CN113514319A - 扫描电子显微镜中原位静-动态疲劳力学性能测试仪器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种扫描电子显微镜中原位静‑动态疲劳力学性能测试仪器，属于科学仪器与材料测试技术领域。包括驱动单元、支撑单元、夹持单元、测量单元及加热单元；支撑单元，支撑夹持单元，与扫描电子显微镜的移动平台连接；驱动单元包括准静态力学载荷加载机构和动态疲劳载荷加载机构两部分，构建静‑动态力学载荷耦合的加载环境；测量单元测量样品的静‑动态力学载荷和位移；加热单元固定在支撑单元上。优点在于：可以实现对材料进行原位高温、高应力的静‑动态疲劳测试，还可集成拉伸、压缩、三点弯、四点弯、剪切等多种静态载荷模式，实现对材料力学性能试验的稳定、连续、准确的控制和表面变形及失效行为监测。

Description

扫描电子显微镜中原位静-动态疲劳力学性能测试仪器

技术领域

本发明涉及科学仪器与材料测试技术领域，特别涉及一种扫描电子显微镜中原位静-动态疲劳力学性能测试仪器，与扫描电子显微镜具有良好的兼容性，能够对材料的微观变形、疲劳裂纹扩展过程进行在线观测，为揭示材料在纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供了新的测试方法。

背景技术

随着航空航天、微电子等高技术产业的迅猛发展，工业界对材料的性能又提出了新的要求，因此，探究材料在温度场、静-动态机械载荷场多场耦合条件下的力学性能演化机制显得尤为重要。然而在传统的材料性能研究模式中，力学性能测试与显微结构研究独立进行，无法将材料微观组织变化的机理与材料宏观力学性能有效结合，综合表征材料的性能。

扫描电子显微镜是材料微观组织结构测试的重要工具，可以对宏观到微观，甚至纳米尺度的材料进行微结构跨尺度测量，是揭示材料微观组织结构的重要手段。同时扫描电子显微镜还可以配置电子背散射衍射仪（EBSD）和X-射线能量色散谱仪（EDS），可以在一次实验过程中获取被测试样的微区形貌、微区成分以及晶体取向等关键信息。基于上述优势，美国MTI、英国Deben和德国Kamra-Weiss等公司均发展了以扫描电子显微镜为主要应用平台的原位疲劳试验机。这些仪器虽然能够配合扫描电子显微镜进行材料微观性能测试，但是由于扫描电子显微镜内部空间和传统实验手段的限制，存在以下不足：

（1）从驱动方式上来看，现有的原位疲劳试验机驱动方式大多是电机和液压驱动两种方式，其中电机驱动一般加载较为平稳，可以提供较大的载荷，但是只能实现低周疲劳加载，试验周期长，效率低下。液压驱动的疲劳试验机可以实现高频加载，但是液压驱动单元尺寸过大，且液压油在真空环境下的密封难以处理，需要对扫描电子显微镜专门改造，成本昂贵，通用性较差。

（2）从功能结构上来看，现有疲劳试验机只能提供单一载荷下的疲劳实验，如预拉伸载荷下的疲劳实验，无法与三点弯、剪切、压缩等不同载荷进行兼容使用。同时部分原位疲劳试验机由于结构受限，无法兼容热场，现有研究表明，材料的力学性能通常会随着其所在的温度场和应力场的复合作用发生改变。

发明内容

本发明的目的在于提供一种扫描电子显微镜中原位静-动态疲劳力学性能测试仪器，解决了现有技术存在的上述问题。本发明结构紧凑，易和商业化的扫描电子显微镜集成，在扫描电子显微镜的动态监测下可开展任意给定应力或应变水平下的原位动态疲劳测试，并可开展高温环境下等幅或变频疲劳试验，测试频率、温度可控。同时本发明还可以通过更换不同的夹具，实现一台仪器多种载荷（拉伸、压缩、三点弯曲）下的疲劳测试，功能拓展性强。

本发明实现了在扫描电镜内在线原位监测材料疲劳实验过程中微观结构变化和损伤失效行为，可以实现对材料进行原位高温、高应力的静-动态疲劳测试，还可集成拉伸、压缩、三点弯、四点弯、剪切等多种静态载荷模式，实现对材料力学性能试验的稳定、连续、准确的控制和表面变形及失效行为监测。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

扫描电子显微镜中原位静-动态疲劳力学性能测试仪器，包括驱动单元21、支撑单元23、夹持单元22、测量单元24及加热单元25；所述支撑单元23支撑所述夹持单元22，并与扫描电子显微镜1的移动平台11连接；所述驱动单元21包括准静态力学载荷加载机构和动态疲劳载荷加载机构两部分，为样品构建静-动态力学载荷耦合的加载环境；所述测量单元24测量样品的静-动态力学载荷和位移；所述加热单元25为样品提供最高650℃的高温测试环境，所述加热单元25固定在支撑单元23的底板236上。

所述的准静态力学载荷加载机构是：真空型直流伺服电机211的输出轴与行星齿轮减速器212的一端连接，所述行星齿轮减速器212的输出轴与第一等径锥齿轮213相连，所述第一等径锥齿轮213通过顶丝固定在行星齿轮减速器212的转轴上；蜗杆215的一端连接第二等径锥齿轮214，中间连接第一蜗轮216和第二蜗轮217；所述第一蜗轮216和第二蜗轮217连接丝杠传动单元的第一丝杠218和第二丝杠219，并用顶丝和锁紧螺母进行周向和轴向定位锁紧；所述第一丝杠和第二丝杆两侧螺纹旋向相反，螺距相同，分别安装有第一螺母2110、第二螺母2111、第三螺母2112、第四螺母2113，以驱动夹持单元22，实现准静态力学载荷的加载。

所述的动态疲劳载荷加载机构由柔性铰链2114和压电叠堆2115组成，其中压电叠堆2115安装在柔性铰链2114的方形槽内，且其中心平面与夹持单元22的轴线处于同一平面；所述柔性铰链2114与支撑单元23的压电驱动固定块238刚性连接；所述压电驱动固定块238与第二螺母座2319刚性连接。

所述的夹持单元22采用过渡夹具设计，实现包括拉伸、压缩、三点弯曲、四点弯曲、剪切载荷夹具的快速更换，包括第一过渡夹具222、第二过渡夹具块226；所述第一过渡夹具222与测量单元24的应变式力传感器242、压电力传感器243刚性连接，所述第二过渡夹具块226与支撑单元23的柔性铰链连接板2310刚性连接；所述第一、第二过渡夹具块上切割有带有圆弧过渡的卡槽，用于实现不同夹具的快速安装和准确定位；所述第一、第二过渡夹具块的底部分别安装有第一过渡夹具支撑调节板223、第二过渡夹具支撑调节板225，通过调整所述第一、第二过渡夹具支撑调节板的厚度，实现夹具在高度方向的调整，适应扫描电子显微镜的不同工作距离。

所述的过渡夹具为三点弯曲夹具，其第一弯曲夹具体2214c一端固定于第一过渡夹具222的卡槽内，另一端两侧的圆弧槽内放置有支撑滚柱2212c，并用拉簧2211c紧固；弯曲试样2215c紧贴支撑滚柱2212c放置，并用牛角托架2216c支撑，所述牛角托架2216c通过螺钉二2213c与第一弯曲夹具体2214c固定连接；所述第一弯曲夹具体2214c预设不同间距的圆弧槽，通过调整支撑滚柱2212c的间距，实现不同跨度的弯曲-疲劳测试。

所述的第二过渡夹具块226的轴颈通过支撑单元的圆柱滚子轴承2317作为径向支撑，同时保留轴线的自由度，允许疲劳载荷作用于试样上，另一端通过螺纹与柔性铰链连接板2310相连，所述圆柱滚子轴承2317安装于第二螺母座2319中心孔内。

所述的测量单元24包括位移测量系统和载荷测量系统，所述位移测量系统包括光栅尺2413和读数头2411，所述读数头安装在固定外壳2412上，且所述固定外壳2412上设有U型槽，用于读数头与光栅尺之间距离的微调；所述光栅尺安装在安装板2414上，安装板2414上设有与光栅尺等宽的凸台，用于光栅尺的安装定位；所述固定外壳2412和安装板2414分别安装在第一螺母座2318和第二螺母座2319的卡槽上。

所述的载荷测量系统采用应变式力传感器242和压电力传感器243双传感器并联排布的测量方式，利用两传感器之间的刚度差的换算，既测量静态载荷，又实现动态载荷的测量；所述静态力传感器242和压电力传感器243置于第一螺母座2318的凹型空间内且一端与所述第一过渡夹具222刚性连接，所述力传感器的另一端通过两个锁紧螺母与第一螺母座216刚性连接。

所述的支撑单元23的底板236上切割有容置空间，所述留置空间位于底板的中心位置，加热单元25安装在所述容置空间内，且通过连接螺钉刚性固定在底板（236）上。

本发明的有益效果在于：构思新颖，体积小，结构紧凑。兼容性好，可放置于大多数大腔室扫描电子显微镜中，并与EDS和EBSD等重要材料分析装置在空间结构上兼容。采用双丝杠加两侧导轨设计，装置刚度大，测试精度高。温度模块采用模块化设计，可根据实验要求，进行加热模块的选配。过渡夹具设计，可以通过更换不同功能的夹具，实现一台仪器，多种载荷（拉伸、压缩、三点弯曲、四点弯曲、剪切）下的疲劳测试。实用性强。

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为本发明的整体外观结构示意图；

图2为本发明的侧视结构示意图；

图3为本发明的拉伸夹具的结构示意图；

图4为本发明的三点弯曲夹具的结构示意图；

图5为本发明的压缩夹具的结构示意；

图6为本发明在扫描电子显微镜内位置关系图。

图中：1、扫描电子显微镜；11、移动平台；12、极靴；2、拉伸-疲劳力学性能测试仪器；21、驱动单元；211、真空型直流伺服电机；212、行星齿轮减速器；213、第一等径锥齿轮；214、第二等径锥齿轮；215、蜗杆；216、第一蜗轮；217、第二蜗轮；218、第一丝杠；219、第二丝杠；2110、第一螺母；2111、第二螺母；2112、第三螺母；2113、第四螺母；2114、柔性铰链；2115、压电叠堆；22、夹持单元；221、第一拉伸模块；2211、螺钉一；2212、压板；2213、摩擦垫块；2214、夹具体；221b、第一压缩模块；2211b、第一压缩夹具体；2212b、压缩顶板；221c、第一三点弯曲模块；2211c、拉簧；2212c、支撑滚柱；2213c、螺钉二；2214c、第一弯曲夹具体；2215c、弯曲试样；2216c、牛角托架；222、第一过渡夹具；223、第一过渡夹具支撑调节板；224、第二拉伸模块；224b、第二压缩模块：2241b、第二压缩夹具体；2242b、螺钉三；2243b、托板；2244b、压缩试样；224c第二三点弯曲模块；225、第二过渡夹具支撑调节板；226、第二过渡夹具块；23、支撑单元；231、电机座；232、第一蜗杆座；233、第二蜗杆座；234、丝杠固定座；235、丝杠支撑座；236、底板；237、连接板；238、压电驱动固定块；239、定位块；2310、柔性铰链连接板；2311、第一导轨；2312、第一滑块；2313、第二滑块；2314、第三滑块；2315、第二导轨；2316、第四滑块；2317、圆柱滚子轴承；2318、第一螺母座；2319、第二螺母座；24、测量单元；2411、读数头；2412、固定外壳；2413、光栅尺；2414、安装板；2415、固定板；242、应变式力传感器；243、压电力传感器；244、力传感器锁紧螺母；245、压电力传感器锁紧螺母；246、光电开关支撑架；247、光电开关；248、遮光片；25、加热单元。

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，本发明的扫描电子显微镜中原位静-动态疲劳力学性能测试仪器的整体尺寸为170

220

50mm，支撑单元均采用具有较大刚性以及真空所需的低放气性的SS 304L材料，整体重量仅为4kg。通过并联设置的双传感器，能够同时测得疲劳实验过程中动态力学载荷以及预拉伸载荷的大小，实现了镜/动态载荷的同时测量。同时该静-动态疲劳力学性能测试仪器采用过渡夹具设计，该过渡夹具安装方便，且安装之后定位精度高，实现了拉伸、三点弯曲、四点弯曲、剪切、压缩等不同载荷模式与疲劳试验的兼容。另外，将该装置尺寸小，重量轻，可方便的与商业化的扫描电子显微镜集成，利用夹持单元22和驱动单元21实现对样品的力学性能测试，再通过测量单元获取力学参数，并同时结合扫描电子显微镜进行微观表征，实现了样品在疲劳测试过程的在线原位监测和分析，帮助研究者将材料的微观结构和微区成分信息以及晶体学取向数据与材料的力学特征建立相应的联系。

参见图2所示，本发明的扫描电子显微镜中原位静-动态疲劳力学性能测试仪器2包括驱动单元21、支撑单元23、夹持单元22、测量单元24及加热单元25；所述支撑单元23支撑所述夹持单元22，并与扫描电子显微镜1的移动平台11连接；所述驱动单元21包括准静态力学载荷加载机构和动态疲劳载荷加载机构两部分，既可以同时加载又可以单独加载，为样品构建静-动态力学载荷耦合的加载环境；所述测量单元24用于采集样品加载过程中的应力与应变，以及温度的高低；所述加热单元25为样品提供最高650℃的高温测试环境，所述加热单元25固定在支撑单元23的底板236上。驱动单元由真空型直流电机提供动力，通过梯形丝杠、蜗轮蜗杆实现准静态载荷加载，利用压电驱动器，驱动柔性铰链，实现试件拉伸轴向上的中低频载荷加载；支撑单元和夹持单元用于安装不同类型夹具以及连接扫描电镜内的定位平台；测量单元包括位移测量系统和静-动态力采集系统；加热单元置于试样下方，为试样提供试验所需的高温环境。

所述的驱动单元21包括真空型直流伺服电机211、行星齿轮减速器212、第一等径锥齿轮213、第二等径锥齿轮214、蜗杆215、第一蜗轮216、第二蜗轮217、第一丝杠218、第二丝杠219、第一螺母2110、第二螺母2111、第三螺母2112、第四螺母2113、柔性铰链放大机构2114、压电叠堆2115。其中，真空型直流伺服电机211的输出轴与行星齿轮减速器212的一端连接，所述行星齿轮减速器212的输出轴与第一等径锥齿轮213相连，所述第一等径锥齿轮213通过顶丝固定在行星齿轮减速器212的转轴上；蜗杆215的一端连接第二等径锥齿轮214，中间连接第一蜗轮216和第二蜗轮217；所述第一蜗轮216和第二蜗轮217连接丝杠传动单元的第一丝杠218和第二丝杠219，并用顶丝和锁紧螺母进行周向和轴向定位锁紧；所述第一丝杠和第二丝杆两侧螺纹旋向相反，螺距相同，分别安装有第一螺母2110、第二螺母2111、第三螺母2112、第四螺母2113，以驱动夹持单元22，实现准静态力学载荷的加载。第一螺母2110和第二螺母2111旋接于第一丝杠218上，第三螺母2112和第四螺母2113旋接于第二丝杠219上。

本实施例中驱动单元中的第一丝杠218和第二丝杠219均采用大直径高精度的梯形丝杠，保证丝杠与丝杠螺母之间的无缝配合，丝杠螺母在丝杠上的自由度被完全限制，与普通滚珠丝杠相比，梯形丝杠拥有自锁功能，实验过程中能在任意位置启停，进而实现观测位置的准确成像。同时，双丝杠两侧安装有导轨，保证仪器有较大的刚度的同时，又能实现最大5KN的负载能力。

参见图3所示，所述的动态疲劳载荷加载机构由柔性铰链2114和压电叠堆2115组成，其中压电叠堆2115安装在柔性铰链2114的方形槽内，且其中心平面与夹持单元22的轴线处于同一平面；所述柔性铰链2114通过螺钉与定位块239刚性固定，所述定位块239固定在压电驱动固定块238上所述压电驱动固定块238通过螺钉与第二螺母座2319刚性连接。柔性铰链2114与柔性铰链连接板2310固定连接，柔性铰链连接板2310与安装在圆柱滚子轴承2317内的第二过渡夹具块226固定连接。第二过渡夹具块226与圆柱滚子轴承2317间隙配合，保证柔性铰链2114的往复位移传递至夹具前端。柔性铰链2114可以保证被测试样在受到拉压应力作用时，安装于柔性铰链2114方形槽内的压电叠堆2115始终处于受压状态，保证在给定应力水平下压电叠堆2115具有一定的位移及载荷输出能力。进一步地，柔性铰链放大机构2114的前端通过连接螺钉与柔性铰链连接板2310刚性连接，柔性铰链连接板2310通过螺纹配合的方式与第二过渡夹具块226刚性连接，这种连接方式保证按照一定的比例系数将压电叠堆2114输出的精密往复位移传递至用于夹持试样的夹具前端。

参见图1及图2所示，所述的测量单元24包括位移测量系统和载荷测量系统（静-动态力采集系统），所述位移测量系统包括光栅尺2413和读数头2411，所述读数头安装在固定外壳2412上，且所述固定外壳2412上设有U型槽，用于读数头与光栅尺之间距离的微调；所述光栅尺安装在安装板2414上，安装板2414上设有与光栅尺等宽的凸台，用于光栅尺的安装定位；所述固定外壳2412和安装板2414分别安装在第一螺母座2318和第二螺母座2319的卡槽上。所述光电开关247安装于光电开关支撑架246上，光电开关支撑架246通过螺钉固定于底板236上，通过固定于第一螺母座2318的遮光片248的来回运动，实现光电开关247的限位功能。

所述的载荷测量系统采用低刚度的应变式力传感器242和高刚度的压电力传感器243双传感器并联排布的测量方式，利用两传感器之间的刚度差异，经过刚度换算以及实验标定，能够实现一次疲劳实验过程中，同时获取预静态载荷以及预静态载荷下的中高频动态疲劳载荷；既能测量静态载荷，又能保证大刚度实现动态载荷的测量。其中，应变式力传感器242和压电力传感器243置于第一螺母座2318的凹型空间内且一端与第一过渡夹具222刚性连接，应变式力传感器242和压电力传感器243的另一端通过力传感器锁紧螺母244、压电力传感器锁紧螺母245与第一螺母座216刚性连接。

参见图3所示，夹持单元22包括：第一过渡夹具222、第一过渡夹具支撑调节板223、第二过渡夹具块226、第二夹具支撑板225、第一拉伸模块221（主要由螺钉一2211、压板2212、摩擦垫块2213、夹具体2214构成）、第二拉伸模块224（与第一拉伸模块221构造相同）、第一压缩模块221b（主要由第一压缩夹具体2211b、压缩顶板2212b构成）、第二压缩模块224b（主要由第二压缩夹具体2241b、螺钉三2242b、托板2243b、压缩试样2244b构成）、第一三点弯曲模块221c（主要由拉簧2211c、支撑滚柱2212c、螺钉二2213c、第一弯曲夹具体2214c、弯曲试样2215c、牛角托架2216c构成）、第二三点弯曲模块224c。所述第一过渡夹具222与测量单元24的应变式力传感器242、压电力传感器243刚性连接，所述第二过渡夹具块226与支撑单元23的柔性铰链连接板2310刚性连接；所述第一、第二过渡夹具块上切割有带有圆弧过渡的卡槽，用于实现不同夹具的快速安装和准确定位；所述第一、第二过渡夹具块的底部通过螺钉分别安装有第一过渡夹具支撑调节板223、第二过渡夹具支撑调节板225，通过调整所述第一、第二过渡夹具支撑调节板的厚度，可实现夹具在高度方向的调整，用于适应扫描电子显微镜的不同工作距离，适应不同厚度的试样。夹持单元22整体采用过渡夹具设计，通过更换不同类型的夹具，可以实现拉伸-疲劳、三点弯曲-疲劳、四点弯曲-疲劳、剪切-疲劳、压缩-疲劳等不同载荷下的疲劳测试。

参见图3、图4及图5所示，分别拉伸夹具、三点弯曲夹具和压缩夹具，所述拉伸夹具的夹具体2214安装于第一过渡夹具222的凹槽内，通过螺钉一2211穿过压板2212及摩擦垫块2213，将压板2212固定于所述夹具体2214上方。所述压缩夹具的第一压缩模块221b安装于第一过渡夹具222的凹槽内，压缩顶板2212b固定于第一压缩夹具体2211b的卡槽内，托板2243b通过螺钉三2242b固定于第二压缩夹具体2241b底部，所述第二压缩夹具体2241b固定于第二过渡夹具块226的凹槽内。第一压缩夹具体2211b、压缩顶板2212b构成第一压缩模块221b，第二压缩夹具体2241b、螺钉三2242b、托板2243b构成第二压缩模块224b，压缩试样2244b置于第一压缩模块221b、第二压缩模块224b之间。所述的三点弯曲夹具的第一弯曲夹具体2214c一端固定于第一过渡夹具222的卡槽内，另一端两侧的圆弧槽内放置有支撑滚柱2212c，并用拉簧2211c紧固预紧。弯曲试样2215c紧贴所述支撑滚柱2212c放置，并用牛角托架2216c支撑，所述牛角托架2216c通过螺二钉2213c固定连接于第一弯曲夹具体2214c。拉簧2211c、支撑滚柱2212c、螺钉二2213c、第一弯曲夹具体2214c、弯曲试样2215c、牛角托架2216c构成的第一三点弯曲模块221c与第二三点弯曲模块224c相互配合实现三点弯曲加载。所述第一弯曲夹具体2214c预设不同间距圆弧槽，通过调整支撑滚柱2212c的间距，实现不同跨度的弯曲-疲劳测试。第二过渡夹具块226的轴颈通过支撑单元的圆柱滚子轴承2317作为径向支撑，同时保留轴线的自由度，允许疲劳载荷作用于试样上。所述第二过渡夹具块226一端切割有圆弧过渡的卡槽，用于安装不同夹具模块，另一端通过螺纹与柔性铰链连接板2310相连，中间部位与圆柱滚子轴承2317间隙配合，所述圆柱滚子轴承2317安装于第二螺母座2319的中心孔。

所述的支撑单元23的底板236上切割有容置空间，所述留置空间位于底板的中心位置，加热单元25安装在所述容置空间内，且通过连接螺钉刚性固定在底板236上。真空型直流伺服电机211通过电机座231固定在底板236上；蜗杆215的两端分别与第一蜗杆座232、第二蜗杆座233连接，第一蜗杆座232、第二蜗杆座233固定在底板236上；第一丝杠218的两端分别与丝杠固定座234、丝杠支撑座连接235，丝杠固定座234、丝杠支撑座连接235固定在底板236上。第一导轨2311、第二导轨2315分别固定在底板236上，第一滑块2312、第二滑块2313在第一导轨2311上滑动，第一滑块2312、第二滑块2313在第一导轨2311上滑动，第三滑块2314、第四滑块2316在第二导轨2315上滑动，其中第一滑块2312和第四滑块2316与第一螺母座2318连接，第二滑块2313和第三滑块2314与第二螺母座2319连接，分别给第一螺母座2318、第二螺母座2319提供支撑和导向作用，从而提高仪器的整体刚度，减少仪器的整体质量。

实施例：

下面结合附图及具体实施方式进一步描述本发明。

一种用于扫描电子显微镜中原位静-动态疲劳力学性能测试仪器，该装置专为扫描电子显微镜设计的，整体长宽高为220×170×50mm，可以方便的安装在扫描电子显微镜样品室中，同时该仪器还可以通过更换不同夹具，实现不同载荷模式下的疲劳测试，通过特殊的双传感器并联排布，能够准确的读取疲劳测试过程中的静-动态力学参数。

整个工作过程为：1、首先将试样加工成待测试的狗骨状试样，然后分别固定在拉伸夹具上，调整好样品的位置，使之处于单轴拉伸状态，并用内六角螺钉施力，将压板固定在拉伸夹具上。2.打开扫描电子显微镜的舱门，将装好试样的仪器放入样品室，同时用螺钉将仪器的底板固定在扫描电子显微镜的移动平台上，关闭舱门，将电镜抽真空。3.调整扫描电子显微镜的检测系统，使样品处于成像区域扫描检测状态，并将位移、应力传感器归零；4.设定测试仪器的力学性能参数，加载频率50Hz，最大加载预应力2KN，开始对金属进行疲劳试验。5.实验结束后直接进行电子束扫描成像，并对感兴趣的区域进行能谱分析和EBSD的晶体学取像分析。

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 (9)

1.一种扫描电子显微镜中原位静-动态疲劳力学性能测试仪器，其特征在于：包括驱动单元（21）、支撑单元（23）、夹持单元（22）、测量单元（24）及加热单元（25）；所述支撑单元（23）支撑所述夹持单元（22），并与扫描电子显微镜（1）的移动平台（11）连接；所述驱动单元（21）包括准静态力学载荷加载机构和动态疲劳载荷加载机构两部分，为样品构建静-动态力学载荷耦合的加载环境；所述测量单元（24）测量样品的静-动态力学载荷和位移；所述加热单元（25）为样品提供最高650℃的高温测试环境，所述加热单元（25）固定在支撑单元（23）的底板（236）上。

2.根据权利要求1所述的扫描电子显微镜中原位静-动态疲劳力学性能测试仪器，其特征在于：所述的准静态力学载荷加载机构是：真空型直流伺服电机（211）的输出轴与行星齿轮减速器（212）的一端连接，所述行星齿轮减速器（212）的输出轴与第一等径锥齿轮（213）相连，所述第一等径锥齿轮（213）通过顶丝固定在行星齿轮减速器（212）的转轴上；蜗杆（215）的一端连接第二等径锥齿轮（214），中间连接第一蜗轮（216）和第二蜗轮（217）；所述第一蜗轮（216）和第二蜗轮（217）连接丝杠传动单元的第一丝杠（218）和第二丝杠（219），并用顶丝和锁紧螺母进行周向和轴向定位锁紧；所述第一丝杠和第二丝杆两侧螺纹旋向相反，螺距相同，分别安装有第一螺母（2110）、第二螺母（2111）、第三螺母（2112）、第四螺母（2113），以驱动夹持单元（22），实现准静态力学载荷的加载。

3.根据权利要求1所述的扫描电子显微镜中原位静-动态疲劳力学性能测试仪器，其特征在于：所述的动态疲劳载荷加载机构由柔性铰链（2114）和压电叠堆（2115）组成，其中压电叠堆（2115）安装在柔性铰链（2114）的方形槽内，且其中心平面与夹持单元（22）的轴线处于同一平面；所述柔性铰链（2114）与支撑单元（23）的压电驱动固定块（238）刚性连接；所述压电驱动固定块（238）与第二螺母座（2319）刚性连接。

4.根据权利要求1或2所述的扫描电子显微镜中原位静-动态疲劳力学性能测试仪器，其特征在于：所述的夹持单元（22）采用过渡夹具设计，实现包括拉伸、压缩、三点弯曲、四点弯曲、剪切载荷夹具的快速更换，包括第一过渡夹具（222）、第二过渡夹具块（226）；所述第一过渡夹具（222）与测量单元（24）的应变式力传感器（242）、压电力传感器（243）刚性连接，所述第二过渡夹具块（226）与支撑单元（23）的柔性铰链连接板（2310）刚性连接；所述第一、第二过渡夹具块上切割有带有圆弧过渡的卡槽，用于实现不同夹具的快速安装和准确定位；所述第一、第二过渡夹具块的底部分别安装有第一过渡夹具支撑调节板（223）、第二过渡夹具支撑调节板（225），通过调整所述第一、第二过渡夹具支撑调节板的厚度，实现夹具在高度方向的调整，适应扫描电子显微镜的不同工作距离。

5.根据权利要求4所述的扫描电子显微镜中原位静-动态疲劳力学性能测试仪器，其特征在于：所述的过渡夹具为三点弯曲夹具，其第一弯曲夹具体（2214c）一端固定于第一过渡夹具（222）的卡槽内，另一端两侧的圆弧槽内放置有支撑滚柱（2212c），并用拉簧（2211c）紧固；弯曲试样（2215c）紧贴支撑滚柱（2212c）放置，并用牛角托架（2216c）支撑，所述牛角托架（2216c）通过螺钉二（2213c）与第一弯曲夹具体（2214c）固定连接；所述第一弯曲夹具体（2214c）预设不同间距的圆弧槽，通过调整支撑滚柱（2212c）的间距，实现不同跨度的弯曲-疲劳测试。

6.根据权利要求4所述的扫描电子显微镜中原位静-动态疲劳力学性能测试仪器，其特征在于：所述的第二过渡夹具块（226）的轴颈通过支撑单元的圆柱滚子轴承（2317）作为径向支撑，同时保留轴线的自由度，允许疲劳载荷作用于试样上，另一端通过螺纹与柔性铰链连接板（2310）相连，所述圆柱滚子轴承（2317）安装于第二螺母座（2319）中心孔内。

7.根据权利要求1所述的扫描电子显微镜中原位静-动态疲劳力学性能测试仪器，其特征在于：所述的测量单元（24）包括位移测量系统和载荷测量系统，所述位移测量系统包括光栅尺（2413）和读数头（2411），所述读数头安装在固定外壳（2412）上，且所述固定外壳（2412）上设有U型槽，用于读数头与光栅尺之间距离的微调；所述光栅尺安装在安装板（2414）上，安装板（2414）上设有与光栅尺等宽的凸台，用于光栅尺的安装定位；所述固定外壳（2412）和安装板（2414）分别安装在第一螺母座（2318）和第二螺母座（2319）的卡槽上。

8.根据权利要求7所述的扫描电子显微镜中原位静-动态疲劳力学性能测试仪器，其特征在于：所述的载荷测量系统采用应变式力传感器（242）和压电力传感器（243）双传感器并联排布的测量方式，利用两传感器之间的刚度差的换算，既测量静态载荷，又实现动态载荷的测量；所述静态力传感器（242）和压电力传感器（243）置于第一螺母座（2318）的凹型空间内且一端与所述第一过渡夹具（222）刚性连接，所述力传感器的另一端通过两个锁紧螺母与第一螺母座（216）刚性连接。

9.根据权利要求1所述的扫描电子显微镜中原位静-动态疲劳力学性能测试仪器，其特征在于：所述的支撑单元（23）的底板（236）上切割有容置空间，所述留置空间位于底板的中心位置，加热单元（25）安装在所述容置空间内，且通过连接螺钉刚性固定在底板（236）上。

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