CN105223076B - 多载荷多物理场耦合服役条件下材料原位测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多载荷多物理场耦合服役条件下材料原位测试装置及方法，属于精密科学仪器领域。由精密六自由度复合载荷加载模块、精密扭转模块、精密压痕模块、夹具模块、控制模块组成，共同作用完成复合载荷多物理场耦合实验，并集成了数字散斑应变测量及红外热成像模块、显微镜观测模块，对复合载荷多物理场加载过程中材料变形行为、损伤机制现象进行原位观测及定量表征。优点在于：可实现复合载荷的加载，开展如“悬臂式纯弯曲、悬臂式拉伸/压缩‑扭转、悬臂式弯曲‑扭转”等新型加载方式。利用氮化硅陶瓷加热片、帕尔贴片、电流加载实现冷/热‑电等多物理场的模拟，为接近服役条件下材料微观力学性能测试提供重要的革新的试验测试方法。
Description
技术领域
本发明涉及精密科学仪器领域，特别涉及一种多载荷多物理场耦合服役条件下材料原位测试装置及方法。本发明除进行传统试验机的“拉伸/压缩-扭转-弯曲-压痕”几种试验外，还能够在复合载荷作用下，开展如“悬臂式纯弯曲、悬臂式拉伸/压缩-扭转、悬臂式弯曲-扭转、悬臂式拉伸/压缩-弯曲-扭转”等新型加载方式的试验。同时结合冷/热-电等多物理场的加载，实现多场多载荷的加载方式。并应用新型的测量方法-非接触式数字散斑测量技术，对试件在测试过程中的应变进行测量。
背景技术
制造业是国民经济的支柱产业，是国家创造力、竞争力和综合国力的体现。制造业水平的高低，不仅关系到人民的生产生活，还关系到国防、航空等领域的发展，更关系到国家的主权安全。有资料表明，在众多影响材料测试与检测水平的因素中，缺乏接近服役条件下的测试技术与仪器，是制约新材料开发和高端装备制造业发展的技术瓶颈。因此开发一款接近服役条件的材料测试仪器，将会对材料在复合载荷多物理场加载过程中材料变形行为、损伤机制予以合理的解释说明，对一些由于材料破坏产生的损失进行提前预防。其产生的经济与社会效益不可估量。
在现有的研究水平下，针对单一载荷的材料测试理论方法及仪器设备均已比较成熟。但是这些仪器设备只是施加单一载荷作用去评价材料的力学性能，并不能真实的反映出材料实际受力状态，在实际的生产生活中，材料一般受复合载荷、多物理场的叠加作用，其表现出的力学性能较施加单一载荷要复杂的多。因此，测试仪器功能单一严重制约了材料微观测试技术的发展，开发一款复合载荷多物理场耦合材料微观性能原位测试装置显得尤为必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多载荷多物理场耦合服役条件下材料原位测试装置及方法，解决现有测试技术不能实现复合载荷加载的问题。本发明除可进行传统试验机的“拉伸/压缩-扭转-弯曲-压痕”几种试验外，还能够在复合载荷作用下，开展 “悬臂式纯弯曲、悬臂式拉伸/压缩-扭转、悬臂式弯曲-扭转、悬臂式拉伸/压缩-弯曲-扭转”等新型加载方式的试验。同时结合冷-热-电等多物理场的加载，实现多场多载荷的加载方式。应用新型的测量方式-非接触式数字散斑测量技术，对试件在测试过程中的应变进行测量。为研究接近服役条件下材料的微观组织形貌和宏观力学性能之间的内在联系提供了重要的测试方法。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
多载荷多物理场耦合服役条件下材料原位测试装置，装置整体采用三柱立式非对称布置，包括支撑框架模块1、隔震平台2、精密六自由度复合载荷加载模块3、精密扭转模块4、夹具及电热耦合模块5、数字散斑应变测量及红外热成像模块6、原位观测模块7、精密压痕模块8及圆周定位模块9，所述精密六自由度复合载荷加载模块3通过定平台15与支撑框架模块1相连，并由六个电动缸14的协调作用实现试件的拉/压、弯曲载荷加载；精密扭转模块4设置在精密六自由度复合载荷加载模块3的动平台10上；夹具及电热耦合模块5通过法兰与精密扭转模块4连接；数字散斑应变测量及红外热成像模块6通过可调节支座87设置在隔震平台2上；原位观测模块7及精密压痕模块8设置在圆周定位模块9上，实现对试件可旋转的原位观测。
所述的精密六自由度复合载荷加载模块3包括动平台10、虎克铰11、电机12、减速机13、电动缸14及定平台15，所述定平台15与支撑框架模块1固定连接，电动缸14一端通过虎克铰11与动平台10连接，另一端与定平台15连接，电机12、减速机13分别连接在定平台15上，在六个电动缸14的协同作用下，实现在空间六个自由度方向的灵活运动。
所述的精密扭转模块4由直流伺服驱动电机20及行星齿轮减速器21实现扭转进给，推力轴承a23、推力轴承b24安装在花键轴19上，抵消在拉伸/压缩加载时对直流伺服驱动电机20及行星齿轮减速器21产生的轴向载荷；花键轴19通过花键将扭矩传递到法兰25；花键轴19的轴端采用螺栓与法兰25连接，传递轴向拉/压力。
所述的夹具及电热耦合模块5通过两个双头螺柱34与六维力传感器26连接，试件的夹紧是通过旋紧预紧螺栓30，产生一个向下的压力压紧盖板31、挡板a29，利用摩擦力以及夹具中与试件形状相匹配的凹槽压紧试件。
所述的夹具及电热耦合模块5集成了夹具与冷、热、电多物理场加载功能，热场的加载通过给预置在夹具中的氮化硅陶瓷加热片32通电，实现热场加载；冷场的加载是通过将氮化硅陶瓷加热片32更换为帕尔贴贴片，并进行通电来实现制冷；电场的加载通过将导线接在电缆铜鼻41上，通过电流加载方式来实现。
所述的数字散斑应变测量及红外热成像模块6是：数字散斑测量头86通过可调节支座87设置在隔震平台2上，红外热成像仪84固定在支座c85上，支座c85固定在可调节支座87上；可调节支座87相对于试件28的位置可以调整，满足数字散斑测量头86工作所需参数要求。
所述的原位观测模块7整体固定在观测平台70上，观测平台70绕着试件28做圆周转动，其驱动方式为：伺服电机b68、减速器69带动滚轮71转动，滚轮71与圆形齿圈67啮合，实现圆周进给，整个观测平台70固定在滑块d83上，进而实现圆周运动。
原位观测模块7分别由步进电机79、伺服电机77实现绕圆形齿圈67的径向以及轴向的快速进给，将显微镜72快速移动到观测区域内，再由显微镜72自动对焦，调整好焦距后观测。
所述的精密压痕模块8与圆周定位模块9固定，精密压痕模块8作用时，先由两个滚珠丝杠传动单元绕圆形齿圈67的径向以及轴向完成快速进给；定位完成后，再由压电陶瓷49驱动柔性铰链48产生向前位移，将压头56压入试件。
本发明的另一目的在于提供一种多载荷多物理场耦合服役条件下材料原位测试方法，具体步骤如下：
步骤一：试件28承受的拉伸/压缩载荷通过精密六自由度复合载荷加载模块3来实现，由连接在定平台15上的电机12、减速机13来驱动电动缸14伸长或缩短，并将载荷由动平台10传递给精密扭转模块4，再由精密扭转模块4传递给夹具及电热耦合模块5，实现对试件28的拉伸/压缩载荷加载；
步骤二：试件28承受的扭转载荷通过精密扭转模块4来实现，直流伺服驱动电机20及行星齿轮减速器21驱动花键轴19旋转，花键轴19带动传感器法兰16、法兰25及六维力传感器26旋转，进而使上端的夹具及电热耦合模块5旋转；由于下端的夹具及电热耦合模块5固定，因此实现了对试件28的扭转载荷加载；
步骤三：试件28承受的悬臂弯曲载荷通过精密六自由度复合载荷加载模块3来实现，由连接在定平台15上的电机12、减速机13来驱动六根电动缸14实现不同程度的伸长或缩短，并将载荷由动平台10传递给精密扭转模块4，再由精密扭转模块4传递给夹具及电热耦合模块5；模拟试件28在悬臂弯矩作用情况下运动的轨迹路线，实现对试件28的悬臂弯曲载荷加载；
步骤四：试件28的压痕试验无损检测通过精密压痕模块8来实现，工作时，先由两个滚珠丝杠传动单元完成水平及垂直方向的快速进给，再由伺服电机a44经联轴器45驱动丝杠a57，使移动平台47移动，完成精密进给；最后，由压电陶瓷49驱动柔性铰链48向前推动称重传感器52、压头56，将压头压入试件，并由位移传感器53测量挡板b54的移动距离，间接测出压入深度；若干单一载荷的加载方式，可以几种或多种组合加载，构成多载荷的加载方式，测试过程中试件28产生的应变通过数字散斑测量头86实现；
步骤五：对试件28热场的加载，通过给夹具及电热耦合模块5中的氮化硅陶瓷加热片32通不同工作电压，以热传导的方式来实现试件28在不同温度下的加热；其温度的测量由红外热成像仪84来实现；
步骤六：对试件28冷场的加载，通过将热场加热用的氮化硅陶瓷加热片32更换为帕尔贴贴片，来实现试件28在不同温度下的制冷，其温度的测量由红外热成像仪84来实现；
步骤七：对试件28电场的加载，是以大电流的加载方式来实现，通过将导线接在电缆铜鼻41上，并输出大电流，实现电场的加载；多物理场的加载与多载荷的加载相组合，来实现多载荷多物理场测试条件下的材料性能检测试验。
本发明的有益效果在于：
1、结构新颖，布局紧凑。本发明复合载荷的施加主要是由精密六自由度复合载荷加载模块以及一个精密扭转模块来实现。除完成常规的“拉/压-扭-弯曲-压痕”四种载荷的单独加载方式外，还能够实现复合载荷加载下，诸如“悬臂式纯弯曲、悬臂式拉伸/压缩-扭转、悬臂式弯曲-扭转、悬臂式拉伸/压缩-弯曲-扭转”的新型加载方式，真实的模拟接近服役条件下材料的受力状态。
2、整机设计采用模块化设计。依次包括支撑框架模块、隔震平台、精密六自由度复合载荷加载模块、精密扭转模块、夹具及电热耦合模块、数字散斑应变测量及红外热成像模块、原位观测模块、精密压痕模块、圆周定位模块。使设备标准化，利于维护保养。
3、整机的精密扭转模块结构上采用了一种双推力球轴承结构，抵消轴向大载荷拉伸/压缩时对直流伺服驱动电机及行星齿轮减速器产生的大冲击力；该模块还采用了若干微动万向滚珠，在进行大载荷压缩-扭转测试时，接合面处的微动万向滚珠可以将扭转时的滑动摩擦转换成滚动摩擦，降低摩擦对扭转的影响。
4、整机包含了一种圆周环绕型观测方式。通过集成显微镜，可以使显微镜在观测过程中绕着试件轴线做圆周转动，更加全面的观测材料微观变形过程中的各个方向的微观组织形变。
5、整机的夹具集成了冷/热、电等多物理场的加载功能。通过在夹具中放置氮化硅陶瓷加热片或帕尔贴贴片，对试件进行加热或者冷却，实现冷、热场的加载；将外接导线接在电缆铜鼻上，以电流加载的方式实现电场加载。
6、整机的测量采用了一种新型的非接触式光学应变测量-数字散斑技术。通过采用该技术，可以对试件在复合载荷多物理场耦合作用下，试件的全场应变进行动态测量，显示出任意位置的应变幅值，以及应力应变集中处。
7、整机的温度控制采用了红外热成像技术，可以通过显示屏直观的看到全场的温度分布。同时，将采集的温度值返回上位机，与设定温度比较，实现闭环反馈控制。
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为本发明整体结构示意图；
图2为本发明精密六自由度复合载荷加载模块各部分示意图；
图3、图4为本发明精密扭转模块各部分示意图；
图5为本发明夹具及电热耦合模块各部分剖视图；
图6为本发明精密压痕模块各部分示意图；
图7为本发明原位观测模块各部分示意图；
图8为本发明试验执行机构布置图；
图9为本发明单一载荷加载原理图；
图10为本发明悬臂式拉伸/压缩-扭转复合载荷加载原理图；
图11为本发明悬臂式弯曲-扭转复合载荷加载原理图；
图12为本发明悬臂式拉伸/压缩-弯曲-扭转复合载荷加载原理图；
图13为本发明冷/热-电场复合物理场加载原理图。
图中：1、支撑框架模块；2、隔震平台；3、精密六自由度复合载荷加载模块；4、精密扭转模块；5、夹具及电热耦合模块；6、数字散斑应变测量及红外热成像模块；7、原位观测模块；8、精密压痕模块；9、圆周定位模块；10、动平台；11、虎克铰；12、电机；13、减速机；14、电动缸；15、定平台；16、传感器法兰；17、固定座a；18、轴承挡板；19、花键轴；20、直流伺服驱动电机；21、行星齿轮减速器；22、端盖；23、推力轴承a；24、推力轴承b；25、法兰；26、六维力传感器；27、微动万向滚珠；28、试件；29、挡板a；30、预紧螺栓；31、盖板；32、氮化硅陶瓷加热片；33、连接冷却座；34、双头螺柱；35、密封垫a；36、螺母；37、隔热板；38、密封垫b；39、绝缘隔热板；40、螺栓；41、电缆铜鼻；42、夹具体；43、销轴；44、伺服电机a；45、联轴器；46、支座a；47、移动平台；48、柔性铰链；49、压电陶瓷；50、固定板；51、微动平台；52、称重传感器；53、位移传感器；54、挡板b；55、压头固定套；56、压头；57、丝杠a；58、支座b；59、固定座b；60、滑块a；61、导轨a；62、传感器固定座；63、接近开关；64、电机固定板；65、圆形导轨；66、支撑盘；67、圆形齿圈；68、伺服电机b；69、减速器；70、观测平台；71、滚轮；72、显微镜；73、连接板；74、滑块b；75、螺母副；76、丝杠b；77、伺服电机c；78、移动连接板；79、步进电机；80、导轨b；81、滑块c；82、丝杠c；83、滑块d；84、红外热成像仪；85、支座c；86、数字散斑测量头；87、可调节支座；88、压痕组件；89、电机丝杠螺母副组件。
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8所示，本发明的多载荷多物理场耦合服役条件下材料原位测试装置，包括支撑框架模块1、隔震平台2、精密六自由度复合载荷加载模块3、精密扭转模块4、夹具及电热耦合模块5、数字散斑应变测量及红外热成像模块6、原位观测模块7、精密压痕模块8、圆周定位模块9。本发明整体采用三柱立式非对称布置，精密六自由度复合载荷加载模块3通过它的定平台15与支撑框架模块1相连，并通过六个电动缸14的协同作用实现装置的拉伸/压缩、弯曲载荷加载；精密扭转模块4布置在精密六自由度复合载荷加载模块3的动平台10上；夹具及电热耦合模块5通过法兰与精密扭转模块4连接；数字散斑应变测量及红外热成像模块6通过可调节支座87布置在隔震平台2上；原位观测模块7及精密压痕模块8布置在圆周定位模块9上，实现对试件的旋转原位观测。本发明除了可以完成常规的“拉伸/压缩-转扭-弯曲-压痕”四种载荷的加载方式外，还能够实现复合载荷加载，同时耦合温度场、电场，实现“机-电-热”复合载荷多物理场耦合条件下材料原位性能测试。
参见图2所示，本发明的精密六自由度复合载荷加载模块3主要由精密六自由度平台来实现。精密六自由度平台主要由动平台10、虎克铰11、电机12、减速机13、电动缸14、定平台15、六个电动缸14组成。其中，定平台15通过螺栓与支撑框架模块1固定。工作时，上位机软件下发指令，平台控制软件接收到命令之后，将指令转换为控制参数，驱动六个电动缸14协同动作。该平台主要是用来实现拉伸/压缩、弯曲载荷的加载以及其中几种载荷的复合。
参见图3、图4所示，本发明的精密扭转模块4主要由传感器法兰16、固定座a17、轴承挡板18、花键轴19、直流伺服驱动电机20、行星齿轮减速器21、端盖22、推力轴承a23、推力轴承b24、法兰25、六维力传感器26、微动万向滚珠27组成。其中，直流伺服驱动电机20与行星齿轮减速器21相连，行星齿轮减速器21固定在端盖22上，端盖22通过螺栓固定在固定座a17上。行星齿轮减速器21与花键轴19采用键连接方式。花键轴19的支撑部分由推力轴承a23、轴承挡板18、推力轴承b24构成，整个支撑部分布置固定座a17内部，固定座a17通过螺栓固定在动平台10上。花键轴19通过螺栓与法兰25连接，法兰25通过花键传递扭矩，传感器法兰16与法兰25通过螺栓固定。六维力传感器26与传感器法兰16通过螺栓连接，法兰25与固定座a17的接合面处装有微动万向滚珠27。精密扭转模块工作时，直流伺服驱动电机20经过行星齿轮减速器21减速后，输出扭矩，带动花键轴19转动，花键轴19经传感器法兰16、法兰25将扭矩传递给六维力传感器26，然后再依次传递给夹具、试件。
参见图5所示，本发明的夹具及电热耦合模块5主要包含三种功能：夹具功能、冷/热场加载功能、电场加载功能。其构成包括：挡板a29、预紧螺栓30、盖板31、氮化硅陶瓷加热片32、连接冷却座33、双头螺柱34、密封垫a35、螺母36、隔热板37、密封垫b38、绝缘隔热板39、螺栓40、电缆铜鼻41、夹具体42、销轴43，所述挡板a29、盖板31和夹具体42通过预紧螺栓30连接到一起，氮化硅陶瓷加热片32被盖板31压紧，螺栓40将电缆铜鼻41固定到夹具体42上，销轴43与夹具体42过盈配合，连接冷却座33、绝缘隔热板39和夹具体42螺栓连接，密封垫b38与连接冷却座33过盈配合，密封垫a35与连接冷却座33过盈配合，双头螺柱34、螺母36将连接冷却座33、隔热板37连接到后面的传感器上。热场的加载通过给预置在夹具中的氮化硅陶瓷加热片32加热，以热传导的方式实现热场加载；冷场的实现是通过将氮化硅陶瓷加热片32更换为帕尔贴贴片，以冷传导的方式实现制冷；电场的加载通过将带电导线接在电缆铜鼻41上，实现大电流的加载方式来加载电场。
参见图6所示，本发明的精密压痕模块8主要用来进行压痕试验（无损检测）。其构成如下：包括伺服电机a44、联轴器45、支座a46、移动平台47、柔性铰链48、压电陶瓷49、固定板50、微动平台51、称重传感器52、位移传感器53、挡板b54、压头固定套55、压头56、丝杠a57、支座b58、固定座b59、滑块a60、导轨a61、传感器固定座62、接近开关63、电机固定板64，其中，伺服电机a44通过电机固定板64固定，经联轴器45与固定在支座a46、支座b58上的丝杠a57相连，支座a46、支座b58通过螺栓固定在固定座b59上。滑块a60与导轨a61装配在一起，并通过内六角螺栓固定在固定座b59上。接近开关63经由传感器固定座62通过内六角螺栓固定在固定座b59上。压头56通过压头固定套55、挡板b54固定在称重传感器52上，称重传感器52与柔性铰链48相连，压电陶瓷49安装在柔性铰链48内部，柔性铰链48安装在移动平台47上；位移传感器53与挡板b54的距离通过固定在固定板50上的微动平台51来实现位移的精确进给，这些部分构成压痕执行单元，该单元整体布置在一个滚珠丝杠单元上，该单元用来实现压痕进给中的粗略定位。
参见图7所示，本发明的原位观测模块7主要由圆形导轨65、支撑盘66、圆形齿圈67、伺服电机b68、减速器69、观测平台70、滚轮71、显微镜72、连接板73、滑块b74、螺母副75、丝杠b76、伺服电机c77、移动连接板78、步进电机79、导轨b80、滑块c81、丝杠c82、滑块d83构成。其中，支撑盘66通过螺栓固定在隔震平台2上；显微镜72固定在连接板73上，连接板73通过螺栓安装在滑块b74上，滑块b74、螺母副75、丝杠b76、伺服电机c77构成了纵向进给机构，能够调整显微镜的纵向位移。显微镜72及纵向进给机构与移动连接板78连接。步进电机79经联轴器将转矩输出给丝杠c82，移动连接板78通过内六角螺栓布置在滑块c81及导轨b80组成的滑动单元上，并由丝杠c82驱动其移动。整体布置在由步进电机79、导轨b80、滑块c81、丝杠c82组成的径向进给机构上。原位观测模块的突出特点是能够实现圆周观测。因此本发明将上述组件全部被放置在观测平台70上，由伺服电机b68、减速器69驱动滚轮71，滚轮71与圆形齿圈67啮合，实现圆周运动。同时，观测平台70与固定在圆形导轨65上的滑块83通过螺栓固定，用来抵消观测机构在移动过程中产生的倾覆力矩。
参见图8所示，本发明的试验执行机构布置示意图，分别包括了精密六自由度复合载荷加载模块3、精密扭转模块4、夹具及电热耦合模块5、数字散斑应变测量及红外热成像模块6、原位观测模块7、精密压痕模块8、圆周定位模块9。其中，数字散斑应变测量及红外热成像模块6中的数字散斑测量头86通过可调固定支架87布置在隔震平台2上，红外热成像仪84固定在支座c85上，支座c85固定在可调固定支架87上。固定支架87相对于试件28的位置可以调整，保证数字散斑测量头86所需工作距离。精密压痕模块8安装在一个与原位观测模块7中相同的可分别实现轴向和径向进给的移动平台。压痕组件88通过内六角螺栓与电机丝杠螺母副组件89相连。
参见图1至图13所示，本发明的多载荷多物理场耦合服役条件下材料原位测试方法，具体步骤如下：
步骤一：试件28承受的拉伸/压缩载荷通过精密六自由度复合载荷加载模块3来实现，由连接在定平台15上的电机12、减速机13来驱动电动缸14伸长或缩短，并将载荷由动平台10传递给精密扭转模块4，再由精密扭转模块4传递给夹具及电热耦合模块5，实现对试件28的拉伸/压缩载荷加载；
步骤二：试件28承受的扭转载荷通过精密扭转模块4来实现，直流伺服驱动电机20及行星齿轮减速器21驱动花键轴19旋转，花键轴19带动传感器法兰16、法兰25及六维力传感器26旋转，进而使上端的夹具及电热耦合模块5旋转；由于下端的夹具及电热耦合模块5固定，因此实现了对试件28的扭转载荷加载；
步骤三：试件28承受的悬臂弯曲载荷通过精密六自由度复合载荷加载模块3来实现，由连接在定平台15上的电机12、减速机13来驱动六根电动缸14实现不同程度的伸长或缩短，并将载荷由动平台10传递给精密扭转模块4，再由精密扭转模块4传递给夹具及电热耦合模块5；模拟试件28在悬臂弯矩作用情况下运动的轨迹路线，实现对试件28的悬臂弯曲载荷加载；
步骤四：试件28的压痕试验无损检测通过精密压痕模块8来实现，工作时，先由两个滚珠丝杠传动单元完成水平及垂直方向的快速进给，再由伺服电机a44经联轴器45驱动丝杠a57，使移动平台47移动，完成精密进给；最后，由压电陶瓷49驱动柔性铰链48向前推动称重传感器52、压头56，将压头压入试件，并由位移传感器53测量挡板b54的移动距离，间接测出压入深度；若干单一载荷的加载方式，可以几种或多种组合加载，构成多载荷的加载方式，测试过程中试件28产生的应变通过数字散斑测量头86实现；
步骤五：对试件28热场的加载，通过给夹具及电热耦合模块5中的氮化硅陶瓷加热片32通不同工作电压，以热传导的方式来实现试件28在不同温度下的加热；其温度的测量由红外热成像仪84来实现；
步骤六：对试件28冷场的加载，通过将热场加热用的氮化硅陶瓷加热片32更换为帕尔贴贴片，来实现试件28在不同温度下的制冷，其温度的测量由红外热成像仪84来实现；
步骤七：对试件28电场的加载，是以大电流的加载方式来实现，通过将导线接在电缆铜鼻41上，并输出大电流，实现电场的加载；多物理场的加载与多载荷的加载相组合，来实现多载荷多物理场测试条件下的材料性能检测试验。
参见图8至图13所示，本发明单一载荷加载的公式如下：
Ⅰ、 Z向拉伸条件下的应力计算公式
式中，为Z向拉力，为试件的横截面积，
Z向拉伸条件下的应变计算公式
式中，为试件伸长量，为试件原长；
Ⅱ.、Z向压缩条件下的应力计算公式
式中，为Z向压力；
Z向压缩条件下的应变计算公式
式中，为试件压缩量；
Ⅲ、 Z向扭转条件下的最大切应力计算公式
式中，为Z向的扭矩，为抗扭截面系数；
式中，为试件标距部分的直径；
Z向扭转条件下的扭转角计算公式
式中，为切变模量，为截面极惯性矩；
Ⅳ、X（Y）向悬臂弯曲的最大应力的计算公式
式中，为X向的悬臂弯曲力，为抗弯截面系数；
X（Y）向悬臂弯曲的试件动端转角的计算公式
式中，弹性模量，为惯性矩；
X（Y）向悬臂弯曲的最大挠度的计算公式
Ⅴ、 X（Y）向压痕测试中，被测材料的硬度的计算公式
式中，为某一压痕深度的实时载荷，为此时压头与试件材料接触区域的投影面积；
典型压头的投影面积计算公式如下：
玻氏压头：
立方角压头：
维氏压头：
锥形压头：
球形压头：
式中，为压入深度，a为接触圆半径；
X（Y）向压痕测试中，被测材料的弹性模量的计算公式
式中，为试件的弹性模量，为缩减模量，为试件的泊松比，为金刚石压头的弹性模量（1050GPa），为金刚石压头的泊松比（0.07）；
本发明悬臂式拉伸/压缩-扭转复合载荷计算如下：
拉伸/压缩-扭转复合载荷下，试件的圆周表面都是危险点，根据第三强度理论，危险点相当应力的计算公式为：
式中，为轴向拉力，为试件的横截面积，为扭矩，为抗扭截面系数；
根据第四强度理论，危险点相当应力的计算公式为：
本发明悬臂式弯曲-扭转复合载荷加载下，试件的固定端截面内距离中性轴最远的两个边缘点为危险点，根据第三强度理论，危险点相当应力的计算公式为：
式中，为悬臂弯矩，为抗弯截面系数,为扭矩
根据第四强度理论，危险点相当应力的计算公式为：
本发明悬臂式拉伸/压缩-弯曲-扭转复合载荷计算如下：
拉伸/压缩-弯曲-扭转复合载荷下，试件的固定端截面内距离中性轴最远的两个边缘点为危险点，根据第三强度理论，危险点相当应力的计算公式为：
式中，为悬臂弯矩，为抗弯截面系数,为轴向拉力，为试件的横截面积，为扭矩，为抗扭截面系数；
本发明冷/热-电场复合物理场加载的分析计算如下：
试件为对称结构，取试件的一半为分析对象，将冷/热-电场复合加载简化为常物性、稳态、一维且有内热源的导热问题，导热微分方程为：
式中，为试件的温度，为试件的导热系数，为单位时间单位体积内内热源产生的热量，在这种情况下，可以把试件外表面空气对流换热的热量和试件通电产生的焦耳热折算成内热源项。即
取试件长度为的微元段来分析，对流换热的热量为
式中，对流传热表面传热系数，为空气的温度，为试件的半径
取试件长度为的微元段来分析，试件通电产生的焦耳热为
式中，为通过试件的电流，为试件的电阻率
相应的两个边界条件为
本发明主要用于多载荷多物理场耦合下材料微观性能原位测试。除可以完成常规的“拉伸/压缩-扭转-弯曲-压痕”四种载荷的单独加载方式外，还能够实现复合载荷加载下，诸如“悬臂式纯弯曲、悬臂式拉伸/压缩-扭转、悬臂式弯曲-扭转、悬臂式拉伸/压缩-弯曲-扭转”的新型加载方式，同时耦合温度场、电场等多物理场，可以完成传统测试仪器不能实现的“复合载荷多物理场”耦合的功能性材料测试。本发明集成了可连续变焦显微镜，能够实现实验过程中的动态跟随，动态监测在新型加载方式下，材料在其变形行为、损伤机制及演变规律。同时，本发明还集成了非接触式光学应变测量仪器。通过该技术的运用，可以在测试结束后，针对材料在测试过程中各部分的应变分布出具详细的说明报告，并能够将测试过程中应力应变的动态变化以视频的形式展示出来。
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)
1.一种多载荷多物理场耦合服役条件下材料原位测试装置，其特征在于：装置整体采用三柱立式非对称布置，包括支撑框架模块（1）、隔震平台（2）、精密六自由度复合载荷加载模块（3）、精密扭转模块（4）、夹具及电热耦合模块（5）、数字散斑应变测量及红外热成像模块（6）、原位观测模块（7）、精密压痕模块（8）及圆周定位模块（9），所述精密六自由度复合载荷加载模块（3）通过定平台（15）与支撑框架模块（1）相连，并由六个电动缸（14）的协调作用实现试件的拉/压、弯曲载荷加载；精密扭转模块（4）设置在精密六自由度复合载荷加载模块（3）的动平台（10）上；夹具及电热耦合模块（5）通过法兰与精密扭转模块（4）连接；数字散斑应变测量及红外热成像模块（6）通过可调节支座（87）设置在隔震平台（2）上；原位观测模块（7）及精密压痕模块（8）设置在圆周定位模块（9）上，实现对试件可旋转的原位观测；
所述的精密六自由度复合载荷加载模块（3）包括动平台（10）、虎克铰（11）、电机（12）、减速机（13）、电动缸（14）及定平台（15），所述定平台（15）与支撑框架模块（1）固定连接，电动缸（14）一端通过虎克铰（11）与动平台（10）连接，另一端与定平台（15）连接，电机（12）、减速机（13）分别连接在定平台（15）上，在六个电动缸（14）的协同作用下，实现在空间六个自由度方向的灵活运动；
所述的精密扭转模块（4）由直流伺服驱动电机（20）及行星齿轮减速器（21）实现扭转进给，推力轴承a（23）、推力轴承b（24）安装在花键轴（19）上，抵消在拉伸/压缩加载时对直流伺服驱动电机（20）及行星齿轮减速器（21）产生的轴向载荷；花键轴（19）通过花键将扭矩传递到法兰（25）；花键轴（19）的轴端采用螺栓与法兰（25）连接，传递轴向拉/压力。
2.根据权利要求1所述的多载荷多物理场耦合服役条件下材料原位测试装置，其特征在于：所述的夹具及电热耦合模块（5）通过两个双头螺柱（34）与六维力传感器（26）连接，试件的夹紧是通过旋紧预紧螺栓（30），产生一个向下的压力压紧盖板（31）、挡板a（29），利用摩擦力以及夹具中与试件形状相匹配的凹槽压紧试件。
3.根据权利要求1所述的多载荷多物理场耦合服役条件下材料原位测试装置，其特征在于：所述的夹具及电热耦合模块（5）集成了夹具与冷、热、电多物理场加载功能，热场的加载通过给预置在夹具中的氮化硅陶瓷加热片（32）通电，实现热场加载；冷场的加载是通过将氮化硅陶瓷加热片（32）更换为帕尔贴贴片，并进行通电来实现制冷；电场的加载通过将导线接在电缆铜鼻（41）上，通过电流加载方式来实现。
4.根据权利要求1所述的多载荷多物理场耦合服役条件下材料原位测试装置，其特征在于：所述的数字散斑应变测量及红外热成像模块（6）是：数字散斑测量头（86）通过可调节支座（87）设置在隔震平台（2）上，红外热成像仪（84）固定在支座c（85）上，支座c（85）固定在可调节支座（87）上；可调节支座（87）相对于试件（28）的位置可以调整，满足数字散斑测量头（86）工作所需参数要求。
5.根据权利要求1所述的多载荷多物理场耦合服役条件下材料原位测试装置，其特征在于：所述的原位观测模块（7）整体固定在观测平台（70）上，观测平台（70）绕着试件（28）做圆周转动，其驱动方式为：伺服电机b（68）、减速器（69）带动滚轮（71）转动，滚轮（71）与圆形齿圈（67）啮合，实现圆周进给，整个观测平台（70）固定在滑块d（83）上，进而实现圆周运动。
6.根据权利要求1或5所述的多载荷多物理场耦合服役条件下材料原位测试装置，其特征在于：原位观测模块（7）分别由步进电机（79）、伺服电机（77）实现绕圆形齿圈（67）的径向以及轴向的快速进给，将显微镜（72）快速移动到观测区域内，再由显微镜（72）自动对焦，调整好焦距后观测。
7.根据权利要求1所述的多载荷多物理场耦合服役条件下材料原位测试装置，其特征在于：所述的精密压痕模块（8）与圆周定位模块（9）固定，精密压痕模块（8）作用时，先由两个滚珠丝杠传动单元绕圆形齿圈（67）的径向以及轴向完成快速进给；定位完成后，再由压电陶瓷（49）驱动柔性铰链（48）产生向前位移，将压头（56）压入试件。
8.根据权利要求1至5任意一项所述的多载荷多物理场耦合服役条件下材料原位测试装置的测试方法，其特征在于：步骤如下：
步骤一：试件（28）承受的拉伸/压缩载荷通过精密六自由度复合载荷加载模块（3）来实现，由连接在定平台（15）上的电机（12）、减速机（13）来驱动电动缸（14）伸长或缩短，并将载荷由动平台（10）传递给精密扭转模块（4），再由精密扭转模块（4）传递给夹具及电热耦合模块（5），实现对试件（28）的拉伸/压缩载荷加载；
步骤二：试件（28）承受的扭转载荷通过精密扭转模块（4）来实现，直流伺服驱动电机（20）及行星齿轮减速器（21）驱动花键轴（19）旋转，花键轴（19）带动传感器法兰（16）、法兰（25）及精密扭转模块（4）中的六维力传感器（26）旋转，进而使上端的夹具及电热耦合模块（5）旋转；由于下端的夹具及电热耦合模块（5）固定，因此实现了对试件（28）的扭转载荷加载；
步骤三：试件（28）承受的悬臂弯曲载荷通过精密六自由度复合载荷加载模块（3）来实现，由连接在定平台（15）上的电机（12）、减速机（13）来驱动六根电动缸（14）实现不同程度的伸长或缩短，并将载荷由动平台（10）传递给精密扭转模块（4），再由精密扭转模块（4）传递给夹具及电热耦合模块（5）；模拟试件（28）在悬臂弯矩作用情况下运动的轨迹路线，实现对试件（28）的悬臂弯曲载荷加载；
步骤四：试件（28）的压痕试验通过精密压痕模块（8）来实现，工作时，先由两个滚珠丝杠传动单元完成水平及垂直方向的快速进给，再由伺服电机a（44）经联轴器（45）驱动丝杠a（57），使移动平台（47）移动，完成精密进给；最后，由压电陶瓷（49）驱动柔性铰链（48）向前推动称重传感器（52）、压头（56），将压头压入试件，并由位移传感器（53）测量挡板b（54）的移动距离，间接测出压入深度；若干单一载荷的加载方式，可以几种或多种组合加载，构成多载荷的加载方式，测试过程中试件（28）产生的应变通过数字散斑测量头（86）实现；
步骤五：对试件（28）热场的加载，通过给夹具及电热耦合模块（5）中的氮化硅陶瓷加热片（32）通不同工作电压，以热传导的方式来实现试件（28）在不同温度下的加热；其温度的测量由数字散斑应变测量及红外热成像模块（6）中的红外热成像仪（84）来实现；
步骤六：对试件（28）冷场的加载，通过将热场加热用的氮化硅陶瓷加热片（32）更换为帕尔贴贴片，来实现试件（28）在不同温度下的制冷，其温度的测量由红外热成像仪（84）来实现；
步骤七：对试件（28）电场的加载，是以大电流的加载方式来实现，通过将导线接在电缆铜鼻（41）上，并输出大电流，实现电场的加载；多物理场的加载与多载荷的加载相组合，来实现多载荷多物理场测试条件下的材料性能检测试验。
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