CN202351137U - 扫描电镜下微弧度级精度原位扭转材料力学性能测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种扫描电镜下微弧度级精度原位扭转材料力学性能测试装置，属于机电领域。由精密加载单元、精密信号检测及控制单元、夹持单元及连接单元组成。本实用新型结构精巧，角应变速率可控，与扫描电子显微镜、光学显微镜、原子力显微镜、拉曼光谱仪等良好的结构兼容性、真空兼容性及电磁兼容性。可在各类成像仪器的观测下开展针对三维宏观试件的跨尺度原位扭转测试，通过本实用新型亦可对材料在扭矩作用下的微观变形和损伤过程进行原位观察，并一定程度上揭示材料及其制品在微纳米尺度下的力学行为和破坏机制。

Description

扫描电镜下微弧度级精度原位扭转材料力学性能测试装置

技术领域

    本实用新型涉及机电领域，特别涉及一种扫描电镜下微弧度级精度原位扭转材料力学性能测试装置。本实用新型与扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、拉曼光谱仪及光学显微镜等具有良好的兼容性，结合上述成像仪器，对材料在扭矩作用下的的微观变形、损伤和破坏过程进行在线观测，为揭示材料在微纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供了测试方法。

背景技术

在诸多微纳米力学参数测试的范畴中，弹性模量、切变模量、屈服极限抗扭强度等参数是材料力学特性测试中的最主要的研究对象，针对这些力学量产生了多种测试方法，如扭转法、拉伸法及纳米压入法等，通过原位力学测试手段势必可以揭示出外界载荷作用下材料变形损伤的规律，发现更为新颖的现象和规律，就较大尺寸试件所开展的有关测试将更有利于研究材料及其制品服役状态下的真实力学行为与变形损伤机制。

扭转实验材料机械性能试验的基本试验方法之一。扭转试验可以测定脆性材料和塑性材料的强度和塑性，对于制造经常承受扭矩的零件如轴、弹簧等材料常需进行扭转试验。扭转试验在扭转试验机上进行，试验时在圆柱形试样的标距两端施加扭矩Μ，这时在试样标距的两个截面间产生扭转角ф，根据Μ和ф的变化可绘制成扭矩-转角图，同时可得到相应的应力-应变图， 商业化扭转试验机主要用于金属或非金属材料进行扭转强度测试，也可进行各种零件、构件抗扭强度试验，具有扭转力值和扭转角自动跟踪测量等功能一般情况下扭转角度的测试精度为±0.1°。   

目前，原位微纳米扭转测试尚处萌芽状态，具体表现为：（1）从测试手段和方法上来说，针对特征尺寸毫米级以上宏观材料的扭转测试，主要借助商业化的扭转试验机进行的非原位拉伸测试，并未涉及到扫描电镜等成像仪器使用环境下的原位测试。且表现出设备较为昂贵，测试内容乏善可陈的特点，极大制约了研究的深入与发展。（2）受到扫描电子显微镜的腔体空间的限制，目前的多数研究都集中在以微/纳机电系统工艺为基础，对纳米以及薄膜材料等极微小结构的单纯原位微纳米扭转测试上，缺少对宏观尺寸（薄膜材料或三维试件）的跨尺度原位纳米力学测试，因尺寸效应的存在，对微构件的研究制约了对较大尺寸元件的力学性能的评价；（3）观测手段上看，针对宏观试件，多局限于光学显微镜及原子力显微镜下的原位拉伸测试，光学显微镜存在着明显的放大倍率不足的问题，原子力显微镜则具有成像速度过慢的缺点，两种观测方法均难以深入研究载荷变化对材料力学行为和损伤机制的影响规律。

因此，设计一种体积小巧、结构紧凑，测试精度高，能够利用电子显微镜等成像系统在线监测，且针对特征尺寸毫米级以上宏观试件进行超低速准静态扭转测试的装置已十分必要。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于超极速准静态加载方式的扫描电镜下微弧度级精度原位扭转材料力学性能测试装置，解决了现有技术存在的上述问题。本实用新型可在扫描电镜等成像仪器的动态监测下开展原位扭转试验并可同步进行扭矩/角位移信号的精密检测与闭环控制。相对于传统扭转试验机上的非原位测试，本实用新型可实现高分辨率显微成像系统下针对特征尺寸毫米级以上宏观试件的原位观测，同时解决了现有的原位扭转研究中大多针对纳米管、线及薄膜材料的局限，测试平台可实现“超低速准静态”的加载模式，扭矩/角位移信号的同步采集和精密闭环控制，本实用新型由精密加载单元、精密信号检测及控制单元、夹持单元及连接单元组成，结构紧凑，体积小巧，角应变速率可控，可与Zeiss EVO 18及Hitachi TM-1000型扫描电子显微镜及各类具有腔体及载物台结构的成像仪器具有良好的使用兼容性。可通过原位扭转测试获得材料的切变模量、抗扭强度等力学参数，在已知材料泊松比的情况下，亦可通过简单计算亦可得到材料的弹性模量。通过本测试装置可开展对材料的微观变形、损伤和断裂过程进行原位监测，为揭示材料在微纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供了测试方法。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

扫描电镜下微弧度级精度原位扭转材料力学性能测试装置，包括精密加载单元、精密信号检测及控制单元、夹持单元及连接单元；

所述的精密加载单元包括精密直流伺服电机1、弹性联轴器3及两级较大减速比二次包络型蜗轮蜗杆副，该两级较大减速比二次包络型蜗轮蜗杆副由一级蜗轮蜗杆（5、6）、二级蜗轮蜗杆（7、26）构成；该精密直流伺服电机1通过电机法兰盘2固定在测试装置基座15上，并通过弹性联轴器3及一级蜗杆轴承座4与一级蜗杆5连接；该精密直流伺服电机1可提供高分辨率扭矩及角位移输出，两级较大减速比二次包络型蜗轮蜗杆副可提供2500：1的较大减速比，即可对精密直流伺服电机1输出的动力进行较大程度减速、增矩，最终提供超低速准静态的加载方式；精密直流伺服电机1通过给定脉冲驱动方式可提供具有高分辨率的扭矩动力输出及角位移输出，经由弹性联轴器3、两级大减速分别为1:50的二次包络型蜗轮蜗杆副进行较大程度减速、增矩的运动及动力传递，最终实现低于0.001r/min的超低速准静态的加载能力；

所述精密信号检测及控制单元由精密扭矩传感器19、精密圆光栅尺9及与精密直流伺服电机1同步运动的高线数光电编码器20组成，该精密扭矩传感器19与凹形拖板18连接，精密圆光栅尺9与圆光栅基座套接；精密信号检测及控制单元可为测试装置提供包括变形角速率、扭矩加载速率、编码器标定角位移速率在内的三种模拟或数字量作为精密直流伺服电机1的脉冲/方向闭环控制模式的反馈信号源，即测试平台可实现恒角变形速率、恒扭矩加载速率及恒编码标定角位移速率三种加载/卸载方式；

所述夹持单元由被测试件13、牙钳式夹具体的主、从动牙钳式夹具体上、下压板12、14、23、24及压板紧固螺钉28组成；该主、从动牙钳式夹具体下压板23、24分别与圆光栅基座8及扭距传感器法兰架16通过方形轴孔定位，并通过夹具体连接螺钉27进行连接，被测试件13通过带有锯齿状结构的主、从动牙钳式夹具体上、下压板12、14、23、24以压紧方式夹持；

所述连接单元由凹形拖板18、测试装置基座15、电机法兰盘2、读数头连接架11及二级蜗杆轴承22、一级蜗杆轴承25、圆光栅基座轴承30组成，圆光栅读数头10通过该读数头连接架11固定在测试装置基座15上，并通过读数头调整螺钉29调整；二级蜗杆轴承22、一级蜗杆轴承25分别通过二级蜗杆轴承座21、一级蜗杆轴承座4与测试装置基座15连接，圆光栅基座轴承30与圆光栅基座8连接。

所述的牙钳式夹具体由主动牙钳式夹具体上、下压板12、23及主动牙钳式夹具体上、下压板24、14组成，主动及从动牙钳式夹具体下压板23、14分别与圆光栅基座8及扭距传感器法兰架16通过方形轴孔定位，并通过夹具体连接螺钉27进行连接，被测试件13为圆柱体回转结构，在夹持区域设有两组几何对称的平面，通过带有锯齿状结构的主、从动牙钳式夹具体上、下压板12、14、23、24以压紧方式夹持，以提高夹持的稳定性和可靠性。

所述的凹形拖板18滑动安装于测试装置基座15上，精密扭矩传感器19与凹形拖板18刚性连接，通过凹形拖板18上的缺口调整与测试装置基座1的相对位置，并通过凹形拖板锁紧螺钉17进行紧固，以便于针对不同长度被测试件13调整其夹持标距。

本实用新型所述的测试平台主体尺寸约为115mm×34mm×78mm，与Zeiss EVO 18及Hitachi TM-1000型扫描电子显微镜具有良好的结构兼容性、真空兼容性及电磁兼容性，亦可与其他主流商业化扫描电子显微镜、X射线衍射仪、原子力显微镜及光学显微镜等兼容使用。

本实用新型的有益效果在于：与现有技术相比，本实用新型体积小巧，结构紧凑，测试精度高，角应变速率可控，与各种主流电子显微镜真空腔体匹配，应用范围广泛，可以对各种材料的特征尺寸毫米计以上宏观试件进行跨尺度原位扭转试验，对材料及其制品在载荷在下的微观变形进行动态观测，以揭示材料在微纳米尺度下的力学行为和损伤机制。并通过扭矩/角位移信号的同步检测，结合相关算法，亦可自动拟合生成载荷作用下的扭矩-角位移曲线及应力-应变曲线。综上所述，本实用新型对丰富原位微纳米力学测试内容和促进材料力学性能测试技术及装备具有重要的理论意义和良好的应用开发前途。

附图说明

图1为本实用新型的整体外观结构示意图；

图2为本实用新型的主视示意图；

图3为本实用新型的右视示意图；

图4为本实用新型的俯视示意图；

图5、图6、图7为本实用新型的夹具体的结构示意图。

图中： 1、精密直流伺服电机； 2、电机法兰盘； 3、弹性联轴器； 4、一级蜗杆轴承座； 5、一级蜗杆； 6、一级蜗轮； 7、二级涡轮； 8、圆光栅基座；  9、圆光栅尺； 10、圆光栅读数头； 11、读数头连接架； 12、主动牙钳式夹具体上压板； 13、被测试件； 14、从动牙钳式夹具体下压板； 15、测试装置基座； 16、扭距传感器法兰架； 17、凹形托板锁紧螺钉； 18、凹形拖板； 19、精密扭矩传感器；  20、高线数光电编码器；  21、二级蜗杆轴承座； 22、二级蜗杆轴承； 23、主动牙钳式夹具体下压板； 24、从动牙钳式夹具体上压板； 25、一级蜗杆轴承；  26、二级蜗杆；  27、夹具体连接螺钉； 28、压板紧固螺钉； 29、读数头调整螺钉； 30、圆光栅基座轴承。

具体实施方式：

下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图7，本实用新型的扫描电镜下微弧度级精度原位扭转材料力学性能测试装置，包括精密加载单元、精密信号检测及控制单元、夹持单元及连接单元；

所述的精密加载单元包括精密直流伺服电机1、弹性联轴器3及两级较大减速比二次包络型蜗轮蜗杆副，该两级较大减速比二次包络型蜗轮蜗杆副由一级蜗轮蜗杆（5、6）、二级蜗轮蜗杆（7、26）构成；该精密直流伺服电机1通过电机法兰盘2固定在测试装置基座15上，并通过弹性联轴器3及一级蜗杆轴承座4与一级蜗杆5连接；该精密直流伺服电机1可提供高分辨率扭矩及角位移输出，两级较大减速比二次包络型蜗轮蜗杆副可提供2500：1的较大减速比，即可对精密直流伺服电机1输出的动力进行较大程度减速、增矩，最终提供超低速准静态的加载方式；精密直流伺服电机1通过给定脉冲驱动方式可提供具有高分辨率的扭矩动力输出及角位移输出，经由弹性联轴器3、两级大减速分别为1:50的二次包络型蜗轮蜗杆副进行较大程度减速、增矩的运动及动力传递，最终实现低于0.001r/min的超低速准静态的加载能力；

所述精密信号检测及控制单元由精密扭矩传感器19、精密圆光栅尺9及与精密直流伺服电机1同步运动的高线数光电编码器20组成，该精密扭矩传感器19与凹形拖板18连接，精密圆光栅尺9与圆光栅基座套接；精密信号检测及控制单元可为测试装置提供包括变形角速率、扭矩加载速率、编码器标定角位移速率在内的三种模拟或数字量作为精密直流伺服电机1的脉冲/方向闭环控制模式的反馈信号源，即测试平台可实现恒角变形速率、恒扭矩加载速率及恒编码标定角位移速率三种加载/卸载方式；

所述夹持单元由被测试件13、牙钳式夹具体的主、从动牙钳式夹具体上、下压板12、14、23、24及压板紧固螺钉28组成；该主、从动牙钳式夹具体下压板23、24分别与圆光栅基座8及扭距传感器法兰架16通过方形轴孔定位，并通过夹具体连接螺钉27进行连接，被测试件13通过带有锯齿状结构的主、从动牙钳式夹具体上、下压板12、14、23、24以压紧方式夹持；

所述连接单元由凹形拖板18、测试装置基座15、电机法兰盘2、读数头连接架11及二级蜗杆轴承22、一级蜗杆轴承25、圆光栅基座轴承30组成，圆光栅读数头10通过该读数头连接架11固定在测试装置基座15上，并通过读数头调整螺钉29调整；二级蜗杆轴承22、一级蜗杆轴承25分别通过二级蜗杆轴承座21、一级蜗杆轴承座4与测试装置基座15连接，圆光栅基座轴承30与圆光栅基座8连接。

所述的牙钳式夹具体由主动牙钳式夹具体上、下压板12、23及主动牙钳式夹具体上、下压板24、14组成，主动及从动牙钳式夹具体下压板23、14分别与圆光栅基座8及扭距传感器法兰架16通过方形轴孔定位，并通过夹具体连接螺钉27进行连接，被测试件13为圆柱体回转结构，在夹持区域设有两组几何对称的平面，通过带有锯齿状结构的主、从动牙钳式夹具体上、下压板12、14、23、24以压紧方式夹持，以提高夹持的稳定性和可靠性。

所述的凹形拖板18滑动安装于测试装置基座15上，精密扭矩传感器19与凹形拖板18刚性连接，通过凹形拖板18上的缺口调整与测试装置基座1的相对位置，并通过凹形拖板锁紧螺钉17进行紧固，以便于针对不同长度被测试件13调整其夹持标距。

本实用新型所述的测试平台主体尺寸约为115mm×34mm×78mm，与Zeiss EVO 18及Hitachi TM-1000型扫描电子显微镜具有良好的结构兼容性、真空兼容性及电磁兼容性，亦可与其他主流商业化扫描电子显微镜、X射线衍射仪、原子力显微镜及光学显微镜等兼容使用。

参见图1至图7，本实用新型所涉及的一种扫描电镜下微弧度级精度原位扭转材料力学性能测试装置，该装置主体部分的整体尺寸为115mm×34mm×78m，是根据Zeiss EVO 18及Hitachi TM-1000型扫描电镜的真空腔体尺寸和成像条件所设计的，同时可与主流成像仪器的兼容使用，即可安装于各种主流扫描电子显微镜和其他成像仪器的腔体内或载物台上。测试装置中具体的元器件和具体型号为：精密直流伺服电机型号为Maxon EC-MAX22，25W、精密扭矩测试仪19型号为D-2452-0.2NM、精密圆光栅尺9型号为Heidenhain RCN727）、高线数光电编码器20型号为HEDL9140-1000。

精密扭矩测试仪19型号为D-2452-0.2NM、精密圆光栅尺9型号为Heidenhain RCN727用以同步检测扭转测试过程中的扭矩/角位移信号，可为测试装置提供包括变形角速率、扭矩加载速率、编码器标定角位移速率在内的三种模拟或数字量作为精密直流伺服电机1的脉冲/方向闭环控制模式的反馈信号源，即测试平台可实现恒角变形速率、恒扭矩加载速率及恒编码标定角位移速率三种加载/卸载方式。被测试件13长度范围为8-50mm，试件最小直径为2mm，高线数光电编码器20结合Accelnet型伺位置控制单元对精密直流伺服电机1进行精确的角位移控制，从而保证测试过程中被测试件13的角应变速率可调并输出给定扭矩值。

本实用新型在具体的测试过程中，首先，被测试件13在进行扭转测试前，需采用车削加工方法试制出棒状试件，再通过线切割方式将夹持部分试制出用于夹持的对称平面，并利用小型外圆抛光机对试件进行抛光处理得到以可用于高分辨率显微成像监测的较好表面光洁度，或通过化学腐蚀等工艺得到金相等显微形貌，然后将被测试件13装夹在主、从动牙钳式夹具体上、下压板12、14、23、24中，之后拧紧压板紧固螺钉28完成被测试件13的装夹过程。进一步，通过调整读数头调整螺钉28以确定精密圆光栅尺9和圆光栅读数头10的相对位置。精密扭矩传感器19两端分别与扭距传感器法兰架16及凹形拖板18刚性连接，然后，关闭扫描电子显微镜真空腔密闭挡板并通过扫描电镜自身的载物平台在XOY平面内拟定测试点的准确位置。然后，给定扭转测试的恒角变形或扭矩控制方式，以脉冲输出的方式驱动开始测试过程，即通过测试算法程序设定测试条件和参数，在时序脉冲控制信号作用下精密直流伺服电机1输出精确角位移，通过两级较大减速比二次包络型蜗轮蜗杆副的减速、增距最终实现对被测试件13的超低速准静态加载，测试过程中精密扭距传感器19对被测试件13的扭矩M进行检测；同时试件的扭转变形量h由精密圆光栅尺9同步拾取，两路信号通过模数转换并进行必要的信号调理后送入计算机。在测试的整个过程中，被测试件13在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，结合上位机调试软件亦可实时获取表征材料力学性能的扭矩-角位移曲线、应力-应变曲线、切变模量及抗扭强度等重要力学参数。

Claims (4)

1.一种扫描电镜下微弧度级精度原位扭转材料力学性能测试装置，其特征在于：包括精密加载单元、精密信号检测及控制单元、夹持单元及连接单元；

所述精密加载单元包括精密直流伺服电机（1）、弹性联轴器（3）及两级较大减速比二次包络型蜗轮蜗杆副，该两级较大减速比二次包络型蜗轮蜗杆副由一级蜗轮蜗杆（5、6）、二级蜗轮蜗杆（7、26）构成；该精密直流伺服电机（1）通过电机法兰盘（2）固定在测试装置基座（15）上，并通过弹性联轴器（3）与一级蜗杆（5）连接；

所述精密信号检测及控制单元由精密扭矩传感器（19）、精密圆光栅尺（9）及与精密直流伺服电机（1）同步运动的高线数光电编码器（20）组成，该精密扭矩传感器（19）与凹形拖板（18）连接，精密圆光栅尺（9）与圆光栅基座套接；

所述夹持单元由被测试件（13）、牙钳式夹具体的主、从动牙钳式夹具体上、下压板（12、14、23、24）及压板紧固螺钉（28）组成；该主、从动牙钳式夹具体下压板（23、24）分别与圆光栅基座（8）及扭距传感器法兰架（16）通过方形轴孔定位，并通过夹具体连接螺钉（27）进行连接，被测试件（13）通过带有锯齿状结构的主、从动牙钳式夹具体上、下压板（12、14、23、24）以压紧方式夹持；

所述连接单元由凹形拖板（18）、测试装置基座（15）、电机法兰盘（2）、读数头连接架（11）及二级蜗杆轴承（22）、一级蜗杆轴承（25）、圆光栅基座轴承（30）组成，圆光栅读数头（10）通过该读数头连接架（11）固定在测试装置基座（15）上，二级蜗杆轴承（22）、一级蜗杆轴承（25）分别通过二级蜗杆轴承座（21）、一级蜗杆轴承座（4）与测试装置基座（15）连接，圆光栅基座轴承（30）与圆光栅基座（8）连接。

2.根据权利要求1所述的扫描电镜下微弧度级精度原位扭转材料力学性能测试装置，其特征在于：所述的牙钳式夹具体由主动牙钳式夹具体上、下压板（12、23）及主动牙钳式夹具体上、下压板（24、14）组成，主动及从动牙钳式夹具体下压板（23、14）分别与圆光栅基座（8）及扭距传感器法兰架（16）通过方形轴孔定位，并通过夹具体连接螺钉（27）进行连接，被测试件（13）为圆柱体回转结构，在夹持区域设有两组几何对称的平面，通过带有锯齿状结构的主、从动牙钳式夹具体上、下压板（12、14、23、24）以压紧方式夹持。

3.根据权利要求1所述的扫描电镜下微弧度级精度原位扭转材料力学性能测试装置，其特征在于：所述的凹形拖板（18）滑动安装于测试装置基座（15）上，精密扭矩传感器（19）与凹形拖板（18）刚性连接，通过凹形拖板（18）上的缺口调整与测试装置基座（1）的相对位置，并通过凹形拖板锁紧螺钉（17）进行紧固。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的扫描电镜下微弧度级精度原位扭转材料力学性能测试装置，其特征在于：所述的扫描电镜下微弧度级精度原位扭转材料力学性能测试装置的主体尺寸为115mm×34mm×78mm。

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