CN108072581B - 高/低温-电磁场复合条件加载的纳米压痕测试仪器 - Google Patents

高/低温-电磁场复合条件加载的纳米压痕测试仪器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高/低温‑电磁场复合条件加载的纳米压痕测试仪器，属于机电一体化精密仪器领域。包括纵向精密纳米压痕驱动加载模块、横向磁加载模块、低温纵向磁场模块、高温电场模块和隔震台，结构简单，可用于真空或惰性气体环境中，既防止低温对试验台结冰造成的实验误差，也避免高温造成对压头和试件的氧化。纵向精密压入驱动模块实现压头精密压入，通过位移信号和力信号进行精密纳米压痕检测；横向磁加载模块随压头在纵方向同步移动确保压入时试件与压头区域横向磁场的稳定性；低温纵向磁场模块实现材料在低温场中，加载纵向磁场，并与横向磁加载模块共同实现对材料的双向磁场环境；高温电场模块主要实现在高温环境中对材料施加电场。

Description

高/低温-电磁场复合条件加载的纳米压痕测试仪器
技术领域
本发明涉及机电一体化精密仪器、纳米压痕领域，特别涉及一种真空或惰性气体等多氛围环境下的高/低温-电磁场复合条件加载的纳米压痕测试仪器，尤指一种高/低温-电磁场复合条件加载的纳米压痕测试仪器。本发明涉及多物理场下的纳米压痕技术，尤其是低温双向磁场和高温电场、横向磁场的测试，为材料的力学性能测试提供更复杂的测量环境，成为接近服役状态下的多场纳米压痕测量仪。
背景技术
随着我国科技的发展，对工业材料性能的研究和测试成为当今学术界的热点方向之一，传统对材料在宏观上的研究分析已经不能满足当今对材料的需求；纳米压痕技术可以在微观的角度阐述材料的力学性能，并且可以对材料的使用寿命等重要指标进行预测。
随着我国工业对材料的要求不断提升，越来越多的新材料孕育而生，能够对材料性能进行预测和控制，也是当今材料学界的重要研究方向，可以为新材料设计出复杂环境下的力学性能测试装置，是机械行业的主要任务之一。
现阶段，我国单种或双种物理场下的纳米压痕设备已趋于成熟和稳定，而可以提供两种以上物理场的纳米压痕设备仍处于起步阶段，尤其磁场下复杂环境的纳米压痕设备较为短缺。
传统的力学性能测试仪器不能真实的测量出材料在实际工况下的性能，其测试方法、理论和测试仪器相对落后，可信度低，对材料微观组织变化的内在机理与材料宏观力学性能的综合分析难以表述清楚，已经不能满足现在工业材料的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高/低温-电磁场复合条件加载的纳米压痕测试仪器，解决了现有技术存在的上述问题。本发明综合两种实验台模块，提供磁场下高温、低温连续可控的综合性实验平台，大大提升了仪器的使用效率，为纳米压痕设备的研制奠定基础。本发明可以对材料微观力学性能进行测量，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。本发明集精密驱动、磁场控制、温度控制等技术为一体，可应用于真空或惰性气体等多氛围环境下，防止低温环境造成结冰现象，对测试精度产生影响；其中由于在真空环境内，避免了高温环境造成对压头和试件的氧化，从而减小由温漂造成的测试误差，进而研究材料微观的力学性能；本发明基于微纳米压痕测试技术，从而获取材料的硬度、弹性模量、蠕变特性等重要材料属性，通过低温力磁耦合、高温力电磁耦合作用，对材料微观力学行为和微观组织结构演化进行研究，用以对料设计制造、及其制品的寿命预测和可靠性评估。测试装置结构紧凑、具有模块化的结构特点，操作简便，测量精度高，在材料研制、装备制造、钢铁冶金、国防军事和航空航天等领域具备广阔的应用前景。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
高/低温-电磁场复合条件加载的纳米压痕测试仪器，包括纵向精密纳米压痕驱动加载模块1、横向磁加载模块2、低温纵向磁场模块3、高温电场模块4和隔震台5，所述纵向精密纳米压痕驱动加载模块1、横向磁加载模块2、低温纵向磁场模块3和高温电场模块4安装在隔震台5上；所述纵向精密纳米压痕驱动加载模块1通过辅助连接架113及紧定螺钉与横向磁加载模块2连接，以保证在纵向宏观运动上，横向磁加载模块2产生的磁感线中心与金刚石导电压头115的压尖在一条直线上，并通过立板104与隔振台5连接，从而固定在隔震台5上；所述低温纵向磁场模块3通过滑块承接板Ⅱ306与隔震台5上的横向滑轨连接，以保证低温纵向磁场模块3沿着横向滑轨横向移动；所述高温电场模块4通过滑块承接板407与横向滑轨固连，以保证高温电场模块4沿着横向滑轨横向移动。
所述的纵向精密纳米压痕驱动加载模块1是：伺服电机101通过电机承接座Ⅰ102固定在丝杠底板Ⅰ103上，通过联轴器Ⅰ105将转动运动同步传递给滚珠丝杠Ⅰ109，滚珠丝杠Ⅰ109通过丝杠支撑座Ⅰ106连接于丝杠底板Ⅰ103上；纵向滑轨108固连在滑轨底座Ⅰ107上，滑轨底座Ⅰ107与丝杠底板Ⅰ103固连，滑块承接板Ⅰ110将滚珠丝杠Ⅰ109的转动转化成沿纵向的移动，通过螺钉与载物块111相连，载物块111平面与纵向精密驱动模块112固连，并在其侧面与辅助连接架113固连；力传感器117上端面与纵向精密驱动模块112固连，下端面与测量板位移传感器118面连接，与驱动压杆114轴端固连；驱动压杆114与金刚石导电压头115螺纹连接，驱动压杆与压头施电模块116固连；精密手动交叉滚珠移动平台119与载物台111固连。
所述的横向磁加载模块2包括横向磁发生装置201和霍尔探头底座霍尔探头底座202；所述横向磁发生装置201与霍尔探头底座202固连。
所述的低温纵向磁场模块3是：低温恒温器301与低温压台302固连，低温压台302通过螺栓连接到底板Ⅰ305上，底板Ⅰ305与滑块承接板Ⅱ306固连，滑块承接板Ⅱ306与隔震台上的横向滑轨固连，沿着横向滑轨做横向移动；所述产磁线圈303包裹着铁芯304，通过铁芯304固定于底板Ⅰ305上，与外供电源连接产生纵方向的磁场。
所述的高温电场模块4是：支撑铜座401固定于承接底座Ⅱ402上，发热电阻403放置在承接底座Ⅱ402内腔中，发热电阻403上表面与支撑铜座401接触；绝热挡板404与承接底座Ⅱ402螺钉连接，且绝热挡板404设有与通电导线405配合的连接孔；承接底座Ⅱ402固定于底板Ⅱ406，底板Ⅱ406与滑块承接板407固连，滑块承接板/>407与隔震台5上横向运动的滑轨连接，使高温电场模块横向运动。
本发明的有益效果在于：结构简单，设备搭建调试简单。宏观和精密围观纵向运动共同作用，使纵向运动更加准确平稳；在横向运动上通过伺服电机驱动滚珠丝杠的运动，从而进行低温平台和高温平台的切换；用电流控制横、纵向的双向磁加载模块，可以对磁场的大小进行有效的控制；用外供电源对产热电阻的电流控制，可以对温度进行有效的控制，实现了温度的连续变化；低温纵向磁场模块最低温度可达到-100110℃，纵向磁场强度可达到0/>；高温模块最高温度可达960℃。
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为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的纵向精密纳米压痕驱动加载模块和横向磁加载模块结构示意图；
图3为本发明的低温纵向磁场模块等轴侧图；
图4为本发明的低温纵向磁场模块后视等轴侧图；
图5为本发明的高温电场模块的等轴侧图；
图6为本发明的高温电场模块后视等轴侧图；
图7为本发明的高温电场模块立体半剖图；
图8为本发明的高温电场模块承接底座的等轴侧图；
图9为本发明的带真空实验腔的整体结构示意图。
图中：1、纵向精密纳米压痕驱动加载模块；101、伺服电机； 102、电机承接座；103、丝杠底板Ⅰ； 104、立板； 105、联轴器Ⅰ； 106、丝杠支撑座Ⅰ； 107、滑轨底座Ⅰ；108、纵向滑轨； 109、滚珠丝杠； 110、滑块承接板Ⅰ； 111、载物块； 112、纵向精密驱动模块； 113、辅助连接架； 114、驱动压杆； 115、金刚石导电压头； 116、压头施电模块； 117、力传感器；118、测量板位移传感器； 119精密手动交叉滚柱移动平台； 2、横向磁加载模块； 201、横向磁发生装置； 202、霍尔探头底座；3、低温纵向磁场模块； 301、低温恒温器； 302、低温压台； 303、产磁线圈； 304、铁芯； 305、底板Ⅰ； 306、滑块承接板Ⅱ；4、高温电场模块；401、支撑铜座；402、承接底座Ⅱ；403、发热电阻；404、绝热挡板；405、通电导线；406、底板Ⅱ；407滑块承接板Ⅲ；5、隔震台。
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9所示，本发明的高/低温-电磁场复合条件加载的纳米压痕测试仪器，可用于真空或惰性气体环境中，既防止低温对试验台结冰造成的实验误差，也避免高温造成对压头和试件的氧化。纵向精密压入驱动模块实现压头精密压入，通过位移信号和力信号进行精密纳米压痕检测；横向磁加载模块随压头在纵方向同步移动确保压入时试件与压头区域横向磁场的稳定性；低温纵向磁场模块实现材料在低温场中，加载纵向磁场，并与横向磁加载模块共同实现对材料的双向磁场环境；高温电场模块主要实现在高温环境中对材料施加电场。包括纵向精密纳米压痕驱动加载模块1、横向磁加载模块2、低温纵向磁场模块3、高温电场模块4和隔震台5，所述纵向精密纳米压痕驱动加载模块1、横向磁加载模块2、低温纵向磁场模块3和高温电场模块4安装在隔震台5上，隔震台5在测试的过程中起到隔震效果，减少外界环境对仪器的干扰。
所述纵向精密纳米压痕驱动加载模块1通过辅助连接架113及紧定螺钉与横向磁加载模块2连接，以保证在纵向宏观运动上，横向磁加载模块2产生的磁感线中心与金刚石导电压头115的压尖在一条直线上，并通过立板104与隔振台5连接，从而固定在隔震台5上；所述低温纵向磁场模块3通过滑块承接板Ⅱ306与隔震台5上的横向滑轨连接，以保证低温纵向磁场模块3沿着横向滑轨横向移动；所述高温电场模块4通过滑块承接板407与横向滑轨固连，以保证高温电场模块4沿着横向滑轨横向移动。
参见图1及图2所示，所述的纵向精密纳米压痕驱动加载模块1包括：伺服电机Ⅰ101、电机承接座Ⅰ102、丝杠底板Ⅰ103、立板104、联轴器Ⅰ105、丝杠支撑座Ⅰ106、滑轨底座Ⅰ107、纵向滑轨108、滚珠丝杠109、滑块承接板Ⅰ110、载物块111、纵向精密驱动模块112、辅助连接架113、驱动压杆114、金刚石导电压头115、压头施电模块116、力传感器117、测量板位移传感器118和精密手动交叉滚柱移动平台119；所述伺服电机101通过电机承接座Ⅰ102固定在丝杠底板Ⅰ103上，通过联轴器Ⅰ105将转动运动同步传递给滚珠丝杠Ⅰ109，滚珠丝杠Ⅰ109通过丝杠支撑座Ⅰ106连接于丝杠底板Ⅰ103上；纵向滑轨108固连在滑轨底座Ⅰ107上，滑轨底座Ⅰ107与丝杠底板Ⅰ103固连，滑块承接板Ⅰ110将滚珠丝杠Ⅰ109的转动转化成沿纵向的移动，通过螺钉与载物块111相连，载物块111平面与纵向精密驱动模块112固连，并在其侧面与辅助连接架113固连，以便与横向磁加载模块2固连；力传感器117上端面与纵向精密驱动模块112固连，下端面与测量板位移传感器118面连接，与驱动压杆114轴端固连；驱动压杆114与金刚石导电压头115螺纹连接，驱动压杆与压头施电模块116固连；精密手动交叉滚珠移动平台119与载物台111固连。所述精密手动交叉滚珠移动平台119用以对位移传感器测量板进行初始相对位置的微调，其最小调整量可达2；力传感器117为真空型拉压力传感器，通过螺纹连接安装在柔性铰链上，进行力信号检测。该模块用以完成对压入位移信号和力信号的进行精密检测。
所述的横向磁加载模块2包括横向磁发生装置201和霍尔探头底座霍尔探头底座202；所述横向磁发生装置201与霍尔探头底座202固连。
参见图1、图3及图4所示，所述的低温纵向磁场模块3包括：低温恒温器301、低温压台302、产磁线圈303、铁芯304、底板Ⅰ305、滑块承接板Ⅱ306；所述低温恒温器301与低温压台302固连，低温压台302通过螺栓连接到底板Ⅰ305上，底板Ⅰ305与滑块承接板Ⅱ306固连，滑块承接板Ⅱ306与隔震台上的横向滑轨固连，可沿着横向滑轨做横向移动；所述低温恒温器301，具有制冷和保温的作用，使与低温恒温器301连接的低温压台302以及试件有稳定的低温环境，从而使试件在设定的低温环境进行力学性能测试；所述产磁线圈303包裹着铁芯305，通过铁芯305固定于底板Ⅰ306上，与外供电源连接产生纵方向的磁场。
参见图1、图5至图8所示，所述的高温电场模块4包括：支撑铜座401、承接底座Ⅱ402、发热电阻403、绝热挡板404、通电导线405、底板Ⅱ406和滑块承接板407；支撑铜座401固定于承接底座Ⅱ402上，发热电阻403放置在承接底座Ⅱ402内腔中，发热电阻403上表面与支撑铜座401接触；绝热挡板404与承接底座Ⅱ402螺钉连接，且绝热挡板404设有与通电导线405配合的连接孔；承接底座Ⅱ402固定于底板Ⅱ406，底板Ⅱ406与滑块承接板/>407固连，滑块承接板/>407与隔震台5上横向运动的滑轨连接，使高温电场模块横向运动。
所述高温电场模块——电场施加原理：通过支撑铜座401对试件通过外供电源施加电压，使被测试件与之达到相同电势，当压头施电模块116与支撑铜座401同时通电，且金刚石导电压头115与试件发生接触时，支撑铜座401、试件、金刚石导电压头115和压头施电模块116行程闭环电路，形成电场；
所述高温电场模块——高温场施加原理：外供电源通过通电导线405对发热电阻403进行通电，发热电阻403讲电能装换成热能，因为支撑铜座401与发热电阻403之间面接触，使发热电阻403的热量快速传递给试件，从而实现高温场的施加。
参见图1与图9所示，所述的纵向精密纳米压痕驱动加载模块1、横向磁加载模块2、低温纵向磁场模块3、高温电场模块4和隔震台5，放置于如图9所示的真空腔中，使整个实验装置避免与空气接触，提高测试过程中的测量精度，较少温漂效应来的实验误差
参见图1至图9所示，本发明的具体工作过程如下：
通过隔震台5上的电机驱动滚珠丝杠转动，从而带动低温横向磁场模块3与高温电场模块4沿X轴运；当运动到如图9所示位置时为低温横、纵向磁场加载模式，此时的测试流程为：讲试件粘贴到低温压台302上，利用横向进给、纵向进给以及精密微观纵向进给，将试件和金刚石导电压头115对中，使其中心线在一条直线上；设置真空腔内的真空度，利用分子泵将环境抽成真空；设置金刚石导电压头115与试件接触的载荷判断条件，通过纵向宏观和精密驱动实现对试件不同受力程度的测试；设定低温环境，采用低温恒温器301对试件和压头进行同步变温，待二者温度相同且稳定后利用纵向精密驱动模块112的运动，驱动金刚石导电压头115对试件的精密加载与卸载并由位移、力和温度传感器对位移、载荷和温度进行实时监测，从而得到载荷-位移曲线；高温电场模块4的测试流程与上述测量流程同理。
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 (5)

1. 一种高/低温-电磁场复合条件加载的纳米压痕测试仪器，其特征在于：包括纵向精密纳米压痕驱动加载模块（1）、横向磁加载模块（2）、低温纵向磁场模块（3）、高温电场模块（4）和隔震台（5），所述纵向精密纳米压痕驱动加载模块（1）、横向磁加载模块（2）、低温纵向磁场模块（3）和高温电场模块（4）安装在隔震台（5）上；所述纵向精密纳米压痕驱动加载模块（1）通过辅助连接架（113）及紧定螺钉与横向磁加载模块（2）连接，以保证在纵向宏观运动上，横向磁加载模块（2）产生的磁感线中心与金刚石导电压头（115）的压尖在一条直线上，并通过立板（104）与隔振台（5）连接，从而固定在隔震台（5）上；所述低温纵向磁场模块（3）通过滑块承接板Ⅱ（306）与隔震台（5）上的横向滑轨连接，以保证低温纵向磁场模块（3）沿着横向滑轨横向移动；所述高温电场模块（4）通过滑块承接板 （407）与横向滑轨固连，以保证高温电场模块（4）沿着横向滑轨横向移动。
2.根据权利要求1所述的高/低温-电磁场复合条件加载的纳米压痕测试仪器，其特征在于：所述的纵向精密纳米压痕驱动加载模块（1）是：伺服电机（101）通过电机承接座Ⅰ（102）固定在丝杠底板Ⅰ（103）上，通过联轴器Ⅰ（105）将转动运动同步传递给滚珠丝杠Ⅰ（109），滚珠丝杠Ⅰ（109）通过丝杠支撑座Ⅰ（106）连接于丝杠底板Ⅰ（103）上；纵向滑轨（108）固连在滑轨底座Ⅰ（107）上，滑轨底座Ⅰ（107）与丝杠底板Ⅰ（103）固连，滑块承接板Ⅰ（110）将滚珠丝杠Ⅰ（109）的转动转化成沿纵向的移动，通过螺钉与载物块（111）相连，载物块（111）平面与纵向精密驱动模块（112）固连，并在其侧面与辅助连接架（113）固连；力传感器（117）上端面与纵向精密驱动模块（112）固连，下端面与测量板位移传感器（118）面连接，与驱动压杆（114）轴端固连；驱动压杆（114）与金刚石导电压头（115）螺纹连接，驱动压杆与压头施电模块（116）固连；精密手动交叉滚珠移动平台（119）与载物台（111）固连。
3.根据权利要求1所述的高/低温-电磁场复合条件加载的纳米压痕测试仪器，其特征在于：所述的横向磁加载模块（2）包括横向磁发生装置（201）和霍尔探头底座霍尔探头底座（202）；所述横向磁发生装置（201）与霍尔探头底座（202）固连。
4.根据权利要求1所述的高/低温-电磁场复合条件加载的纳米压痕测试仪器，其特征在于：所述的低温纵向磁场模块（3）是：低温恒温器（301）与低温压台（302）固连，低温压台（302）通过螺栓连接到底板Ⅰ（305）上，底板Ⅰ（305）与滑块承接板Ⅱ（306）固连，滑块承接板Ⅱ（306）与隔震台上的横向滑轨固连，沿着横向滑轨做横向移动；产磁线圈（303）包裹着铁芯（304），通过铁芯（304）固定于底板Ⅰ（306）上，与外供电源连接产生纵方向的磁场。
5.根据权利要求1所述的高/低温-电磁场复合条件加载的纳米压痕测试仪器，其特征在于：所述的高温电场模块（4）是：支撑铜座（401）固定于承接底座Ⅱ（402）上，发热电阻（403）放置在承接底座Ⅱ（402）内腔中，发热电阻（403）上表面与支撑铜座（401）接触；绝热挡板（404）与承接底座Ⅱ（402）螺钉连接，且绝热挡板（404）设有与通电导线（405）配合的连接孔；承接底座Ⅱ（402）固定于底板Ⅱ（406），底板Ⅱ（406）与滑块承接板（407）固连，滑块承接板（407）与隔震台（5）上横向运动的滑轨连接，使高温电场模块横向运动。
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