CN113310799A - 一种超低应变速率下原位力学动态观察设备 - Google Patents

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杜文军
朱建雷
邓超
白海强
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许梦婷
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Abstract

本发明公开了一种超低应变速率下原位力学动态观察设备，包括底座，底座上设置有样品台、光栅尺和力学加载装置，样品台一侧设置有夹具A，相对的另一侧设置有夹具B，夹具A安装在力学加载装置上，样品台顶部设置有微观组织观测器，微观组织观测器、光栅尺和力学加载装置都连接在计算机上，计算机控制力学加载装置运动，力学加载装置为待测试样施加力，光栅尺实时测量待测试样的位移，并将信号反馈至计算机，形成伺服闭环控制系统，使待测试样在超低应变速率下运动，实现了低韧性材料在超低应变速率的形变，微观组织观测器能够全程动态监控低韧性材料试样在超低应变速率过程中发生的变形及失效行为。

Description

一种超低应变速率下原位力学动态观察设备
技术领域
本发明属于力学仪器设备技术领域，涉及一种超低应变速率下原位力学动态观察设备。
背景技术
材料力学性能的检测主要是通过力学性能试验机来进行评价，力学性能测试的方式主要有以下三种：
(1)在宏观尺度下，万能材料试验机是应用最广泛的力学性能测试设备，常规万能试验机的应变速率调节范围为1-500mm/min。
(2)在介观尺度下，通过介观成像系统，对不同载荷作用下试样的微观组织变化行为进行监测。
(3)在微/纳米尺度下，采用原位微纳力学测试设备，通过原子力显微镜、电子显微镜以及光学显微镜等多种仪器，对处于各种载荷作用下的材料发生微观变形以及损伤进行全程动态监控。
对于脆性材料或者界面性能差异明显的复合材料，由于其韧性差，在形变过程中瞬间断裂，此过程具有瞬时性，现有力学测试设备的应变速率相对较高，不适用于韧性低材料，无法对其断裂过程进行原位监控。
发明内容
本发明的目的是提供一种超低应变速率下原位力学动态观察设备，解决了现有力学测试设备无法对低韧性材料的断裂过程进行原位监控的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种超低应变速率下原位力学动态观察设备，包括底座，底座上设置有样品台、光栅尺和力学加载装置，力学加载装置上安装有夹具A，底座1上安装有与夹具A相配合的夹具B，夹具A和夹具B分别位于样品台的两侧，样品台顶部设置有微观组织观测器，微观组织观测器、光栅尺和力学加载装置都连接在计算机上。
本发明的技术特征还在于，
力学加载装置包括相配合的丝杠导轨和丝杠滑台，夹具A安装在丝杠滑台上，丝杠导轨一端连接有伺服电机，伺服电机连接有运动控制器，运动控制器与计算机连接。
丝杠滑台顶部安装有测力传感器，测力传感器与计算机连接。
夹具A安装在测力传感器远离伺服电机的一侧侧面上。
光栅尺与丝杠导轨平行设置。
伺服电机连接有减速机。
底座上安装有丝杠导轨支撑座。
夹具A和夹具B为拉伸测试夹具，夹具A和夹具B上都开设有T形卡槽。
夹具A和夹具B为弯曲测试夹具，夹具B与夹具A相对的一侧侧面顶部中间开设有矩形凹槽，与夹具A相对的矩形凹槽内侧面上设置有两个竖直的挡条B，与夹具B相对的夹具A侧面顶部设置有竖直的挡条A，挡条A位于两个挡条B之间。
本发明的有益效果是，通过样品台、光栅尺、微观组织观测器、力学加载装置、两侧夹具和计算机组成原位力学动态观察设备，计算机控制力学加载装置运动，力学加载装置带动待测试样移动，为待测试样施加力，光栅尺实时测量待测试样的位移，并将信号反馈至计算机，形成伺服闭环控制系统，使待测试样在超低应变速率下运动，实现了低韧性材料在超低应变速率的形变，微观组织观测器能够全程动态监控低韧性材料试样在超低应变速率过程中发生的变形及失效行为，该超低应变速率下原位力学动态观察设备结构简单，测试准确率高，可广泛用于脆性材料和复合材料在超低应变过程中的形变以及失效行为的原位力学动态观察。
附图说明
图1是本发明一种超低应变速率下原位力学动态观察设备的结构示意图；
图2是本发明一种超低应变速率下原位力学动态观察设备中拉伸测试夹具的结构示意图；
图3是本发明一种超低应变速率下原位力学动态观察设备中弯曲测试夹具B的结构示意图；
图4是本发明一种超低应变速率下原位力学动态观察设备中弯曲测试夹具A的结构示意图；
图中，1.底座，2.力学加载装置，3.伺服电机，4.光栅尺，5.微观组织观测器，6.测力传感器，7.夹具A，8.样品台，9.夹具B，10.运动控制器，11.T形卡槽，21.丝杠导轨，22.丝杠滑台，71.挡条A，91.矩形凹槽，92.挡条B。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种超低应变速率下原位力学动态观察设备，参照图1，包括底座1，底座1上设置有样品台8、光栅尺4和力学加载装置2，样品台8一侧设置有夹具A7，相对的另一侧设置有夹具B9，夹具B9通过螺钉安装在底座上，夹具A7安装在力学加载装置2上，用于带动待测试样一端随力学加载装置移动，实现待测试样的形变，夹具A7和夹具B9平齐，用于从两端水平夹持待测试样。样品台8顶部设置有微观组织观测器5，微观组织观测器5为光学显微镜，此实施例中采用的是MXFMS系统显微镜，微观组织观测器5、光栅尺4和力学加载装置2都连接在计算机上，微观组织观测器5用于全程动态监控待测试样在超低应变速率过程中发生的变形及失效行为，并将拍摄的待测试样变形过程传输至计算机中，便于用户观察。
光栅尺4由标尺光栅和光栅读数头两部分组成，可对待测试样运动过程中的位移量(50nm级)进行精确检测，实时监测待测试样的运动轨迹并做信号反馈，便于对伺服电机的运动误差进行修正，确保待测试样的位移精度。
力学加载装置2包括相配合的丝杠导轨21和丝杠滑台22，丝杠滑台22套设在丝杠导轨21上，由丝杠导轨21带动其作水平往复运动。
丝杠滑台22顶部安装有测力传感器6，夹具A7安装在测力传感器6远离伺服电机的一侧侧面上，测力传感器6与计算机连接，用于实时测量待测试样的受力大小，并把测量结果输送至计算机中以便用户查询观看。
夹具A7和测力传感器6随丝杠滑台22一起移动，丝杠导轨21一端连接有伺服电机3，伺服电机3用于提供待测试样发生形变的动力，通过控制转子转速控制待测试样的位移量和应变速率，精确度极高。
伺服电机3连接有运动控制器10，运动控制器10与计算机连接，通过计算机将伺服电机3的运动参数输送至运动控制器10，运动控制器10将接收到的电信号转换为伺服电机3转轴的角位移或角速度，用于实时控制待测试样的运动状态。
伺服电机3连接有减速机，实现丝杠滑台22在超低应变速率下运动，最低可达50nm/s，能使丝杠滑台22达到纳米级尺寸的位移量，从而实现待测试样以超低应变速率发生形变。
光栅尺4与丝杠导轨21平行设置，光栅尺4可以准确测量出待测试样的形变量。
底座1上安装有丝杠导轨支撑座，保证了丝杠导轨转动过程的稳定性。
用本发明观察设备观测试样在超低拉伸应变速率下的微观组织变形时，采用的夹具A7和夹具B9为拉伸测试夹具，参见图2，夹具A7和夹具B9上都开设有T形卡槽11，拉伸试样为“工”字形，将试样放入夹具A7和夹具B9的T形卡槽，即可启动伺服电机对试样进行拉伸。
用本发明观察设备观测试样在超低弯曲应变速率下的微观组织变形时，采用的夹具A7和夹具B9为弯曲测试夹具，参见图3和图4，夹具B9与夹具A7相对的一侧侧面顶部中间开设有矩形凹槽91，与夹具A7相对的矩形凹槽91内侧面上设置有两个竖直的挡条B92，与夹具B9相对的夹具A7侧面顶部设置有竖直的挡条A71，挡条A71位于两个挡条B92之间，弯曲测试的试样为长条板状，将试样放在矩形凹槽91中，启动伺服电机，伺服电机带动丝杠导轨旋转，进而驱动丝杠滑台，丝杠滑台带动夹具A7向夹具B9移动，夹具A7侧面的挡条A71逐渐靠近待测试样中间部位，对待测试样中间部位进行施压，使待测试样弯曲。
使用本发明超低应变速率下原位力学动态观察设备时，通过计算机将伺服电机3的运动参数输送至运动控制器10中，运动控制器10规划待测试样的运动轨迹，进而控制伺服电机带动待测试样按照既定轨迹运动，样品随即开始发生形变，测力传感器向计算机输出待测试样所受的载荷值信号，光栅尺实时监控待测试样的位移状态，并实时向计算机反馈实时位移参数，进行闭环修正，微观组织观测器5全程对待测试样在超低应变速率下发生拉伸的微观组织变形行为以及失效行为进行监测和记录。结合超低应变速率的原位力学动态观察试验设备，最终可获得试样在拉伸形变或弯曲变形过程中的动态视频、荷载-位移、荷载-时间、位移-时间曲线以及抗拉强度、延伸率和等数据，便于用户根据这些数据来确定试样的力学性能，进而选择其所需材料。

Claims (9)

1.一种超低应变速率下原位力学动态观察设备，其特征在于，包括底座(1)，底座(1)上设置有样品台(8)、光栅尺(4)和力学加载装置(2)，力学加载装置(2)上安装有夹具A(7)，底座(1)上安装有与夹具A(7)相配合的夹具B(9)，夹具A(7)和夹具B(9)分别位于样品台(8)的两侧，样品台(8)顶部设置有微观组织观测器(5)，微观组织观测器(5)、光栅尺(4)和力学加载装置(2)都连接在计算机上。
2.根据权利要求1所述的一种超低应变速率下原位力学动态观察设备，其特征在于，所述力学加载装置(2)包括相配合的丝杠导轨(21)和丝杠滑台(22)，夹具A(7)安装在丝杠滑台(22)上，丝杠导轨(21)一端连接有伺服电机(3)，伺服电机(3)连接有运动控制器(10)，运动控制器(10)与计算机连接。
3.根据权利要求2所述的一种超低应变速率下原位力学动态观察设备，其特征在于，所述丝杠滑台(22)顶部安装有测力传感器(6)，测力传感器(6)与计算机连接。
4.根据权利要求3所述的一种超低应变速率下原位力学动态观察设备，其特征在于，所述夹具A(7)安装在测力传感器(6)远离伺服电机的一侧侧面上。
5.根据权利要求2所述的一种超低应变速率下原位力学动态观察设备，其特征在于，所述光栅尺(4)与丝杠导轨(21)平行设置。
6.根据权利要求2所述的一种超低应变速率下原位力学动态观察设备，其特征在于，所述伺服电机(3)连接有减速机。
7.根据权利要求2所述的一种超低应变速率下原位力学动态观察设备，其特征在于，所述底座(1)上安装有丝杠导轨支撑座。
8.根据权利要求1所述的一种超低应变速率下原位力学动态观察设备，其特征在于，所述夹具A(7)和夹具B(9)为拉伸测试夹具，夹具A(7)和夹具B(9)上都开设有T形卡槽(11)。
9.根据权利要求1所述的一种超低应变速率下原位力学动态观察设备，其特征在于，所述夹具A(7)和夹具B(9)为弯曲测试夹具，夹具B(9)与夹具A(7)相对的一侧侧面顶部中间开设有矩形凹槽(91)，与夹具A(7)相对的矩形凹槽(91)内侧面上设置有两个竖直的挡条B(92)，与夹具B(9)相对的夹具A(7)侧面顶部设置有竖直的挡条A(71)，挡条A(71)位于两个挡条B(92)之间。
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