CN113155619B - 扫描电镜下的准静态原位双轴拉伸力学性能测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种扫描电镜下的准静态原位双轴拉伸力学性能测试装置，属于精密科学仪器领域。包括动力及传动组件、楔块传动组件、夹持组件、支撑平台及检测组件；所述动力及传动组件采用一个直流伺服电机驱动，经齿轮箱减速后带动梯形丝杠，驱动楔块传动机构，实现夹持组件对试件沿X、Y两个方向的同步拉伸，使用应变式力传感器和电容位移传感器对拉伸过程中的力和位移进行检测。楔块传动组件中楔块与滑座通过45度斜面接触，刚性大，传动精度高，保证双轴拉伸过程中的精准同步加载。整体结构紧凑，尺寸在106mm×106mm×64mm以内，可用于各类扫描电镜中实现对双轴拉伸实验的原位观测，具有很好的应用前景，对材料微观力学性能的研究具有重要意义。

Description

扫描电镜下的准静态原位双轴拉伸力学性能测试装置
技术领域
本发明涉及精密科学仪器领域，特别涉及一种扫描电镜下的准静态原位双轴拉伸力学性能测试装置。
背景技术
双轴拉伸实验是材料力学性能测试技术中的一种重要方法，通过对试件两个相互垂直的方向同时施加双向拉伸载荷的方法对材料的力学性能进行测定，双轴拉伸实验可以测定材料的弹性模量、屈服强度、抗拉强度、泊松比等重要力学参数，体现材料在双向载荷下的应力状态，尤其针对各项异性材料，可准确描述其力学性能。材料原位性能测试技术是指在对材料的力学性能测试过程中，通过如电子显微镜、原子力显微镜和光学显微镜等显微成像技术对材料的微观变形、损伤及破坏过程进行动态监测的一种测试技术。通过原位性能测试和双轴拉伸测试技术的结合，可以对材料进行更全面的观测分析，获取材料的微观变形规律和破坏机理，是材料测试领域的研究热点。
当前已有的原位双轴拉伸仪器多针对光学显微镜、工业CCD相机、高速相机等原位观测手段，此类手段均存在明显的放大倍数不足的问题，而原子力显微镜又存在成像范围小、速度慢等问题，相较于以上手段，扫描电子显微镜具有放大倍率高，成像分辨率高等优点，而以扫描电子显微镜作为原位观测手段的原位双轴拉伸仪器较少。此外，现有的原位双轴拉伸仪器仍存在尺寸较大影响观测以及采用多个动力源造成的同步性要求高等问题，因此难以普及。
综上所述，设计一种整体尺寸小、结构紧凑、测试精度高且能与常见型号的扫描电镜兼容，并实现准静态双轴拉伸的原位测试仪器十分必要，对于研究材料在双轴向载荷下的微观变形机制及破坏机理具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种扫描电镜下的准静态原位双轴拉伸力学性能测试装置，解决了现有技术存在的上述问题。本发明适用于各类商业化扫描电镜中实现对材料双轴拉伸实验的动态原位观测，获取材料的重要力学参数，观测材料在双轴向载荷下的力学响应和微观变形破坏机制。本发明由一个直流伺服电机驱动，经齿轮箱减速后带动梯形丝杠，驱动楔块传动机构，实现夹持组件对试件沿X、Y两个方向的同步拉伸，使用应变式力传感器和电容位移传感器对拉伸过程中的力和位移进行检测。楔块传动组件中楔块与滑座通过45度斜面接触，刚性大，传动精度高，保证双轴拉伸过程中的精准同步加载。整体结构紧凑，尺寸在106mm×106mm×64mm以内，可用于各类扫描电镜中实现对双轴拉伸实验的原位观测，具有很好的应用前景，对材料微观力学性能的研究具有重要意义。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
扫描电镜下的准静态原位双轴拉伸力学性能测试装置，包括动力及传动组件、楔块传动组件、夹持组件3、支撑平台7及检测组件；所述动力及传动组件采用一个直流伺服电机5作为动力源，经正齿齿轮箱6减速带动丝杠轴20，丝杠轴20通过丝杠螺母19与楔块传动组件中的楔块21连接，将直流伺服电机输出的旋转运动转换成楔块21的直线运动；所述楔块传动组件中楔块21与滑座101通过45度斜面接触传动，实现四个滑座101的精准同步运动；所述夹持组件3通过交叉滚柱导轨22与滑座101连接，对试件23进行夹持，滑座101运动时带动夹持组件3对试件23进行同步加载，实现准静态双轴拉伸；所述检测组件对双轴拉伸过程中的力和位移进行检测；所述试件23位于整个装置顶部。
所述的动力及传动组件为：直流伺服电机5的输出轴与正齿齿轮箱6连接，所述正齿齿轮箱6与支撑平台7通过止口定位，正齿齿轮箱6的输出轴与主动齿轮13通过紧定螺钉14连接，从动齿轮15与主动齿轮13啮合并通过平键18与丝杠轴20连接，利用轴肩与弹性挡圈17进行定位；交叉滚柱轴环16内圈与丝杠轴20形成过盈配合并通过轴肩定位，其外圈与支撑平台7上的阶梯孔形成过盈配合并通过台阶面定位；丝杠螺母19与丝杠轴20的丝杠部分配合。
所述的正齿齿轮箱6可提供30:1的减速比；所述的主动齿轮13和从动齿轮14均为变位齿轮，主动齿轮13齿数为12，从动齿轮15齿数为30；所述的丝杠轴20的丝杠部分为梯形丝杠。
所述的楔块传动组件包括楔块21和四组滑动组件Ⅰ~Ⅳ1、4、8、12，楔块21位于装置中心位置，四组滑动组件Ⅰ~Ⅳ1、4、8、12分别沿X和Y方向对称布置；所述楔块21的四个侧面均为45度斜面，中间开有阶梯孔与丝杠螺母19配合并用螺钉进行连接；所述四组滑动组件Ⅰ~Ⅳ1、4、8、12构造相同，分别包括滑座101、两组弹簧102和导向柱103、挡板104，所述滑座101前端为45度斜面与楔块21斜面接触传动，并通过直线滚动导轨11与支撑平台7连接，所述导向柱103一端与滑座101螺纹连接，另一端与挡板104上的导向孔形成间隙配合，所述挡板104固定在支撑平台7上，所述弹簧102安装在滑座101与挡板104之间并与导向柱103端部外圆面形成间隙配合，利用弹簧在拉伸过程中产生的弹簧力保持滑座101与楔块21的斜面接触，保证滑座101在拉伸过程中的平稳运行。
所述的夹持组件3包括四组夹具体301和压板302，所述夹具体301通过交叉滚柱导轨22与滑座101连接，其前端设有与试件23夹持部分相匹配的凹槽，试件23的夹持部分分别定位在四个夹具体301的凹槽中；所述压板302下底面设有与夹具体301凹槽相匹配的凸台用于定位，压板302通过螺钉与夹具体301连接以达到压紧试件23的目的。
所述的检测组件包括四组力传感器组件2和两组位移传感器组件Ⅰ、Ⅱ9、10，所述力传感器组件2包括力传感器202和上盖板201，所述力传感器202一端与夹具体301螺纹连接，另一端嵌入上盖板201的凹槽内，通过上盖板201内端面定位并用螺母203固定在上盖板201上，所述上盖板201利用下部凸台和台阶面进行定位并通过螺钉与滑座101连接；两组位移传感器组件Ⅰ、Ⅱ9、10构造相同且呈对称布置，位移传感器组件Ⅰ10安装在滑动组件Ⅰ1和滑动组件Ⅱ4之间，位移传感器组件Ⅱ9安装在滑动组件Ⅲ8和滑动组件Ⅳ12之间；所述位移传感器组件Ⅰ9包括电容位移传感器902、传感器支架901和测位板903，所述电容位移传感器902利用传感器支架901上的台阶面定位并通过螺钉固定在传感器支架901上，所述传感器支架901通过支撑平台7上的台阶面定位并利用螺钉与支撑平台7连接，所述测位板903通过螺钉与滑座101连接，滑座101运动时带动测位板903，使两组位移传感器组件Ⅰ、Ⅱ9、10内的两个电容位移传感器测得X和Y方向的位移。
本发明的有益效果在于：本发明采用楔块传动机构作为传动方案，通过45度斜面接触传动，刚性大、传动精度高；利用单个楔块同时带动四个滑座，仅需一个直流伺服电机作为动力源，避免了使用多个电机驱动带来的同步性问题，保证双轴拉伸过程中的精准同步加载，同时可以使整个装置结构紧凑、体积小巧，相较于已有的此类仪器具有更小的主体尺寸，可兼容于各类商业化扫描电镜中实现对材料双轴拉伸实验的动态原位观测；传动组件中的丝杠轴的丝杠部分采用梯形丝杠，其本身具有自锁性，能够保证观测时的准确定位；四个滑座均设有弹簧加导向柱支撑，能够保持滑座与楔块的斜面接触，保证准静态双轴拉伸的平稳进行；使用电容位移传感器作为检测单元，满足装置狭小的安装空间同时与直流伺服电机形成闭环控制，使得该装置测试精度高，可精确获取材料的重要力学参数；试件及夹持组件设计在整个装置的顶部，便于利用扫描电镜进行原位观测。
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为本发明的仰视结构示意图；
图3为本发明的传动机构的结构示意图；
图4为本发明的滑动组件的分解图；
图5为本发明的夹持组件的分解图；
图6为本发明的俯视结构示意图；
图7为本发明在扫描电镜中的使用实施例示意图。
图中：1、滑动组件Ⅰ；101、滑座；102、弹簧；103、导向柱；104、挡板；2、力传感器组件；201、上盖板；202、力传感器；203、螺母；3、夹持组件；301、夹具体；302、压板；4、滑动组件Ⅱ；5、直流伺服电机；6、正齿齿轮箱；7、支撑平台；8、滑动组件Ⅲ；9、位移传感器组件Ⅰ；901、传感器支架；902、电容位移传感器；903、测位板；10、位移传感器组件Ⅱ；11、直线滚动导轨；12、滑动组件Ⅳ；13、主动齿轮；14、紧定螺钉；15、从动齿轮；16、交叉滚柱轴环；17、弹性挡圈；18、平键；19、丝杠螺母；20、丝杠轴；21、楔块；22、交叉滚柱导轨；23、试件；24、扫描电镜；2401、移动平台；2402、极靴。
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6所示，本发明的扫描电镜下的准静态原位双轴拉伸力学性能测试装置，主要包括动力及传动组件、楔块传动组件、夹持组件3、支撑平台7及检测组件；所述动力及传动组件采用一个直流伺服电机5作为动力源，经正齿齿轮箱6减速带动丝杠轴20，丝杠轴20通过丝杠螺母19与楔块传动组件中的楔块21连接，将直流伺服电机5输出的旋转运动转换成楔块21的直线运动；所述楔块传动组件中楔块21与滑座101通过45度斜面接触传动，实现四个滑座101的精准同步运动；所述夹持组件3通过交叉滚柱导轨22与滑座101连接，对试件23进行夹持，滑座101运动时带动夹持组件3对试件23进行同步加载，实现准静态双轴拉伸；所述检测组件对双轴拉伸过程中的力和位移进行检测；所述试件23位于整个装置顶部，便于进行原位观测。
参见图1至图3所示，所述的动力及传动组件包括直流伺服电机5、正齿齿轮箱6、主动齿轮13、从动齿轮15、交叉滚柱轴环16、丝杠轴20和丝杠螺母19，所述直流伺服电机5的输出轴与正齿齿轮箱6连接并通过前部法兰进行固定，所述正齿齿轮箱6与支撑平台7通过止口定位，利用螺钉连接，正齿齿轮箱6的输出轴与主动齿轮13通过紧定螺钉14连接，从动齿轮15与主动齿轮13啮合并通过平键18与丝杠轴20连接，利用轴肩与弹性挡圈17进行定位；交叉滚柱轴环16内圈与丝杠轴20形成过盈配合并通过轴肩定位，其外圈与支撑平台7上的阶梯孔形成过盈配合并通过台阶面定位；丝杠螺母19与丝杠轴20的丝杠部分配合。
所述的正齿齿轮箱6可提供30:1的减速比；所述的主动齿轮13和从动齿轮14均为变位齿轮，主动齿轮13齿数为12，从动齿轮15齿数为30；所述的丝杠轴20的丝杠部分为梯形丝杠。
参见图3及图4所示，所述的楔块传动组件包括楔块21和四组滑动组件Ⅰ~Ⅳ1、4、8、12，楔块21位于装置中心位置，四组滑动组件Ⅰ~Ⅳ1、4、8、12分别沿X和Y方向对称布置；所述楔块21的四个侧面均为45度斜面，中间开有阶梯孔与丝杠螺母19配合并用螺钉进行连接；所述四组滑动组件Ⅰ~Ⅳ1、4、8、12构造相同，分别包括滑座101、两组弹簧102和导向柱103、挡板104，所述滑座101前端为45度斜面用于与楔块21斜面接触传动，并通过直线滚动导轨11与支撑平台7连接，所述导向柱103一端与滑座101螺纹连接，另一端与挡板104上的导向孔形成间隙配合，所述挡板104采用螺钉连接固定在支撑平台7上，所述弹簧102安装在滑座101与挡板104之间并与导向柱103端部外圆面形成间隙配合，利用弹簧在拉伸过程中产生的弹簧力保持滑座101与楔块21的斜面接触，保证滑座101在拉伸过程中的平稳运行。
参见图5所示，所述的夹持组件3包括四组夹具体301和压板302，所述夹具体301通过交叉滚柱导轨22与滑座101连接，其前端设有与试件23夹持部分相匹配的凹槽，试件23的夹持部分分别定位在四个夹具体301的凹槽中；所述压板302下底面设有与夹具体301凹槽相匹配的凸台用于定位，压板302通过螺钉与夹具体301连接以达到压紧试件23的目的。
参见图6所示，所述的检测组件包括四组力传感器组件2和两组位移传感器组件Ⅰ、Ⅱ9、10，所述力传感器组件2包括力传感器202和上盖板201，所述力传感器202两端均加工有外螺纹，其一端与夹具体301螺纹连接，另一端嵌入上盖板201的凹槽内，通过上盖板201内端面定位并用螺母203固定在上盖板201上，所述上盖板201利用下部凸台和台阶面进行定位并通过螺钉与滑座101连接；两组位移传感器组件Ⅰ、Ⅱ9、10构造相同且呈对称布置，位移传感器组件Ⅰ10安装在滑动组件Ⅰ1和滑动组件Ⅱ4之间，位移传感器组件Ⅱ9安装在滑动组件Ⅲ8和滑动组件Ⅳ12之间；所述位移传感器组件Ⅰ9包括电容位移传感器902、传感器支架901和测位板903，所述电容位移传感器902利用传感器支架901上的台阶面定位并通过螺钉固定在传感器支架901上，所述传感器支架901通过支撑平台7上的台阶面定位并利用螺钉与支撑平台7连接，所述测位板903通过螺钉与滑座101连接，滑座101运动时带动测位板903，使两组位移传感器组件Ⅰ、Ⅱ9、10内的两个电容位移传感器测得X和Y方向的位移。
参见图1至图7所示，本发明的工作原理如下：
本发明的的扫描电镜下的准静态原位双轴拉伸力学性能测试装置的主体尺寸为106mm×106mm×64mm，可用于各类扫描电镜中实现对准静态双轴拉伸过程的原位观测。使用时，通过螺钉连接固定在扫描电镜24的移动平台2401上，随即关闭舱门，将样品室抽成真空，通过调整移动平台2401的位置使试件23的观测位置对准扫描电镜的极靴2402的中心，使得试件23的观测位置位于扫描电镜的观测区域内，随后启动直流伺服电机5，电机输出经正齿齿轮箱6及主动齿轮13和从动齿轮15减速后带动丝杠轴20，丝杠轴20通过丝杠螺母19与楔块21连接，将电机输出的旋转运动转换成楔块21的直线运动，楔块21向下运动并与四组滑动组件Ⅰ~Ⅳ1、4、8、12中的滑座101通过45度斜面接触，推动其同步向外运动，从而带动与滑动组件Ⅰ~Ⅳ1、4、8、12连接的夹持组件3对试件23施加双向拉伸载荷，实现准静态双轴拉伸，与此同时，装置中的力传感器202和电容位移位移传感器902进行实时测量，获取各项参数，通过扫描电镜24对拉伸过程进行原位观测。
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 (6)

1.一种扫描电镜下的准静态原位双轴拉伸力学性能测试装置，其特征在于：包括动力及传动组件、楔块传动组件、夹持组件(3)、支撑平台(7)及检测组件；所述动力及传动组件采用一个直流伺服电机(5)作为动力源，经正齿齿轮箱(6)减速带动丝杠轴(20)，丝杠轴(20)通过丝杠螺母(19)与楔块传动组件中的楔块(21)连接，将直流伺服电机(5)输出的旋转运动转换成楔块(21)的直线运动；所述楔块传动组件中楔块(21)与滑座(101)通过45度斜面接触传动，实现四个滑座(101)的精准同步运动；所述夹持组件(3)通过交叉滚柱导轨(22)与滑座(101)连接，对试件(23)进行夹持，滑座(101)运动时带动夹持组件(3)对试件(23)进行同步加载，实现准静态双轴拉伸；所述检测组件对双轴拉伸过程中的力和位移进行检测；所述试件(23)位于整个装置顶部；
所述的楔块传动组件包括楔块(21)和四组滑动组件Ⅰ~Ⅳ(1、4、8、12)，楔块(21)位于装置中心位置，四组滑动组件Ⅰ~Ⅳ(1、4、8、12)分别沿X和Y方向对称布置；所述楔块(21)的四个侧面均为45度斜面，中间开有阶梯孔与丝杠螺母(19)配合并用螺钉进行连接；所述四组滑动组件Ⅰ~Ⅳ(1、4、8、12)构造相同，分别包括滑座(101)、两组弹簧(102)和导向柱(103)、挡板(104)，所述滑座(101)前端为45度斜面与楔块(21)斜面接触传动，并通过直线滚动导轨(11)与支撑平台(7)连接，所述导向柱(103)一端与滑座(101)螺纹连接，另一端与挡板(104)上的导向孔形成间隙配合，所述挡板(104)固定在支撑平台(7)上，所述弹簧(102)安装在滑座(101)与挡板(104)之间并与导向柱(103)端部外圆面形成间隙配合，利用弹簧在拉伸过程中产生的弹簧力保持滑座(101)与楔块(21)的斜面接触，保证滑座(101)在拉伸过程中的平稳运行。
2.根据权利要求1所述的扫描电镜下的准静态原位双轴拉伸力学性能测试装置，其特征在于：所述的动力及传动组件为：直流伺服电机(5)的输出轴与正齿齿轮箱(6)连接，所述正齿齿轮箱(6)与支撑平台(7)通过止口定位，正齿齿轮箱(6)的输出轴与主动齿轮(13)通过紧定螺钉(14)连接，从动齿轮(15)与主动齿轮(13)啮合并通过平键(18)与丝杠轴(20)连接，利用轴肩与弹性挡圈(17)进行定位；交叉滚柱轴环(16)内圈与丝杠轴(20)形成过盈配合并通过轴肩定位，其外圈与支撑平台(7)上的阶梯孔形成过盈配合并通过台阶面定位；丝杠螺母(19)与丝杠轴(20)的丝杠部分配合。
3.根据权利要求2所述的扫描电镜下的准静态原位双轴拉伸力学性能测试装置，其特征在于：所述的正齿齿轮箱(6)提供30:1的减速比；所述的主动齿轮(13)和从动齿轮(15)均为变位齿轮，主动齿轮(13)齿数为12，从动齿轮(15)齿数为30；所述的丝杠轴(20)的丝杠部分为梯形丝杠。
4.根据权利要求1所述的扫描电镜下的准静态原位双轴拉伸力学性能测试装置，其特征在于： 所述的夹持组件(3)包括四组夹具体(301)和压板(302)，所述夹具体(301)通过交叉滚柱导轨(22)与滑座(101)连接，其前端设有与试件(23)夹持部分相匹配的凹槽，试件(23)的夹持部分分别定位在四个夹具体(301)的凹槽中；所述压板(302)下底面设有与夹具体(301)凹槽相匹配的凸台用于定位，压板(302)通过螺钉与夹具体(301)连接以达到压紧试件(23)的目的。
5.根据权利要求1所述的扫描电镜下的准静态原位双轴拉伸力学性能测试装置，其特征在于：所述的检测组件包括四组力传感器组件(2)和两组位移传感器组件Ⅰ、Ⅱ(9、10)，所述力传感器组件(2)包括力传感器(202)和上盖板(201)，所述力传感器(202)一端与夹具体(301)螺纹连接，另一端嵌入上盖板(201)的凹槽内，通过上盖板(201)内端面定位并用螺母(203)固定在上盖板(201)上，所述上盖板(201)利用下部凸台和台阶面进行定位并通过螺钉与滑座(101)连接；两组位移传感器组件Ⅰ、Ⅱ(9、10)构造相同且呈对称布置，位移传感器组件Ⅰ(9)安装在滑动组件Ⅰ(1)和滑动组件Ⅱ(4)之间，位移传感器组件Ⅱ(10)安装在滑动组件Ⅲ(8)和滑动组件Ⅳ(12)之间；所述位移传感器组件Ⅰ(9)包括电容位移传感器(902)、传感器支架(901)和测位板(903)，所述电容位移传感器(902)利用传感器支架(901)上的台阶面定位并通过螺钉固定在传感器支架(901)上，所述传感器支架(901)通过支撑平台(7)上的台阶面定位并利用螺钉与支撑平台(7)连接，所述测位板(903)通过螺钉与滑座(101)连接，滑座(101)运动时带动测位板(903)，使两组位移传感器组件Ⅰ、Ⅱ(9、10)内的两个电容位移传感器测得X和Y方向的位移。
6.根据权利要求1至5任一项所述的扫描电镜下的准静态原位双轴拉伸力学性能测试装置，其特征在于：所述的扫描电镜下的准静态原位双轴拉伸力学性能测试装置的主体尺寸为106mm×106mm×64mm，可用于各类扫描电镜中实现对准静态双轴拉伸过程的原位观测。
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