] 图中:1、压紧块;2、夹具I ;3、力传感器I ;4、直流伺服电机I ;5、电机法兰I ; 6、螺母I ;7、蜗杆I ;8、蜗轮I ;9、轴承座I ;10、轴承I ;11、蜗轮蜗杆轴I ;12、丝杠支 承座I ;13、位移传感器I ;14、载物台I ;15、连接板I ;16、传感器夹具I ;17、电动滑台; 18、载物台IV ;19、压电扫描台;20、连接板II ;21、手动平台;22、悬臂板;23、电容式位移传 感器;24、传感器夹具III ;25、力传感器III ;26、测量板II ;27、载物台II ;28、连接柱;29、夹 具II ;30、压头;31、试件;32、弯曲压头;33、力传感器II ;34、载物台III ;35、传感器夹具II ; 36、位移传感器II ;37、直流伺服电机II ;38、电机法兰II ;39、蜗杆II ;40、轴承座II ;41、轴 承II ;42、蜗轮蜗杆轴II ;43、蜗轮II ;44、丝杠支承座II ;45、底板;46、测量板I ;47、导轨 11;48、滑块11;49、导轨I ;50、双向滚珠丝杠;51、滑块I ;52、丝杠螺母I ;53、滚珠丝杠; 54、丝杠螺母II ; 55、导轨III ; 56、滑块III ;57螺母II。
具体实施方式
[0044] 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。
[0045] 参见图1至图10,本发明的拉伸-弯曲复合载荷预加载条件下的原位纳米压痕 测试装置,在测试过程中先通过特定的加载单元使被测试件材料受到特定的拉伸、弯曲、拉 伸-弯曲预应力,再对被测材料样品进行原位纳米压痕测试,以测定在相应预应力状态下 材料的压痕响应、硬度以及弹性模量等基本力学性能参数的动态变化情况及其与预加载荷 和材料性能间的相关性规律;所述装置亦可实现拉伸-弯曲-压痕三种形式载荷的单独加 载及拉伸-弯曲复合加载;所述装置的总体结构为十字分布,由拉伸加载模块、弯曲加载模 块和压痕加载模块三部分组成;拉伸加载模块置于中间,弯曲加载模块和压痕加载模块分 布于拉伸模块的两侧;拉伸加载模块、弯曲加载模块和压痕加载模块均由驱动组件、传动组 件、执行组件、位移信号和力信号精密检测组件组成。
[0046] 所述的拉伸加载模块、弯曲加载模块和压痕加载模块的加载力线处在同一平面, 可以有效降低仪器的高度,便于在显微镜下观察,增大了机架的刚度,减小了由于加载力线 和丝杜轴线不重合产生的倾覆力矩。本发明的总体外形尺寸为330mmX 180mmX75mm,可置 于金相显微镜等光学显微镜的载物平台上,实现原位观测。
[0047] 参见图4、图5所示,所述拉伸加载模块的驱动组件、传动组件、执行组件的装配关 系为:直流伺服电机I 4驱动由蜗杆I 7、蜗轮I 8组成的两级蜗轮蜗杆副I,两级涡轮蜗 杆副I通过蜗轮蜗杆轴I 11连接,蜗轮蜗杆轴I 11与轴承I 10相配合,轴承I 10安装在 轴承座I 9上,轴承座I 9与底板45相连;蜗轮蜗杆副I驱动双向滚珠丝杠50,双向滚珠 丝杠通过丝杠螺母I 52带动载物台I 14、载物台II 27,实现载物台I 14、载物台II 27的 相对反向运动。载物台I 14、载物台II 27分别带动夹具I 2、夹具II 29运动,实现对试件 31的拉伸加载。其中直流伺服电机I 4固定在电机法兰I 5上,电机法兰固定在底板45 上;双向滚珠丝杠一端用丝杠支承座I 12固定在底板上;载物台I 52、载物台II 27与滑块 I 51固定,滑块I 51与导轨I 49构成移动副,导轨I 49用螺钉刚性固定于底板45上;夹 具I 2刚性固定于连接板I 15上,并与力传感器I 3相连接,连接板I 15通过滑块II 48 导轨II 47连接在载物台I 14上;夹具II 29刚性固定在载物台II 27上。夹具I 2通过连 接板I 15固定在滑块II 48上,避免夹具I 2和力传感器I 3处于悬臂状态,增大刚度,避 免了在进行弯曲加载时力传感器I 3受到侧向力而影响;测量板I 46刚性固定于载物台载 物台II 27上。
[0048] 参见图6所示,所述弯曲加载模块的驱动组件、传动组件、执行组件的装配关系 为:直流伺服电机II 37驱动由蜗杆II 39、蜗轮II 43组成的两级蜗轮蜗杆副II,两级涡轮蜗 杆副II通过蜗轮蜗杆轴II 42连接,蜗轮蜗杆轴II 42与轴承II 41相配合,轴承II 41安装在 轴承座II 40上,轴承座II 40与底板45相连;蜗轮蜗杆副I驱动滚珠丝杠53,滚珠丝杠通 过丝杠螺母II 54带动载物台III34,弯曲压头32随着载物台III34运动,从而实现弯曲加载。 所述的直流伺服电机II 37与电机法兰II 38相连,固定在底板45上;滚珠丝杠一端通过丝 杠支承座II 44固定在底板上;载物台III 34通过滑块III 56、导轨III 55构成的移动副连接在 底板45上;弯曲压头和载物台III 34中间通过力传感器II 33连接。
[0049] 参见图4至图6所示,所述拉伸加载模块和弯曲加载模块的位移信号和力信号精 密检测组件包括力传感器I、II 3、33、位移传感器I、II 13、36、传感器夹具I、II 16、35和 直流伺服电机上的霍尔传感器。力传感器I 3-端用螺母6固定在载物台I 14上,另一端 与夹具I 2相连;力传感器II 33-端通过螺母II 57固定在载物台III 34连接一端与弯曲压 头32连接;位移传感器I 13装在传感器夹具I 16上,传感器夹具I 16刚性固定在连接板 上;位移传感器II 36装在传感器夹具II 35上,传感器夹具II 35刚性固定在载物III 34台 上。所述的位移传感器和力传感器用以对复合载荷的位移信号和力信号进行精密检测,可 以作为直流伺服电机闭环控制的反馈源。
[0050] 参见图7所示,所述压痕加载模块的装配关系为:电动滑台17刚性固定于底板45 上驱动压头29进行宏观进给;压电扫描台19固定于载物台IV 18上驱动压头30进行微观 精密压入;连接柱28连接压头30和力传感器III 25 ;力传感器III 25固定在连接板II 20前 端对力信号进行精密检测;位移信号精密检测组件由手动平台21、悬臂板22、传感器夹具 III24、电容式位移传感器23、测量板26、组成,所述的测量板26固定在力传感器III25前;手 动平台21固定在载物台IV 18上对电容式位移传感器23进行微调;电容式位移传感器23 通过传感器夹具III 24固定在悬臂板22上对位移信号进行精密检测。压痕加载模块和弯曲 加载模块对称分布在拉伸加载模块两侧,压痕加载模块的压头30在压入时,弯曲压头32置 于试件31背面与试件31相切,起辅助支承作用。
[0051] 在投入使用前,需要对本发明中的力传感器和位移传感器进行标定测试,并利用 激光测微仪对在一定载荷作用下力传感器的弹性变形值进行测试,便于对载荷作用下试件 的变形进行校正计算。
[0052] 本发明的拉伸-弯曲复合载荷预加载条件下的原位纳米压痕测试方法中,拉伸测 试方法为:驱动直流伺服电机II 37和电动滑台17,使弯曲加载模块和压痕加载距离拉伸加 载模块适当远距离,将试件装在夹具I、II 2、29上,用压紧块1压紧,将装置置于显微镜下, 使试件中部位于成像区域中间。按预定转速启动直流伺服电机I 4对试件进行加载,同时 由力传感器I 3和位移传感器I 13对载荷和位移信号进行实时检测,得出载荷-位移曲 线,再结合胡克定律,可得出材料的弹性模量E
[0053] E'=- S
[0054] 式中〇和ε可由载荷-位移曲线获得。
[0055] 弯曲测试方法为:将试件装在夹具I 2、II 29上,用压紧块1压紧,试件处于两端 夹紧的状态下。驱动弯曲加载模块的直流伺服电机II 37对试件31进行加载,同时由力传 感器II 33和位移传感器II 36对载荷和位移信号进行实时检测,得出载荷-位移曲线。根 据夹持与加载方式,试件的弯曲加载测试可建模为三次超静定力学模型,试件的挠度
Figure CN105181500AD00111
[0057] 弯曲压头处.V = 4的挠度 Jm!·
Figure CN105181500AD00112
[0059] 由此得出两端固定时的三点弯曲弹性模量
Figure CN105181500AD00113
[0061] 式中Pniax为最大载荷,可由力传感器II 33测得,L为试件标距,f _可由位移传感 器II 36测得。
[0062] 压痕测试方法为:启动直流伺服电机I 4将夹具I、II 2、29调整到适当位置,装紧 试件31,将装置置于显微镜下,使试件中部位于成像区域中间。驱动精密电动滑台17对压 头30进行宏观调整,使压头30距离试件5~10um,然后用压电扫描台驱动压头30进行微 观精密压入/压出,同时对压入位移信号和载荷信号进行实时采集,获取载荷-深度曲线。 由相关接触力学的知识,试件材料的接触刚度可表示为
Figure CN105181500AD00114
[0064] 由Oliver-Pharr的理论,卸载部分的压入载荷-深度曲线近似满足以下幂函数关 系式
[0065] P = a (h-hf)m
[0066] 结合上述两式
[0067] S= am(hnaxhf)ml
[0068] 试件材料的压痕硬度可表示为
Figure CN105181500AD00115
[0070] 式中式中P为压入载荷,h为压入深度,α和m为拟合参数,A试件与材料的接触 面积。
[0071] 参见图1至图10所示,基于预拉应力和预弯曲应力下的原位纳米压痕测试的工作 过程如下:准备工作:将试件31装夹在夹具I 2、II 29上并压紧,驱动直流伺服电机II 37, 使弯曲压头接近试件表面,然后将装置置于于显微镜下,把需要观测的部位调到成像区域 中间。预加载:先后通过弯曲加载模块、拉伸加载模块对试件31进行弯曲、拉伸加载,同时 对位移、载荷型号进行实时采集,获取载荷-位移曲线,载荷达到预定值时停止加载。
[0072] 原位压痕测试:驱动精密电动滑台17对压头30进行宏观调整,使压头30距离试 件5~10um,然后用压电扫描台驱动压头进行微观精密压入/压出,同时对压入位移信号和 载荷信号进行实时采集,获取载荷-深度曲线。
[0073] 更换试件,设定不同预载荷值,然后进行原位压痕测试,过程同上。
[0074] 由相关接触力学的知识,试件材料的接触刚度可表示为:
Figure CN105181500AD00121
[0076] 式中P为压入载荷,h为压入深度。
[0077] 由Oliver-Pharr的理论,卸载部分的压入载荷-深度曲线近似满足以下幂函数关 系式:
[0078] P=a (h-hf)m (2)
[0079] 式中α和m为拟合参数。
[0080] 将(2)式代入⑴式得
[0081] S= am(hmax_hf)ml (3)
[0082] 接触刚度也可表示为:
Figure CN105181500AD00122
[0084] 式中β为与压头形状有关的常数,民为折合模量,A试件与材料的接触面积。
[0085] Er可由以下关系式给出
Figure CN105181500AD00123
[0087] 式中E为试件材料的弹性模量,E1为压头材料的弹性模量;V为试件材料的泊松 比,V1S压头材料的泊松比。
[0088] 试件材料的压痕硬度可表示为
Figure CN105181500AD00124
[0090] 根据以上理论,利用所测数据与曲线,可计算出试件材料的接触刚度、硬度、弹性 模量等力学参数,分析材料力学性能随预载荷变化的规律。
[0091] 在测试的过程中,可以利用显微镜实时观察、记录材料的裂纹萌生、扩展及变形损 伤的情况,升入研究材料的变形损伤机制。
[0092] 同理,利用不同加载模块进行不同顺序的加载可以实现拉伸、弯曲、纳米压痕三种 载荷的单独加载测试、两两复合加载测试。
[0093] 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 (9)

1. 一种拉伸-弯曲复合载荷原位纳米压痕测试装置,其特征在于:总体结构为十字分 布,由拉伸加载模块、弯曲加载模块和压痕加载模块三部分组成;拉伸加载模块置于中间, 弯曲加载模块和压痕加载模块分布于拉伸模块的两侧;拉伸加载模块、弯曲加载模块和压 痕加载模块均由驱动组件、传动组件、执行组件、位移信号和力信号精密检测组件组成;所 述拉伸加载模块、弯曲加载模块和压痕加载模块的加载力线处在同一平面;压痕加载模块 和弯曲加载模块对称分布在拉伸加载模块两侧,压痕加载模块的压头(30)在压入时,弯曲 压头(32)置于试件(31)背面与试件(31)相切,起辅助支承作用。
2. 根据权利要求1所述的拉伸-弯曲复合载荷原位纳米压痕测试装置,其特征在于: 所述的拉伸加载模块的驱动组件、传动组件、执行组件的装配关系为:直流伺服电机I (4) 驱动由蜗杆I (7)、蜗轮I (8)组成的两级蜗轮蜗杆副I,两级涡轮蜗杆副I通过蜗轮蜗 杆轴I (11)连接,蜗轮蜗杆轴I (11)与轴承I (10)相配合,轴承I (10)安装在轴承座 I (9)上,轴承座I (9)与底板(45)相连;蜗轮蜗杆副I驱动双向滚珠丝杠(50),双向滚珠 丝杠通过丝杠螺母I (52)带动载物台I (14)、载物台II (27),实现载物台I (14)、载物台 II (27)的相对反向运动;载物台I (14)、载物台II (27)分别带动夹具I (2)、夹具II (29) 运动,实现对试件(31)的拉伸加载;其中直流伺服电机I (4)固定在电机法兰I (5)上,电 机法兰I (5)固定在底板(45)上;双向滚珠丝杠(50) -端用丝杠支承座I (12)固定在底 板上;载物台I (14)、载物台II (27)与滑块I (51)固定,滑块I (51)与导轨I (49)构成 移动副,导轨I (49)用螺钉刚性固定于底板(45)上;夹具I (2)刚性固定于连接板I (15) 上,并与力传感器I (3)相连接,连接板I (15)通过滑块II (48)、导轨II (47)连接在载物 台I (14)上;夹具II (29)刚性固定在载物台II (27)上;测量板I (46)刚性固定于载物台 载物台II (27)上。
3. 根据权利要求1所述的拉伸-弯曲复合载荷原位纳米压痕测试装置,其特征在 于:所述的弯曲加载模块的驱动组件、传动组件、执行组件的装配关系为:直流伺服电机 II (37)驱动由蜗杆II (39)、蜗轮II (43)组成的两级蜗轮蜗杆副II,两级涡轮蜗杆副II通过 蜗轮蜗杆轴II (42)连接,蜗轮蜗杆轴II (42)与轴承II (41)相配合,轴承II (41)安装在轴 承座II (40)上,轴承座II (40)与底板(45)相连;蜗轮蜗杆副I驱动滚珠丝杠(53),滚珠丝 杠通过丝杠螺母II (54)带动载物台III (34),弯曲压头(32)随着载物台III (34)运动,从而 实现弯曲加载;所述直流伺服电机II (37)与电机法兰II (38)相连,固定在底板(45)上;滚 珠丝杠(53) -端通过丝杠支承座II (44)固定在底板上;载物台III (34)通过滑块III (56)、 导轨III (55)构成的移动副连接在底板(45)上;弯曲压头和载物台III (34)中间通过力传感 器II (33)连接。
4. 根据权利要求1所述的拉伸-弯曲复合载荷原位纳米压痕测试装置,其特征在于: 所述的拉伸加载模块和弯曲加载模块的位移信号和力信号精密检测组件包括力传感器I、 II (3、33)、位移传感器I、II (13、36)、传感器夹具I、II (16、35)和直流伺服电机上的霍尔 传感器,所述力传感器I (3) -端通过螺母I (6)固定在载物台I (14)上,另一端与夹具 I (2)相连;力传感器II (33) -端通过螺母II (57)固定在载物台III (34)连接,另一端与弯 曲压头(32)连接;位移传感器I (13)安装在传感器夹具I (16)上,传感器夹具I (16)刚 性固定在连接板上;位移传感器II (36)安装在传感器夹具II (35)上,传感器夹具II (35) 刚性固定在载物III (34)台上;位移传感器I、II和力传感器I、II用以对复合载荷的位移 信号和力信号进行精密检测,可以作为直流伺服电机闭环控制的反馈源。
5. 根据权利要求1所述的拉伸-弯曲复合载荷原位纳米压痕测试装置,其特征在于: 所述的压痕加载模块的装配关系为:电动滑台(17)刚性固定于底板(45)上驱动压头(30) 进行宏观进给;压电扫描台(19)固定于载物台IV (18)上驱动压头(30)进行微观精密压 入;压头(30)通过连接柱(28)与力传感器III (25),力传感器III (25)固定在连接板II (20) 前端对力信号进行精密检测;位移信号精密检测组件由手动平台(21)、悬臂板(22)、传感 器夹具III (24)、电容式位移传感器(23)、测量板(26)、组成,所述的测量板II (26)固定在力 传感器III (25)前;手动平台(21)固定在载物台IV (18)上对电容式位移传感器(23)进行 微调,电容式位移传感器(23)通过传感器夹具III (24)固定在悬臂板(22)上对位移信号进 行精密检测。
6. 根据权利要求1所述的拉伸-弯曲复合载荷原位纳米压痕测试装置,其特征在于: 所述的夹具I (2)通过连接板I (15)固定在滑块II (48)上,避免夹具I (2)和力传感器 I (3)处于悬臂状态,增大刚度,避免了在进行弯曲加载时力传感器I (3)受到侧向力而影 响。
7. -种拉伸-弯曲复合载荷原位纳米压痕测试方法,其特征在于:拉伸测试方法为:驱 动直流伺服电机II (37)和电动滑台(17),使弯曲加载模块和压痕加载距离拉伸加载模块 远距离,将试件装在夹具I、II (2、29)上,用压紧块(1)压紧,将装置置于显微镜下,使试件 中部位于成像区域中间;按预定转速启动直流伺服电机I (4)对试件进行加载,同时由力 传感器I (3)和位移传感器I (13)对载荷和位移信号进行实时检测,得出载荷-位移曲 线,再结合胡克定律,得出材料的弹性模量E
Figure CN105181500AC00031
式中σ和ε由载荷-位移曲线获得。
8. 根据权利要求7所述的拉伸-弯曲复合载荷原位纳米压痕测试方法,其特征在于: 弯曲测试方法为:将试件装在夹具I、II (2、29)上,用压紧块(1)压紧,试件处于两端夹紧 的状态下;将装置置于显微镜下,使试件中部位于成像区域中间,按给定的转速启动弯曲加 载模块的直流伺服电机II (37)对试件(31)进行加载,同时由力传感器II (33)和位移传感 器II (36)对载荷和位移信号进行实时检测,得出载荷-位移曲线;根据夹持与加载方式,试 件的弯曲加载测试可建模为三次超静定力学模型,试件的挠度
Figure CN105181500AC00032
弯曲压头划
Figure CN105181500AC00033
的挠度
Figure CN105181500AC00034
由此得出两端固定时的三点弯曲弹性模量
Figure CN105181500AC00035
式中口_为最大载荷,由力传感器π (33)测得,L为试件标距,f_由位移传感器II (36) 测得。
9.根据权利要求7所述的拉伸-弯曲复合载荷原位纳米压痕测试方法,其特征在于: 压痕测试方法为:启动直流伺服电机I (4)调整夹具I、II (2、29),装紧试件(31),将装置 置于显微镜下,使试件中部位于成像区域中间;驱动精密电动滑台(17)对压头(30)进行宏 观调整,使压头(30)距离试件5~10um,然后用压电扫描台驱动压头(30)进行微观精密压 入/压出,同时对压入位移信号和载荷信号进行实时采集,获取载荷-深度曲线;由接触力 学的知识,试件材料的接触刚度可表示为:
Figure CN105181500AC00041
由Oliver-Pharr的理论,卸载部分的压入载荷-深度曲线满足以下幂函数关系式: P = a (h-hf)m 结合上述两式 S=a m(hnax-hf)m 1 试件材料的压痕硬度可表示为:
Figure CN105181500AC00042
式中式中P为压入载荷,h为压入深度,α和m为拟合参数,A为试件与材料的接触面 积。
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105571956A (zh) * 2016-01-05 2016-05-11 郑州大学 一种测量生物软组织力学性能的剪切装置
CN105973694A (zh) * 2016-07-25 2016-09-28 长春工业大学 拉伸-四点弯曲预载荷下纳米压痕测试装置
CN107490514A (zh) * 2017-09-27 2017-12-19 长春工业大学 拉伸和弯曲预载荷下压痕测试装置的机架柔度分析方法
CN108414355A (zh) * 2018-02-11 2018-08-17 天津大学 一种具有位置锁定功能的薄膜拉伸加载单元
CN108444809A (zh) * 2018-02-11 2018-08-24 天津大学 一种薄膜测试加载单元
CN108444822A (zh) * 2018-02-11 2018-08-24 天津大学 一种薄膜扭转拉伸加载单元
CN109470564A (zh) * 2018-11-28 2019-03-15 南京航空航天大学 夹持段打滑后复合材料拉伸试验夹紧力测试装置及测试方法
CN110646289A (zh) * 2019-10-22 2020-01-03 成都西交轨道交通技术服务有限公司 一种道钉拉伸、冷弯试验装置及监测系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100036636A1 (en) * 2008-07-03 2010-02-11 Hysitron Incorporated Digital damping control of nanomechanical test instruments
CN103308404A (zh) * 2013-06-14 2013-09-18 吉林大学 基于可调式拉伸-弯曲预载荷的原位纳米压痕测试仪
CN103335898A (zh) * 2013-06-03 2013-10-02 吉林大学 拉伸-剪切复合加载模式下材料微观力学性能原位测试装置
CN205015236U (zh) * 2015-09-15 2016-02-03 吉林大学 拉伸-弯曲复合载荷原位纳米压痕测试装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100036636A1 (en) * 2008-07-03 2010-02-11 Hysitron Incorporated Digital damping control of nanomechanical test instruments
CN103335898A (zh) * 2013-06-03 2013-10-02 吉林大学 拉伸-剪切复合加载模式下材料微观力学性能原位测试装置
CN103308404A (zh) * 2013-06-14 2013-09-18 吉林大学 基于可调式拉伸-弯曲预载荷的原位纳米压痕测试仪
CN205015236U (zh) * 2015-09-15 2016-02-03 吉林大学 拉伸-弯曲复合载荷原位纳米压痕测试装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
袁英堃: "基于可调式拉伸_弯曲预载荷的原位纳米压痕测试系统研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库(电子期刊)》 *

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105571956A (zh) * 2016-01-05 2016-05-11 郑州大学 一种测量生物软组织力学性能的剪切装置
CN105973694A (zh) * 2016-07-25 2016-09-28 长春工业大学 拉伸-四点弯曲预载荷下纳米压痕测试装置
CN107490514A (zh) * 2017-09-27 2017-12-19 长春工业大学 拉伸和弯曲预载荷下压痕测试装置的机架柔度分析方法
CN108414355A (zh) * 2018-02-11 2018-08-17 天津大学 一种具有位置锁定功能的薄膜拉伸加载单元
CN108444809A (zh) * 2018-02-11 2018-08-24 天津大学 一种薄膜测试加载单元
CN108444822A (zh) * 2018-02-11 2018-08-24 天津大学 一种薄膜扭转拉伸加载单元
CN108444809B (zh) * 2018-02-11 2020-12-18 天津大学 一种薄膜测试加载单元
CN108414355B (zh) * 2018-02-11 2021-03-23 天津大学 一种具有位置锁定功能的薄膜拉伸加载单元
CN109470564A (zh) * 2018-11-28 2019-03-15 南京航空航天大学 夹持段打滑后复合材料拉伸试验夹紧力测试装置及测试方法
CN109470564B (zh) * 2018-11-28 2021-08-06 南京航空航天大学 夹持段打滑后复合材料拉伸试验夹紧力测试装置及测试方法
CN110646289A (zh) * 2019-10-22 2020-01-03 成都西交轨道交通技术服务有限公司 一种道钉拉伸、冷弯试验装置及监测系统
CN110646289B (zh) * 2019-10-22 2021-03-16 成都西交轨道交通技术服务有限公司 一种道钉拉伸、冷弯试验装置及监测系统

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