一種原位拉壓測試平臺及觀測系統的製作方法

2023-07-28 07:29:51

本實用新型涉及精密科學儀器領域，具體而言，涉及一種原位拉壓測試平臺及觀測系統。

背景技術：

原位力學性能測試是指在微/納米尺度下對試件材料進行力學性能測試的過程中，通過電子顯微鏡、原子力顯微鏡、光學顯微鏡、工業CT等顯微設備對各種載荷作用下材料發生的微觀變形、損傷進行全程原位監測的一種力學測試方法。

在諸多微納米力學參數測試的範疇中，涉及到拉壓載荷的力學參數是材料重要的力學特性，但目前在力熱耦合作用下的原位拉壓測試領域還不完善，具體表現為：受到顯微設備的尺寸限制，目前的多數研究都集中在以微/納機電系統工藝為基礎，對納米以及薄膜材料等極微小結構的單純原位微納米拉壓測試上，缺少對宏觀尺寸(毫米級以上)尺度的原位拉壓力學測試，由於尺寸效應的存在，這些研究具有較大的局限性。由於原位拉壓測試技術發展不成熟，目前的原位拉壓測試設備無法集成熱場裝置，只能進行常溫下的拉壓測試，無法進行熱場作用下的原位拉壓測試。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於提供一種原位拉壓測試平臺，其用於對力熱耦合加載的材料微觀力學性能原位拉壓測試，具有體積精巧、測試精度高、與顯微設備兼容性好等優點，可以對熱場作用下試樣受拉壓載荷過程中的材料微觀力學特性和損傷機制進行原位觀測，同時測試平臺結合軟體算法，得到材料抗拉強度等重要參數。

本實用新型的另一目的在於提供一種觀測系統，其能夠對熱場作用下試樣受拉壓載荷過程中的材料微觀力學特性和損傷機制進行原位觀測。

本實用新型提供一種技術方案：

一種原位拉壓測試平臺，用於對力熱耦合加載的待測試樣的微觀力學性能進行原位拉壓測試。其包括拉壓加載單元、檢測單元、溫度加載單元、底座；拉壓加載單元、檢測單元、溫度加載單元皆安裝於底座。

拉壓加載單元包括動力組件、相互配合的第一支撐體和第一夾體、相互配合的第二支撐體和第二夾體。第一支撐體、第二支撐體均安裝於底座，第一夾體、第二夾體分別夾持待測試樣的兩端，用於加熱待測試樣的溫度加載單元設置於第一夾體、第二夾體之間。

動力組件包括相互配合連接的直流伺服電機、傳動機構，直流伺服電機與傳動機構配合傳動，以驅使第一夾體可選地遠離和靠近第二夾體。

檢測單元包括拉壓力傳感器、與直流伺服電機連接的光電編碼器，拉壓力傳感器與第二夾體連接。

在本實用新型較佳的實施例中，上述傳動機構包括齒輪減速箱，直流伺服電機與齒輪減速箱的輸入軸連接，齒輪減速箱的輸出軸與第一支撐體連接。

在本實用新型較佳的實施例中，上述傳動機構還包括絲槓固定座、滾珠直線導軌以及配合傳動的蝸輪蝸杆副和滾珠絲槓，蝸輪蝸杆副由減速箱驅動。

絲槓固定座、滾珠直線導軌均安裝於底座，滾珠絲槓安裝於絲槓固定座，第一夾體與滾珠直線導軌配合連接，且沿滾珠直線導軌滑動。

滾珠絲槓帶動固定於滾珠直線導軌的第一夾體運動，使第一夾體遠離或靠近第二夾體。

在本實用新型較佳的實施例中，上述第一夾體包括第一夾板、與第一夾板連接的第一壓板，第二夾體包括第二夾板、與第二夾板連接的第二壓板。第一夾板、第一壓板通過鋸齒狀結構咬合，第二夾板、第二壓板通過鋸齒狀結構咬合。

在本實用新型較佳的實施例中，上述溫度加載單元包括加熱臺、隔熱板，隔熱板安裝於底座。加熱臺安裝於隔熱板，加熱臺設有凹槽，在第一夾體和第二夾體之間的待測試樣的部分置於凹槽中。

在本實用新型較佳的實施例中，上述溫度加載單元還包括用於對第二夾體進行冷卻的冷卻裝置。冷卻裝置一端與拉壓力傳感器連接，另一端與第二夾體連接。

在本實用新型較佳的實施例中，上述冷卻裝置為水冷體系。

在本實用新型較佳的實施例中，上述第一夾體、第二夾體材質為耐熱材料。

在本實用新型較佳的實施例中，上述第一夾體、第二夾體材質為陶瓷。

一種觀測系統，包括上述的原位拉壓測試平臺。

本實用新型提供的原位拉壓測試平臺及觀測系統的有益效果是：通過溫度加載單元對待測試樣進行加熱，使待測試樣在熱場作用下進行宏觀尺寸(毫米級以上)尺度的原位拉壓力學測試。從而揭示待測試樣在熱場作用和拉壓載荷下的力學特性和損傷機理。檢測單元對待測試樣熱場作用下的載荷進行檢測，實現宏觀尺寸的測試，該原位拉壓測試平臺體積精巧、測試精度高、與顯微設備兼容性好；並可集成在光學顯微系統、掃描電子顯微鏡、工業CT等顯微設備中對試樣進行原位監測。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本實用新型的某些實施例，因此不應被看作是對範圍的限定，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1為本實用新型實施例提供的原位拉壓測試平臺的結構示意圖；

圖2為本實用新型實施例提供的原位拉壓測試平臺的側視圖；

圖3為本實用新型實施例提供的原位拉壓測試平臺的側視圖；

圖4為本實用新型實施例提供的原位拉壓測試平臺的府視圖；

圖5為本實用新型實施例提供的夾體的結構示意圖。

圖標：101-原位拉壓測試平臺；102-待測試樣；100-拉壓加載單元；110-動力組件；111-直流伺服電機；120-第一支撐體；130-第二支撐體；140-第一夾體；141-第一夾板；142-第一壓板；150-第二夾體；151-第二夾板；152-第二壓板；200-檢測單元；210-拉壓力傳感器；220-光電編碼器；300-溫度加載單元；310-加熱臺；311-凹槽；320-隔熱板；330-冷卻裝置；400-底座；500-傳動機構；510-齒輪減速箱；520-第一級蝸輪蝸杆副；521-一級蝸杆；522-一級蝸輪；530-第二級蝸輪蝸杆副；531-二級蝸杆；532-二級蝸輪；540-滾珠絲槓；550-絲槓固定座；560-滾珠直線導軌。

具體實施方式

為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本實用新型實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。

因此，以下對在附圖中提供的本實用新型的實施例的詳細描述並非旨在限制要求保護的本實用新型的範圍，而是僅僅表示本實用新型的選定實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨後的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

在本實用新型的描述中，需要理解的是，術語「中心」、「上」、「下」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，或者是該實用新型產品使用時慣常擺放的方位或位置關係，或者是本領域技術人員慣常理解的方位或位置關係，僅是為了便於描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的設備或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。

此外，術語「第一」、「第二」、「第三」等僅用於區分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本實用新型的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「設置」、「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。

圖1為本實用新型實施例提供的原位拉壓測試平臺101的結構示意圖。請一併參閱圖1-圖4，本實施例提供了一種原位拉壓測試平臺101。用於對待測試樣102進行微觀力學性能原位拉壓測試，原位拉壓測試平臺101包括拉壓加載單元100、檢測單元200、溫度加載單元300、底座400。拉壓加載單元100、檢測單元200、溫度加載單元300皆安裝於底座400。

待測試樣102套設於溫度加載單元300內，溫度加載單元300為待測試樣102提供熱場，拉壓加載單元100對待測試樣102進行拉伸或壓縮，檢測單元200與拉壓加載單元100配合連接，對待測試樣102的拉壓力的變化進行檢測。

拉壓加載單元100包括動力組件110、第一支撐體120、第二支撐體130、第一夾體140、第二夾體150。第一夾體140連接於第一支撐體120，第二夾體150連接於第二支撐體130。第一支撐體120、第二支撐體130均安裝於底座400。動力組件110驅動第一支撐體120及第一夾體140，使第一支撐體120及與其連接的組件與第二支撐體130相對運動。第一夾體140、第二夾體150分別夾持待測試樣102的兩端。圖1所示為處於第二夾體150夾緊待測試樣102的一端，第一夾體140還未夾持待測試樣102的另一端的狀態的原位拉壓測試平臺101。

在本實用新型中，第一夾體140與第一支撐體120的連接方式為螺栓緊固連接，第二夾體150與第二支撐體130的連接方式為螺栓緊固連接。在本實用新型的其他實施例中，其連接方式也可以為其他固定連接，例如焊接。

在本實施例中，第一夾體140、第二夾體150的材質為陶瓷。在本實用新型的其他實施例中，第一夾體140、第二夾體150的材質也可為碳化矽、耐熱玻璃等其他耐熱材料，以減少溫度場對機械結構的影響。

圖5為本實用新型實施例提供的夾體的結構示意圖。請參閱圖5，第一夾體140包括相互連接的第一夾板141、第一壓板142，第二夾體150包括相互連接的第二夾板151、第二壓板152。在本實施例中，第一夾板141、第一壓板142的連接的方式為螺栓緊固連接，第二夾板151、第二壓板152的連接的方式為螺栓緊固連接。在本實用新型的其他實施例中，其連接方式也可以為其它緊固連接，例如通過其它夾緊件對其夾緊。

第一夾板141、第一壓板142相向端面設有鋸齒狀結構，以咬合緊固待測試樣102的一端；第二夾板151、第二壓板152相向端面設有鋸齒狀結構，以咬合緊固待測試樣102的另一端。

需要說明的是，在本實用新型其他實施例中，第一夾板141、第一壓板142用於夾持待測試樣102的相向端面也可以為平面、具有凸起的端面等。同理，第二夾板151、第二壓板152用於夾持待測試樣102的相向端面也可以為平面、具有凸起的端面等。

動力組件110包括直流伺服電機111、傳動機構500；傳動機構500與第一支撐體120連接，直流伺服電機111輸出動力通過傳動機構500傳動至與第一支撐體120連接的第一夾體140，驅使第一夾體140運動，使第一夾體140遠離和靠近第二夾體150。

傳動機構500包括齒輪減速箱510、相互配合的第一級蝸輪蝸杆副520與第二級蝸輪蝸杆副530，直流伺服電機111與齒輪減速箱510的輸入軸連接，齒輪減速箱510的輸出軸與第一級蝸輪蝸杆副520連接。齒輪減速箱510的輸出軸傳動於第一級蝸輪蝸杆副520與第二級蝸輪蝸杆副530，第二級蝸輪蝸杆副530傳動於第一支撐體120。

第一級蝸輪蝸杆副520包括相互配合的一級蝸杆521、一級蝸輪522，第二級蝸輪蝸杆副530包括相互配合的二級蝸杆531、二級蝸輪532。

齒輪減速箱510用於對直流伺服電機111輸出的動力進行初次減速增扭，齒輪減速箱510輸出的動力經過一級蝸杆521帶動一級蝸輪522轉動實現二次減速增扭。一級蝸輪522傳動於二級蝸杆531，二級蝸杆531帶動二級蝸輪532轉動實現三次減速增扭。

需要說明的是在本實用新型的其他實施例中，也可以根據直流伺服電機111的輸出功率以及原位測試的具體需求而選擇傳動機構500是否需要蝸輪蝸杆副，以及蝸輪蝸杆副的數量。

傳動機構500還包括滾珠絲槓540、絲槓固定座550、滾珠直線導軌560，絲槓固定座550固定安裝於底座400，滾珠絲槓540安裝於絲槓固定座550，滾珠直線導軌560與第一支撐體120遠離第一夾體140的一端固定連接，滾珠直線導軌560與待測試樣102的軸線平行，以實現對待測試樣102進行軸線拉伸。

二級蝸輪532輸出動力使滾珠絲槓540轉動，滾珠絲槓540將迴轉運動轉化為直線運動，滾珠絲槓540帶動固定於滾珠直線導軌560的第一夾體140沿滾珠直線導軌560的軸線方向來回運動，實現對待測試樣102的拉伸或壓縮。

檢測單元200包括拉壓力傳感器210、光電編碼器220，光電編碼器220安裝於直流伺服電機111尾端，與直流伺服電機111配合使用。拉壓力傳感器210一端與第二支撐體130連接，另一端與第二夾體150連接。待測試樣102受到的拉壓載荷通過第二夾體150將載荷傳遞到拉壓力傳感器210。

溫度加載單元300相對獨立的設置於第一夾體140、第二夾體150之間，溫度加載單元300包括加熱臺310、隔熱板320、冷卻裝置330。隔熱板320安裝於底座400，用於隔絕加熱臺310的熱量保護底座400。加熱臺310安裝於隔熱板320，加熱臺310設有凹槽311。在原位拉壓測試平臺101測試過程中，夾持於第一夾體140和第二夾體150之間的待測試樣102的部分置於凹槽311中。加熱臺310通過凹槽311對待測試樣102進行加熱。

在本實施例中，凹槽311為半圓柱形，凹槽311與待測試樣102的軸線平行，使待測試樣102受熱均勻。在本實用新型的其他實施例中，凹槽311也可以為長方體形，U型等其他形狀。

冷卻裝置330一端與第二夾體150連接，另一端與拉壓力傳感器210連接。冷卻裝置330對加熱臺310傳遞至第一支撐體120的熱冷卻，冷卻裝置330第二夾體150以保證拉壓力傳感器210在溫度加載時始終保持其正常工作溫度。

在本實施例中，冷卻裝置330為採用水冷體系，冷卻裝置330設置有水道，冷卻裝置330設有進水口以及出水口。在本實用新型的其他實施例中，冷卻裝置330也可以為其他冷卻體系，例如液氮等卻體系等。

原位拉壓測試平臺101的工作原理為：待測試樣102的兩端通過第一夾體140、第二夾體150緊固夾持，運行溫度加載單元300的加熱臺310、冷卻裝置330處於運行狀態。

直流伺服電機111啟動，光電編碼器220檢測直流伺服電機111的轉速大小和方向。齒輪減速箱510對直流伺服電機111輸出的動力進行初次減速增扭，齒輪減速箱510輸出的動力經過一級蝸杆521帶動一級蝸輪522轉動實現二次減速增扭，二級蝸杆531帶動二級蝸輪532轉動實現三次減速增扭。

二級蝸輪532輸出動力使滾珠絲槓540轉動，滾珠絲槓540將迴轉運動轉化為直線運動，滾珠絲槓540帶動固定於滾珠直線導軌560的第一夾體140運動。使第一夾體140遠離第二夾體150，對待測試樣102進行拉伸。

待測試樣102受到的拉壓載荷通過第二夾體150將載荷傳遞到拉壓力傳感器210。完成對待測試樣102的原位拉伸測試。

需要說明的是，在進行測試前，需要對測試系統的機械結構進行剛度標定，以消除製造裝配誤差對載荷信號的幹擾，並將剛度影響係數添加到測試曲線中去。另外，測試前的溫度加載單元300的標定工作也不可忽視，以保證溫度加載的準確性，將溫度波動控制在一定範圍內。在進行溫度場下的原位扭轉測試時，可以先控制溫度加載，一段時間後將試樣中心溫度升到指定值。

本實用新型還提供一種觀測系統，該觀測系統包括上述原位拉壓測試平臺101。原位拉壓測試平臺101置於該觀測系統的觀測腔內，對熱場作用下試樣受拉壓載荷過程中的材料微觀力學特性和損傷機制進行原位觀測。

本實用新型提供的原位拉壓測試平臺101能在熱場作用下對試樣進行宏觀尺寸(毫米級以上)尺度的原位拉壓力學測試。具有體積精巧、測試精度高、與顯微設備兼容性好等優點，並可集成在光學顯微系統、掃描電子顯微鏡、工業CT等顯微設備中對試樣進行原位監測。

本實用新型還提供的觀測系統可以對熱場作用下試樣受拉壓載荷過程中的材料微觀力學特性和損傷機制進行原位觀測，同時測試平臺結合軟體算法，得到材料抗拉強度等重要參數。

需要說明的是，本實用新型中的所提及的待測試樣102可以是各種材質，例如，金屬、合金、非金屬(如塑料、陶瓷等)。待測試樣102具有各種結構，具體可以根據測試需要進行調整，或者相應地根據溫度加載單元300的結構進行調整，並不以如圖1至圖5中所示的為限。

以上所述僅為本實用新型的優選實施例而已，並不用於限制本實用新型，對於本領域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。