CN203249835U - 力热场耦合作用下材料原位三点弯曲测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种力热场耦合作用下材料原位三点弯曲测试装置，属于原位力学性能测试领域。包括机械加载单元和温度控制单元，机械加载单元包括电机驱动组件、传动及执行组件、连接支撑组件及信号检测组件，加载动力由直流伺服电机传到精密滚珠丝杠，精密滚珠丝杠带动支撑头直线运动。热场由热敏电阻传感器测得试件实时温度并闭环控制电压的大小，以满足温度的精确加载要求。本装置结构精小，不仅能实现在力、热场耦合作用下对导电材料的弯曲力学行为进行测定；还可以与超景深显微镜、激光扫描共聚焦显微镜、扫描电子显微镜等显微成像设备相互兼容，对试件的微观损伤进行原位监测，揭示相关材料在力、热场的作用下的微观力学行为和破坏机理。

Description

力热场耦合作用下材料原位三点弯曲测试装置

技术领域

    本实用新型涉及原位力学性能测试领域，特别涉及一种力热场耦合作用下材料原位三点弯曲测试装置。

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，通过电子显微镜、原子力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。该技术能够从微观层面揭示出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。原位三点弯曲测试是原位力学测试方法的一种，能较全面地反映材料或制品在弯曲条件下的力学特性，并能提供对材料弯曲模量、断裂挠度和弯曲断裂强度等重要力学参数的精确测定。

开发高温环境下材料原位力学性能的测试方法具有重要的意义，材料在实际工况下大多存在一定的温度场，如排气管道、高炉以及航空航天材料的结构件，研究在力热场耦合作用下材料的微观力学行为有助于更深入的了解材料的高温力学行为，对提高材料的实际使用效能以及整机的效能也有很大的帮助。

目前与热场耦合的原位三点弯曲装置鲜有报道，这对更深入的探究在力热场耦合作用下材料的微观力学行为造成很大的制约。具体表现为：由于扫描电镜、透射电镜等显微成像设备的腔体空间非常有限，目前材料原位弯曲测试大都以微/纳机电系统原理为基础，缺少对三维宏观试件的跨尺度原位微/纳米三点弯曲力学性能测试的深入研究；商业化的原位测试装置测试内容有限，缺少涉及力热耦合方面的三点弯曲测试装置，制约了原位三点弯曲测试技术的深入和发展。

在力热耦合原位三点弯曲力学性能测试技术应用之前，传统的力热耦合弯曲试验一般是依靠大型弯曲试验机结合体积庞大结构复杂的温控箱对试件进行离位测试。传统试验机通常是将材料加载到规定的角度或者断裂破坏后，得出材料的弯曲模量、屈服极限、断裂极限等力学参数；未涉及到高分辨率显微成像系统下的力热耦合原位三点弯曲测试。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种力热场耦合作用下材料原位三点弯曲测试装置，解决了现有技术存在的上述问题。本实用新型能够构建对材料试样的均匀温度场，实现在较高温度下材料的原位力学性能测试。可以实现对毫米级试件的三点弯曲加载，对载荷/位移信号采集并精确控制；本装置集成了温度控制单元，构建材料试样的均匀热场，可以实现在较高温度下对材料进行三点弯曲加载的同时，还可以与超景深显微镜、激光扫描共聚焦显微镜、扫描电子显微镜等显微成像设备相互兼容，为精确测定试件在力热场耦合作用下的微观力学性能和揭示材料在力热场耦合作用下的微观变形、裂纹的产生、扩展及断裂机理提供了新的测试方式。具有体积小巧、结构紧凑、测试精度高的特点，并且便于超景深显微镜、激光扫描共聚焦显微镜、扫描电子显微镜等显微成像设备的配合下原位观测宏观试件在弯曲载荷作用下的微观变形和损伤破坏过程；本测试装置在进行原位三点弯曲测试的同时，结合相关软件算法，可以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、屈服极限和弯曲断裂强度等重要力学参数。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

力热场耦合作用下材料原位三点弯曲测试装置，包括机械加载单元和温度控制单元，机械加载单元由电机驱动组件、传动及执行组件、连接支撑组件及信号检测组件构成，所述电机驱动组件、传动及执行组件的装配关系是：无刷直流伺服电机20通过弹性联轴器28与蜗杆轴26相连，通过蜗杆蜗轮副将动力传到精密滚珠丝杠9，支撑头座5与丝杠螺母8相连，并与底部的导轨滑块23连接；其中，直流伺服电机20与电机支座21通过沉头螺钉连接，该电机支座21与底板3固定；弹性联轴器28分别与直流伺服电机20的输出轴和蜗杆轴26刚性连接，蜗杆轴26通过精密轴承支撑在蜗杆支座27上，蜗杆支座27与底板3紧固；蜗轮25通过紧固螺钉与精密滚珠丝杠9刚性连接，精密滚珠丝杠9通过丝杠支座24定位安装，丝杠支座24固定在底板3的凸台侧面；支撑头座5通过沉头螺钉与丝杠螺母8相连，支撑头座5固定在导轨滑块23上，导轨22通过螺钉与导轨底板7相连，支撑头座5在导轨组件的导向下，实现支撑头Ⅰ、Ⅱ6、10平稳精确的直线运动。

所述的连接支撑组件包括压头16、支撑头Ⅰ、Ⅱ6、10，所述支撑头Ⅰ、Ⅱ6、10的凸起与T型槽的内凹槽间隙配合以实现支撑头Ⅰ、Ⅱ6、10准确定位，通过T型螺栓Ⅰ、Ⅱ29、31和螺母Ⅰ、Ⅱ30、32紧固；支撑头座5T型槽的设计，可以实现在不同跨距下试件14的三点弯曲性能测试；压头16通过螺纹与力传感器33连接，在原位三点弯曲力学性能测试过程中，压头静止，两侧的压头随着滑块23的移动实现三点弯曲加载，这种作用方式能够实现在整个原位测试过程中，试件14的中心位置——受力敏感区域保持不动，避免了由于成像组件的景深因素导致的成像模糊甚至无法成像的问题。

所述的信号检测组件由力传感器33和光电编码器19组成，所述力传感器33一端与底板3的凸台通过螺纹连接，另一端和压头16同轴连接；所述光电编码器19与直流伺服电机20的转子同轴连接，通过直流伺服电机20的脉冲/方向模式提供位移速率控制的数字反馈信号源。

通过蜗轮蜗杆机构的合理布置，将水平的动力传递至竖直方向，实现了三点弯曲载荷的立式加载，使试件14的背面直接置于超景深显微镜、激光扫描共聚焦显微镜等显微成像设备的镜头下方，利于在三点弯曲加载下，对试件14承受最大应力的背面进行原位监测，形成良好的视野。

所述的温度控制单元包括可调直流电源1、热敏电阻传感器15、温度控制器18、薄云母片12和夹持簧片Ⅰ、Ⅱ4、13，温度加载依靠电流流过导体内部会产生热量的原理来实现，所述夹持簧片Ⅰ、Ⅱ4、13通过AB胶连接在支撑头座5上，随支撑头Ⅰ、Ⅱ6、10同步运动，并且依靠自身的弹性夹持在试件14的两端；两个夹持簧片Ⅰ、Ⅱ4、13分别连接可调直流电源1的两极，在电流的作用下导体试件14自身产生热量，实现对试件14的均匀加热；通过热敏电阻传感器15测定试件14的实时温度；另外，在热敏电阻15和试件14之间设有一层薄云母片12，在传递热量的同时以隔绝电流对温度传感器15自身的影响；温度控制器18实现温度的闭环控制。

所述的力传感器33与压头16之间设有一层隔热罩17，以隔绝热场对力传感器33的影响；压头16和支撑头Ⅰ、Ⅱ6、10均由耐高温的陶瓷材料制成，保证在热场下自身的强度和刚度不受影响。

本实用新型的有益效果在于：与传统技术相比，本实用新型具有体积小巧、结构紧凑、传动简单、测试精度高等特点，能够构建对材料试样的均匀温度场，实现在较高温度下导电材料的原位三点弯曲力学性能测试；三点弯曲载荷实现立式加载，便于在超景深显微镜、激光扫描共聚焦显微镜、扫描电子显微镜等显微成像设备的配合下原位观测宏观试件在弯曲载荷作用下的微观变形和损伤破坏过程；本测试装置在进行原位三点弯曲测试的同时，结合相关软件算法，可以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、屈服极限和弯曲断裂强度等重要力学参数，实用性很强。本测试装置提供了一种能够与热场耦合的跨尺度微纳米级材料原位三点弯曲测试装置，有广阔的应用前景。

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为本实用新型的立体结构示意图；

图2为本实用新型的去掉立板Ⅰ后的左视示意图；

图3为本实用新型的主视示意图；

图4为本实用新型的俯视示意图；

图5为本实用新型试件支撑部分的结构示意图；

图6为本实用新型的力传感器的结构示意图；

图7为本实用新型的温度控制原理图。

图中：1、可调直流电源；2、立板Ⅰ；3、底板；4、夹持簧片Ⅰ；5、支撑头座；6、支撑头Ⅰ；7、导轨底板；8、丝杠螺母；9、精密滚珠丝杠；10、支撑头Ⅱ；11、立板Ⅱ；12、薄云母片；13、夹持簧片Ⅱ；14、标准试件；15、热敏电阻传感器；16、压头；17、隔热罩；18、温度控制器；19、光电编码器；20、直流伺服电机；21、电机支座；22、导轨；23、导轨滑块；24、丝杠支座；25、蜗轮；26、蜗杆轴；27、蜗杆支座；28、弹性联轴器；29、T型螺栓Ⅰ；30、螺母Ⅰ；31、T型螺栓Ⅱ；32、螺母Ⅱ；33、力传感器。

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所示，本实用新型的力热场耦合作用下材料原位三点弯曲测试装置，包括机械加载单元和温度控制单元，其中，机械加载单元由电机驱动组件、传动及执行组件、连接支撑组件及信号检测组件构成。所述加载单元的电机驱动组件、传动及执行组件的装配关系是：无刷直流伺服电机20通过联轴器28与蜗杆轴26相连，通过蜗杆蜗轮副将动力传到精密滚珠丝杠9，支撑头座5与丝杠螺母8相连，并与底部的导轨滑块23连接。其中，直流伺服电机20与电机支座21通过沉头螺钉连接，该电机支座21与底板3固定；弹性联轴器28分别和直流电机20的输出轴和蜗杆轴26刚性连接，蜗杆轴26通过精密轴承支撑在蜗杆支座27上，蜗杆支座27与底板3紧固；蜗轮25通过紧固螺钉与精密滚珠丝杠9刚性连接，滚珠丝杠9和丝杠支座24定位安装，丝杠支座24固定在底板3的凸台侧面；支撑头座5通过沉头螺钉与丝杠螺母8相连，支撑头座5固定在导轨滑块23上，导轨22通过螺钉与导轨底板7相连，支撑头座5在导轨组件的导向下，实现支撑头Ⅰ、Ⅱ6、10平稳精确的直线运动。导轨底板7和底板3的两侧分别与立板Ⅰ、Ⅱ2、11固定连接。

所述的信号检测组件由力传感器33和光电编码器19组成。力传感器33一端与底板3的凸台通过螺纹连接，另一端和压头16同轴连接；光电编码器19与直流伺服电机20的转子同轴连接，依靠直流伺服电机20的脉冲/方向模式提供位移速率控制的数字反馈信号源。

所述的连接支撑组件包括压头16、支撑头Ⅰ、Ⅱ6、10。支撑头Ⅰ、Ⅱ6、10的凸起与T型槽的内凹槽间隙配合以实现支撑头Ⅰ、Ⅱ6、10准确定位，通过T型螺栓Ⅰ、Ⅱ29、31和螺母Ⅰ、Ⅱ30、32紧固；支撑头座5T型槽的设计，可以实现在不同跨距下试件14的三点弯曲性能测试；压头16通过螺纹与力传感器33连接，在原位三点弯曲力学性能测试过程中，压头静止，两侧的压头随着滑块23的移动实现三点弯曲加载，这种作用方式能够实现在整个原位测试过程中，试件14的中心位置——受力敏感区域保持不动，避免了由于成像组件的景深因素导致的成像模糊甚至无法成像的问题。

通过蜗轮蜗杆机构的合理布置，将水平的动力传递至竖直方向，实现了三点弯曲载荷的立式加载，使试件14的背面直接置于超景深显微镜、激光扫描共聚焦显微镜等显微成像设备的镜头下方，利于在三点弯曲加载下，对试件14承受最大应力的背面进行原位监测，形成良好的视野。

所述的三点弯曲加载装置上集成了温度控制单元，由可调直流电源1、热敏电阻传感器15、温度控制器18、薄云母片12和夹持簧片Ⅰ、Ⅱ4、13组成。温度加载依靠电流流过导体内部会产生热量的原理来实现。夹持簧片Ⅰ、Ⅱ4、13通过AB胶连接在支撑头座5上，随支撑头Ⅰ、Ⅱ 6、10同步运动，并且依靠自身的弹性夹持在试件14的两端；两个夹持簧片Ⅰ、Ⅱ4、13分别连接可调直流电源1的两极，在电流的作用下导体试件14自身产生热量，实现对试件14的均匀加热；通过热敏电阻传感器15测定试件14的实时温度；另外，在热敏电阻15和试件14之间有一层薄云母片12，在传递热量的同时以隔绝电流对温度传感器15自身的影响；温度控制器18实现温度的闭环控制。

所述的力传感器33和压头16之间有一层隔热罩17，以隔绝热场对力传感器33的影响；压头16和支撑头Ⅰ、Ⅱ6、10均由耐高温的陶瓷材料制成，保证在热场下自身的强度和刚度不受影响。

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。凡对本实用新型所作的任何修改、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 (5)

1.一种力热场耦合作用下材料原位三点弯曲测试装置，其特征在于：包括机械加载单元和温度控制单元，机械加载单元由电机驱动组件、传动及执行组件、连接支撑组件及信号检测组件构成，所述电机驱动组件、传动及执行组件的装配关系是：无刷直流伺服电机（20）通过弹性联轴器（28）与蜗杆轴（26）相连，通过蜗杆蜗轮副将动力传到精密滚珠丝杠（9），支撑头座（5）与丝杠螺母（8）相连，并与底部的导轨滑块(23)连接；其中，直流伺服电机（20）与电机支座（21）通过沉头螺钉连接，该电机支座（21）与底板（3）固定；弹性联轴器（28）分别与直流伺服电机（20）的输出轴和蜗杆轴（26）刚性连接，蜗杆轴（26）通过精密轴承支撑在蜗杆支座（27）上，蜗杆支座（27）与底板（3）紧固；蜗轮（25）通过紧固螺钉与精密滚珠丝杠（9）刚性连接，精密滚珠丝杠（9）通过丝杠支座（24）定位安装，丝杠支座（24）固定在底板（3）的凸台侧面；支撑头座（5）通过沉头螺钉与丝杠螺母（8）相连，支撑头座（5）固定在导轨滑块（23）上，导轨（22）通过螺钉与导轨底板（7）相连，支撑头座（5）在导轨组件的导向下，实现支撑头Ⅰ、Ⅱ（6、10）平稳精确的直线运动。

2.根据权利要求1所述的力热场耦合作用下材料原位三点弯曲测试装置，其特征在于：所述的连接支撑组件包括压头（16）、支撑头Ⅰ、Ⅱ（6、10），所述支撑头Ⅰ、Ⅱ（6、10）的凸起与T型槽的内凹槽间隙配合以实现支撑头Ⅰ、Ⅱ（6、10）准确定位，通过T型螺栓Ⅰ、Ⅱ（29、31）和螺母Ⅰ、Ⅱ（30、32）紧固；支撑头座（5）T型槽的设计，可以实现在不同跨距下试件（14）的三点弯曲性能测试；压头（16）通过螺纹与力传感器（33）连接，在原位三点弯曲力学性能测试过程中，压头静止，两侧的压头随着滑块（23）的移动实现三点弯曲加载，试件（14）的中心位置——受力敏感区域保持不动。

3.根据权利要求1所述的力热场耦合作用下材料原位三点弯曲测试装置，其特征在于：所述的信号检测组件由力传感器（33）和光电编码器（19）组成，所述力传感器（33）一端与底板（3）的凸台通过螺纹连接，另一端和压头（16）同轴连接；所述光电编码器（19）与直流伺服电机（20）的转子同轴连接，通过直流伺服电机（20）的脉冲/方向模式提供位移速率控制的数字反馈信号源。

4.根据权利要求1所述的力热场耦合作用下材料原位三点弯曲测试装置，其特征在于：所述的温度控制单元包括可调直流电源（1）、热敏电阻传感器（15）、温度控制器（18）、薄云母片（12）和夹持簧片Ⅰ、Ⅱ（4、13），所述夹持簧片Ⅰ、Ⅱ（4、13）通过AB胶连接在支撑头座（5）上，随支撑头Ⅰ、Ⅱ（6、10）同步运动，并且依靠自身的弹性夹持在试件（14）的两端；两个夹持簧片Ⅰ、Ⅱ（4、13）分别连接可调直流电源（1）的两极，在电流的作用下导体试件（14）自身产生热量，实现对试件（14）的均匀加热；通过热敏电阻传感器（15）测定试件（14）的实时温度；另外，在热敏电阻（15）和试件（14）之间设有一层薄云母片（12），在传递热量的同时以隔绝电流对温度传感器（15）自身的影响；温度控制器（18）实现温度的闭环控制。

5.根据权利要求2或3所述的力热场耦合作用下材料原位三点弯曲测试装置，其特征在于：所述的力传感器（33）与压头（16）之间设有一层隔热罩（17），以隔绝热场对力传感器（33）的影响；压头（16）和支撑头Ⅰ、Ⅱ（6、10）均由耐高温的陶瓷材料制成。

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