CN202903617U - 原位三点弯曲试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种原位三点弯曲试验装置，属于原位力学性能测试领域。由加载工作台和微旋转工作台两部分构成，加载工作台是由无刷直流伺服电机与主齿轮连接，且通过齿轮传动副与精密滚珠丝杠连接，滚珠丝杠螺母通过两侧导轨导向，与滚珠丝杠螺母相连的方螺母上连接两个支撑头，压头与力传感器连接；微旋转工作台是由驱动电机与蜗杆连接，且通过蜗轮蜗杆副驱动加载工作台作微旋转。优点在于：体积小、结构紧凑、重量轻、刚度高、测试精度高，加载工作台可以作微小旋转以实现对被测试件进行多点观测，可以与金相显微镜和各种电子显微镜真空腔体的载物平台相互兼容。

Description

原位三点弯曲试验装置

技术领域

    本实用新型涉及原位力学性能测试领域，特别涉及一种原位三点弯曲试验装置。可以用电子扫描显微镜、金相显微镜等显微成像仪器对三点弯曲加载过程中样品的微观变形、裂纹的产生、长大以及裂纹的扩展路径等实施原位观测；也可以对加载工作台进行一定角度的精确微小旋转，用电镜、光镜等显微成像仪器对样品进行多点观测；可以实现对载荷/位移信号的采集、转换及控制，以一种较为新颖的方式精确测定样品在微纳米尺度下的力学特性，为揭示样品在三点弯曲作用下的微观变形和损伤机制提供了一种新的测试方式。

背景技术

原位力学性能测试是指在微/纳米尺度下对试件材料进行力学性能测试的过程中，通过原子力显微镜、电子显微镜以及光学显微镜等仪器对各种载荷作用下，材料发生的微观变形、损伤进行全程原位监测的一种力学测试方法。该技术从微观层面揭示了各类材料及其制品的力学行为、损伤破坏机理以及载荷的大小、种类与材料性能间的相关性规律。在诸多微纳米力学性能测试的范畴中，弹性模量、弯曲模量、切变模量、硬度、屈服极限、断裂极限等参数是微构件力学特性测试中最主要的测试对象，针对这些力学量产生了很多种测试方法，如拉伸/压缩法、弯曲法、剪切法、扭转法、纳米压痕/划痕和鼓膜法等，其中原位三点弯曲测试方法能较全面地反映材料或制品在弯曲条件下的力学特性，并能较简便地测量材料弯曲模量、屈服极限和断裂强度等重要力学参数。

目前对于原位三点弯曲测试的研究尚处于初级阶段，具体表现如下：（1）扫描电子显微镜、透射电子显微镜等的腔体空间非常有限，以至于目前的多数研究都集中在以微/纳机电系统原理为基础，对纳米管、纳米线以及薄膜材料等极微小结构进行单纯原位纳米拉伸测试上，缺少对宏观尺寸（薄膜材料或三维试件）的跨尺度原位微/纳米力学性能测试的深入研究，从而严重限制了学术界对较大尺寸元件的微观力学行为以及损伤断裂机制的深入研究；（2）从测量仪器上来说，主要借助于商业化的扫描电子显微镜（SEM）配带弯曲加载装置对材料制品进行原位微/纳米力学性能测试，这种测试手段存在设备费用昂贵，测试范围有限，测试内容陈旧等缺点，对结构紧凑，测量范围可调，测试内容多样的原位三点弯曲测试装置少有提及，极大制约了原位三点弯曲测试研究的深入与发展。

在原位三点弯曲力学性能测试技术应用之前，弯曲试验一般是依靠大型弯曲试验机对材料试件进行离位测试。试验机按照相关标准以均匀速率对样品进行加载，由与试验机相连的计算机绘出载荷-挠度曲线，进而得到载荷作用下应力-应变曲线图。因此，传统的弯曲试验机是将材料加载到规定的角度或者断裂破坏后，才得出材料的弯曲模量、屈服极限、断裂极限等力学参数；并且传统弯曲试验机针对的大都是大尺度宏材尺度试件，未涉及样品微纳米尺度范畴的力学性能研究，也未涉及到高分辨率显微成像系统下的原位观测。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种原位三点弯曲试验装置，解决了目前弯曲测试技术存在的费用昂贵、体积大、结构复杂、重量重、测试精度低及兼容性差等问题。本实用新型具有体积小、结构紧凑、重量轻、刚度高、测试精度高、可提供的测试内容丰富等特点，能够在电子显微镜等显微成像系统内原位观测宏观试件在载荷作用下的微观变形和损伤破坏过程；可在进行原位三点弯曲测试的同时，结合相关软件算法，自动拟合生成弯曲载荷作用下的应力应变曲线，即可得到材料的弯曲模量、屈服极限和断裂强度等重要力学参数；也可通过反复多次地对材料试件进行三点弯曲加载和卸载，从一定程度上反映出样品的抗疲劳性能。本实用新型提供了一种新的测试装置，可对特征尺寸毫米级以上三维试件实施跨尺度原位三点弯曲载荷力学测试，配合电子显微镜材料等显微成像设备对材料的微观变形、损伤及断裂过程实施原位观测，以揭示材料在微纳米尺度下的力学特性和损伤断裂机制。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

原位三点弯曲试验装置，包括加载工作台和微旋转工作台两部分，所述加载工作台包括动力组件、传动及执行组件、信号检测及控制组件，微旋转工作台包括驱动组件、蜗轮蜗杆分度组件，其中，所述加载工作台的动力组件、传动及执行组件是：直流伺服电动机32通过波纹管弹性联轴器Ⅱ34与主动齿轮18轴连接，且通过主动齿轮18与从动齿轮17组成的齿轮副与精密滚珠丝杠20连接，丝杠螺母15通过两侧的导轨Ⅰ、Ⅱ14、21导向，进一步通过与丝杠螺母15相连的方螺母13与支撑头Ⅰ、Ⅱ12、22连接；所述直流伺服电机32与电机支撑座Ⅱ33紧固连接，该电机支撑座Ⅱ33与加载工作台底座19固定连接；波纹管弹性联轴器Ⅱ34分别与电机输出轴和主动齿轮18轴刚性连接，该主动齿轮18轴和精密轴承通过主动齿轮轴承座35与加载工作台底座19连接；从动齿轮17通过紧固螺钉刚性连接于精密滚珠丝杠20上，精密滚珠丝杠20的丝杠固定端16与加载工作台底座19连接；丝杠螺母15与方螺母13通过沉头螺钉刚性连接，支撑头Ⅰ、Ⅱ12、22通过沉头螺钉紧固于方螺母13的凹槽内；支撑片Ⅰ、Ⅱ11、23分别通过AB胶连接在两个支撑头Ⅰ、Ⅱ12、22的底部，标准试件24放置在支撑片Ⅰ、Ⅱ11、23上；压头25作用于标准试件24中部。

所述的信号检测及控制组件包括力传感器26、位移传感器10和光电编码器31，力传感器26一端与加载工作台底座19螺纹连接，另一端与压头25螺纹连接，并通过螺母紧固；位移传感器10的主体部分与位移传感器基座9间隙配合，通过螺栓螺母连接进行预紧，位移传感器10导杆与方螺母13螺纹连接，通过导杆在位移传感器10孔内的位置变化来精确反映位移量；光电编码器31与直流伺服电机32的转子同轴连接。

所述的微旋转工作台的驱动组件、蜗轮蜗杆分度组件是：驱动电机1通过波纹管弹性联轴器Ⅰ3与蜗杆5连接，再通过蜗杆5与紧固于蜗轮轴29上的蜗轮6组成蜗轮蜗杆副实现微小、精密的分度；所述驱动电机1与电机支撑座Ⅰ2紧固连接，电机支撑座Ⅰ2与微旋转工作台底座30通过沉头螺钉固定连接；波纹管弹性联轴器Ⅰ3分别与电机输出轴和蜗杆5刚性连接，该蜗杆5和精密轴承通过蜗杆轴承座4与微旋转工作台底座30连接；蜗轮6与蜗轮轴29通过紧定螺钉刚性连接，蜗轮轴29通过紧定螺钉与蜗轮轴连接板Ⅰ、Ⅱ7、28固连，该蜗轮轴29和蜗轮轴承组成的蜗轮传动组件通过蜗轮轴轴承座Ⅰ、Ⅱ8、27和沉头螺钉固定于微旋转工作台底座30，蜗轮轴连接板Ⅰ、Ⅱ7、28分别通过沉头螺钉与加载工作台底座19连接。

所述的方螺母13通过沉头螺钉与导轨Ⅰ、Ⅱ14、21的滑块连接，导轨Ⅰ、Ⅱ14、21与加载工作台底座19刚性连接，运用导轨Ⅰ、Ⅱ14、21的导向、支承作用，保证方螺母13运动时受力平稳、均衡。

所述的支撑头Ⅰ、Ⅱ12、22尾部的平面紧靠方螺母13的外表面，方螺母13上表面设计小凹槽，通过内六角螺钉将支撑头Ⅰ、Ⅱ12、22紧固于方螺母13上，支撑头Ⅰ、Ⅱ12、22尾部的平面用来实现支撑头Ⅰ、Ⅱ12、22的定位，方螺母13上表面的凹槽用来实现支撑头Ⅰ、Ⅱ12、22的移动，从而实现不同跨距的三点弯曲试验。

所述的微旋转工作台固定于显微成像仪器内，加载工作台可以相对微旋转工作台成0~90°可调角度，保证被测试件24的被观测点进入电镜等显微成像仪器的清晰视野范围内，亦便于实现对被测试件24在受力状态下的微观形貌进行多点观测。

在三点弯曲试验过程中，压头25保持固定，两端支撑头Ⅰ、Ⅱ12、22对样件24实施三点弯曲加载，这样设计就可以保证，在利用扫描电子显微镜或光学显微镜对整个试验过程进行原位观测的过程中，被测试件24的中间部位，即最有利的被观测位置，始终处于有利视野范围内。

本实用新型的有益效果在于：与传统技术相比，本发明具有体积小、结构紧凑、重量轻、刚度高、测试精度高、可提供的测试内容丰富等特点，可以与各种电子显微镜真空腔体的载物平台相互兼容，亦可与原子力显微镜、X射线衍射仪、拉曼光谱仪、光学显微镜等成像设备兼容使用，应用范围广泛，可以对各种材料的宏观试件进行跨尺度原位力学测试，通过载荷/位移信号的同步检测，结合相关软件算法，可自动拟合生成弯曲载荷作用下的应力应变曲线，并可实现连续、间歇等多种加载方式，对材料及其制品在弯曲载荷在下的微观变形进行动态在线观测，以揭示材料在微纳米尺度下的力学行为和损伤断裂机制，实用性强。

综上所述，本实用新型对丰富原位微纳米力学性能测试内容及技术提供了重要的理论指导，拥有良好的应用开发前景，促进了材料力学性能测试装备的深入和发展。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为本实用新型的正面立体结构示意图；

图2为本实用新型的背面立体结构示意图；

图3为本实用新型的右视示意图；

图4为本实用新型加载工作台的俯视示意图；

图5为本实用新型微旋转工作台的俯视示意图；

图6为本实用新型的试件支撑部分的结构示意图。

图中：1、驱动电机；2、电机支撑座Ⅰ；3、波纹管联轴器Ⅰ；4、蜗杆轴承座；5、蜗杆；6、蜗轮；7、蜗轮轴连接板Ⅰ；8、蜗轮轴轴承座Ⅰ；9、位移传感器基座；10、位移传感器；11、支撑片Ⅰ；12、支撑头Ⅰ；13、方螺母；14、导轨Ⅰ；15、丝杠螺母；16、丝杠固定端；17、从动齿轮；18、主动齿轮；19、加载工作台底座；20、精密滚珠丝杠；21、导轨Ⅱ；22、支撑头Ⅱ；23、支撑片Ⅱ；24、标准试件；25、压头；26、力传感器；27、蜗轮轴轴承座Ⅱ；28、蜗轮轴连接板Ⅱ；29、蜗轮轴；30、微旋转工作台底座；31、光电编码器；32、直流伺服电机；33、电机支撑座Ⅱ；34、波纹管联轴器Ⅱ；35、主动齿轮轴承座。

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6，本实用新型的原位三点弯曲试验装置包括加载工作台和微旋转工作台两部分，加载工作台由动力组件、传动及执行组件、信号检测及控制组件等组成；微旋转工作台由驱动组件、蜗轮蜗杆分度组件等组成。所述加载工作台的动力组件、传动及执行组件是由无刷直流伺服电动机32提供动力输出，直流伺服电动机32通过波纹管弹性联轴器Ⅱ34与主动齿轮18轴连接，该主动齿轮通过紧固在精密滚珠丝杠20上的从动齿轮17所组成的齿轮副与精密滚珠丝杠20连接，将动力传至精密滚珠丝杠20上，方螺母13与丝杠螺母15通过沉头螺钉连接，并进一步通过方螺母13与支撑头Ⅰ、Ⅱ 12、22连接，在两侧的导轨Ⅰ、Ⅱ14、21导向作用下，带动支撑头Ⅰ、Ⅱ 12、22输出精密的直线往复运动；其中无刷直流伺服电动机32通过电机紧固螺钉与电机支撑座Ⅱ33紧固连接，电机支撑座Ⅱ33位于电机主体的中部，可以减少电机驱动时的震动，使其受力更均衡，电机支撑座Ⅱ33通过沉头螺钉直接与加载工作台底座19固定连接；波纹管弹性联轴器Ⅱ34通过紧固螺钉分别与电机输出轴和主动齿轮18轴刚性连接，该主动齿轮轴和齿轮轴承组成的主动齿轮传动组件通过主动齿轮轴承座35、沉头螺钉准确固定于加载工作台底座19上；从动齿轮17与主动齿轮构成齿轮传动副，从动齿轮17通过紧固螺钉刚性连接于精密滚珠丝杠20上，精密滚珠丝杠20和丝杠轴承组成的滚珠丝杠传动组件与丝杠固定端16轴承孔通过过盈配合连接，该丝杠固定端16通过沉头螺钉与加载工作台底座19连接；方螺母13与丝杠螺母15通过沉头螺钉连接，支撑头Ⅰ、Ⅱ12、22沉头螺钉紧固于方螺母13的凹槽内，支撑片Ⅰ、Ⅱ 11、23通过AB胶连接在两个支撑头Ⅰ、Ⅱ 12、22的底部，标准试件24放置在支撑片Ⅰ、Ⅱ 11、23上；压头25作用于标准试件24中部。

所述的信号检测及控制组件包括力传感器26、位移传感器10和光电编码器31，能够根据直流伺服电机32的脉冲/方向控制模式提供包括力速率控制、位移速率控制和变形速率控制在内的三种数字/模拟反馈信号源；力传感器26分别与加载工作台底座19和压头25螺纹连接，并通过螺母紧固；位移传感器10的主体部分与位移传感器基座9间隙配合，通过螺栓螺母连接进行预紧，位移传感器10导杆与方螺母13通过螺纹连接，通过其导杆在位移传感器10孔内的位置变化来精确反映变形量；光电编码器31与直流伺服电机32的转子同轴连接；位移传感器10的导杆的移动方向、力传感器26的受力方向与标准试件24在载荷作用下的伸缩方向一致，以保证位移/载荷信号检测的同步性和准确性。

所述微旋转工作台的驱动组件、蜗轮蜗杆分度组件是由驱动电机1提供动力输出，驱动电机1通过波纹管弹性联轴器Ⅰ3与蜗杆5连接，蜗杆5与通过紧固于蜗轮轴29上的蜗轮6组成蜗轮蜗杆副，将动力传至涡轮轴29上，蜗轮轴连接板Ⅰ、Ⅱ7、28通过紧固螺钉和蜗轮轴29刚性连接，蜗轮轴连接板Ⅰ、Ⅱ7、28与加载工作台底座19通过沉头螺钉连接，驱动电机1的旋转转化为加载工作台的微转动。其中所述微旋转工作台的驱动电机1与电机支撑座Ⅰ2紧固连接，电机支撑座Ⅰ2与微旋转工作台底座30固定连接；波纹管弹性联轴器Ⅰ3分别与电机输出轴和蜗杆5刚性连接，该蜗杆5和精密轴承通过蜗杆轴承座4与微旋转工作台底座30连接；蜗轮6与蜗轮轴29通过紧固螺钉刚性连接，该蜗轮轴29和蜗轮轴承组成的蜗轮传动组件通过蜗轮轴轴承座Ⅰ、Ⅱ8、27和沉头螺钉固定于微旋转工作台底座30，蜗轮轴连接板Ⅰ、Ⅱ7、28通过紧固螺钉刚性连接于蜗轮轴29上，该蜗轮轴连接板Ⅰ、Ⅱ7、28和加载工作台底座19通过沉头螺钉连接，因蜗轮蜗杆传动副具有较大的传动比，驱动电机1每转动一定角度，相应蜗轮轴29的旋转角可以达到很小的水平，以实现微小、精密的分度。

所述的方螺母13与导轨Ⅰ、Ⅱ 14、21的滑块通过沉头螺钉连接，导轨Ⅰ、Ⅱ14、21与加载工作台底座19刚性连接，运用导轨Ⅰ、Ⅱ 14、21的导向、支承作用，保证方螺母13运动时受力平稳、均衡，方螺母13不会因标准试件24受力点与精密滚珠丝杠20受力点的高度差而产生侧翻和倾覆现象。

所述的支撑头Ⅰ、Ⅱ 12、22尾部的平面A、B紧靠方螺母13的外表面，方螺母13上表面设计小凹槽，利用内六角螺钉将支撑头Ⅰ、Ⅱ 12、22紧固于方螺母13上，支撑头Ⅰ、Ⅱ 12、22尾部的平面A、B用来实现支撑头Ⅰ、Ⅱ 12、22的定位，方螺母13上表面的凹槽用来实现支撑头Ⅰ、Ⅱ 12、22的移动，从而实现不同跨距的三点弯曲试验。

所述的加载工作台可以相对微旋转工作台成一定可调角度（0-90°），保证被测试件24进入电镜等显微成像仪器的清晰视野范围内，亦便于多点观测被测试件24在受力状态下的微观形貌。

在三点弯曲试验过程中，压头25保持固定，两端支撑头Ⅰ、Ⅱ 12、22对样件24实施三点弯曲加载，这样设计就可以保证，在利用扫描电子显微镜或光学显微镜对整个试验过程进行原位观测的过程中，被测试件24的中间部位，即最有利的被观测位置，始终处于有利视野范围内。

以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种原位三点弯曲试验装置，包括加载工作台和微旋转工作台两部分，其特征在于：所述加载工作台包括动力组件、传动及执行组件、信号检测及控制组件，微旋转工作台包括驱动组件、蜗轮蜗杆分度组件，其中，所述加载工作台的动力组件、传动及执行组件是：直流伺服电动机（32）通过波纹管弹性联轴器Ⅱ（34）与主动齿轮（18）轴连接，且通过主动齿轮（18）与从动齿轮（17）组成的齿轮副与精密滚珠丝杠（20）连接，丝杠螺母（15）通过两侧的导轨Ⅰ、Ⅱ（14、21）导向，进一步通过与丝杠螺母（15）相连的方螺母（13）与支撑头Ⅰ、Ⅱ（12、22）连接；所述直流伺服电机（32）与电机支撑座Ⅱ（33）紧固连接，该电机支撑座Ⅱ（33）与加载工作台底座（19）固定连接；波纹管弹性联轴器Ⅱ（34）分别与电机输出轴和主动齿轮（18）轴刚性连接，该主动齿轮（18）轴和精密轴承通过主动齿轮轴承座（35）与加载工作台底座（19）连接；从动齿轮（17）通过紧固螺钉刚性连接于精密滚珠丝杠（20）上，精密滚珠丝杠（20）的丝杠固定端（16）与加载工作台底座（19）连接；丝杠螺母（15）与方螺母（13）通过沉头螺钉刚性连接，支撑头Ⅰ、Ⅱ（12、22）通过沉头螺钉紧固于方螺母（13）的凹槽内；支撑片Ⅰ、Ⅱ（11、23）分别连接在两个支撑头Ⅰ、Ⅱ（12、22）的底部，标准试件（24）放置在支撑片Ⅰ、Ⅱ（11、23）上；压头（25）作用于标准试件（24）中部。

2.根据权利要求1所述的原位三点弯曲试验装置，其特征在于：所述的信号检测及控制组件包括力传感器（26）、位移传感器（10）和光电编码器（31），力传感器（26）一端与加载工作台底座（19）螺纹连接，另一端与压头（25）螺纹连接，并通过螺母紧固；位移传感器（10）的主体部分与位移传感器基座（9）间隙配合，通过螺栓螺母连接进行预紧，位移传感器（10）导杆与方螺母（13）螺纹连接，通过导杆在位移传感器（10）孔内的位置变化来精确反映位移量；光电编码器（31）与直流伺服电机（32）的转子同轴连接。

3.根据权利要求1所述的原位三点弯曲试验装置，其特征在于：所述的微旋转工作台的驱动组件、蜗轮蜗杆分度组件是：驱动电机（1）通过波纹管弹性联轴器Ⅰ（3）与蜗杆（5）连接，再通过蜗杆（5）与紧固于蜗轮轴（29）上的蜗轮（6）组成蜗轮蜗杆副实现微小、精密的分度；所述驱动电机（1）与电机支撑座Ⅰ（2）紧固连接，电机支撑座Ⅰ（2）与微旋转工作台底座（30）通过沉头螺钉固定连接；波纹管弹性联轴器Ⅰ（3）分别与电机输出轴和蜗杆（5）刚性连接，该蜗杆（5）和精密轴承通过蜗杆轴承座（4）与微旋转工作台底座（30）连接；蜗轮（6）与蜗轮轴（29）通过紧定螺钉刚性连接，蜗轮轴（29）通过紧定螺钉与蜗轮轴连接板Ⅰ、Ⅱ（7、28）固连，该蜗轮轴（29）和蜗轮轴承组成的蜗轮传动组件通过蜗轮轴轴承座Ⅰ、Ⅱ（8、27）和沉头螺钉固定于微旋转工作台底座（30），蜗轮轴连接板Ⅰ、Ⅱ（7、28）分别与加载工作台底座（19）连接。

4.根据权利要求1所述的原位三点弯曲试验装置，其特征在于：所述的方螺母（13）通过沉头螺钉与导轨Ⅰ、Ⅱ（14、21）的滑块连接，导轨Ⅰ、Ⅱ（14、21）与加载工作台底座（19）刚性连接，运用导轨Ⅰ、Ⅱ（14、21）的导向、支承作用，保证方螺母（13）运动时受力平稳、均衡。

5.根据权利要求1所述的原位三点弯曲试验装置，其特征在于：所述的支撑头Ⅰ、Ⅱ（12、22）尾部的平面紧靠方螺母（13）的外表面，方螺母（13）上表面设计小凹槽，通过内六角螺钉将支撑头Ⅰ、Ⅱ（12、22）紧固于方螺母（13）上，支撑头Ⅰ、Ⅱ（12、22）尾部的平面用来实现支撑头Ⅰ、Ⅱ（12、22）的定位，方螺母（13）上表面的凹槽用来实现支撑头Ⅰ、Ⅱ（12、22）的移动，从而实现不同跨距的三点弯曲试验。

6.根据权利要求1所述的原位三点弯曲试验装置，其特征在于：所述的微旋转工作台固定于显微成像仪器内，加载工作台可以相对微旋转工作台成0~90°可调角度，保证被测试件（24）的被观测点进入显微成像仪器的清晰视野范围内，亦便于实现对被测试件（24）在受力状态下的微观形貌进行多点观测。

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