剪切—扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能原位測試平臺的製作方法
2023-05-25 00:05:11
剪切—扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能原位測試平臺的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種剪切—扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能原位測試平臺，屬於精密科學儀器領域。由精密剪切加載驅動單元、精密扭轉加載驅動單元、力學和變形信號檢測單元、試件夾持單元等部分組成，可分別進行純剪切和純扭轉的單一載荷作用材料微觀力學性能測試，還可以進行剪切—扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能測試。優點在於：功能多樣、結構緊湊輕巧，具有驅動、加載、檢測和多項材料微觀性能動態測試的功能，與商業化主流的掃描電子顯微鏡、光學顯微鏡（金相顯微鏡）、X射線衍射儀等儀器良好的兼容性，可結合這類材料性能測試表徵儀器動態研究不同類型載荷作用情況下材料的微觀組織結構與變形損傷機制的相關性規律。
【專利說明】剪切一扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能原位測試平臺
【技術領域】
[0001]本發明屬於精密科學儀器類，特別涉及一種剪切一扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能原位測試平臺。可作為純剪切或純扭轉的單一載荷作用材料微觀力學性能測試平臺獨立使用，亦可實現在給定剪切應力水平下的扭轉載荷作用材料微觀力學性能測試或給定扭轉力矩狀態下的剪切載荷作用材料微觀力學性能測試，即複合載荷加載模式的材料微觀力學性能測試。此外，該平臺可在掃描電子顯微鏡、光學顯微鏡(金相顯微鏡)、X射線衍射儀等儀器的原位監測下進行包括原位剪切載荷加載模式的材料微觀力學性能測試、原位扭轉載荷加載模式的材料微觀力學性能測試、原位剪切一扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能測試，從而實現對被測材料的微觀力學行為和變性損傷過程進行實時觀察。同時，通過對驅動單元的閉環控制，力學和變形信號檢測單元對剪切加載驅動單元的剪切壓力、直線位移信號的採集及力學和變形信號檢測單元對扭轉加載驅動單元的扭矩、角位移信號的採集，也可擬合被測材料在剪切一扭轉複合作用下的應力應變歷程，為複合載荷加載模式下材料的微觀力學性能測試提供了方法。
【背景技術】
[0002]原位納米力學測試是指在納米尺度下對試件材料進行力學性能測試過程中，通過電子顯微鏡、原子力顯微鏡或光學顯微鏡等儀器對載荷作用下材料發生的微觀變形損傷進行全程動態監測的一種力學測試技術。該技術深入的揭示了各類材料及其製品的微觀力學行為、損傷機理及其材料性能與所受載荷間的相關性規律。目前，為了測量材料及其製品的彈性模量、硬度、斷裂極限、切變模量等重要參數，基於納米力學測試，提出了多種測試方法，如拉伸/壓縮法、剪切法、扭轉法、彎曲法和納米壓痕法等。但是，在實際工況下，材料及其製品受到的載荷形式往往是非單一模式的，如拉伸/壓縮一彎曲複合載荷模式、拉伸/壓縮一扭轉複合載荷模式、剪切一扭轉複合模式等。相對單一模式，複合載荷模式下工作的材料及構件的受力情況、變形、破壞失效的原因也更複雜。因此，採用針對單一載荷形式的力學測試方法難以準確表達實際工況下材料及構件的受載形式，即無法對複合載荷作用下材料的力學性能做出準確評價。
[0003]因此，為了對材料及其製品在複合載荷模式作用下的力學性能及變性損傷機製做出準確評價，實現對不同單一載荷模式的解析，同時，實現對兩種或多種載荷模式獨立加載或依次加載，發明了多種載荷複合模式的原位測試平臺，如顯微鏡下拉壓彎複合載荷模式材料力學性能測試裝置等。
[0004]本剪切一扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能原位測試平臺，作為能夠直觀反映材料力學性能的有效評價手之一，可直接獲取如切變模量等重要力學參數，基於剪切、扭轉兩種單一載荷形式的複合載荷加載模式亦在實際工況中較為普遍，且常是導致材料及其製品失效破壞的原因之一。微觀尺度下對試件材料進行原位微觀力學性能測試過程中，通過掃描電子顯微鏡等成像儀器可對載荷作用下試件發生的微觀變形、損傷、失效破壞的過程進行全程動態監測。通過這種力學測試手段，可以揭示出外載荷作用下，材料變形損傷的規律，且可避免因為微構件的尺寸效應等問題帶來的困擾，這將更有利於研究材料及其製品在服役狀態下的真實微觀力學行為與變形損傷機制。
[0005]綜上所述，設計一種可用於顯微鏡下純剪切載荷加載模式、純扭轉載荷加載模式以及剪切一扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能原位測試的測試平臺十分必要。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在於設計一種剪切一扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能原位測試平臺，可以實現純剪切載荷加載模式、純扭轉載荷加載模式、以及基於以上兩種載荷模式的剪切一扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能原位測試，其中複合載荷加載模式下，試件的受力狀況更接近實際工況下材料的複雜受力情況。本測試平臺結構小、質量輕，可藉助掃描電子顯微鏡、光學顯微鏡(金相顯微鏡)、X射線衍射儀等成像系統，對上述測試過程進行實時觀察，如對材料的裂紋萌生、裂紋擴展和材料的失效斷裂過程進行原位監測，進而對材料在單一載荷模式及複合載荷模式加載作用下的微觀力學行為、變形損傷機制進行深入研究。同時，通過對驅動單元的閉環控制及載荷/位移信號的採集，亦可擬合材料在複合載荷加載模式作用下的應力應變歷程，為複合載荷加載模式的材料微觀力學性能原位測試提供了方法。
[0007]本發明的上述目的通過以下技術方案實現:
剪切一扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能原位測試平臺，包括精密剪切加載驅動單元、精密扭轉加載驅動單元、力學和變形信號檢測單元、試件夾持單元等，精密剪切加載驅動單元和精密扭轉加載驅動單元通過螺栓固定在測試平臺基座I上，保證精密剪切加載驅動單元終端輸出的直線移動方向與精密扭轉加載荷驅動單元終端輸出的旋轉運動的軸線相垂直；試件夾持單元配合精密扭轉加載驅動單元實現對試件的固定、夾緊和施加扭矩，力學和變形信號檢測單元的各個元器件分布在精密剪切加載驅動單元、精密扭轉加載驅動單元中，以實現各自的功能。其中，精密剪切加載驅動單元、精密扭轉加載驅動單元的運動時序可控，且分別獨立驅動；即測試平臺可分別進行純剪切和純扭轉的單一載荷作用材料微觀力學性能測試，特別是可以進行剪切一扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能測試。
[0008]所述精密剪切加載驅動單元是:安裝了編碼器I 14的直流伺服電機I 15與由減速器16、同步帶18、同步帶輪I 20、及精密雙向滾珠絲槓7所構成的傳動單元I相連，直流伺服電機I 15以脈衝/換向方式輸出精密角位移及可控扭矩，通過與直流伺服電機I 15相連接的減速器I 16、同步帶18、同步帶輪I 20及精密雙向滾珠絲槓7等組成的傳動單元I將直流伺服電機I 15提供的旋轉運動轉換成直線運動，直流伺服電機I 15通過法蘭架
I17與測試平臺基座I相連；精密雙向滾珠絲槓7通過絲槓固定基座1、II 3、21與測試平臺基座I相連；
所述精密扭轉加載驅動單元是:安裝了編碼器II 35的直流伺服電機II 34與由減速器
II33、蝸輪30、蝸杆31構成的傳動單元II相連接，直流伺服電機II 34以脈衝/換向方式輸出精密角位移及可控扭矩，通過與直流伺服電機34相連接的減速器II 33、蝸杆31、蝸輪30等組成的傳動單元II將直流伺服電機II 34提供的旋轉運動傳遞給夾具體II 27，直流伺服電機II 34通過法蘭架II 32與測試平臺基座I相連，所述蝸杆31與減速器II 33螺釘連接，渦輪30與夾具體II 27螺釘連接，夾具體II 27通過軸承I 29、支承座I 28與測試平臺基座I相連。
[0009]所述力學和變形信號檢測單元由壓力傳感器1、II 2、23和扭矩傳感器11組成的力學信號檢測單元，由光柵角位移傳感器25、直線位移傳感器44組成的位移信號檢測單元，及編碼器1、11 14、35組成，分別用以檢測複合載荷測試中被測試件受到的載荷一剪切力、扭矩，以及試件產生的變形量一剪切深度和扭轉角度；所述壓力傳感器II 23的一端與壓力傳感器基座I 24連接，另一端與壓頭II 22連接；壓力傳感器I 2的一端與壓力傳感器基座II 36連接，另一端與壓頭I 6連接；扭矩傳感器11的一端與扭矩傳感器基座12連接，另一端與試件夾持單元的夾具體I 10連接；直線位移傳感器44的兩端分別連接到滑動導軌I 5上與兩個絲槓螺母對應的絲槓螺母支架1、II 4、19上；光柵角位移傳感器25直接與試件8相連；所述編碼器I 14與直流伺服電機I 15的轉子同軸連接，編碼器II 35與直流伺服電機II 34的轉子同軸連接。
[0010]所述壓力傳感器1、II 2、23及編碼器I 14可分別通過載荷模擬信號及編碼器標定變形數位訊號為直流伺服電機I 15提供精密脈衝/方向閉環控制模式的反饋源；扭矩傳感器11及編碼器II 35可分別通過載荷模擬信號及編碼器標定變形數位訊號為直流伺服電機II 34提供精密脈衝/方向閉環控制模式的反饋源。
[0011]所述的夾持單元由夾具體II 27、支承座II 50、支承座III 52和夾具體I 10組成，其中支承座II 50與測試平臺基座I通過內六角螺栓剛性連接，支承座III 52通過內六角螺栓與滑動基座55連接；夾具體1、II 10,27與試件8之間通過螺釘定位、夾緊及傳遞扭矩。夾具體I 10通過螺栓與扭矩傳感器11相連，通過兩對螺釘對試件8進行固定、夾緊，該夾具體僅能沿試件軸向方向移動，無法進行轉動，通過支承座III 52固定在滑動基座55上；夾具體II 27也是通過兩對螺釘對試件8進行固定、夾緊的，並通過其轉動對試件施加扭矩，通過軸承I 29、軸承座I 28與測試平臺基座I相連。滑動導軌II 13為滑動基座55提供支撐與導向的作用，保證在進行扭轉測試的過程中，滑動基座55帶動包括扭矩傳感器基座12和夾具體I 10等沿試件軸向自動進行調整，以適應測試過程中，試件在該方向尺寸的變化。
[0012]所述的減速器I 16及精密滾珠絲槓7通過鍵分別與同步帶輪1、II 48,20連接。
[0013]所述的精密剪切載荷驅動單元通過旋轉調節旋鈕1、II 9、26，可使壓力傳感器基座I1、I 36,24分別沿著滑動導軌V、IV 58,46移動，從而對壓頭1、II 6、22的剪切位置進行調整。
[0014]所述的精密雙向滾珠絲槓7設有兩段導程相同、旋向相反的小導程滾道，以確保在剪切測試過程中，與絲槓螺母連接的絲槓螺母基座1、II 4、19分別帶動剪切壓頭1、II 6、22以相同的速度相向運動。同時，導軌滑塊I 42等通過燕尾槽型機構緊貼於精密導軌軌道上，並分別與滾珠絲槓螺母基座1、II 4、19剛性相連，對精密雙向滾珠絲槓螺母副所輸出的往復運動起到精密導向作用。
[0015]本發明所述的測試平臺主體尺寸為235mmX185.5mmX82.5mm,可安裝於掃描電子
顯微鏡、光學顯微鏡(金相顯微鏡)、X射線衍射儀等儀器上，即與主流高解析度顯微成像組件均具有良好的結構兼容性。
[0016]本發明的有益效果在於:與現有技術相比，本發明可同時實現剪切、扭轉兩種載荷加載模式獨立加載或依次加載，不但可以實現對剪切和扭轉單一載荷加載模式的解析，還能夠就材料及其製品在剪切一扭轉複合加載模式作用下的微觀力學性能及變性損傷機製做出準確評價。測試材料範圍廣，測試內容豐富，包括金屬材料、陶瓷、非晶合金以及骨骼等生物材料均在可測範圍之內。同時本測試平臺結構小、質量輕，能夠藉助如掃面電子顯微鏡、光學顯微鏡(金相顯微鏡)、x射線衍射儀等成像儀器，對被測材料的微觀組織結構、微觀力學行為和變性損傷過程進行實時觀察，實現原位測試。此外，載荷傳感器、光柵角位移傳感器和編碼器等測量、控制元器件的結合，可以實現對該原位測試平臺的精確閉環控制。綜上所述，本發明不但具有良好的應用、開發前景，而且對原位測試技術及裝置的發展有著重要意義。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明的整體外觀結構示意圖；
圖2為本發明的精密剪切加載驅動單元結構示意圖；
圖3為本發明的精密扭轉加載驅動單元結構示意圖；
圖4為本發明的精密剪切加載驅動單元的向視圖；
圖5為本發明的試件夾持單元夾持試件時的結構示意圖。
[0018]圖中:1、測試平臺基座；2、壓力傳感器I ;3、絲槓固定基座I ;4、絲槓螺母支架I ;5、滑動導軌I ;6、壓頭I ;7、精密雙向滾珠絲槓；8、試件；9、調節旋鈕I ;10、夾具體
I;11、扭矩傳感器；12、扭矩傳感器基座；13、滑動導軌II ;14、編碼器I ;15、直流伺服電機I ;16、減速器I ;17、法蘭架I ;18、同步帶；19、絲槓螺母支架II ;20、同步帶輪I ;21、絲槓固定基座II ;22、壓頭II ;23、壓力傳感器II ;24、壓力傳感器基座I ;25、光柵角位移傳感器；26、調節旋鈕II ;27、夾具體II ;28、支承座I ;29、軸承I ;30、蝸輪；31、蝸杆；32、法蘭架II ;33、減速器II ;34、直流伺服電機II ;35、編碼器II ;36、壓力傳感器基座II ;37、軸承
II;38、精密絲槓螺母；39、旋鈕座I ;40、軸承III ;41、彈簧；42、滑塊I ;43、旋鈕座II ;44、直線位移傳感器；45、滑動導軌111;46、滑動導軌IV;47、滑塊II ;48、同步帶輪II ;49、滑動導軌VI ;50、支承座II ;51、軸承V ;52、支承座III ;53、軸承VI ;54、滑塊III ;55、滑動基座；56、滑塊IV ;57、滑塊V ;58、滑動導軌V。
【具體實施方式】
[0019]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】。
[0020]參見圖1至圖5，發明的剪切一扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能原位測試平臺，包括精密剪切加載驅動單元、精密扭轉加載驅動單元、力學和變形信號檢測單元、試件夾持單元，精密剪切加載驅動單元和精密扭轉加載驅動單元通過螺栓固定在測試平臺基座I上，保證精密剪切加載驅動單元終端輸出的直線移動方向與精密扭轉加載荷驅動單元終端輸出的旋轉運動的軸線相垂直；試件夾持單元配合精密扭轉加載驅動單元實現對試件的固定、夾緊和施加扭矩，力學和變形信號檢測單元的各個元器件分布在精密剪切加載驅動單元、精密扭轉加載驅動單元中，以實現各自的功能。其中，精密剪切加載驅動單元、精密扭轉加載驅動單元的運動時序可控，且分別獨立驅動；即測試平臺可分別進行純剪切和純扭轉的單一載荷作用材料微觀力學性能測試，特別是可以進行剪切一扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能測試。[0021]所述精密剪切加載驅動單元是:直流伺服電機I 15安裝編碼器I 14後，與減速器
I16、同步帶18、同步帶輪I 20及精密雙向滾珠絲槓7構成的傳動單元相連接,直流伺服電機I 15以脈衝/換向方式輸出精密角位移及可控扭矩，通過與直流伺服電機I 15相連的減速器I 16、同步帶18、同步帶輪I 20及精密雙向滾珠絲槓7等組成的傳動單元將直流伺服電機I 15提供的旋轉運動轉換成直線運動，直流伺服電機I 15通過法蘭架I 17與測試平臺基座I相連；精密滾珠絲槓7兩端分別通過軸承II >11137,40,絲槓固定基座1、II 3、21與測試平臺基座I相連。精密絲槓螺母38與滾珠絲槓7 —起形成滾珠絲槓螺母副，精密絲槓螺母38安裝於絲槓螺母支架I 4上。
[0022]所述精密扭轉加載驅動單元是:直流伺服電機II 34安裝編碼器II 35後，與減速器
II33、蝸杆31、蝸輪30所構成的傳動單元II相連，直流伺服電機II 34以脈衝/換向方式輸出精密角位移及可控扭矩，通過與直流伺服電機II 34相連接的減速器II 33、蝸杆31、蝸輪30等組成的傳動單元II將直流伺服電機II 34提供的旋轉運動傳遞給夾具體II 27，直流伺服電機II 34通過法蘭架II 32與測試平臺基座I相連；所述蝸杆31與減速器II 33螺釘連接，渦輪30與夾具體II 27螺釘連接，夾具體II 27通過軸承I 29、支承座I 28與測試平臺基座I相連。
[0023]所述力學和變形信號檢測單元包括壓力傳感器1、II 2、23、扭矩傳感器11組成的力學信號檢測單元，光柵角位移傳感器25、直線位移傳感器44組成的變形信號檢測單元，以及編碼器1、II 14、35。壓力傳感器1、II 2、23用以檢測純剪切載荷加載模式和剪切一扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能測試中被測試件8所受的剪切應力，扭矩傳感器11用以檢測純扭轉載荷加載模式和剪切一扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能測試中被測試件8所受的扭矩，光柵角位移傳感器25用以檢測純扭轉載荷加載模式和剪切一扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能測試中被測試件8的扭轉角度，直線位移傳感器44用以檢測純剪切載荷加載模式和剪切一扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能測試中剪切壓頭的剪切深度。同時，壓力傳感器1、11 2、23、直線位移傳感器44和編碼器14通過模擬信號與數位訊號的轉換，從而對直流伺服電機I 15實現精確閉環控制；扭矩傳感器11、光柵角位移傳感器25和編碼器II 35通過模擬信號與數位訊號的轉換，為直流伺服電機II 34提供精密脈衝/方向閉環控制模式的反饋源；壓力傳感器II 23的一端與壓力傳感器基座I 24連接，另一端與剪切壓頭II 22連接；壓力傳感器I 2的一端與壓力傳感器基座II 36連接，另一端與剪切壓頭I 6連接；扭矩傳感器11的一端與扭矩傳感器基座12連接，另一端與試件夾持單元的夾具體I 10連接；直線位移傳感器44的兩端分別連接到滑動導軌I 5、滑動導軌III 45上與兩個精密絲槓螺母對應的絲槓螺母支架1、II 4、19上；光柵角位移傳感器25直接與試件8相連。所述編碼器I 14與直流伺服電機I 15的轉子同軸連接，編碼器II 35與直流伺服電機II 34的轉子同軸連接。
[0024]所述的夾持單元由夾具體II 27、支承座II 50、支承座III 52和夾具體I 10組成，其中支承座II 50與測試平臺基座I通過內六角螺栓剛性連接，支承座III 52通過內六角螺栓與滑動基座55連接；夾具體1、II 10,27與試件8之間通過螺釘定位、夾緊及傳遞扭矩。夾具體I 10通過螺栓與扭矩傳感器11相連，通過兩對螺釘對試件8進行固定、夾緊，該夾具體僅能沿試件軸向方向移動，無法進行轉動，通過支承座III 52固定在滑動基座55上；夾具體II 27也是通過兩對螺釘對試件8進行固定、夾緊的，並通過其轉動對試件施加扭矩，通過軸承1、軸承V、軸承VI 29、51、53和支承座1、II JII 28,50,52與測試平臺基座I相連。滑動導軌II 13為滑動基座55提供支撐與導向的作用，保證在進行扭轉測試的過程中，滑動基座55帶動包括扭矩傳感器基座12和夾具體I 10等沿試件軸向自動進行調整，以適應測試過程中，試件在該方向尺寸的變化。
[0025]所述的精密剪切加載驅動單元由同步帶傳動實現運動及動力傳遞，其中同步帶輪
I1、I 20,48通過鍵分別與精密雙向滾珠絲槓7和減速器I 16的輸出軸相連接。
[0026]所述的精密雙向滾珠絲槓7設有兩段導程相同、旋向相反的小導程滾道，又由於壓頭1、11 6、22，壓力傳感器1、11 2、23，傳感器基座I1、I 36、24等零件或元器件完全對稱，使得在精密雙向滾珠絲槓7工作時，壓頭1、11 6、22以相同的速率相向運動，即測試過程中剪切位置保持不變，以確保在剪切測試過程中，與絲槓螺母連接的絲槓螺母支架1、114、19分別帶動壓頭1、116、22以相同的速度相向運動。同時，滑塊I 42等通過燕尾槽型機構緊貼於精密導軌軌道上，並分別與滾珠絲槓螺母支架1、11 4、19剛性相連，對精密雙向滾珠絲槓螺母副所輸出的往復運動起到精密導向作用。
[0027]所述的剪切一扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能原位測試平臺中，旋轉調節旋鈕1、II 9、26，可以通過固定在壓力傳感器基座I1、I 36、24上的旋鈕座I1、I 43、39使壓力傳感器基座I1、I 36、24分別通過滑塊乂、11 57、47沿著滑動導軌V、IV58、46水平運動，帶動剪切壓頭22和6沿著試件軸向運動，從而調整剪切壓頭1、II 6、22的切入位置，壓力傳感器基座下各有兩個同彈簧41 一樣的彈簧，用來保證調整旋轉調節旋鈕後的壓力傳感器基座的穩定性。
[0028]所述的剪切一扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能原位測試平臺中，精密扭轉加載驅動單元和精密扭轉加載驅動單元分別由直流伺服電機I1、I 34、15驅動，這兩個單元的運動時序可控且相互獨立，因此該測試平臺可以分別實現純剪切載荷加載模式、純扭轉載荷加載模式以及剪切一扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能原位測試。
[0029]所述的夾具體I 10通過扭矩傳感器11與扭矩傳感器基座12相連，扭矩傳感器基座12和支承座III 52共同連接到滑動基座55，該滑動基座通過內六角螺母與滑塊II1、IV 54、56等剛性相連，在精密扭轉測試的過程中，該滑動基座55通過滑動導軌I1、VI 13、49上的滑塊水平移動，以適應試件軸向尺寸的變化。
[0030]所述的測試平臺主體尺寸為235mmX 185.5mmX82.5mm,可安裝掃描電子顯微鏡、光學顯微鏡(金相顯微鏡)、X射線衍射儀等儀器上，即與主流高解析度顯微成像組件均具有良好的結構兼容性，因此，可以對上述三種模式的力學性能原位測試進行在線實時觀察，進而對材料在單一載荷加載模式以及複合載荷加載模式作用下的微觀力學行為和變形損傷機制進行深入研究。
[0031]參見圖1至圖5，發明的剪切一扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能原位測試平臺中，安裝試件前，需要對夾具體1、11 10、27進行復位操作，要求復位後用於固定、夾緊的螺釘水平分布，以便於後續操作的進行。在實施測試前，需要對用於純剪切載荷加載模式測試和剪切一扭轉複合加載模式測試的壓力傳感器1、II 2,23,以及用於純扭轉載荷加載模式測試和剪切一扭轉複合加載模式測試的扭矩傳感器11進行標定測試，同時利用雷射測微儀對在一定載荷作用下傳感器的彈性變形值進行測試，便於對扭轉載荷加載模式測試及剪切一扭轉複合加載模式測試下試件的變形量進行計算。[0032]對於剪切一扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能測試，根據兩種載荷的加載順序不同，可分為如下三種模式:模式一為在剪切測試的同時，進行扭轉測試；模式二為在扭轉測試完成以後，再進行剪切測試，即實現在已有扭轉應力狀態下的剪切測試；另一個模式為在剪切測試完成以後，再進行扭轉測試，即實現在已有剪切應力狀態下的扭轉測試。
[0033]由於需要對測試進行實時觀察，因此為了為便於顯微成像系統對被測試件8的觀測及圖像採集，需要對試件部分表面進行研磨過其他方式的表面處理，以獲得較高的表面精度。也可以通過化學腐蝕等工藝得到試件的金相等顯微形貌，以便對測試過程進行觀察及對結果進行分析。
[0034]對於上述的三種測試模式，模式一的測試過程可以分析如下:給定編碼器II 35標定速率作為被測試件8的恆應變速率，此應變速率範圍為0.5um/s至50um/s，或以扭矩傳感器11提供的模擬量信號作為反饋源提供的恆載荷速率，在脈衝信號的控制下直流伺服電機II 34輸出精確角位移，通過減速器II 33、蝸杆31和蝸輪30的減速增扭，將電機輸出的旋轉運動傳遞到夾具體II 27上，同時，扭矩傳感器11及編碼器II 35對扭矩T進行檢測及夾具體II 27的轉速進行同步拾取。在扭轉載荷加載模式測試的任意應力水平下，以脈衝方式驅動直線電機I 15輸出精密直線位移，進行獨立的剪切測試，直至顯微成像組件觀測到初始裂紋源及其萌生或失效破壞現象。同時，如前所述，通過對在一定載荷作用下傳感器的彈性變形值進行的標定測試，亦可較為準確的間接計算出試件在剪切及扭轉作用下的應變值。另外兩個模式的測試過程與此類似。
[0035]在測試的整個過程中，被測試件的裂紋萌生、擴展及變形損傷情況由高放大倍率的掃描電子顯微鏡成像系統進行動態監測，並可同時記錄圖像，結合調試軟體亦可實時獲取表徵材料力學性能的工程應力應變曲線及抗彎強度、抗拉強度等重要力學參數。
[0036]以上所述僅為本發明的優選實例，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有多種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1. 一種剪切一扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能原位測試平臺，其特徵在於:包括精密剪切加載驅動單元、精密扭轉加載驅動單元、力學和變形信號檢測單元、試件夾持單元，精密剪切加載驅動單元和精密扭轉加載驅動單元通過螺栓固定在測試平臺基座(1)上，保證精密剪切加載驅動單元終端輸出的直線移動方向與精密扭轉加載荷驅動單元終端輸出的旋轉運動的軸線相垂直；試件夾持單元配合精密扭轉加載驅動單元實現對試件的固定、夾緊和施加扭矩，力學和變形信號檢測單元的各個元器件分布在精密剪切加載驅動單元、精密扭轉加載驅動單元中，以實現各自的功能；其中，精密剪切加載驅動單元、精密扭轉加載驅動單元的運動時序可控，且分別獨立驅動；即測試平臺可分別進行純剪切和純扭轉的單一載荷作用材料微觀力學性能測試，特別是可以進行剪切一扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能測試。
2.根據權利要求1所述的剪切一扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能原位測試平臺，其特徵在於:所述的精密剪切加載驅動單元是:直流伺服電機I (15)安裝編碼器I(14)後，與減速器I (16)、同步帶(18)、同步帶輪I (20)及精密雙向滾珠絲槓(7)構成的傳動單元I相連，直流伺服電機I (15)通過法蘭架I (17)與測試平臺基座(1)相連；精密雙向滾珠絲槓(7)通過絲槓固定基座1、11 (3、21)與測試平臺基座(1)相連。
3.根據權利要求1所述的剪切一扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能原位測試平臺，其特徵在於:所述精密扭轉加載驅動單元是:直流伺服電機II (34)安裝編碼器II (35)後，與減速器II (33)、蝸杆(31)、蝸輪(30)所構成的傳動單元II相連，直流伺服電機II (34)通過法蘭架II (32)與測試平臺基座(1)相連，所述蝸杆(31)與減速器II (33)通過螺釘連接，渦輪(30)與夾具體II (27)通過螺釘連接，夾具體II (27)通過軸承I (29)、支承座I(28)與測試平臺基座⑴相連。
4.根據權利要求1所述的剪切一扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能原位測試平臺，其特徵在於:所述力學和變形信號檢測單元由壓力傳感器1、II (2,23)和扭矩傳感器(11)組成的載荷信號檢測單元，光柵角位移傳感器(25)、直線位移傳感器(44)組成的位移信號檢測單元，編碼器1、11 (14,35)組成，壓力傳感器II (23)的一端與壓力傳感器基座I(24)連接，另一端與剪切壓頭II (22)連接；壓力傳感器I (2)的一端與壓力傳感器基座II(36)連接，另一端與剪切壓頭I (6)連接；扭矩傳感器(11)的一端與扭矩傳感器基座(12)連接，另一端與零件夾持單元的夾具體I (10)連接；直線位移傳感器(44)的兩端分別連接到滑動導軌I (5)上與兩個絲槓螺母對應的絲槓螺母支架1、II (4,19)上；光柵角位移傳感器(25)直接與試件(8)相連；所述編碼器I (14)與直流伺服電機I (15)的轉子同軸連接，編碼器II (35)與直流伺服電機II 34的轉子同軸連接。
5.根據權利要求1所述的剪切一扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能原位測試平臺，其特徵在於:所述試件夾持單元的夾具體I (10)通過螺栓與扭矩傳感器(11)相連；夾具體II (27)通過軸承I (29)、軸承座I (28)與測試平臺基座(1)相連，所述夾具體1、II(10,27)與被測試件(8)間通過螺釘固定、夾緊和傳遞扭矩。
6.根據權利要求2所述的剪切一扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能原位測試平臺，其特徵在於:所述的精密剪切加載驅動單元通過旋轉調節旋鈕1、II (9、26)，可使壓力傳感器基座I1、I (36、24)分別沿著導軌乂、1￥(58、46)移動，從而對兩個剪切壓頭1、11(6,22)的剪切位置進行調整；減速器I (16)及精密滾珠絲槓(7)通過鍵分別與同步帶輪I1、I (48、20)連接；精密雙向滾珠絲槓(7)設有兩段旋向相反的小導程滾道。
7.根據權利要求3所述的剪切一扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能原位測試平臺，其特徵在於:所述的蝸杆(31)和減速器II (33)之間、渦輪(30)和夾具體II (27)之間均通過螺釘連接。
8.根據權利要求5所述的剪切一扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能原位測試平臺，其特徵在於:所述夾具體1、II (10、27)與被測試件8間通過螺釘固定、夾緊和傳遞扭矩。
9.根據權利要求4所述的剪切一扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能原位測試平臺，其特徵在於:採用光柵角位移傳感器25測量的角位移值來換算得到試件有效長度內的旋轉角度。
10.根據權利要求1至9中任意項所述的剪切一扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能原位測試平臺，其特徵在於:所述的剪切一扭轉複合加載模式的材料微觀力學性能原位測試平臺主體尺寸為235mmX 185.5mmX82.5mm。
【文檔編號】G01N3/00GK103528880SQ201310487178
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月17日 優先權日:2013年10月17日
【發明者】趙宏偉, 高景, 劉陽, 董曉龍, 韓磊, 劉宏達, 魯帥, 佟達, 李爍, 楊倚寒 申請人:吉林大學