CN105181500B - 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

Info

Publication number
CN105181500B
CN105181500B CN201510585343.3A CN201510585343A CN105181500B CN 105181500 B CN105181500 B CN 105181500B CN 201510585343 A CN201510585343 A CN 201510585343A CN 105181500 B CN105181500 B CN 105181500B
Authority
CN
China
Prior art keywords
bending
module
load
test
objective
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201510585343.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105181500A (zh
Inventor
赵宏伟
李莉佳
肖慧琼
徐海龙
杜宪成
关键
于洋
于淼
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jilin University
Original Assignee
Jilin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jilin University filed Critical Jilin University
Priority to CN201510585343.3A priority Critical patent/CN105181500B/zh
Publication of CN105181500A publication Critical patent/CN105181500A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105181500B publication Critical patent/CN105181500B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

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
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
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。
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。
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
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。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现:
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。
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Ⅰ4驱动由蜗杆Ⅰ7、蜗轮Ⅰ8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Ⅰ11连接,蜗轮蜗杆轴Ⅰ11与轴承Ⅰ10相配合,轴承Ⅰ10安装在轴承座Ⅰ9上,轴承座Ⅰ9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Ⅰ52带动载物台Ⅰ14、载物台Ⅱ27,实现载物台Ⅰ14、载物台Ⅱ27的相对反向运动;载物台Ⅰ14、载物台Ⅱ27分别带动夹具Ⅰ2、夹具Ⅱ29运动,实现对试件31的拉伸加载;其中直流伺服电机Ⅰ4固定在电机法兰Ⅰ5上,电机法兰Ⅰ5固定在底板45上;双向滚珠丝杠50一端用丝杠支承座Ⅰ12固定在底板上;载物台Ⅰ14、载物台Ⅱ27与滑块Ⅰ51固定,滑块Ⅰ51与导轨Ⅰ49构成移动副,导轨Ⅰ49用螺钉刚性固定于底板45上;夹具Ⅰ2刚性固定于连接板Ⅰ15上,并与力传感器Ⅰ3相连接,连接板Ⅰ15通过滑块Ⅱ48、导轨Ⅱ47连接在载物台Ⅰ14上;夹具Ⅱ29刚性固定在载物台Ⅱ27上;测量板Ⅰ46刚性固定于载物台载物台Ⅱ27上。
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Ⅱ37驱动由蜗杆Ⅱ39、蜗轮Ⅱ43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Ⅱ42连接,蜗轮蜗杆轴Ⅱ42与轴承Ⅱ41相配合,轴承Ⅱ41安装在轴承座Ⅱ40上,轴承座Ⅱ40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Ⅱ54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;所述直流伺服电机Ⅱ37与电机法兰Ⅱ38相连,固定在底板45上;滚珠丝杠53一端通过丝杠支承座Ⅱ44固定在底板上;载物台Ⅲ34通过滑块Ⅲ56、导轨Ⅲ55构成的移动副连接在底板45上;弯曲压头和载物台Ⅲ34中间通过力传感器Ⅱ33连接。
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、Ⅱ3、33、位移传感器Ⅰ、Ⅱ13、36、传感器夹具Ⅰ、Ⅱ16、35和直流伺服电机上的霍尔传感器,所述力传感器Ⅰ3一端通过螺母Ⅰ6固定在载物台Ⅰ14上,另一端与夹具Ⅰ2相连;力传感器Ⅱ33一端通过螺母Ⅱ57固定在载物台Ⅲ34上,另一端与弯曲压头32连接;位移传感器Ⅰ13安装在传感器夹具Ⅰ16上,传感器夹具Ⅰ16刚性固定在连接板上;位移传感器Ⅱ36安装在传感器夹具Ⅱ35上,传感器夹具Ⅱ35刚性固定在载物Ⅲ34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。
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Ⅳ18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Ⅲ25,力传感器Ⅲ25固定在连接板Ⅱ20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Ⅱ26固定在力传感器Ⅲ25前;手动平台21固定在载物台Ⅳ18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Ⅲ24固定在悬臂板22上对位移信号进行精密检测。
所述的夹具Ⅰ2通过连接板Ⅰ15固定在滑块Ⅱ48上,避免夹具Ⅰ2和力传感器Ⅰ3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Ⅰ3受到侧向力而影响。
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Ⅱ37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、Ⅱ2、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Ⅰ4对试件进行加载,同时由力传感器Ⅰ3和位移传感器Ⅰ13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
式中σ和ε由载荷-位移曲线获得。
弯曲测试方法为:将试件装在夹具Ⅰ、Ⅱ2、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Ⅱ37对试件31进行加载,同时由力传感器Ⅱ33和位移传感器Ⅱ36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
弯曲压头处的挠度
由此得出两端固定时的三点弯曲弹性模量
式中Pmax为最大载荷,由力传感器Ⅱ33测得,L为试件标距,fmax由位移传感器Ⅱ36测得。
压痕测试方法为:启动直流伺服电机Ⅰ4调整夹具Ⅰ、Ⅱ2、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:
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:
P=α(h-hf)m
结合上述两式
S=αm(hmax-hf)m-1
试件材料的压痕硬度可表示为:
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。
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
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为本发明的正视示意图;
图4、图5为本发明的拉伸加载模块示意图;
图6为本发明的弯曲加载模块示意图;
图7为本发明的压痕加载模块示意图;
图8为拉伸预加载条件下的压痕测试原理示意图;
图9为弯曲预加载条件下的压痕测试原理示意图;
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。
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Ⅱ;48、滑块Ⅱ;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
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。
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杠轴线不重合产生的倾覆力矩。本发明的总体外形尺寸为330mm×180mm×75mm,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。
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Ⅰ4驱动由蜗杆Ⅰ7、蜗轮Ⅰ8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Ⅰ11连接,蜗轮蜗杆轴Ⅰ11与轴承Ⅰ10相配合,轴承Ⅰ10安装在轴承座Ⅰ9上,轴承座Ⅰ9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Ⅰ52带动载物台Ⅰ14、载物台Ⅱ27,实现载物台Ⅰ14、载物台Ⅱ27的相对反向运动。载物台Ⅰ14、载物台Ⅱ27分别带动夹具Ⅰ2、夹具Ⅱ29运动,实现对试件31的拉伸加载。其中直流伺服电机Ⅰ4固定在电机法兰Ⅰ5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Ⅰ12固定在底板上;载物台Ⅰ52、载物台Ⅱ27与滑块Ⅰ51固定,滑块Ⅰ51与导轨Ⅰ49构成移动副,导轨Ⅰ49用螺钉刚性固定于底板45上;夹具Ⅰ2刚性固定于连接板Ⅰ15上,并与力传感器Ⅰ3相连接,连接板Ⅰ15通过滑块Ⅱ48导轨Ⅱ47连接在载物台Ⅰ14上;夹具Ⅱ29刚性固定在载物台Ⅱ27上。夹具Ⅰ2通过连接板Ⅰ15固定在滑块Ⅱ48上,避免夹具Ⅰ2和力传感器Ⅰ3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Ⅰ3受到侧向力而影响;测量板Ⅰ46刚性固定于载物台载物台Ⅱ27上。
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Ⅱ37驱动由蜗杆Ⅱ39、蜗轮Ⅱ43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Ⅱ42连接,蜗轮蜗杆轴Ⅱ42与轴承Ⅱ41相配合,轴承Ⅱ41安装在轴承座Ⅱ40上,轴承座Ⅱ40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Ⅱ54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Ⅱ37与电机法兰Ⅱ38相连,固定在底板45上;滚珠丝杠一端通过丝杠支承座Ⅱ44固定在底板上;载物台Ⅲ34通过滑块Ⅲ56、导轨Ⅲ55构成的移动副连接在底板45上;弯曲压头和载物台Ⅲ34中间通过力传感器Ⅱ33连接。
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、Ⅱ3、33、位移传感器Ⅰ、Ⅱ13、36、传感器夹具Ⅰ、Ⅱ16、35和直流伺服电机上的霍尔传感器。力传感器Ⅰ3一端用螺母6固定在载物台Ⅰ14上,另一端与夹具Ⅰ2相连;力传感器Ⅱ33一端通过螺母Ⅱ57固定在载物台Ⅲ34连接一端与弯曲压头32连接;位移传感器Ⅰ13装在传感器夹具Ⅰ16上,传感器夹具Ⅰ16刚性固定在连接板上;位移传感器Ⅱ36装在传感器夹具Ⅱ35上,传感器夹具Ⅱ35刚性固定在载物Ⅲ34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。
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Ⅳ18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Ⅲ25;力传感器Ⅲ25固定在连接板Ⅱ20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Ⅳ18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Ⅲ24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。
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。
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Ⅱ37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、Ⅱ2、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Ⅰ4对试件进行加载,同时由力传感器Ⅰ3和位移传感器Ⅰ13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
式中σ和ε可由载荷-位移曲线获得。
弯曲测试方法为:将试件装在夹具Ⅰ2、Ⅱ29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Ⅱ37对试件31进行加载,同时由力传感器Ⅱ33和位移传感器Ⅱ36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
弯曲压头处的挠度
由此得出两端固定时的三点弯曲弹性模量
式中Pmax为最大载荷,可由力传感器Ⅱ33测得,L为试件标距,fmax可由位移传感器Ⅱ36测得。
压痕测试方法为:启动直流伺服电机Ⅰ4将夹具Ⅰ、Ⅱ2、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
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
P=α(h-hf)m
结合上述两式
S=αm(hmax -hf)m-1
试件材料的压痕硬度可表示为
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。
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Ⅰ2、Ⅱ29上并压紧,驱动直流伺服电机Ⅱ37,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。
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。
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。
由相关接触力学的知识,试件材料的接触刚度可表示为:
式中P为压入载荷,h为压入深度。
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:
P=α(h-hf)m (2)
式中α和m为拟合参数。
将(2)式代入(1)式得
S=αm(hmax-hf)m-1 (3)
接触刚度也可表示为:
式中β为与压头形状有关的常数,Er为折合模量,A试件与材料的接触面积。
Er可由以下关系式给出
式中E为试件材料的弹性模量,Ei为压头材料的弹性模量;ν为试件材料的泊松比,νi为压头材料的泊松比。
试件材料的压痕硬度可表示为
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。
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。
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。
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加载模块的两侧;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,两级蜗轮蜗杆副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)一端用丝杠支承座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,两级蜗轮蜗杆副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Ⅱ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)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。
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(3)、力传感器Ⅱ(33)、位移传感器Ⅰ(13)、位移传感器Ⅱ(36)、传感器夹具Ⅰ(16)、传感器夹具Ⅱ(35)和直流伺服电机上的霍尔传感器,所述力传感器Ⅰ(3)一端通过螺母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)一端通过螺母Ⅱ(57)固定在载物台Ⅲ(34)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Ⅰ(15)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(13)、位移传感器Ⅱ(36)、力传感器Ⅰ(3)和力传感器Ⅱ(33)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)连接,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Ⅱ(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2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,在进行弯曲加载时避免了力传感器Ⅰ(3)受到侧向力的影响。
7.一种利用权利要求1-6中任意一项的装置进行拉伸-弯曲复合载荷原位纳米压痕测试的方法,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模块距离拉伸加载模块远距离,将试件装在夹具Ⅰ(2)、夹具Ⅱ(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
式中σ和ε由载荷-位移曲线获得;
弯曲测试方法为:将试件装在夹具Ⅰ(2)、夹具Ⅱ(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
弯曲压头处的挠度
由此得出两端固定时的三点弯曲弹性模量
式中Pmax为最大载荷,由力传感器Ⅱ(33)测得,L为试件标距,fmax由位移传感器Ⅱ(36)测得;
压痕测试方法为:启动直流伺服电机Ⅰ(4)调整夹具Ⅰ(2)、夹具Ⅱ(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5~10μm,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:
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=α(h-hf)m
结合上述两式
S=αm(hmax-hf)m-1
试件材料的压痕硬度可表示为:
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。
CN201510585343.3A 2015-09-15 2015-09-15 拉伸-弯曲复合载荷原位纳米压痕测试装置及方法 Active CN105181500B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510585343.3A CN105181500B (zh) 2015-09-15 2015-09-15 拉伸-弯曲复合载荷原位纳米压痕测试装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510585343.3A CN105181500B (zh) 2015-09-15 2015-09-15 拉伸-弯曲复合载荷原位纳米压痕测试装置及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105181500A CN105181500A (zh) 2015-12-23
CN105181500B true CN105181500B (zh) 2018-12-21

Family

ID=54903736

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510585343.3A Active CN105181500B (zh) 2015-09-15 2015-09-15 拉伸-弯曲复合载荷原位纳米压痕测试装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105181500B (zh)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105571956B (zh) * 2016-01-05 2018-05-29 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
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
CN108444822B (zh) * 2018-02-11 2021-01-01 天津大学 一种薄膜扭转拉伸加载单元
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
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

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2310831B1 (en) * 2008-07-03 2019-06-19 Bruker Nano, Inc. Digital damping control of nanomechanical test instruments

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
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;袁英堃;《中国优秀硕士学位论文全文数据库(电子期刊)》;20140915;C030-47 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN105181500A (zh) 2015-12-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105181500B (zh) 拉伸-弯曲复合载荷原位纳米压痕测试装置及方法
CN102359912B (zh) 基于准静态加载的扫描电镜下原位拉伸/压缩材料力学测试平台
CN103487315B (zh) 一种材料力学性能测试装置
CN103308404B (zh) 基于可调式拉伸-弯曲预载荷的原位纳米压痕测试仪
CN100405040C (zh) 扫描显微环境下薄膜拉伸加载装置及薄膜变形测量方法
CN2783316Y (zh) 一种涂层力学性能试验装置
CN102384875B (zh) 显微镜下拉压弯复合载荷模式材料力学性能测试装置
CN105973694A (zh) 拉伸-四点弯曲预载荷下纳米压痕测试装置
CN202256050U (zh) 基于准静态加载的扫描电镜下原位拉伸/压缩材料力学测试平台
CN103278386A (zh) 薄膜材料拉压疲劳动态加载测量系统
CN103335898B (zh) 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
CN101435811A (zh) 湿、热、力多场耦合下的老化测试方法及装置
CN204718885U (zh) 材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统
CN205981862U (zh) 拉伸‑四点弯曲预载荷下纳米压痕测试装置
CN105547858A (zh) 一种玻璃微通道弯曲力学性能的测量装置及测试方法
CN105067431B (zh) 拉伸‑剪切预载荷原位压痕测试装置及方法
CN106769452A (zh) 拉伸疲劳‑四点弯曲疲劳原位力学测试装置及其测试方法
CN105181436B (zh) 弯曲预载荷微纳米压痕力学性能测试方法与装置
CN205015236U (zh) 拉伸-弯曲复合载荷原位纳米压痕测试装置
CN101603819A (zh) 一种木材形变微观结构特征实时测量方法
CN101603820B (zh) 一种木材微观结构特征变化实时检测系统
CN204613051U (zh) 二维摩擦测试装置
WO2021179609A1 (zh) 植物微观力学检测装置及其检测方法
CN203337492U (zh) 基于可调式拉伸-弯曲预载荷的原位纳米压痕测试仪
CN203643278U (zh) 显微镜下的四点弯曲材料微观力学性能原位测试装置

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant