拉伸-扭轉複合載荷材料微觀力學性能原位測試儀的製作方法

2023-05-20 02:22:36

拉伸-扭轉複合載荷材料微觀力學性能原位測試儀的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種拉伸-扭轉複合載荷材料微觀力學性能原位測試儀，屬於精密儀器領域。由基座，拉伸、扭轉加載單元，試件夾持單元，位移和載荷力精密檢測單元等組成。扭矩加載單元通過精密電機帶動兩級蝸輪、蝸杆傳動機構將扭矩載荷施加在運動夾具的一端，進而將扭矩載荷加載到被測試件樣品上，固定夾具端安裝在精密導軌滑塊上。在被動夾具一端安裝有精密拉扭傳感器，用於檢測測試工件承受的拉力和扭矩。通過電機編碼器檢測拉伸變形和扭轉角度。本發明具有結構緊湊、精巧，體積微小，重量輕的特點，可實現微納米精度的拉伸-扭轉複合載荷模式材料微觀力學性能原位測試，為接近服役條件下材料變形損傷機制的分析研究提供了新穎的測試手段。
【專利說明】拉伸-扭轉複合載荷材料微觀力學性能原位測試儀
【技術領域】
[0001]本發明涉及精密儀器領域，特別涉及一種拉伸-扭轉複合載荷材料微觀力學性能原位測試儀。可在多種材料性能表徵儀器(掃描電子顯微鏡、光學顯微鏡、Raman光譜儀、X射線衍射儀等)動態監測下對試件材料載荷作用下的變形損傷機制和微觀組織結構變化規律進行動態原位監測。本發明在鋼鐵冶金、有色金屬、半導體材料、先進金屬、國防軍工和航空航天等領域具有良好的應用前景。
【背景技術】
[0002]材料微觀力學性能原位測試技術是近年來發展起來的前沿技術，受到各國政府和研究機構的高度關注。微拉伸扭轉力學測試技術具有可以在各類成像儀器的觀測下對試件進行原位拉伸、扭轉以及複合測試和對材料的微觀變形和損傷過程進行原位觀察的諸多優勢。相比於傳統力學測試技術，微納米拉伸扭轉力學測試技術目前只被少數的研究人員所掌握和使用，主要原因是該項技術需要在滿足高的測試精度的同時，保證測試儀器的小型化以及與原位監測設備的兼容性。目前微納米扭轉力學測試主要集中在透射電子顯微鏡(TEM)和掃描電子顯微鏡(SEM)中開展，兩者都具有非常有限的工作腔體，並且需要保證測試裝置與工作腔體的電磁兼容性和真空兼容性，正是這些原因限制了微納米拉伸扭轉力學測試技術的快速發展。總體來看，研究高精度、大測試範圍、低成本的微納米拉伸扭轉複合力學測試裝置依然是具有挑戰性的工作，同時也是一項緊迫性的工作。

【發明內容】

[0003]本發明的目的在於提供一種拉伸-扭轉複合載荷材料微觀力學性能原位測試儀，解決了現有技術存在的上述問題，本發明為實現體積小、結構精巧的可用於精密材料微納米拉伸扭轉單一以及複合力學性能測試的裝置提供一種可用方案。藉助本發明提供的測試裝置，可以實現測試裝置與電鏡工作腔體的電磁兼容性和真空兼容性，促進原位微納米拉伸扭轉力學測試技術的發展。
[0004]本發明的上述目的通過以下技術方案實現:
拉伸-扭轉複合載荷材料微觀力學性能原位測試儀，包括扭矩加載機構、試件夾持機構、拉伸加載機構，所述扭矩加載機構安裝在基座I和上支座3上，其中上支座3通過基座支架a、b、c2、39、40固定安裝在基座I上，通過兩級蝸輪蝸杆減速、換向，將扭矩加載在測試工件；試件夾持機構包含兩個試件夾具18和四個調整塊20，調整塊20安裝在試件夾具18裡面，調整試件19夾持的位置；拉伸加載機構安裝在基座I和上支座3上面，通過兩級蝸輪蝸杆減速以及換向，將扭矩施加在絲槓26上，絲槓(26)將旋轉運動轉化為直線運動，驅動絲槓螺母25直線運動，然後帶動拉扭傳感器21和試件夾具18進行拉伸運動。
[0005]所述的扭矩加載機構包括精密驅動電機a4、電機法蘭a5、聯軸器a6、蝸杆a8、蝸輪alO、蝸杆bl3、蝸輪bl4，所述精密驅動電機a4安裝在電機法蘭a5上，電機法蘭a5用螺釘安裝在基座I上，其輸出軸與蝸杆軸all通過聯軸器4連接；蝸杆a8用螺釘固定安裝在蝸杆軸al I，然後通過兩個軸承支座a7和兩個標準軸承安裝在基座I上，並與蝸輪alO形成第一級減速和換向；同理通過蝸杆bl3和蝸輪bl4形成第二級減速和換向；兩級減速和換向，第一級採用較小的減速比，第二級採用較大減速比，以提高扭矩加載的精度，減小扭矩加載機構結構尺寸。扭矩通過蝸輪軸al5傳輸到試件夾具18上；蝸輪軸al5通過軸承支座cl7安裝在上支座上3，軸承支座cl7內部安裝有軸承41，還安裝有固定軸承41的軸承端蓋16和軸承擋圈42。
[0006]所述的試件夾持機構包括軸承端蓋16、軸承支座cl7、兩個試件夾具18及調整塊20，左側的試件夾具18與第二級減速輸出軸連接，即蝸輪軸al5，兩者通過精密軸承、軸承支座cl7以及軸承端蓋16和螺釘安裝在上支座3上；右側的試件夾具18直接與拉伸加載機構的精密拉扭傳感器21連接。
[0007]所述的拉伸加載機構包括精密拉扭傳感器21、螺母連接套22、支撐板23、精密導軌滑塊24、絲槓螺母25、絲槓26以及兩級蝸輪蝸杆減速機構，所述精密拉扭傳感器21的左端通過螺釘與右側的試件夾具18連接，精密拉扭傳感器21的右端通過螺釘與螺母連接套22安裝在一起，螺母連接套22安裝在絲槓螺母25上，絲槓螺母25和絲槓26構成的絲槓螺母副通過絲槓支撐座27安裝在上支座3上，支撐板23分別連接螺母連接套22和導軌滑塊24，由絲槓螺母25帶動支撐板23實現直線運動，導軌滑塊24固定安裝在支撐塊43上，絲槓螺母副由右側的兩級蝸輪蝸杆減速驅動，其傳動方式和左側的扭轉加載傳動一樣。
[0008]所述的精密驅動電機a4上安裝編碼器測量扭轉的角度，通過減速比的換算來得到實際轉過的角度；安裝在基座I上的精密驅動電機b37上安裝編碼器測量拉伸的位移，換算之後即得到拉伸的位移。
[0009]所述的拉伸-扭轉複合載荷材料微觀力學性能原位測試儀可置於掃描電鏡腔體中，與電鏡具有很好的兼容性。
[0010]本發明的有益效果在於:體積小結構緊湊，扭轉加載力以及拉伸行程大，可置於掃描電鏡腔體中，與電鏡具有很好的兼容性。可以在各類成像儀器的觀測下對試件進行原位拉伸扭轉單一以及複合力學測試，對材料的微觀變形和損傷過程進行原位觀察，並可採集載荷/位移信號，從而揭示材料在微納米尺度下的力學特性和損傷機理，推動新材料新工藝、材料科學、超精密加工、固體力學等技術的發展。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。
[0012]圖1為本發明的立體結構示意圖；
圖2為本發明的主視結構示意圖；
圖3為本發明的俯視結構示意圖；
圖4為本發明的右視結構示意圖；
圖5為本發明的剖視結構示意圖。
[0013]圖中:1.基座，2.基座支架a，3.上支座，4.精密驅動電機a，5.電機法蘭a，
6.聯軸器a，7.軸承支座a，8.蝸杆a，9.蝸杆軸b，10.蝸輪a，ll.蝸杆軸a，12.軸承支座b，13.蝸杆b，14.蝸輪b，15.蝸輪軸a，16.軸承端蓋，17.軸承支座C，18.試件夾具，19.試件，20.調整塊，21.精密拉扭傳感器，22.螺母連接套，23.支撐板，24.精密導軌滑塊，25.絲槓螺母，26.絲槓，27.絲槓支撐座，28.蝸輪C，29.蝸杆C，30.軸承支座d，31.蝸輪d，32.蝸杆軸c，33.軸承支座e，34.蝸杆d，35.聯軸器b，36.電機法蘭b，37.精密驅動電機b，38.蝸杆軸d，39.基座支架b，40.基座支架c，41.軸承，42.軸承擋圈，43.支撐塊，44.螺母。
【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖進一步說明本發明的詳細內容及其【具體實施方式】。
[0015]參見圖1至圖5所示，本發明的拉伸-扭轉複合載荷材料微觀力學性能原位測試儀，包括扭矩加載機構、試件夾持機構、拉伸加載機構，所述扭矩加載機構安裝在基座I和上支座3上，其中上支座3通過基座支架a、b、c2、39、40固定安裝在基座I上，通過兩級蝸輪蝸杆減速、換向，將扭矩加載在測試工件；試件夾持機構包含兩個試件夾具18和四個調整塊20，調整塊20安裝在試件夾具18裡面，調整試件19夾持的位置；拉伸加載機構安裝在基座I和上支座3上面，通過兩級蝸輪蝸杆減速以及換向，將扭矩施加在絲槓26上，絲槓
(26)將旋轉運動轉化為直線運動，驅動絲槓螺母25直線運動，然後帶動拉扭傳感器21和試件夾具18進行拉伸運動。
[0016]所述的扭矩加載機構包括精密驅動電機a4、電機法蘭a5、聯軸器a6、蝸杆a8、蝸輪alO、蝸杆bl3、蝸輪bl4，所述精密驅動電機a4安裝在電機法蘭a5上，電機法蘭a5用螺釘安裝在基座I上，其輸出軸與蝸杆軸all通過聯軸器4連接；蝸杆a8用螺釘固定安裝在蝸杆軸all，然後通過兩個軸承支座a7和兩個標準軸承安裝在基座I上，並與蝸輪alO形成第一級減速和換向；同理通過蝸杆bl3和蝸輪bl4形成第二級減速和換向；兩級減速和換向，第一級採用較小的減速比，第二級採用較大減速比，以提高扭矩加載的精度，減小扭矩加載機構結構尺寸。扭矩通過蝸輪軸al5傳輸到試件夾具18上；蝸輪軸al5通過軸承支座cl7安裝在上支座上3，軸承支座cl7內部安裝有軸承41，還安裝有固定軸承41的軸承端蓋16和軸承擋圈42。
[0017]所述的試件夾持機構包括軸承端蓋16、軸承支座cl7、兩個試件夾具18及調整塊20，左側的試件夾具18與第二級減速輸出軸連接，即蝸輪軸al5，兩者通過精密軸承、軸承支座cl7以及軸承端蓋16和螺釘安裝在上支座3上；右側的試件夾具18直接與拉伸加載機構的精密拉扭傳感器21連接。
[0018]所述的拉伸加載機構包括精密拉扭傳感器21、螺母連接套22、支撐板23、精密導軌滑塊24、絲槓螺母25、絲槓26以及兩級蝸輪蝸杆減速機構，所述精密拉扭傳感器21的左端通過螺釘與右側的試件夾具18連接，精密拉扭傳感器21的右端通過螺釘與螺母連接套22安裝在一起，螺母連接套22安裝在絲槓螺母25上，絲槓螺母25和絲槓26構成的絲槓螺母副通過絲槓支撐座27安裝在上支座3上，支撐板23分別連接螺母連接套22和導軌滑塊24，由絲槓螺母25帶動支撐板23實現直線運動，導軌滑塊24固定安裝在支撐塊43上，絲槓螺母副由右側的兩級蝸輪蝸杆減速驅動，其傳動方式和左側的扭轉加載傳動一樣。
[0019]所述的精密驅動電機a4上安裝編碼器測量扭轉的角度，通過減速比的換算來得到實際轉過的角度；精密驅動電機b37上安裝編碼器測量拉伸的位移，換算之後即得到拉伸的位移，精密驅動電機b37通過電機法蘭b36安裝在基座I上。[0020]所述的拉伸-扭轉複合載荷材料微觀力學性能原位測試儀可置於掃描電鏡腔體中，與電鏡具有很好的兼容性。
[0021]本發明中，扭矩的加載通過精密驅動電機a4和蝸輪蝸杆傳動鏈來實現，具體的實施方式為，由通過電機法蘭a5固定安裝在基座I上的精密驅動電機a4連接聯軸器a6驅動蝸杆a8和蝸輪alO以及蝸杆bl3和蝸輪bl4，經過蝸輪蝸杆的換向，減速以及增加扭矩，其中蝸杆軸all通過兩個軸承支座a7安裝在基座I上，蝸杆軸b9通過兩個軸承支座bl2安裝在基座I上，蝸輪bl4將扭矩傳遞給試件夾具18，蝸輪軸al5通過軸承支座cl7安裝在上支座上3，軸承支座cl7內部安裝有軸承41，還安裝有固定軸承41的軸承端蓋16和軸承擋圈42，其中上支座3安裝通過基座支架a2、基座支架b39、基座支架c40固定安裝在基座I上，在實施過程中，通過精密驅動電機a4的驅動對試件19進行精密穩定的加載。在實施過程中，通過精密驅動電機a4上的編碼器對扭轉角度進行檢測。
[0022]試件夾持機構的運動分為兩種:一種是左側的試件夾具18的主動扭矩加載運動，一種是右側的試件夾具18和精密拉扭傳感器21的轉動和沿試件軸線方向的直線運動，由右側的拉伸加載機構驅動。【具體實施方式】為，蝸輪bl4將扭矩傳遞給左側的試件夾具18並通過左側調整塊20加載於試件一端，實現左側的試件夾具18的主動扭矩加載運動。扭矩通過試件19傳遞給右側的試件夾具18和調整塊20，使右側的試件夾具18產生微小的變形轉動。試件19在扭轉載荷作用下軸向性能會發生變化，並導致軸向尺寸的變化，從而帶動右側的試件夾具18在精密導軌滑塊24上產生直線運動，其中精密導軌滑塊24通過支撐塊43安裝在上支座3上。
[0023]拉伸加載機構可以主動使右側的試件夾具18實現沿導軌滑塊24的直線運動，實現拉伸位移的加載，其【具體實施方式】為:由安裝在基座I上的精密驅動電機b37通過聯軸器b35驅動蝸杆d34和蝸輪d31以及蝸杆c29和蝸輪c28，其中蝸杆軸c32和蝸杆軸d38分別通過兩個軸承支座d30和軸承支座e33安裝在基座I上，經過蝸輪蝸杆的換向，減速以及增加扭矩，蝸輪c28將扭矩傳遞給絲槓26，絲槓26通過絲槓螺母副將旋轉運動變換為沿導軌滑塊24的直線運動，絲槓螺母25帶動連接在其上面的螺母連接套22、支撐板23、精密拉扭傳感器21以及右側的試件夾具18實現拉伸的加載，其中絲槓螺母副通過絲槓支撐座27和螺母44固定安裝在上支座3上。在實施過程中，通過電機b37上的編碼器對拉伸位移進行檢測。
[0024]以上所述僅為本發明的優選實例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡對本發明所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種拉伸-扭轉複合載荷材料微觀力學性能原位測試儀，其特徵在於:包括扭矩加載機構、試件夾持機構、拉伸加載機構，所述扭矩加載機構安裝在基座(I)和上支座(3)上，其中上支座(3)通過基座支架a、b、c (2、39、40)固定安裝在基座(I)上，通過兩級蝸輪蝸杆減速、換向，將扭矩加載在測試工件；試件夾持機構包含兩個試件夾具(18)和四個調整塊(20)，調整塊(20)安裝在試件夾具(18)裡面，調整試件(19)夾持的位置；拉伸加載機構安裝在基座(I)和上支座(3 )上面，通過兩級蝸輪蝸杆減速以及換向，將扭矩施加在絲槓(26 )上，絲槓(26)將旋轉運動轉化為直線運動，驅動絲槓螺母(25)直線運動，然後帶動拉扭傳感器(21)和試件夾具(18)進行拉伸運動。
2.根據權利要求1所述的拉伸-扭轉複合載荷材料微觀力學性能原位測試儀，其特徵在於:所述的扭矩加載機構包括精密驅動電機a (4)、電機法蘭a (5)、聯軸器a (6)、蝸杆a (8)、蝸輪a (10)、蝸杆b (13)、蝸輪b (14)，所述精密驅動電機a (4)安裝在電機法蘭a (5)上，電機法蘭a (5)安裝在基座(I)上，其輸出軸與蝸杆軸a (11)通過聯軸器(4)連接；蝸杆a (8)固定安裝在蝸杆軸a (11)，然後通過兩個軸承支座a (7)和兩個標準軸承安裝在基座(I)上，並與蝸輪a (10)形成第一級減速和換向；同理通過蝸杆b (13)和蝸輪b (14)形成第二級減速和換向；第一級減速和換向採用的減速比小於第二級減速和換向採用的減速比；扭矩通過蝸輪軸a (15)傳輸到試件夾具(18)上；蝸輪軸a (15)通過軸承支座c (17)安裝在上支座上(3)，軸承支座c (17)內部安裝有軸承(41)，還安裝有固定軸承(41)的軸承端蓋(16)和軸承擋圈(42)。
3.根據權利要求1所述的拉伸-扭轉複合載荷材料微觀力學性能原位測試儀，其特徵在於:所述的試件夾持機構包括軸承端蓋(16)、軸承支座c (17)、兩個試件夾具(18)及調整塊(20)，左側的試件夾具(18)與第二級減速輸出軸連接，即蝸輪軸a (15)，兩者通過精密軸承、軸承支座c (17)以及軸承端蓋(16)和螺釘安裝在上支座(3)上；右側的試件夾具(18)直接與拉伸加載機構的精密拉扭傳感器(21)連接。
4.根據權利要求1所述的拉伸-扭轉複合載荷材料微觀力學性能原位測試儀，其特徵在於:所述的拉伸加載機構包括精密拉扭傳感器(21)、螺母連接套(22)、支撐板(23)、精密導軌滑塊(24)、絲槓螺母(25)、絲槓(26)以及兩級蝸輪蝸杆減速機構，所述精密拉扭傳感器(21)的左端通過螺釘與右側的試件夾具(18)連接，精密拉扭傳感器(21)的右端通過螺釘與螺母連接套(22)安裝在一起，螺母連接套(22)安裝在絲槓螺母(25)上，絲槓螺母(25)和絲槓(26)構成的絲槓螺母副通過絲槓支撐座(27)安裝在上支座(3)上，支撐板(23)分別連接螺母連接套(22)和導軌滑塊(24)，由絲槓螺母(25)帶動支撐板(23)實現直線運動，導軌滑塊(24)固定安裝在支撐塊(43)上，絲槓螺母副由右側的兩級蝸輪蝸杆減速驅動，其傳動方式和左側的扭轉加載傳動一樣。
5.根據權利要求2所述的拉伸-扭轉複合載荷材料微觀力學性能原位測試儀，其特徵在於:所述的精密驅動電機a (4)上安裝編碼器測量扭轉的角度，通過減速比的換算來得到實際轉過的角度；安裝在基座(I)上的精密驅動電機b (37)上安裝編碼器測量拉伸的位移，換算之後即得到拉伸的位移。
6.根據權利要求1至5中任意一項所述的拉伸-扭轉複合載荷材料微觀力學性能原位測試儀，其特徵在於:所述的拉伸-扭轉複合載荷材料微觀力學性能原位測試儀置於掃描電鏡腔體中，與電鏡具有很好的兼容性。
【文檔編號】G01N3/28GK103926160SQ201410155051
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月18日 優先權日:2014年4月18日
【發明者】崔利娜, 趙宏偉, 吳博達, 程宏丙, 徐海龍, 吳慶玲, 李海蓮, 李建平, 史成利, 劉彥超 申請人:吉林大學