CN106383059A - 原位扭转测试平台及其观测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种原位扭转测试平台及其观测系统，属于精密科学仪器领域。原位扭转测试平台包括支撑单元、扭矩加载单元、夹持单元、温度加载单元、检测单元。支撑单元包括底座，扭矩加载单元安装于底座，并通过夹持单元驱动被测试样扭转。夹持单元包括相对设置的第一夹体、第二夹体，分别用于夹持被测试样两端。温度加载单元包括加热台，且位于第一夹体和第二夹体之间，加热台设有用于容纳被测试样的凹槽。检测单元包括第一检测器和第二检测器，第一检测器测量扭矩加载单元的输出扭转角度，第二检测器检测被扭转的被测试样的扭矩。本发明能够在热场作用下对被测试样受扭转载荷过程中的力学特性、微观组织结构变化、变形损伤机制等进行原位检测。

Description

原位扭转测试平台及其观测系统

技术领域

本发明涉及精密科学仪器领域，具体而言，涉及一种原位扭转测试平台及其观测系统。

背景技术

原位力学性能测试是指在微/纳米尺度下对试件材料进行力学性能测试的过程中，通过电子显微镜、原子力显微镜、光学显微镜、工业CT等显微设备对各种载荷作用下材料发生的微观变形、损伤进行全程原位监测的一种力学测试方法。

在诸多微纳米力学参数测试的范畴中，涉及到扭转载荷的力学参数如切变模量、扭转屈服极限、抗扭强度等是材料重要的力学特性，但目前原位扭转测试尚处起步阶段，在力热耦合作用下的原位扭转测试领域还存在技术空白。由于原位扭转测试技术发展不成熟，目前的原位扭转测试设备无法集成热场装置，只能进行常温下的扭转测试，无法进行热场作用下的原位扭转测试。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原位扭转测试平台，其能够在热场作用下对被测试样受扭转载荷过程中的扭转力学特性进行原位检测。

本发明的另一目的在于提供一种观测系统，其能够在热场作用下对被测试样扭转过程中的微观组织结构变化、变形损伤机制等进行原位观测。

本发明的实施例是这样实现的：

一种原位扭转测试平台，用于在力热耦合场下对被测试样进行测试，原位扭转测试平台包括：支撑单元、扭矩加载单元、夹持单元、温度加载单元、检测单元。支撑单元包括底座，扭矩加载单元安装于底座，并通过夹持单元驱动被测试样扭转。夹持单元包括相对设置且均安装于底座的第一夹体、第二夹体，被测试样的两端分别夹持于第一夹体和第二夹体。温度加载单元包括用于对被测试样进行加热的加热台，加热台与底座连接，且位于第一夹体和第二夹体之间，加热台还设有用于容纳被测试样的凹槽。检测单元包括第一检测器和第二检测器，第一检测器与扭矩加载单元匹配连接，并测量扭矩加载单元的输出扭转角度，第二检测器与第二夹体连接，并检测被扭转的被测试样的扭矩。

优选地，温度加载单元还包括隔热板，加热台通过隔热板安装于底座。

优选地，温度加载单元还包括隔热块，第二检测器通过隔热块与第二夹体连接。

优选地，隔热块设有冷却装置。

优选地，第一夹体包括相互配合的第一夹具和第一压板，第二夹体包括相互配合的第二夹具和第二压板，第一夹具与扭矩加载单元连接，第一夹具与第一压板连接并形成用于夹持被测试样的第一夹孔，第二夹具与第二压板连接并形成用于夹持被测试样的第二夹孔，第一夹孔与第二夹孔同轴相对。

优选地，原位扭转测试平台还包括导向单元，导向单元包括固定座、支撑板和导轨，导轨安装于底座，支撑板与导轨滑动连接，固定座固设于支撑板，第二检测器安装于固定座。

优选地，扭矩加载单元包括伺服电机、安装于底座的减速箱、主轴，主轴与第一夹体连接并同步转动，伺服电机分别与第一检测器、减速箱匹配连接，减速箱的输出轴驱动主轴转动。

优选地，扭矩加载单元还包括相互配合传动的第一蜗轮、第一蜗杆以及相互配合传动的第二蜗轮、第二蜗杆，减速箱的输出轴与第一蜗杆连接，第一蜗轮与第二蜗杆同步转动配合，第二蜗轮与主轴连接。

优选地，第一检测器为光电编码器，第二检测器为扭矩传感器。

一种观测系统，其包括上述的原位扭转测试平台。该观测系统能够在变温条件下，对扭转过程中的被测试样的微观组织结构变化、变形损伤机制等进行原位监测。

本发明实施例的有益效果是：本发明提供了一种原位扭转测试平台及其观测系统。该原位扭转测试平台具有体积小巧、结构紧凑、测试精度高等优点，可与多种显微设备相兼容形成观测系统，并集成温度加载单元，在热场作用下，对被测试样受扭转载荷过程中的材料微观力学特性和损伤机制进行原位观测，揭示材料在力热耦合环境下的微观变形和裂纹扩展行为。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1提供的原位扭转测试平台结构示意图；

图2为图1的II部位的局部放大视图；

图3为本发明实施例1的夹持单元结构示意图；

图4为本发明实施例1的加热台结构示意图。

图标：100-原位扭转测试平台；110-支撑单元；112-底座；114-主轴承座；130-扭矩加载单元；132-伺服电机；134-减速箱；136-第一蜗杆；138-第一蜗轮；140-第二蜗杆；142-第二蜗轮；144-蜗杆轴；146-主轴；150-夹持单元；152-第一夹体；154-第二夹体；156-第一夹具；158-第一压板；160-第二夹具；162-第二压板；164-第一夹孔；165-被测试样；170-温度加载单元；172-隔热板；174-加热台；176-隔热块；178-凹槽；190-检测单元；192-第一检测器；194-第二检测器；210-导向单元；212-支撑板；214-固定座；216-导轨。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

另外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

请参照图1，本实施例提供一种原位扭转测试平台100，其包括支撑单元110、扭矩加载单元130、夹持单元150、温度加载单元170、检测单元190以及导向单元210。

支撑单元110包括底座112以及设于底座112上的主轴承座114。

扭矩加载单元130包括伺服电机132、减速箱134、相互配合传动的第一蜗杆136和第一蜗轮138(请参照图2)、相互配合传动的第二蜗杆140和第二蜗轮142、蜗杆轴144以及主轴146。

伺服电机132与减速箱134连接，减速箱134固定安装于底座112，减速箱134的输出轴与第一蜗杆136连接，第一蜗轮138与第二蜗杆140同步转动配合并通过紧定螺钉安装于蜗杆轴144。主轴146与主轴承座114过盈配合，第二蜗轮142固定于主轴146的一端，主轴146的另一端与夹持单元150法兰连接。

需要说明的是，减速箱134、第一蜗杆136和第一蜗轮138、第二蜗杆140和第二蜗轮142采用较大减速比，可将伺服电机132输出的驱动转矩实现较大程度的减速增矩，最终输出超低应变速率，以满足超低速准静态加载的测试要求。可根据实际需求选择合适的减速比，本实施例选用减速箱134减速比19：1，两级蜗轮蜗杆减速比为400：1，基本属于准静态输出，便于原位观测和分析裂纹萌生、扩展形式。

夹持单元150包括相对设置的第一夹体152和第二夹体154，第一夹体152包括相互配合的第一夹具156和第一压板158，第二夹体154包括相互配合的第二夹具160和第二压板162。第一夹具156通过法兰与主轴146连接，第一夹具156与第一压板158连接并形成用于夹持被测试样165的第一夹孔164，请参照图3；第二夹具160与第二压板162连接并形成用于夹持被测试样165的第二夹孔(图中未示出)。第一夹孔164与第二夹孔同轴相对，且形状大小相同。

较佳地，为了避免被测试样165在测试时发生滑动，本实施例将第一夹孔164与第二夹孔均设计为D字型。根据不同的测试需求，也可以将第一夹孔164与第二夹孔的截面设计为其他形状，例如矩形、三角形等等。

温度加载单元170包括隔热板172、加热台174。隔热板172固定安装于底座112，隔热块176与第二夹具160连接。如图4所示，加热台174设有用于容纳被测试样165的凹槽178。

较佳地，为了在对圆形的被测试样165进行温度加载的时候更方便地对圆形的被测试样165的原位观测，本实施例中将凹槽178设计为U型结构，从而使得观测设备可以从凹槽178的上方对被测试样165进行观测。

较佳地，为了使检测单元190在温度加载时始终保持正常工作温度，隔热块176设有冷却装置(图中未示出)。本实施例中隔热块176采用水冷设计，其内部设有水道。冷却装置(图中未示出)也可采用其它冷却方式，如空气循环冷却。同时，夹持单元150采用耐热材料制成，以减少温度场对机械结构的影响。

检测单元190包括第一检测器192以及第二检测器194。第一检测器192与伺服电机132匹配连接，并测量伺服电机132的输出扭转角度，第二检测器194通过隔热块176与第二夹具160连接，并检测被测试样165的扭矩。

较佳地，本实施例中，第一检测器192选用光电编码器，第二检测器194选用扭矩传感器。

导向单元210包括支撑板212、固定座214以及导轨216。导轨216固定安装于底座112，支撑板212安装于导轨216，固定座214安装于支撑板212。隔热块176通过第二检测器194与固定座214相连。较佳地，为了使测试更为精准，本实施例中支撑板212可滑动地安装于导轨216。支撑板212及其上方包括第二夹体154、隔热块176、第二检测器194均可沿导轨216滑动，从而可以在测试过程中对被测试样165所受的附加轴向力进行卸载。同时，也能满足不同长度的被测试样165分别进行测试的需要。需要说明的是，如果不需要考虑被测试样165所受的附加轴向力，也可将第二夹体154、隔热块176、第二检测器194直接安装于底座112。

原位扭转测试平台100的工作原理是：被测试样165被第一夹体152和第二夹体154锁紧后，打开隔热块176的冷却装置(图中未示出)，再进行加热台174加热温度的调试。当测试温度稳定后，打开原位扭转测试平台100的控制软件，启动伺服电机132，对被测试样165施加扭转载荷，伺服电机132输出的动力通过减速箱134进行初次减速增扭，之后经过第一蜗杆136、第一蜗轮138、第二蜗杆140和第二蜗轮142进行二次减速增扭，最终将动力通过主轴146传递至第一夹体152，第一夹体152带动被测试样165一端进行转动，被测试样165另一端则由第二夹体154固定在固定座214上不转动，实现对被测试样165一端的扭转。被测试样165在扭转载荷作用下，其轴向性能会发生变化，并导致轴向尺寸的变化，从而带动安装于固定座214上的第二夹体154在导轨216上产生直线运动。加载在被测试样165的扭矩通过第二夹体154传递给扭矩传感器(第二检测器194)，由于扭矩传感器(第二检测器194)可随支撑板212在导轨216上滑动，因此消除了因被测试样165轴向的变化对扭矩测量的影响，提高扭矩的测量精度。当扭矩传感器(第二检测器194)检测到的被测试样165的扭转角度与光电编码器(第一检测器192)检测到的伺服电机132发出的扭转角度一致时，停止转动。通过计算机软件系统对送入角位移和扭矩信号的处理，得到被测试样165在扭转载荷下的材料力学参数。

实施例2

本实施例提供一种观测系统，该观测系统可根据实际需求，选用不同的显微设备与原位扭转测试平台100组合而成。例如，透射电镜、扫描电子显微镜、工业CT等等。本实施例以扫描电子显微镜结合原位扭转测试平台100使用为例，对该观测系统进行工作原理说明。

被测试样165采用车削加工再通过线切割方式将夹持部分加工出用于夹持的对称平面，并利用小型外圆抛光机对被测试样165进行抛光处理，得到可用于高分辨率显微成像监测的较好表面光洁度，或者通过化学腐蚀等工艺得到金相等显微形貌。然后将被测试样165进行锁紧。关闭扫描电子显微镜真空腔密闭挡板，并通过扫描电子显微镜自身的载物平台在XOY平面内拟定测试点的准确位置。接下来开始实施例1中原位扭转测试平台100的工作过程。在测试的整个过程中，被测试样165在扭转载荷作用下材料的变形损伤情况由高放大倍率的扫描电子显微镜成像系统进行动态监测，并可同时记录图像，结合软件亦可实时获取表征材料力学性能的应力-应变曲线、切变模量、弹性模量等重要力学参数。

需要说明的是，为确保更高的测量精度，本发明在测试前，需要对原位扭转测试平台100以及观测系统的机械结构进行刚度标定，以消除制造装配误差对载荷/角度信号的干扰，并将刚度影响系数添加到应力-应变曲线中去。另外，测试前温度加载单元170的标定工作也不可忽视，保证温度加载的准确性，将温度波动控制在一定范围。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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。凡在本发明的精神和原则之内，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)

1.一种原位扭转测试平台，用于在力热耦合场下对被测试样进行测试，其特征在于，所述原位扭转测试平台包括：支撑单元、扭矩加载单元、夹持单元、温度加载单元、检测单元；所述支撑单元包括底座，所述扭矩加载单元安装于所述底座，并通过所述夹持单元驱动所述被测试样扭转；所述夹持单元包括相对设置且均安装于所述底座的第一夹体、第二夹体，所述被测试样的两端分别夹持于所述第一夹体和所述第二夹体；所述温度加载单元包括用于对所述被测试样进行加热的加热台，所述加热台与所述底座连接，且位于所述第一夹体和所述第二夹体之间，所述加热台还设有用于容纳所述被测试样的凹槽；所述检测单元包括第一检测器和第二检测器，所述第一检测器与所述扭矩加载单元匹配连接，并测量所述扭矩加载单元的输出扭转角度，所述第二检测器与所述第二夹体连接，并检测被扭转的所述被测试样的扭矩。

2.根据权利要求1所述的原位扭转测试平台，其特征在于，所述温度加载单元还包括隔热板，所述加热台通过所述隔热板安装于所述底座。

3.根据权利要求1所述的原位扭转测试平台，其特征在于，所述温度加载单元还包括隔热块，所述第二检测器通过所述隔热块与所述第二夹体连接。

4.根据权利要求3所述的原位扭转测试平台，其特征在于，所述隔热块设有冷却装置。

5.根据权利要求3所述的原位扭转测试平台，其特征在于，所述第一夹体包括相互配合的第一夹具和第一压板，所述第二夹体包括相互配合的第二夹具和第二压板，所述第一夹具与所述扭矩加载单元连接，所述第一夹具与所述第一压板连接并形成用于夹持所述被测试样的第一夹孔，所述第二夹具与所述第二压板连接并形成用于夹持所述被测试样的第二夹孔，所述第一夹孔与所述第二夹孔同轴相对。

6.根据权利要求1～5任一项所述的原位扭转测试平台，其特征在于，所述原位扭转测试平台还包括导向单元，所述导向单元包括固定座、支撑板和导轨，所述导轨安装于所述底座，所述支撑板与所述导轨滑动连接，所述固定座固设于所述支撑板，所述第二检测器安装于所述固定座。

7.根据权利要求1所述的原位扭转测试平台，其特征在于，所述扭矩加载单元包括伺服电机、安装于所述底座的减速箱、主轴，所述主轴与所述第一夹体连接并同步转动，所述伺服电机分别与所述第一检测器、所述减速箱匹配连接，所述减速箱的输出轴驱动所述主轴转动。

8.根据权利要求7所述的原位扭转测试平台，其特征在于，所述扭矩加载单元还包括相互配合传动的第一蜗轮、第一蜗杆以及相互配合传动的第二蜗轮、第二蜗杆，所述减速箱的输出轴与所述第一蜗杆连接，所述第一蜗轮与所述第二蜗杆同步转动配合，所述第二蜗轮与所述主轴连接。

9.根据权利要求1所述的原位扭转测试平台，其特征在于，所述第一检测器为光电编码器，所述第二检测器为扭矩传感器。

10.一种观测系统，其特征在于，包括如权利要求1～9任一项所述的原位扭转测试平台。