CN105628487B - 复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器与方法 - Google Patents

复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器与方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器与方法，属于精密科学仪器领域。包括复合载荷‑多物理场加载试验平台、原位监测平台和隔振基座三大部分。隔振基座主要用于支承复合载荷‑多物理场加载试验平台、原位监测平台，并为其安装提供定位，同时在测试中为各类精密驱动加载元件、检测元件以及原位监测元件提供有效的隔振处理。原位监测平台通过对各监测模块位姿的精确调整，实现对上述复杂载荷条件下材料样品的微观变形、损伤机制、微观组织结构变化以及性能演化进行实时的动态原位监测。优点在于：结构小型化和轻量化，可选配真空腔将仪器主体置于其中，从而为被测材料样品提供如低压、真空、惰性气体等测试环境。实用性强。

Description

复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器与方法
技术领域
本发明涉及精密科学仪器领域，特别涉及一种复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器与方法。本发明的复合载荷模式力-电-热-磁多物理场耦合加载条件下的材料微观性能原位测试仪器与方法可以提供“拉伸/压缩-低周疲劳-扭转-弯曲”四种力学载荷中的一种或多种，也可针对典型功能材料开展在“应力场-温度场（高/低温）-电场-磁场”多物理场耦合作用下的微观性能测试，最多可同时实现上述七种载荷方式共存的并行加载测试。利用仪器内嵌的原位微纳米压痕测试模块，可以精准测量复杂载荷条件作用下，材料样品压痕曲线、硬度、弹性模量等参量的动态演变情况。利用原位监测平台对材料样品在复杂应力状态、多物理场耦合情况下，精确的动态监测复杂载荷作用过程中及作用后，材料的物理性能参数、变形损伤、微观组织变化与性能演变等关乎材料服役性能、可靠性与使用寿命的重要数据信息，为接近服役条件下材料微观力学性能测试提供有效的手段和方法。
背景技术
新材料新工艺的研发与应用是工业发展的基础，而材料科技的不断发展也依赖于对材料各类力学性能与物理性能的深入研究。材料力学性能测试技术，主要为了获取材料的弹性模量、切变模量等宏观上的力学参数。但是，随着材料科技的快速发展，各类新材料不断涌现，而对这些新材料的特异性的测试分析也逐渐成为国际学术界和工程界的研究热点。传统的材料力学性能测试手段难以全面反映新材料的物理特性，特别是材料在实际工况下，往往是在复合载荷作用下工作，材料的各类物理性能与力学性能已经不能以单一载荷测试下的性能进行评定。
在现有的研究水平下，针对单一载荷的材料测试技术已趋于成熟，针对两种或两种以上复合载荷作用的材料测试理论方法和仪器设备也已被广泛研究。但是这些仅仅是针对应力场加载的仪器设备，并不能真实的反映出材料的实际工况，并且其测试原理多为离位测试，不能对测试过程中材料样品的微观组织形貌进行实时动态的观察，很难将材料微观组织变化的内在机理与材料宏观力学性能有效地结合起来综合分析材料的性能。因此，在现有的仪器难以满足上述复合载荷作用下，材料性能测试多为离位过程的背景下，开发一种能够基于复合载荷模式力-电-热-磁多物理场耦合环境下的材料微观力学性能原位测试仪器，并提出相应的测试方法，已成为新型材料测试仪器的发展趋势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器与方法，解决现有仪器设备不能实现力-电-热-磁多物理场耦合作用下的材料性能原位测试的问题。本发明可以实现在拉伸/压缩加载的基础上，集成其他的力学加载形式，同时还可以构建高温场/低温场-电场-磁场的多物理场耦合条件，利用仪器内嵌的原位微纳米压痕测试模块，可以精准测量在这些复杂载荷条件作用下，材料样品压痕曲线、硬度、弹性模量等参量的动态演变情况。仪器可实现拉伸/压缩、弯曲、扭转、低周疲劳、温度场、电场、磁场的任意组合，最多可同时实现上述七种载荷方式共存的并行加载测试，为接近服役条件下材料微观力学性能测试提供有效的手段和方法。同时，借助仪器嵌入的光学显微成像监测模块、显微拉曼监测模块等多种类型原位监测模块，能精确的动态监测复杂载荷作用过程中及作用后，材料的物理性能参数、变形损伤、微观组织变化与性能演变等关乎材料服役性能、可靠性与使用寿命的重要数据信息。本发明可整机与真空腔集成，模拟更为丰富的实验环境，如低气压环境、真空环境、惰性气体环境等。本发明的加载模式及试验条件更能接近材料的实际服役情况，获取更为丰富的材料性能参数，为研究材料的力学性能、物理性能、微观组织形貌与材料失效机理提供了有效的测试方法。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器，包括复合载荷-多物理场加载试验平台1、原位监测平台2和隔振基座3，所述隔振基座3用于支承复合载荷-多物理场加载试验平台1、原位监测平台2，为其提供基础性的安装定位，并为测试过程提供有效的隔振处理；所述复合载荷-多物理场加载试验平台1依据试验条件，对被测材料样品施加拉伸/压缩、弯曲、扭转、低周疲劳载荷模式的力学加载，同时对载荷信号和变形信号的精密检测，进而实现复合载荷模式下材料的力学性能测试；依据试验条件，对被测材料样品施加力、电、热、磁多外场载荷，并实现对外场加载参数和材料相应物理性能参数的精确测量；在复合载荷-多物理场加载试验平台1耦合作用下，实现对被测材料样品施加接近服役条件下的力学与外场耦合作用的复杂载荷，同时对材料基本物理性能参数进行精确测量和定量分析；通过微纳米压痕测试试验，可测定在各类外部载荷作用下材料硬度、弹性模量基本力学参数的动态演化情况；
所述复合载荷-多物理场加载试验平台1包括拉伸/压缩加载模块11、扭转加载模块12、弯曲加载模块13、低周疲劳加载模块14、微纳米压痕测试模块15、高温加载模块16、低温加载模块17、磁场加载模块18、电场加载模块19，所述低温加载模块17、电场加载模块19的核心装置直流电源和循环制冷泵为外置设备；所述拉伸/压缩加载模块11固定于偏摆台2501台面上，扭转加载模块12分为扭转加载主动单元1201、扭转加载固定单元1202两部分，分别安装于拉伸/压缩加载模块11的扭转端拉伸滑座1103、疲劳端拉伸滑座1104上，低周疲劳加载模块14安装于疲劳端拉伸滑座1104上与扭转加载固定单元1202的尾部连接，弯曲加载模块13、微纳米压痕测试模块15、红外热成像监测模块22分别固定于侧向加载观测模块24的弯曲进给单元2401、压痕进给单元2403、红外热成像仪进给单元2402上，并一同安装于功能切换单元2404上；功能切换单元2404的往复运动实现弯曲加载模块13、微纳米压痕测试模块15、红外热成像监测模块22的位置选择和工位切换，红外热成像仪进给单元2402的直线运动调节红外热成像监测模块22的可视范围，弯曲进给单元2401的直线运动带动弯曲压头1302实现弯曲载荷加载，压痕进给单元2403的直线运动带动压痕压头1509进行压入点位的初定位；高温加载模块16通过调整滑座1602、调整滑座导轨1805与磁场加载模块18连接，磁场加载模块18、侧向加载观测模块24分别固定在拉伸/压缩加载模块11主轴线的两侧。
所述复合载荷-多物理场加载试验平台（1）在实现拉伸/压缩加载测试的基础上，集成其他的力学加载测试模式，同时还可构建高温/低温-电场-磁场的物理场环境，此外能够实现利用压入式检测手段分析材料的微观力学性能；最多可以实现“拉伸-疲劳-弯曲-扭转-高温场/低温场-电场-磁场”或“压缩-弯曲-扭转-高温场/低温场-电场-磁场”的复合载荷-多物理场耦合加载试验，模拟丰富的试验环境，获取丰富的材料物理性能参数，也可以模拟特定工况，选择其中一种或几种功能进行耦合加载。
所述的复合载荷-多物理场加载试验平台1、原位监测平台2与真空腔4集成，实现对真空环境下的复合载荷-多物理场耦合加载试验和原位监测；隔振基座3集成于真空腔4内，防止真空泵工作时产生的振动影响仪器的原位监测效果；在配备真空腔的条件下，复合载荷-多物理场加载试验平台1放置于偏摆支承模块25上，偏摆支承模块25的偏摆台2501放置于重载导轨2502上，试验结束时将复合载荷-多物理场加载试验平台1连同偏摆台2501部分抽出真空腔4，便于更换材料样品；同时通过导轨的对接，将载物工具车6与真空腔4内的隔振基座3连接，将复合载荷-多物理场加载试验平台1完全抽出真空腔4外，以方便对其进行调试、检修。
所述的拉伸/压缩加载模块11采用双向拉伸结构，由拉压伺服电机1101驱动双向丝杠1102，带动扭转端拉伸滑座1103和疲劳端拉伸滑座1104，保证两侧行程、移动速度一致，实现拉伸/压缩载荷的加载，由直线光栅读数头Ⅰ、Ⅱ1105、1118测得拉伸/压缩加载变形。
所述的扭转加载模块12包括扭转加载主动单元1201、扭转加载固定单元1202两部分，采用一端扭转一端固定的方式，扭转加载主动单元1201为加载端，由扭转伺服电机120104驱动扭转主动齿轮120108、扭转从动齿轮120109带动主动端夹具体120116实现扭矩的加载；扭转加载固定单元1202为固定端，由固定端夹具体120204、连接轴120209将扭矩传递给拉扭复合传感器120210，实现拉伸力、扭矩大小的测定；主动端夹具体120116、固定端夹具体120204分别安装有圆光栅读数头Ⅰ、Ⅱ120117、120202，通过测量扭转试验时读取的角度差实现扭转角的精准测定；
所述扭转加载主动单元1201的旋转接头120106分为旋转接头定子120106B、旋转接头转子120106A，所述旋转接头转子120106A上开有环槽，与旋转接头定子120106B上的通流口联通，在定子转子间存在相对转动时仍能实现流体的输送，并利用连接法兰120107实现将主动端夹具体120116的流道与旋转接头120106的流道对接，实现在主动端夹具体120116因扭转加载产生转动时制冷液导入与循环；低温加载模块17依靠主动端夹具体120116、固定端夹具体120204的内置制冷流道，利用外置的低温制冷泵，将制冷液泵送至主动端夹具体120116、固定端夹具体120204内部开通的流道内，通过热传导的方式为材料样品制冷，为材料样品营造低温试验环境。
所述的低周疲劳加载模块14的疲劳加载模块柔性铰链1402的内框固定在疲劳加载模块底座1401上，外框与连接板120211连接；疲劳加载模块压电叠堆1403通过疲劳加载模块柔性铰链1402、连接板120211、拉扭复合传感器120210驱动固定端夹具体120204产生高频的往复微小位移，实现在预先拉伸载荷作用下对拉伸材料样品51的疲劳加载；在大拉伸载荷下，通过拧紧螺钉使卸荷板120212与连接板120211、疲劳端拉伸滑座1104紧固，实现对大拉伸力载荷的卸荷，保护疲劳加载模块压电叠堆1403不会损坏。
所述的微纳米压痕测试模块15通过压痕进给单元2403的直线运动实现压痕初进给，压痕测试模块压电叠堆1505通过压痕柔性铰链1502驱动压痕压头1509实现精准进给，通过压入力传感器1508采集压入过程中的压入力，通过电容式微小位移传感器1506监测压痕压头1509的压入深度。
所述的高温加载模块16包括卤素加热灯1601、调整滑座1602、卤素灯安装板1603，卤素加热灯1601通过螺钉与卤素灯安装板1603连接，并安装于调整滑座1602上，高温场的加载由卤素加热灯1601聚焦照射材料样品实现；
所述磁场加载模块18包括下磁轭1801、线圈1802、上磁轭1803、磁极极头1804、调整滑座导轨1805，磁场的加载由可控电磁铁实现，可控电磁铁由下磁轭1801、线圈1802、上磁轭1803、磁极极头1804组成，两个磁极极头1804采用上下布置，分别固定于下磁轭1801与上磁轭1803上，材料样品放置于两个磁极极头1804之间，通过对线圈1802加载电流的调整实现对磁场强度的控制；通过调整滑座1602，可以在不需要高温场功能时将卤素加热灯1601取下，防止其对原位监测模块光路的遮挡；电场加载模块19外接一台高压直流电源，利用导电银胶将两根导线分别接于材料样品相对的两个平面上，并在导线两端施加一个直流高压电场，从而实现电场的加载；将整个测试仪器放置于真空腔4内有助于降低两个电极间的击穿电压，以提高电场加载试验的电场强度。
所述的原位监测平台2用于动态监测在复杂力学载荷和多物理场载荷作用下材料样品的变形损伤、微观组织变化与性能演变，通过对各监测模块位姿的精确调整，实现对复杂载荷条件下材料样品的微观变形、损伤机制、微观组织结构变化以及性能演化进行实时的动态原位监测，包括光学显微成像监测模块21、红外热成像监测模块22、显微拉曼光谱监测模块23、侧向加载观测模块24、偏摆支承模块25，光学显微成像监测模块21、显微拉曼光谱监测模块23布置于复合载荷-多物理场加载试验平台1的两侧，安装在隔振基座3上，偏摆支承模块25安装在隔振基座3上，承载复合载荷-多物理场加载试验平台1的同时为各个原位观测模块提供更丰富的观测位置。红外热成像监测模块22安装于侧向加载观测模块24上，侧向加载观测模块24安装于复合载荷-多物理场加载试验平台1上。
所述的光学显微成像监测模块21、显微拉曼光谱监测模块23均能实现X、Y、Z三个方向的位置调整，完成显示视野的变换和成像仪器的的调焦，由X轴运动单元Ⅰ、Ⅱ2101、2301、Y轴运动单元Ⅰ、Ⅱ2102、2302、Z 轴运动单元Ⅰ、Ⅱ2104、2304实现；显微拉曼光谱仪2315通过调整旋转支架2305与调距手轮2313对初始监测角度和初始监测位置进行调整，能够实现更为丰富的监测范围；显微拉曼光谱仪2315为内置CCD形式，后部通过一个标准C接口与拉曼光谱仪集成，根据显微图像在可视的范围内选择局部微小区域利用拉曼光谱仪，实现对微区的组织成分的分析；光学显微成像监测模块21、显微拉曼光谱监测模块23分别实现复合载荷-多物理场耦合试验下材料样品微观组织结构的监测和组织成分变化的监测；红外热成像监测模块22实时监测温度场下材料样品的温度分布。
本发明的另一目的在于提供一种复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试方法，对于以拉伸试验为基础的力电热磁多物理场耦合材料微观性能原位测试方法，通过主动端拉伸夹具压板120115、固定端拉伸夹具压板120205将拉伸材料样品51固定于主动端夹具体120116、固定端夹具体120204上，并使拉伸/压缩加载模块11驱动扭转端拉伸滑座1103、疲劳端拉伸滑座1104背向运动，实现拉伸材料样品51的拉伸加载；通过扭转加载模块12实现拉伸材料样品51的扭转加载；分别通过直线光栅读数头Ⅰ1105、圆光栅读数头120117Ⅰ测算拉伸材料样品51的拉伸应变与扭转应变，通过拉扭复合传感器120210测算拉伸应力与扭转应力；低周疲劳加载模块14可以在拉伸载荷下给拉伸材料样品51施加低周疲劳载荷；通过侧向加载观测模块24将弯曲加载模块13驱动至工作位置，给拉伸材料样品51施加弯曲载荷通过压力传感器1303测算弯曲力；在施加复合力学载荷的同时通过电场加载模块19拉伸材料样品51施加电场，通过磁场加载模块18对拉伸材料样品51施加磁场，通过相关仪器控制施加电场、磁场的强度，并对试验过程中的电滞回线、磁滞回线进行测量；通过高温加载模块16给拉伸材料样品51施加高温，此时通过侧向加载观测模块24将红外热成像监测模块22移动至工作位置测量拉伸材料样品51的温度场信息；此外可以通过低温加载模块17给拉伸材料样品51施加低温；在工作过程中通过光学显微成像监测模块21对拉伸材料样品51的变形损伤、失效形式进行原位观测；在试验中的任意时刻，可以通过侧向加载观测模块24将微纳米压痕测试模块15切换至工作位置，对试件表面进行微纳米压痕测试，压痕进给单元2403的直线运动实现压痕初进给；压痕测试模块压电叠堆1505通过压痕柔性铰链1502、压入力传感器1508驱动压痕压头1509实现精准进给；并用压入力传感器1508、电容式微小位移传感器1506采集的压入力、压入量信息描绘微纳米压痕曲线；该过程可以通过偏摆支承模块25将复合载荷-多物理场加载试验平台1调节到显微拉曼光谱监测模块23的观测范围内，并对压入过程进行原位测试，同时获取局部微区域的拉曼光谱信息。
本发明的有益效果在于：
1、本发明仪器可实现“拉伸/压缩-扭转-弯曲-低周疲劳”四种形式载荷单独加载，同时还可以构建高温/低温-电场-磁场的物理场环境，最多可以实现“拉伸-低周疲劳-弯曲-扭转-高温场（低温场）-电场-磁场”或“压缩-弯曲-扭转-高温场（低温场）-电场-磁场”的复合载荷-多物理场耦合加载试验，模拟丰富的试验环境，获取丰富的材料物理性能参数，也可以模拟特定工况，选择其中一种或几种功能进行耦合加载，如拉伸-扭转-低温、拉伸-疲劳-高温、压缩-电场等。
2、本发明仪器利用由光学显微成像监测模块、红外热成像监测模块、显微拉曼光谱监测模块组成的原位观测平台，可以原位动态监测在复杂力学载荷和多物理场载荷作用下材料样品的变形损伤、微观组织变化与性能演变等。
3、本发明仪器可集成真空腔，从而为被测材料样品提供如低压、真空、惰性气体等氛围的测试环境，以实现在上述环境下对材料样品进行复合载荷-多物理场耦合加载的测试，为研究接近服役条件下材料的微观组织形貌和失效机制，提供更为丰富的测试手段。仪器电控部分可集成布置于隔振基座下部，并可集成载物工具车使仪器结构更为紧凑、操作方便、功能齐全。
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为本发明整机示意图；
图2为本发明复合载荷-多物理场加载试验平台示意图；
图3为本发明拉伸/压模加载模块装配图；
图4为本发明扭转加载主动单元装配图；
图5为本发明扭转加载固定单元装配图；
图6为本发明侧向加载观测模块装配图；
图7为本发明微调单元示意图；
图8为本发明制冷流道示意图；
图9为本发明拉伸材料样品夹持示意图；
图10为本发明压缩材料样品夹持示意图；
图11为本发明高温加载模块与磁场加载模块装配图；
图12为本发明偏摆支承模块装配图；
图13为本发明光学显微成像监测模块装配图；
图14为本发明显微拉曼光谱监测模块装配图；
图15为本发明真空腔布置及复合载荷-多物理场加载试验平台抽出示意图；
图16、图17为本发明偏摆台工作示意图；
图18为本发明复合载荷模式力学加载原理图；
图19为本发明多物理场加载原理图。
图中：1、复合载荷-多物理场加载试验平台；2、原位监测平台；3、隔振基座；4、真空腔；51、拉伸材料样品；52、压缩材料样品；6、载物工具车；11、拉伸/压缩加载模块；12、扭转加载模块；13、弯曲加载模块；14、低周疲劳加载模块；15、微纳米压痕测试模块；16、高温加载模块；17、低温加载模块；18、磁场加载模块；19、电场加载模块；21、光学显微成像监测模块；22、红外热成像监测模块；23、显微拉曼光谱监测模块；24、侧向加载观测模块；25、偏摆支承模块；1101、拉压伺服电机；1102、双向丝杠；1103、扭转端拉伸滑座；1104、疲劳端拉伸滑座；1105、直线光栅读数头Ⅰ；1106、直线光栅尺Ⅰ；1107、拉伸平台滑块；1108、拉伸电机支座；1109、联轴器；1110、丝杠支座组件；1111、拉伸导轨；1112、磁场加载模块定位键；1113、直线光栅读数头支架；1114、光栅尺固定片；1115、基板；1116、限位开关支架；1117、限位开关；1118、直线光栅读数头Ⅱ；1119、直线光栅尺Ⅱ；1120、螺母Ⅰ；1121、螺母座Ⅰ；1122、螺母Ⅱ；1123、螺母座Ⅱ；1201、扭转加载主动单元；1202、扭转加载固定单元；120101、扭转轴承架；120102、传动轴；120103、扭转电机支座；120104、扭转伺服电机；120105、旋转接头支座；120106、旋转接头；120107、连接法兰；120108、扭转主动齿轮；120109、扭转从动齿轮；120110、角接触轴承端盖；120111、垫片Ⅰ；120112、角接触轴承座；120113、角接触球轴承；120114、圆光栅尺Ⅰ；120115、主动端拉伸夹具压板；120116、主动端夹具体；120117、圆光栅读数头Ⅰ；120118、主动端压缩夹具头；120201、圆柱滚子轴承座；120202、圆光栅读数头Ⅱ；120203、圆光栅尺Ⅱ；120204、固定端夹具体；120205、固定端拉伸夹具压板；120206、圆柱滚子轴承；120207、垫片Ⅱ；120208、圆柱滚子轴承端盖；120209、连接轴；120210、拉扭复合传感器；120211、连接板；120212、卸荷板；120213、固定端压缩夹具头；1301、弯曲加载模块支座；1302、弯曲压头；1303、压力传感器；1304、支承轴；1401、疲劳加载模块底座；1402、疲劳加载模块柔性铰链；1403、疲劳加载模块压电叠堆；1404、疲劳模块滑块；1405、端面固定板；1406、疲劳模块导轨；
1501、楔形块；1502、压痕柔性铰链；1503、压痕测试模块支座；1504、微调单元；1505、压痕测试模块压电叠堆；1506、电容式微小位移传感器；1507、挡片；1508、压入力传感器；1509、压痕压头；150401、可动板；150402、位移传感器支架；150403、位移传感器压板；150404、固定板；150405、手柄；1601、卤素加热灯；1602、调整滑座；1603、卤素灯安装板；1801、下磁轭；1802、线圈；1803、上磁轭；1804、磁极极头；1805、调整滑座导轨；
2101、X轴运动单元Ⅰ；2102、Y轴运动单元Ⅰ；2103、支承板；2104、Z 轴运动单元Ⅰ；2105、光学显微镜支架；2106、光学显微镜；2107、X轴支承单元Ⅰ；2301、X轴运动单元Ⅱ；2302、Y轴运动单元Ⅱ；2303、支承板Ⅱ；2304、Z 轴运动单元Ⅱ；2305、旋转支架；2306、调角座；2307、调角螺母；2308、调角手轮；2309、调角丝杆；2310、导向柱；2311、齿条；2312、夹持器；2313、调距手轮；2314、显微拉曼连接板；2315、显微拉曼光谱仪；2316、X轴支承单元Ⅱ；2401、弯曲进给单元；2402、红外热成像仪进给单元；2403、压痕进给单元；2404、功能切换单元；2501、偏摆台；2502、重载导轨；2503、定位型材；2504、定位键；2505、偏摆伺服电机。
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19所示，本发明的复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器，包括复合载荷-多物理场加载试验平台1、原位监测平台2和隔振基座3，所述隔振基座3用于支承复合载荷-多物理场加载试验平台1、原位监测平台2，为其提供基础性的安装定位，并为测试过程提供有效的隔振处理；隔振基座3为测试仪器提供整机的支承和一个稳定无振动的实验环境，如果需要营造真空环境，复合载荷-多物理场加载试验平台1、原位监测平台2等核心部分可与真空腔4集成，可以实现对真空环境下的复合载荷-多物理场耦合加载试验和原位监测；隔振基座3集成于真空腔4内，防止真空泵工作时产生的振动影响仪器的原位监测效果。偏摆支承模块25布置于隔振基座面正中，复合载荷-多物理场加载试验平台1固定于偏摆台2501台面中心，并保证拉伸/压缩轴线与偏摆台回转轴线同轴，机械加载平台以拉伸/压缩加载模块11为基础。
参见图15所示，利用真空腔4实现对真空环境下复合载荷模式力-电-热-磁多物理场耦合材料微观性能原位测试。其中加载试验平台放置于偏摆支承模块25上，其中的偏摆台2501放置于重载导轨2502上，试验结束时可以将加载试验平台连同偏摆台2501部分抽出真空腔4，便于更换材料样品。同时可以通过导轨的对接，将载物工具车6与真空腔4内的隔振基座3连接，将加载试验平台完全抽出真空腔4外，以方便对其进行调试、检修。
本发明可以实现在拉伸/压缩加载的基础上，集成其他的力学加载形式，同时还可以构建高温场/低温场-电场-磁场的多物理场耦合条件，利用仪器内嵌的原位微纳米压痕测试模块15，可以精准测量这些复杂载荷条件作用下，材料样品压痕曲线、硬度、弹性模量等参量的动态演变情况。仪器可实现拉伸/压缩、弯曲、扭转、低周疲劳、温度场、电场、磁场的任意组合，最多可同时实现上述七种载荷方式共存的并行加载测试，为接近服役条件下材料微观力学性能测试提供有效的手段和方法。
偏摆支承模块25的偏摆台2501放置于重载导轨2502上，试验结束时可以将复合载荷-多物理场加载试验平台1连同偏摆台2501部分抽出真空腔4，便于更换材料样品；同时可以通过导轨的对接，将载物工具车6与真空腔4内的隔振基座3连接，将复合载荷-多物理场加载试验平台1完全抽出真空腔4外，以方便对其进行调试、检修；
所述复合载荷-多物理场加载试验平台1依据试验条件，对被测材料样品施加拉伸/压缩、弯曲、扭转、低周疲劳等多种载荷模式的力学加载，同时对载荷信号和变形信号的精密检测，进而实现复合载荷模式下材料的力学性能测试；依据试验条件，对被测材料样品施加力、电、热、磁等多外场载荷，并实现对外场加载参数和材料相应物理性能参数的精确测量；在复合载荷-多物理场加载试验平台1耦合作用下，实现对被测材料样品施加接近服役条件下的力学与外场耦合作用的复杂载荷，同时对材料基本物理性能参数进行精确测量和定量分析；通过微纳米压痕测试试验，可测定在各类外部载荷作用下材料硬度、弹性模量等基本力学参数的动态演化情况。
所述的复合载荷-多物理场加载试验平台1包括拉伸/压缩加载模块11、扭转加载模块12、弯曲加载模块13、低周疲劳加载模块14、微纳米压痕测试模块15、高温加载模块16、低温加载模块17、磁场加载模块18、电场加载模块19，低温加载模块17、电场加载模块19的核心装置直流电源和循环制冷泵为外置设备，图3、图8中标号分别表示高压电源接入的导线和低温流体接入的流道。实际工作中，可以根据实际需求对上述模块进行选配。
所述拉伸/压缩加载模块11固定于偏摆台2501台面上，扭转加载模块12分为扭转加载主动单元1201、扭转加载固定单元1202两部分，分别安装于拉伸/压缩加载模块11的扭转端拉伸滑座1103、疲劳端拉伸滑座1104上，低周疲劳加载模块14安装于疲劳端拉伸滑座1104上与扭转加载固定单元1202的尾部连接，弯曲加载模块13、微纳米压痕测试模块15、红外热成像监测模块22分别以相同的方式由螺钉固定于侧向加载观测模块24的弯曲进给单元2401、压痕进给单元2403、红外热成像仪进给单元2402上，并一同安装于功能切换单元2404上；功能切换单元2404的往复运动实现弯曲加载、压痕加载、红外热成像的位置选择和工位切换，红外热成像仪进给单元2402的直线运动调节红外热成像监测模块22的可视范围，弯曲进给单元2401的直线运动带动弯曲压头1302实现弯曲载荷加载，压痕进给单元2403的直线运动带动压痕压头1509进行压入点位的初定位；高温加载模块16通过调整滑座1602、调整滑座导轨1805与磁场加载模块18连接，磁场加载模块18、侧向加载观测模块24分别固定在拉伸/压缩加载模块11主轴线的两侧。
参见图2至图5所示，本发明所述的拉伸/压缩加载模块11采用双向拉伸结构，由拉压伺服电机1101驱动双向丝杠1102，带动扭转端拉伸滑座1103和疲劳端拉伸滑座1104，保证两侧行程、移动速度一致，实现拉伸/压缩载荷的加载，由直线光栅读数头Ⅰ、Ⅱ1105、1118测得拉伸/压缩加载变形，包括拉压伺服电机1101、双向丝杠1102、扭转端拉伸滑座1103、拉伸电机支座1108、联轴器1109、丝杠支座组件1110、拉伸导轨1111、拉伸平台滑块1107、疲劳端拉伸滑座1104、磁场加载模块定位键1112、直线光栅读数头支架1113、直线光栅读数头Ⅰ、Ⅱ1105、1118、直线光栅尺Ⅰ、Ⅱ1106、1119、光栅尺固定片1114、基板1115、限位开关支架1116、限位开关1117、螺母Ⅰ、Ⅱ1120、1122、螺母座Ⅰ、Ⅱ1121、1123，所述基板1115是拉伸/压缩加载模块11的固定部分，拉压伺服电机1101通过拉伸电机支座1108与基板1115固定，拉压伺服电机1101通过联轴器1109与双向丝杠1102连接。双向丝杠1102通过丝杠支座组件1110定位在基板1115上。双向丝杠1102与螺母Ⅰ、Ⅱ1120、1122组成两组螺母副。螺母Ⅰ、Ⅱ1120、1122通过螺母座Ⅰ、Ⅱ1121、1123分别与疲劳端拉伸滑座1104、扭转端拉伸滑座1103固定。疲劳端拉伸滑座1104、扭转端拉伸滑座1103通过拉伸平台滑块1107安装在拉伸导轨1111上。直线光栅读数头Ⅰ、Ⅱ1105、1118通过直线光栅读数头支架1113分别安装于疲劳端拉伸滑座1104、扭转端拉伸滑座1103上。直线光栅尺Ⅰ、Ⅱ1106、1119通过光栅尺固定片1114安装于基板1115上。限位开关1117通过限位开关支架1116安装于基板1115上。磁场加载模块定位键1112安装于基板1115上。
工作时拉压伺服电机1101驱动双向丝杠1102转动，实现螺母Ⅰ、Ⅱ1120、1122的等速异向运动，并带动疲劳端拉伸滑座1104、扭转端拉伸滑座1103实现等速异向运动。利用直线光栅读数头Ⅰ、Ⅱ1105、1118与直线光栅尺Ⅰ、Ⅱ1106、1119之间的相对运动获取材料样品的拉伸/压缩变形量。限位开关1117防止拉伸平台滑块1107滑出拉伸导轨1111。
参见图2、图4及图5所示，本发明所述的扭转加载模块12分为扭转加载主动单元1201、扭转加载固定单元1202两部分，采用一端扭转一端固定的方式，扭转加载主动单元1201为加载端，由扭转伺服电机120104驱动扭转主动齿轮120108、扭转从动齿轮120109带动主动端夹具体120116实现扭矩的加载；扭转加载固定单元1202为固定端，由固定端夹具体120204、连接轴120209将扭矩传递给拉扭复合传感器120210，实现拉伸力、扭矩大小的测定；主动端夹具体120116、固定端夹具体120204分别安装有圆光栅读数头Ⅰ、Ⅱ120117、120202，通过测量扭转试验时读取的角度差实现扭转角的精准测定。
所述扭转加载主动单元1201包括扭转轴承架120101、传动轴120102、扭转电机支座120103、扭转伺服电机120104、旋转接头支座120105、旋转接头120106、连接法兰120107、扭转主动齿轮120108、扭转从动齿轮120109、角接触轴承端盖120110、垫片Ⅰ120111、角接触轴承座120112、角接触球轴承120113、圆光栅尺Ⅰ120114、主动端拉伸夹具压板120115、主动端夹具体120116、圆光栅读数头120117、主动端压缩夹具头120118，所述扭转伺服电机120104的电机轴与传动轴120102键连接、扭转主动齿轮120108与传动轴120102键连接、扭转从动齿轮120109与主动端夹具体120116均为键连接。扭转伺服电机120104通过扭转电机支座120103固定在扭转端拉伸滑座1103上。扭转轴承架120101固定在扭转端拉伸滑座1103上。传动轴120102安装于扭转轴承架120101上。旋转接头120106分为旋转接头定子120106B、旋转接头转子120106A，其中旋转接头定子120106B与旋转接头支座120105连接，旋转接头转子120106A通过连接法兰120107与主动端夹具体120116连接。主动端夹具体120116由一对背靠背布置的角接触球轴承120113安装于角接触轴承座120112上，角接触轴承端盖120110、垫片Ⅰ120111安装于角接触轴承座120112，角接触球轴承120113由角接触轴承端盖120110压紧，角接触轴承座120112由螺钉安装于扭转端拉伸滑座1103上。圆光栅尺Ⅰ120114安装于主动端夹具体120116上，圆光栅读数头120117安装于角接触轴承座120112上。主动端拉伸夹具压板120115、主动端压缩夹具头120118针对拉伸/压缩试验与主动端夹具体120116安装，用于夹持拉伸材料样品51/压缩材料样品52。工作时扭转伺服电机120104将力矩由传动轴120102、扭转主动齿轮120108、扭转从动齿轮120109传递至主动端夹具体120116，并带动材料样品扭转。
所述的扭转加载固定单元1202包括圆光栅尺Ⅱ120203、圆光栅读数头Ⅱ120202、固定端夹具体120204、固定端拉伸夹具压板120205、圆柱滚子轴承120206、垫片Ⅱ120207、圆柱滚子轴承端盖120208、连接轴120209、拉扭复合传感器120210、连接板120211、卸荷板120212、圆柱滚子轴承座120201、固定端压缩夹具头120213，所述固定端夹具体120204通过圆柱滚子轴承120206安装于圆柱滚子轴承座120201上，连接轴120209两端分别通过螺钉与固定端夹具体120204和拉扭复合传感器120210连接，拉扭复合传感器120210通过螺钉与连接板120211连接。圆柱滚子轴承座120201、卸荷板120212与疲劳端拉伸滑座1104连接。圆柱滚子轴承端盖120208、垫片Ⅱ120207安装于圆柱滚子轴承座120201上。圆光栅尺Ⅱ120203安装于固定端夹具体120204上，圆光栅读数头Ⅱ120202安装于圆柱滚子轴承座120201上。固定端拉伸夹具压板120205、固定端压缩夹具头120213针对拉伸/压缩试验与固定端夹具体120204安装，用于夹持拉伸材料样品51/压缩材料样品52。
扭转时由固定端夹具体120204、连接轴120209将拉伸/压缩力和扭矩传递给拉扭复合传感器120210，实现拉伸力/压缩力、扭矩载荷大小的测定。主动端夹具体120116、固定端夹具体120204分别安装有圆光栅尺Ⅰ、Ⅱ120114、120203，利用圆光栅读数头Ⅰ、Ⅱ120117、120202测量扭转试验时光栅角度差实现扭转角的精准测定。在大拉伸载荷下，通过拧紧螺钉使卸荷板120212与连接板120211和疲劳端拉伸滑座1104紧固，实现对大拉伸力载荷的卸荷，保护疲劳加载模块压电叠堆1403不会损坏。
材料样品的夹持方式，针对拉伸试验所用的拉伸材料样品51为板状的特点，利用主动端夹具体120116、固定端夹具体120204上的斜面卡紧拉伸材料样品51，在两侧夹具体上分别安装主动端拉伸夹具压板120115、固定端拉伸夹具压板120205，实现对拉伸材料样品51的夹持。针对压缩试验所用的压缩材料样品52为立方体的特点，在两侧夹具体上分别安装主动端压缩夹具头120118、固定端压缩夹具头120213，主动端压缩夹具头120118及固定端压缩夹具头120213上开有方槽，将压缩材料样品52卡入槽内，使其在压缩、弯曲、扭转加载过程中实现对压缩材料样品52的夹持。
参见图2及图5所示，本发明所述的低周疲劳加载模块14包括疲劳加载模块柔性铰链1402、疲劳加载模块压电叠堆1403、疲劳模块滑块1404、疲劳模块导轨1406、疲劳加载模块底座1401、端面固定板1405，所述疲劳加载模块柔性铰链1402分为固定端和形变输出端，疲劳加载模块柔性铰链1402固定端通过螺钉与疲劳加载模块底座1401固连，疲劳加载模块底座1401通过端面固定板1405与疲劳端拉伸滑座1104固连，疲劳加载模块柔性铰链1402输出端通过螺钉与扭转加载固定单元1202相连，且安装于疲劳模块滑块1404上，疲劳加载模块压电叠堆1403驱动疲劳加载模块柔性铰链1402发生形变，使疲劳加载模块柔性铰链1402输出端沿疲劳模块导轨1406方向带动扭转加载固定单元1202产生微小位移，从而实现低周疲劳加载。
疲劳加载模块柔性铰链1402的内框固定在疲劳加载模块底座1401上，外框与连接板120211连接；疲劳加载模块压电叠堆1403通过疲劳加载模块柔性铰链1402、连接板120211、拉扭复合传感器120210等驱动固定端夹具体120204产生高频的往复微小位移，可以实现在预先拉伸载荷作用下对拉伸材料样品51的疲劳加载。
参见图2及图6所示，本发明的弯曲加载模块13包括弯曲加载模块支座1301、支承轴1304、压力传感器1303、弯曲压头1302，所述弯曲加载模块支座1301、支承轴1304、压力传感器1303、弯曲压头1302依次由螺钉连接，将弯曲加载模块支座1301与弯曲进给单元2401用螺钉连接，最后通过螺钉固定于功能切换单元2404上，功能切换单元2404带动弯曲加载模块13实现沿材料样品轴线方向弯曲工位的调整，由弯曲进给单元2401通过电机和滚珠丝杠驱动弯曲压头1302完成弯曲加载。
参见图6及图7所示，本发明的微纳米压痕测试模块15包括楔形块1501、压痕柔性铰链1502、压痕测试模块支座1503、微调单元1504、压痕测试模块压电叠堆1505、压入力传感器1508、挡片1507、压痕压头1509、电容式微小位移传感器1506，其中微调单元1504由可动板150401、位移传感器支架150402、位移传感器压板150403、固定板150404、手柄150405组成。安装在压痕柔性铰链1502内的压痕测试模块压电叠堆1505由楔形块1501预紧，压入力传感器1508且位于压痕压头1509及压痕柔性铰链1502之间，并用螺纹连接。压痕柔性铰链1502安装在压痕测试模块支座1503上。挡片1507安装在压痕压头1509上。微调单元1504中，固定板150404通过螺钉连接到压痕测试模块支座1503上，可动板150401用螺钉与位移传感器支架150402连接，位移传感器压板150403将电容式微小位移传感器1506夹紧。通过旋动手柄150405调整可动板150401与固定板150404的相对位置来调整电容式微小位移传感器1506的工作位置，使其进入传感器的量程范围，通过测量电容式微小位移传感器1506与挡片1507之间的距离来表征压痕压头1509的压入深度。功能切换单元2404带动微纳米压痕测试模块15实现沿材料样品轴线方向压入位置的调整，压痕进给单元2403的直线运动实现压痕初进给。压痕测试模块压电叠堆1505通过压痕柔性铰链1502、压入力传感器1508驱动压痕压头1509实现精准进给。通过压入力传感器1508采集压入过程中的压入力，通过电容式微小位移传感器1506监测压痕压头1509的压入深度。微纳米压痕测试模块15作为一种材料力学性能监测手段内嵌于仪器中，可以精准测量材料样品复杂载荷条件作用下，其局部微小区域内的压痕曲线、硬度、弹性模量等参量的动态演变情况。
参见图6本发明的弯曲加载模块13、微纳米压痕测试模块15和红外热成像监测模块22分别以相同的方式由螺钉固定于弯曲进给单元2401、压痕进给单元2403、红外热成像仪进给单元2402上，并一同安装于功能切换单元2404。功能切换单元2404的往复运动实现弯曲加载、压痕加载、红外热成像的功能切换。其中红外热成像监测模块22安装于红外热成像仪进给单元2402上，功能切换单元2404带动红外热成像监测模块22实现沿材料样品轴线方向红外成像工位的调整，红外热成像仪进给单元2402的直线运动完成红外热成像监测模块22的焦距调整，达到监测试验中材料样品的温度分布的目的。
参见图8所示，本发明的低温加载模块17利用外置的低温制冷泵，通入制冷流道来实现。主动端夹具体120116、固定端夹具体120204内置制冷流道，利用外置的低温制冷泵，将制冷液泵送至主动端夹具体120116、固定端夹具体120204内部开通的流道内，通过热传导的方式为材料样品制冷，为材料样品营造低温试验环境。旋转接头120106分为旋转接头定子120106B、旋转接头转子120106A，旋转接头转子120106A上开有环槽，与旋转接头定子120106B上的通流口联通，在定子转子间存在相对转动时仍能实现流体的输送，并利用连接法兰120107实现将主动端夹具体120116的流道与旋转接头120106的流道对接，实现在主动端夹具体120116因扭转加载产生转动时制冷液导入与循环。
参见图9、图10所示，本发明的材料样品夹持动作主要由主动端拉伸夹具压板120115、主动端夹具体120116、固定端夹具体120204、固定端拉伸夹具压板120205、主动端压缩夹具头120118、固定端压缩夹具头120213实现。主动端夹具体120116与主动端拉伸夹具压板120115及主动端压缩夹具头120118间、固定端夹具体120204与固定端拉伸夹具压板120205及固定端压缩夹具头120213间均由螺钉连接。
对于拉伸材料样品51的夹持，拉伸夹具主动端夹具体120116和固定端夹具体120204设计有与拉伸材料样品51夹持端相配合的侧面结构，拉伸时材料样品由此两侧面定位，并通过主动端拉伸夹具压板120115、固定端拉伸夹具压板120205压紧材料样品，实现对拉伸材料样品51的可靠夹持。
对于压缩材料样品52的夹持，主动端压缩夹具头120118及固定端压缩夹具头120213设计有与压缩材料样品52两端相配合的凹槽，材料样品依靠重力贴紧在主动端压缩夹具头120118、固定端压缩夹具头120213上，当加载压缩载荷时，主动端压缩夹具头120118与固定端压缩夹具头120213将压缩材料样品52两端面压紧，实现对压缩材料样品52的可靠夹持。
参见图11所示，本发明所述的高温加载模块16包括卤素加热灯1601、调整滑座1602、卤素灯安装板1603，卤素加热灯1601通过螺钉与卤素灯安装板1603连接，并安装于调整滑座1602上。调整滑座1602可沿调整滑座导轨1805调节卤素加热灯1601的焦距。卤素加热灯1601发光并经弧面聚焦于材料样品表面，实现高温加载。
磁场加载模块18包括下磁轭1801、线圈1802、上磁轭1803、磁极极头1804、调整滑座导轨1805，两个磁极极头1804采用上下布置，分别固定于下磁轭1801与上磁轭1803上，通过对线圈1802加载电流实现对材料样品垂直方向的磁场加载。
高温场的加载由卤素加热灯1601聚焦照射材料样品实现，磁场的加载由可控电磁铁实现，可控电磁铁由下磁轭1801、线圈1802、上磁轭1803、磁极极头1804组成，材料样品放置于两个磁极极头1804之间，通过对线圈1802加载电流的调整实现对磁场强度的控制；通过调整滑座1602，可以在不需要高温场功能时将卤素加热灯1601取下，防止其对原位监测模块光路的遮挡。电场加载模块19需要外接一台高压直流电源，利用导电银胶将两根导线分别接于材料样品相对的两个平面上，并在导线两端施加一个直流高压电场，从而实现电场的加载。将整个试验装置放置于真空腔4内有助于降低两个电极间的击穿电压，可以提高电场加载试验的电场强度。
原位监测平台2用于动态监测在复杂力学载荷和多物理场载荷作用下材料样品的变形损伤、微观组织变化与性能演变等，通过对各监测模块位姿的精确调整，实现对复杂载荷条件下材料样品的微观变形、损伤机制、微观组织结构变化以及性能演化进行实时的动态原位监测，包括光学显微成像监测模块21、红外热成像监测模块22、显微拉曼光谱监测模块23、侧向加载观测模块24、偏摆支承模块25。光学显微成像监测模块21、显微拉曼光谱监测模块23布置于复合载荷-多物理场加载试验平台1的两侧，安装在隔振基座3上，偏摆支承模块25安装在隔振基座3上，承载复合载荷-多物理场加载试验平台1的同时为各个原位观测模块提供更丰富的观测位置。红外热成像监测模块22安装于侧向加载观测模块24上，侧向加载观测模块24安装于复合载荷-多物理场加载试验平台1上。
参见图12、图15至图17所示，本发明所述的偏摆支承模块25包括定位型材2503、重载导轨2502、偏摆台2501、定位键2504、偏摆伺服电机2505，拉伸模块的基板1115与偏摆台2501的台面由定位键2504定位，偏摆台2501沿重载导轨2502运动。重载导轨2502通过定位型材2503安装于隔振基座3上。
所述偏摆台2501在偏摆伺服电机2505的驱动下可带动复合载荷-多物理场加载试验平台1实现0°-45°的偏转，以调整材料样品的整体姿态便于实现原位监测功能。在压痕压头1509压入过程中，设置一定的监测角度，能够对压入过程进行原位监测。通过调整偏摆角度可以实现显微拉曼光谱监测模块23对材料样品压入后的压痕进行垂直监测，便于对压痕微观形貌、成分进行采集与分析。
本发明可以与真空腔4集成，试验结束时可以将复合载荷-多物理场加载试验平台1连同偏摆台2501部分抽出真空腔4，便于更换材料样品。同时可以通过重载导轨2502的对接，使载物工具车6与真空腔4内的隔振基座3连接，将复合载荷-多物理场加载试验平台1完全抽出真空腔4外，以方便对其进行调试、检修。
参见图13所示，本发明的光学显微成像监测模块21包括X轴运动单元Ⅰ2101、X轴支承单元Ⅰ2107、Y轴运动单元Ⅰ2102、Z 轴运动单元Ⅰ2104、支承板Ⅰ2103、光学显微镜支架2105、光学显微镜2106，所述X轴运动单元Ⅰ2101、X轴支承单元Ⅰ2107分别与Y轴运动单元Ⅰ2102叠加安装，Y轴运动单元Ⅰ2102与Z 轴运动单元Ⅰ2104通过支承板Ⅰ2103连接。光学显微镜2106通过光学显微镜支架2105连接在Z轴运动单元Ⅰ2104上。能够实现大范围调整光学显微镜2106的观测位置，X轴支承单元Ⅰ2107能有效防止由分布不均产生的倾斜。
参见图14所示，本发明的显微拉曼光谱监测模块23包括X轴运动单元Ⅱ2301、Y轴运动单元Ⅱ2302、支承板Ⅱ2303、Z 轴运动单元Ⅱ2304、旋转支架2305、调角座2306、调角螺母2307、调角手轮2308、调角丝杆2309、导向柱2310、齿条2311、夹持器2312、调距手轮2313、显微拉曼连接板2314、显微拉曼光谱仪2315、X轴支承单元Ⅱ2316，所述X轴运动单元Ⅱ2301、X轴支承单元Ⅱ2316分别与Y轴运动单元Ⅱ2302叠加安装，Y轴运动单元Ⅱ2302与Z 轴运动单元Ⅱ2304通过支承板Ⅱ2303连接。旋转支架2305安装于Z 轴运动单元Ⅱ2304上，调角座2306同时与旋转支架2305、调角螺母2307铰接，调角丝杆2309与旋转支架2305铰接。调角手轮2308与调角丝杆2309固定。导向柱2310与齿条2311焊接后，通过螺钉与旋转支架2305连接。显微拉曼光谱仪2315通过显微拉曼连接板2314、夹持器2312、调距手轮2313安装在导向柱2310上。
利用X轴运动单元Ⅱ2301、Y轴运动单元Ⅱ2302、Z 轴运动单元Ⅱ2304带动显微拉曼光谱仪2315完成监测位置的初步调整，通过旋动调角手轮2308使调角螺母2307沿调角丝杆2309移动改变导向柱2310及显微拉曼光谱仪2315监测轴线与竖直方向的夹角，旋动调距手轮2313实现显微拉曼光谱仪2315沿导向柱2310方向移动，完成显微拉曼光谱仪2315监测点的进一步调整。显微拉曼光谱仪2315能够实现试验中非接触式应变的测量和材料样品微观组分变化的监测。
光学显微成像监测模块21、显微拉曼光谱监测模块23均可以实现X、Y、Z三个方向的位置调整，完成显示视野的变换和成像仪器的调焦，由X轴运动单元Ⅰ、Ⅱ2101、2301、Y轴运动单元Ⅰ、Ⅱ2102、2302、Z 轴运动单元Ⅰ、Ⅱ2104、2304实现；显微拉曼光谱仪2315可通过调整旋转支架2305与调距手轮2313对初始监测角度和初始监测位置进行调整，能够实现更为丰富的监测范围。显微拉曼光谱仪2315为内置CCD形式，后部通过一个标准C接口与拉曼光谱仪集成，可以根据显微图像在可视的范围内选择局部微小区域利用拉曼光谱仪，实现对微区的组织成分的分析。两个监测模块分别实现复合载荷-多物理场耦合试验下材料样品微观组织结构的监测和组织成分变化的监测；红外热成像监测模块22实时监测温度场下材料样品的温度分布。
本发明结合由信号采集单元、控制单元等构成的检测控制模块，通过控制力学加载和多物理场加载试验平台和原位监测平台，模拟载荷环境，并实现原位观测。利用采集模块采集相关的应力、应变、电场强度、磁场强度、温度等参数信息，生成试验曲线，进而测量相关材料物理性能参数。
复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试方法，对于以拉伸试验为基础的力电热磁多物理场耦合材料微观性能原位测试方法，通过主动端拉伸夹具压板120115、固定端拉伸夹具压板120205将拉伸材料样品51固定于主动端夹具体120116、固定端夹具体120204上，并使拉伸/压缩加载模块11驱动扭转端拉伸滑座1103、疲劳端拉伸滑座1104背向运动，实现拉伸材料样品51的拉伸加载；通过扭转加载模块12实现拉伸材料样品51的扭转加载；分别通过直线光栅读数头Ⅰ1105、圆光栅读数头120117Ⅰ测算拉伸材料样品51的拉伸应变与扭转应变，通过拉扭复合传感器120210测算拉伸应力与扭转应力；低周疲劳加载模块14可以在拉伸载荷下给拉伸材料样品51施加低周疲劳载荷；通过侧向加载观测模块24将弯曲加载模块13驱动至工作位置，给拉伸材料样品51施加弯曲载荷通过压力传感器1303测算弯曲力；在施加复合力学载荷的同时通过电场加载模块19拉伸材料样品51施加电场，通过磁场加载模块18对拉伸材料样品51施加磁场，通过相关仪器控制施加电场、磁场的强度，并对试验过程中的电滞回线、磁滞回线进行测量；通过高温加载模块16给拉伸材料样品51施加高温，此时通过侧向加载观测模块24将红外热成像监测模块22移动至工作位置测量拉伸材料样品51的温度场信息；此外可以通过低温加载模块17给拉伸材料样品51施加低温；在工作过程中通过光学显微成像监测模块21对拉伸材料样品51的变形损伤、失效形式进行原位观测；在试验中的任意时刻，可以通过侧向加载观测模块24将微纳米压痕测试模块15切换至工作位置，对试件表面进行微纳米压痕测试，压痕进给单元2403的直线运动实现压痕初进给；压痕测试模块压电叠堆1505通过压痕柔性铰链1502、压入力传感器1508驱动压痕压头1509实现精准进给；并用压入力传感器1508、电容式微小位移传感器1506采集的压入力、压入量信息描绘微纳米压痕曲线；该过程可以通过偏摆支承模块25将复合载荷-多物理场加载试验平台1调节到显微拉曼光谱监测模块23的观测范围内，并对压入过程进行原位测试，同时获取局部微区域的拉曼光谱信息。
本发明的复合载荷-多物理场加载试验平台1可以在实现拉伸/压缩加载测试的基础上，集成其他的力学加载测试模式，同时还可构建高温/低温-电场-磁场的物理场环境，此外能够实现利用压入式检测手段分析材料的微观力学性能。最多可以实现“拉伸-疲劳-弯曲-扭转-高温场（低温场）-电场-磁场”或“压缩-弯曲-扭转-高温场（低温场）-电场-磁场”的复合载荷-多物理场耦合加载试验，模拟丰富的试验环境，获取丰富的材料物理性能参数，也可以模拟特定工况，选择其中一种或几种功能进行耦合加载，如拉伸-扭转-低温、拉伸-疲劳-高温、压缩-电场等，本发明能够实现的所有复合载荷模式如下：
单一载荷：拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、扭转载荷、低周疲劳载荷、高温场、低温场、电场、磁场。
两种载荷：
拉伸-弯曲复合、拉伸-扭转复合、拉伸-低周疲劳复合、拉伸-高温场复合、拉伸-低温场复合、拉伸-电场复合、拉伸-磁场复合、压缩-弯曲复合、压缩-扭转复合、压缩-高温场复合、压缩-低温场复合、压缩-电场复合、压缩-磁场复合、弯曲-扭转复合、弯曲-低周疲劳复合、弯曲-高温场复合、弯曲-低温场复合、弯曲-电场复合、弯曲-磁场复合、扭转-低周疲劳复合、扭转-高温场复合、扭转-低温场复合、扭转-电场复合、扭转-磁场复合、高温场-电场复合、高温场-磁场复合、低温场-电场复合、低温场-磁场复合、电场-磁场复合、低周疲劳-高温场复合、低周疲劳-低温场复合、低周疲劳-电场复合、低周疲劳-磁场复合。
三种载荷：
拉伸-弯曲-扭转复合、拉伸-弯曲-高温场复合、拉伸-弯曲-低温场复合、拉伸-弯曲-电场复合、拉伸-弯曲-磁场复合、拉伸-扭转-高温场复合、拉伸-扭转-低温场复合、拉伸-扭转-电场复合、拉伸-扭转-磁场复合、拉伸-低周疲劳-弯曲复合、拉伸-低周疲劳-扭转复合、拉伸-低周疲劳-高温场复合、拉伸-低周疲劳-低温场复合、拉伸-低周疲劳-电场复合、拉伸-低周疲劳-磁场复合、拉伸-高温场-磁场复合、拉伸-高温场-电场复合、拉伸-低温场-磁场复合、拉伸-低温场-电场复合、压缩-弯曲-扭转复合、压缩-弯曲-高温场复合、压缩-弯曲-低温场复合、压缩-弯曲-电场复合、压缩-弯曲-磁场复合、压缩-扭转-高温场复合、压缩-扭转-低温场复合、压缩-扭转-电场复合、压缩-扭转-磁场复合、压缩-高温场-磁场复合、压缩-高温场-电场复合、压缩-低温场-磁场复合、压缩-低温场-电场复合、弯曲-扭转-高温场复合、弯曲-扭转-低温场复合、弯曲-扭转-电场复合、弯曲-扭转-磁场复合、高温场-电场-磁场复合、低温场-电场-磁场复合、弯曲-扭转复合-低周疲劳复合、弯曲-低周疲劳-高温场复合、弯曲-低周疲劳-低温场复合、弯曲-低周疲劳-电场复合、弯曲-低周疲劳-磁场复合、扭转-低周疲劳-高温场复合、扭转-低周疲劳-低温场复合、扭转-低周疲劳-电场复合、扭转-低周疲劳-磁场复合、低周疲劳-高温场-电场复合、低周疲劳-高温场-磁场复合、低周疲劳-低温场-磁场复合、低周疲劳-低温场-电场复合。
四种载荷：
拉伸-弯曲-扭转-低周疲劳复合、拉伸-弯曲-扭转-高温场复合、拉伸-弯曲-扭转-低温场复合、拉伸-弯曲-扭转-电场复合、拉伸-弯曲-扭转-磁场复合、拉伸-低周疲劳-弯曲-高温场复合、拉伸-低周疲劳-弯曲-低温场复合、拉伸-低周疲劳-弯曲-电场复合、拉伸-低周疲劳-弯曲-磁场复合、拉伸-低周疲劳-扭转-高温场复合、拉伸-低周疲劳-扭转-低温场复合、拉伸-低周疲劳-扭转-电场复合、拉伸-低周疲劳-扭转-磁场复合、低周疲劳-弯曲-扭转-高温场复合、低周疲劳-弯曲-扭转-低温场复合、低周疲劳-弯曲-扭转-电场复合、低周疲劳-弯曲-扭转-磁场复合、拉伸-弯曲-高温场-磁场复合、拉伸-弯曲-高温场-电场复合、拉伸-弯曲-低温场-磁场复合、拉伸-弯曲-低温场-电场复合、拉伸-弯曲-磁场-电场复合、拉伸-扭转-高温场-磁场复合、拉伸-扭转-高温场-电场复合、拉伸-扭转-低温场-磁场复合、拉伸-扭转-低温场-电场复合、拉伸-扭转-磁场-电场复合、拉伸-低周疲劳-高温场-电场复合、拉伸-低周疲劳-高温场-磁场复合、拉伸-低周疲劳-低温场-电场复合、拉伸-低周疲劳-低温场-磁场复合、拉伸-低周疲劳-磁场-电场复合、低周疲劳-弯曲-高温场-电场复合、低周疲劳-弯曲-高温场-磁场复合、低周疲劳-弯曲-低温场-电场复合、低周疲劳-弯曲-低温场-磁场复合、低周疲劳-弯曲-磁场-电场复合、低周疲劳-扭转-高温场-电场复合、低周疲劳-扭转-高温场-磁场复合、低周疲劳-扭转-低温场-电场复合、低周疲劳-扭转-低温场-磁场复合、低周疲劳-扭转-磁场-电场复合、低周疲劳-高温场-磁场-电场复合、低周疲劳-低温场-磁场-电场复合、拉伸-高温场-磁场-电场复合、拉伸-低温场-磁场-电场复合、压缩-弯曲-扭转-高温场复合、压缩-弯曲-扭转-低温场复合、压缩-弯曲-扭转-电场复合、压缩-弯曲-扭转-磁场复合、压缩-弯曲-高温场-磁场复合、压缩-弯曲-高温场-电场复合、压缩-弯曲-低温场-磁场复合、压缩-弯曲-低温场-电场复合、压缩-弯曲-磁场-电场复合、压缩-扭转-高温场-磁场复合、压缩-扭转-高温场-电场复合、压缩-扭转-低温场-磁场复合、压缩-扭转-低温场-电场复合、压缩-扭转-磁场-电场复合、压缩-高温场-磁场-电场复合、压缩-低温场-磁场-电场复合、弯曲-扭转-高温场-电场复合、弯曲-扭转-高温场-磁场复合、弯曲-扭转-低温场-电场复合、弯曲-扭转-低温场-磁场复合、弯曲-高温场-磁场-电场复合、弯曲-低温场-磁场-电场复合、扭转-高温场-磁场-电场复合、扭转-低温场-磁场-电场复合。
五种载荷：
拉伸-弯曲-扭转-低周疲劳-高温场复合、拉伸-弯曲-扭转-低周疲劳-低温场复合、拉伸-弯曲-扭转-低周疲劳-电场复合、拉伸-弯曲-扭转-低周疲劳-磁场复合、拉伸-弯曲-扭转-高温场-电场复合、拉伸-弯曲-扭转-高温场-磁场复合、拉伸-弯曲-扭转-低温场-电场复合、拉伸-弯曲-扭转-低温场-磁场复合、拉伸-低周疲劳-扭转-高温场-电场复合、拉伸-低周疲劳-扭转-高温场-磁场复合、拉伸-低周疲劳-扭转-低温场-电场复合、拉伸-低周疲劳-扭转-低温场-磁场复合、拉伸-低周疲劳-弯曲-高温场-电场复合、拉伸-低周疲劳-弯曲-高温场-磁场复合、拉伸-低周疲劳-弯曲-低温场-电场复合、拉伸-低周疲劳-弯曲-低温场-磁场复合、低周疲劳-弯曲-扭转-高温场-电场复合、低周疲劳-弯曲-扭转-高温场-磁场复合、低周疲劳-弯曲-扭转-低温场-电场复合、低周疲劳-弯曲-扭转-低温场-磁场复合、低周疲劳-弯曲-高温场-磁场-电场复合、低周疲劳-扭转-高温场-磁场-电场复合、低周疲劳-弯曲-扭转-高温场-电场-磁场复合、低周疲劳-弯曲-扭转-低温场-电场-磁场复合、拉伸-低周疲劳-高温场-电场-磁场复合、拉伸-低周疲劳-低温场-电场-磁场复合、拉伸-弯曲-高温场-电场-磁场复合、拉伸-弯曲-低温场-电场-磁场复合、拉伸-扭转-高温场-电场-磁场复合、拉伸-扭转-低温场-电场-磁场复合、压缩-弯曲-扭转-高温场-电场复合、压缩-弯曲-扭转-高温场-磁场复合、压缩-弯曲-扭转-低温场-电场复合、压缩-弯曲-扭转-低温场-磁场复合、压缩-弯曲-高温场-电场-磁场复合、压缩-弯曲-低温场-电场-磁场复合、压缩-扭转-高温场-电场-磁场复合、压缩-扭转-低温场-电场-磁场复合、弯曲-扭转-高温场-电场-磁场复合、弯曲-扭转-低温场-电场-磁场复合。
六种载荷：
拉伸-弯曲-扭转-高温场-电场-磁场复合、拉伸-弯曲-扭转-低温场-电场-磁场复合、压缩-弯曲-扭转-高温场-电场-磁场复合、压缩-弯曲-扭转-低温场-电场-磁场复合、拉伸-低周疲劳-弯曲-高温场-电场-磁场复合、拉伸-低周疲劳-扭转-高温场-电场-磁场复合、拉伸-低周疲劳-弯曲-低温场-电场-磁场复合、拉伸-低周疲劳-扭转-低温场-电场-磁场复合、低周疲劳-弯曲-扭转-高温场-电场-磁场复合、低周疲劳-弯曲-扭转-低温场-电场-磁场复合
七种载荷：拉伸-低周疲劳-弯曲-扭转-高温场-电场-磁场复合、拉伸-低周疲劳-弯曲-扭转-低温场-电场-磁场复合。
参见图18所示，本发明的加载示意图中，为拉伸力，为压缩力，为弯曲力，为压入力，为扭矩。
参见图19所示，本发明的物理场加载方式如下：在材料样品两端粘接高压电极，完成电场加载；由卤素加热灯照射完成对材料样品的高温加载，同时对夹具用冷却液（水）冷以防止夹具体过热；对夹具通冷却液（乙醇、液氮等），完成对材料样品的制冷；在材料样品中部上下布置的磁极，通电后实现垂直磁场的加载。
本发明载荷加载的相关公式如下：
1. 拉伸条件下
应力计算公式：
（1）
式中，为拉伸力，为材料样品的横截面积，
应变计算公式：
（2）
式中，为材料样品伸长量，为材料样品原长；
2.压缩条件下
应力计算公式：
（3）
式中，为压缩力；
压缩条件下的应变计算公式：
（4）
式中，为材料样品压缩量；
3．扭转条件下
针对圆截面材料样品
最大切应力计算公式：
（5）
式中，为扭矩，为抗扭截面系数；
扭转角计算公式：
（6）
式中，为切变模量，为截面极惯性矩；
（7）
（8）
式中，为材料样品的直径；
针对矩形截面材料样品
最大切应力计算公式：
（9）
式中，为扭矩，为矩形截面的长边，为矩形截面的短边，为与有关的系数；
扭转角计算公式
（10）
式中，为切变模量，为杆件的抗扭刚度；
（11）
式中，为与有关的系数；
4.低周疲劳下
低周疲劳寿命公式：
（12）
式中为疲劳强度系数，为疲劳强度指数，疲劳塑性系数，为疲劳塑性指数，为弹性模量，为端面收缩率。
5.弯曲下
在弹性范围内弯曲时，受拉侧表面的最大弯曲应力计算公式：
（13）
式中，为最大弯矩，为材料样品抗弯截面系数
三点弯曲时：
（14）
式中为材料样品跨距
圆柱材料样品时：
（15）
矩形材料样品时：
（16）
6．压痕测试中，被测材料的硬度的计算公式：
（17）
式中，为某一压痕深度的实时载荷，为此时压痕压头与材料样品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： （18）
立方角压头： （19）
维氏压头： （20）
锥形压头： （21）
球形压头： （22）
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，以压痕压头材质以金刚石为例：
（23）
式中，为材料样品的弹性模量，为缩减模量，为材料样品的泊松比，为金刚石压头的弹性模量（1050GPa），为金刚石压头的泊松比（0.07）；
7. 拉伸/压缩-扭转复合载荷下
材料样品的表面都是危险点，根据第三强度理论，危险点相当应力的计算公式为：
（24）
式中，为轴向拉伸力，为材料样品的横截面积，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：
（25）
8. 拉伸/压缩-弯曲复合载荷下
材料样品的标距中间截面的受拉侧为危险点，根据第三强度理论，危险点相当应力的计算公式为：
（26）
式中，为弯矩，为抗弯截面系数，为轴向拉伸力，为材料样品的横截面积，为扭矩，为抗扭截面系数；
9.加载高温/低温场情况下
卤素加热灯通电后辐射至材料样品表面的热量：
（27）
式中，为加热灯加载电压，为加热灯工作时电流，为加热时间。
取材料样品长度为的微元段来分析，对流换热的热量为：
（28）
式中，对流传热表面传热系数，为环境温度，为材料样品截面的周长，为材料样品的横截面积
对于材料样品施加高温场时，通过其横截面的热流量为：
（29）
本发明主要用于复合载荷-多物理场耦合加载作用下的材料原位测试，在实现拉伸/压缩加载的基础上，集成了弯曲、扭转、低周疲劳等多种类型的力学加载模式，特别是引入了高温/低温-电场磁场多物理场耦合加载的试验环境。仪器可实现拉伸/压缩、弯曲、扭转、低周疲劳、温度场、电场、磁场的任意组合，最多可同时实现上述七种载荷方式共存的并行加载测试。利用仪器内嵌的原位微纳米压痕测试模块，可以精准测量这些复杂载荷条件作用下，材料样品压痕曲线、硬度、弹性模量等参量的动态演变情况。同时，借助仪器嵌入的光学显微成像监测模块21、显微拉曼监测模块等多种类型原位监测模块，能精确的动态监测复杂载荷作用过程中及作用后，材料的物理性能参数、变形损伤、微观组织变化与性能演变等关乎材料服役性能、可靠性与使用寿命的重要数据信息。为接近服役条件下材料微观力学性能测试提供有效的手段和方法。
本发明在设计上充分考虑了结构小型化和轻量化，因此可选配真空腔将仪器主体置于其中，从而为被测材料样品提供如低压、真空、惰性气体等测试环境。可实现拉伸/压缩、弯曲、扭转、低周疲劳这四种载荷模式的任意一种、两种、三种乃至四种载荷加载模式的材料样品力学性能测试。可实现电、热、磁任意一种、两种乃至三种外场加载模式下材料样品物理性能的测试。可实现任意一种、两种、三种乃至四种机械载荷与任意一种、两种、三种外场载荷组合的耦合加载条件下的材料样品微观性能的测试，最多可实现上述七种载荷方式共存的并行加载方式下接近服役条件的材料微观性能测试。特别可通过内嵌的微纳米压痕测试模块，动态测量分析上述复杂载荷作用下诱发导致的材料样品硬度、弹性模量等基本力学参数的变化情况。特别是借助内嵌的多种类型原位监测模块，可动态监测分析上述复杂载荷条件下材料样品的微观组织结构演变与性能弱化机制，获取接近服役条件下材料微观力学行为、变形损伤机制及其与载荷作用和材料性能间的相关性规律。
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 (10)

1.一种复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器，其特征在于：包括复合载荷-多物理场加载试验平台（1）、原位监测平台（2）和隔振基座（3），所述隔振基座（3）用于支承复合载荷-多物理场加载试验平台（1）、原位监测平台（2），为其提供基础性的安装定位，并为测试过程提供有效的隔振处理；所述复合载荷-多物理场加载试验平台（1）依据试验条件，对被测材料样品施加拉伸/压缩、弯曲、扭转、低周疲劳载荷模式的力学加载，同时对载荷信号和变形信号的精密检测，进而实现复合载荷模式下材料的力学性能测试；依据试验条件，对被测材料样品施加力、电、热、磁多外场载荷，并实现对外场加载参数和材料相应物理性能参数的精确测量；在复合载荷-多物理场加载试验平台（1）耦合作用下，实现对被测材料样品施加接近服役条件下的力学与外场耦合作用的复杂载荷，同时对材料基本物理性能参数进行精确测量和定量分析；通过微纳米压痕测试试验，可测定在各类外部载荷作用下材料硬度、弹性模量基本力学参数的动态演化情况；
所述复合载荷-多物理场加载试验平台（1）包括拉伸/压缩加载模块（11）、扭转加载模块（12）、弯曲加载模块（13）、低周疲劳加载模块（14）、微纳米压痕测试模块（15）、高温加载模块（16）、低温加载模块（17）、磁场加载模块（18）、电场加载模块（19），所述低温加载模块（17）、电场加载模块（19）的核心装置直流电源和循环制冷泵为外置设备；所述拉伸/压缩加载模块（11）固定于偏摆台（2501）台面上，扭转加载模块（12）分为扭转加载主动单元（1201）、扭转加载固定单元（1202）两部分，分别安装于拉伸/压缩加载模块（11）的扭转端拉伸滑座（1103）、疲劳端拉伸滑座（1104）上，低周疲劳加载模块（14）安装于疲劳端拉伸滑座（1104）上与扭转加载固定单元（1202）的尾部连接，弯曲加载模块（13）、微纳米压痕测试模块（15）、红外热成像监测模块（22）分别固定于侧向加载观测模块（24）的弯曲进给单元（2401）、压痕进给单元（2403）、红外热成像仪进给单元（2402）上，并一同安装于功能切换单元（2404）上；功能切换单元（2404）的往复运动实现弯曲加载模块（13）、微纳米压痕测试模块（15）、红外热成像监测模块（22）的位置选择和工位切换，红外热成像仪进给单元（2402）的直线运动调节红外热成像监测模块（22）的可视范围，弯曲进给单元（2401）的直线运动带动弯曲压头（1302）实现弯曲载荷加载，压痕进给单元（2403）的直线运动带动压痕压头（1509）进行压入点位的初定位；高温加载模块（16）通过调整滑座（1602）、调整滑座导轨（1805）与磁场加载模块（18）连接，磁场加载模块（18）、侧向加载观测模块（24）分别固定在拉伸/压缩加载模块（11）主轴线的两侧；
所述复合载荷-多物理场加载试验平台（1）在实现拉伸/压缩加载测试的基础上，同时还可构建高温/低温-电场-磁场的物理场环境，此外能够实现利用压入式检测手段分析材料的微观力学性能；最多可以实现“拉伸-疲劳-弯曲-扭转-高温场/低温场-电场-磁场”或“压缩-弯曲-扭转-高温场/低温场-电场-磁场”的复合载荷-多物理场耦合加载试验，模拟丰富的试验环境，获取丰富的材料物理性能参数，也可以模拟特定工况，选择其中一种或几种功能进行耦合加载。
2.根据权利要求1所述的复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器，其特征在于：所述的复合载荷-多物理场加载试验平台（1）、原位监测平台（2）与真空腔（4）集成，实现对真空环境下的复合载荷-多物理场耦合加载试验和原位监测；隔振基座（3）集成于真空腔（4）内，防止真空泵工作时产生的振动影响仪器的原位监测效果；在配备真空腔的条件下，复合载荷-多物理场加载试验平台（1）放置于偏摆支承模块（25）上，偏摆支承模块（25）的偏摆台（2501）放置于重载导轨（2502）上，试验结束时将复合载荷-多物理场加载试验平台（1）连同偏摆台（2501）部分抽出真空腔（4），便于更换材料样品；同时通过导轨的对接，将载物工具车（6）与真空腔（4）内的隔振基座（3）连接，将复合载荷-多物理场加载试验平台（1）完全抽出真空腔（4）外，以方便对其进行调试、检修。
3.根据权利要求1所述的复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器，其特征在于：所述的拉伸/压缩加载模块（11）采用双向拉伸结构，由拉压伺服电机（1101）驱动双向丝杠（1102），带动扭转端拉伸滑座（1103）和疲劳端拉伸滑座（1104），保证两侧行程、移动速度一致，实现拉伸/压缩载荷的加载，由直线光栅读数头Ⅰ、Ⅱ（1105、1118）测得拉伸/压缩加载变形。
4.根据权利要求1所述的复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器，其特征在于：所述的扭转加载模块（12）包括扭转加载主动单元（1201）、扭转加载固定单元（1202）两部分，采用一端扭转一端固定的方式，扭转加载主动单元（1201）为加载端，由扭转伺服电机（120104）驱动扭转主动齿轮（120108）、扭转从动齿轮（120109）带动主动端夹具体（120116）实现扭矩的加载；扭转加载固定单元（1202）为固定端，由固定端夹具体（120204）、连接轴（120209）将扭矩传递给拉扭复合传感器（120210），实现拉伸力、扭矩大小的测定；主动端夹具体（120116）、固定端夹具体（120204）分别安装有圆光栅读数头Ⅰ、Ⅱ（120117、120202），通过测量扭转试验时读取的角度差实现扭转角的精准测定；
所述扭转加载主动单元（1201）的旋转接头（120106）分为旋转接头定子（120106B）、旋转接头转子（120106A），所述旋转接头转子（120106A）上开有环槽，与旋转接头定子（120106B）上的通流口联通，在定子转子间存在相对转动时仍能实现流体的输送，并利用连接法兰（120107）实现将主动端夹具体（120116）的流道与旋转接头（120106）的流道对接，实现在主动端夹具体（120116）因扭转加载产生转动时制冷液导入与循环；低温加载模块（17）依靠主动端夹具体（120116）、固定端夹具体（120204）的内置制冷流道，利用外置的低温制冷泵，将制冷液泵送至主动端夹具体（120116）、固定端夹具体（120204）内部开通的流道内，通过热传导的方式为材料样品制冷，为材料样品营造低温试验环境。
5.根据权利要求1所述的复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器，其特征在于：所述的低周疲劳加载模块（14）的疲劳加载模块柔性铰链（1402）的内框固定在疲劳加载模块底座（1401）上，外框与连接板（120211）连接；疲劳加载模块压电叠堆（1403）通过疲劳加载模块柔性铰链（1402）、连接板（120211）、拉扭复合传感器（120210）驱动固定端夹具体（120204）产生高频的往复微小位移，实现在预先拉伸载荷作用下对拉伸材料样品（51）的疲劳加载；在大拉伸载荷下，通过拧紧螺钉使卸荷板（120212）与连接板（120211）、疲劳端拉伸滑座（1104）紧固，实现对大拉伸力载荷的卸荷，保护疲劳加载模块压电叠堆（1403）不会损坏。
6.根据权利要求1所述的复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器，其特征在于：所述的微纳米压痕测试模块（15）通过压痕进给单元（2403）的直线运动实现压痕初进给，压痕测试模块压电叠堆（1505）通过压痕柔性铰链（1502）驱动压痕压头（1509）实现精准进给，通过压入力传感器（1508）采集压入过程中的压入力，通过电容式微小位移传感器（1506）监测压痕压头（1509）的压入深度。
7.根据权利要求1所述的复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器，其特征在于：所述的高温加载模块（16）包括卤素加热灯（1601）、调整滑座（1602）、卤素灯安装板（1603），卤素加热灯（1601）通过螺钉与卤素灯安装板（1603）连接，并安装于调整滑座（1602）上，高温场的加载由卤素加热灯（1601）聚焦照射材料样品实现；
所述磁场加载模块（18）磁场的加载由可控电磁铁实现，可控电磁铁由下磁轭（1801）、线圈（1802）、上磁轭（1803）、磁极极头（1804）组成，两个磁极极头（1804）采用上下布置，分别固定于下磁轭（1801）与上磁轭（1803）上，材料样品放置于两个磁极极头（1804）之间，通过对线圈（1802）加载电流的调整实现对磁场强度的控制；通过调整滑座（1602），可以在不需要高温加载功能时将卤素加热灯（1601）取下，防止其对原位监测模块光路的遮挡；电场加载模块（19）外接一台高压直流电源，利用导电银胶将两根导线分别接于材料样品相对的两个平面上，并在导线两端施加一个直流高压电场，从而实现电场的加载；将整个测试仪器放置于真空腔（4）内有助于降低两个电极间的击穿电压，以提高电场加载试验的电场强度。
8.根据权利要求1所述的复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器，其特征在于：所述的原位监测平台（2）用于动态监测在复杂力学载荷和多物理场载荷作用下材料样品的变形损伤、微观组织变化与性能演变；通过对各监测模块位姿的精确调整，实现对复杂载荷条件下材料样品的微观变形、损伤机制、微观组织结构变化以及性能演化进行实时的动态监测；原位监测平台（2）包括光学显微成像监测模块（21）、红外热成像监测模块（22）、显微拉曼光谱监测模块（23）、侧向加载观测模块（24）、偏摆支承模块（25），所述光学显微成像监测模块（21）、显微拉曼光谱监测模块（23）布置于复合载荷-多物理场加载试验平台（1）的两侧，安装在隔振基座（3）上，偏摆支承模块（25）安装在隔振基座（3）上，承载复合载荷-多物理场加载试验平台（1）的同时为各个原位观测模块提供更丰富的观测位置；红外热成像监测模块（22）安装于侧向加载观测模块（24）上，侧向加载观测模块（24）安装于复合载荷-多物理场加载试验平台（1）上。
9.根据权利要求8所述的复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器，其特征在于：所述的光学显微成像监测模块（21）、显微拉曼光谱监测模块（23）均能实现X、Y、Z三个方向的位置调整，完成显示视野的变换和成像仪器的的调焦，由X轴运动单元Ⅰ、Ⅱ（2101、2301）、Y轴运动单元Ⅰ、Ⅱ（2102、2302）、Z 轴运动单元Ⅰ、Ⅱ（2104、2304）实现；显微拉曼光谱仪（2315）通过调整旋转支架（2305）与调距手轮（2313）对初始监测角度和初始监测位置进行调整，能够实现更为丰富的监测范围；显微拉曼光谱仪（2315）为内置CCD形式，后部通过一个标准C接口与拉曼光谱仪集成，根据显微图像在可视的范围内选择局部微小区域利用拉曼光谱仪，实现对微区组织成分的分析；光学显微成像监测模块（21）、显微拉曼光谱监测模块（23）分别实现复合载荷-多物理场耦合试验下材料样品微观组织结构的监测和组织成分变化的监测；红外热成像监测模块（22）实时监测温度场下材料样品的温度分布。
10.根据权利要求1至9中任意一项所述的复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器的测试方法，其特征在于：对于以拉伸试验为基础的力电热磁多物理场耦合材料微观性能原位测试方法，通过主动端拉伸夹具压板（120115）、固定端拉伸夹具压板（120205）将拉伸材料样品（51）固定于主动端夹具体（120116）、固定端夹具体（120204）上，并使拉伸/压缩加载模块（11）驱动扭转端拉伸滑座（1103）、疲劳端拉伸滑座（1104）背向运动，实现拉伸材料样品（51）的拉伸加载；通过扭转加载模块（12）实现拉伸材料样品（51）的扭转加载；分别通过直线光栅读数头Ⅰ（1105）、圆光栅读数头（120117）Ⅰ测算拉伸材料样品（51）的拉伸应变与扭转应变，通过拉扭复合传感器（120210）测算拉伸应力与扭转应力；低周疲劳加载模块（14）可以在拉伸载荷下给拉伸材料样品（51）施加低周疲劳载荷；通过侧向加载观测模块（24）将弯曲加载模块（13）驱动至工作位置，给拉伸材料样品（51）施加弯曲载荷通过压力传感器（1303）测算弯曲力；在施加复合力学载荷的同时通过电场加载模块（19）拉伸材料样品（51）施加电场，通过磁场加载模块（18）对拉伸材料样品（51）施加磁场，通过相关仪器控制施加电场、磁场的强度，并对试验过程中的电滞回线、磁滞回线进行测量；通过高温加载模块（16）给拉伸材料样品（51）施加高温，此时通过侧向加载观测模块（24）将红外热成像监测模块（22）移动至工作位置测量拉伸材料样品（51）的温度场信息；此外可以通过低温加载模块（17）给拉伸材料样品（51）施加低温；在工作过程中通过光学显微成像监测模块（21）对拉伸材料样品（51）的变形损伤、失效形式进行原位观测；在试验中的任意时刻，可以通过侧向加载观测模块（24）将微纳米压痕测试模块（15）切换至工作位置，对试件表面进行微纳米压痕测试，压痕进给单元（2403）的直线运动实现压痕初进给；压痕测试模块压电叠堆（1505）通过压痕柔性铰链（1502）、压入力传感器（1508）驱动压痕压头（1509）实现精准进给；并用压入力传感器（1508）、电容式微小位移传感器（1506）采集的压入力、压入量信息描绘微纳米压痕曲线；该过程可以通过偏摆支承模块（25）将复合载荷-多物理场加载试验平台（1）调节到显微拉曼光谱监测模块（23）的观测范围内，并对压入过程进行原位测试，同时获取局部微区域的拉曼光谱信息。
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