原位扭轉測試平臺及其觀測系統的製作方法

2023-06-09 07:11:27 2

本實用新型涉及精密科學儀器領域，具體而言，涉及一種原位扭轉測試平臺及其觀測系統。

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，涉及到扭轉載荷的力學參數如切變模量、扭轉屈服極限、抗扭強度等是材料重要的力學特性，但目前原位扭轉測試尚處起步階段，在力熱耦合作用下的原位扭轉測試領域還存在技術空白。由於原位扭轉測試技術發展不成熟，目前的原位扭轉測試設備無法集成熱場裝置，只能進行常溫下的扭轉測試，無法進行熱場作用下的原位扭轉測試。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於提供一種原位扭轉測試平臺，其能夠在熱場作用下對被測試樣受扭轉載荷過程中的扭轉力學特性進行原位檢測。

本實用新型的另一目的在於提供一種觀測系統，其能夠在熱場作用下對被測試樣扭轉過程中的微觀組織結構變化、變形損傷機制等進行原位觀測。

本實用新型的實施例是這樣實現的：

一種原位扭轉測試平臺，用於在力熱耦合場下對被測試樣進行測試，原位扭轉測試平臺包括：支撐單元、扭矩加載單元、夾持單元、溫度加載單元、檢測單元。支撐單元包括底座，扭矩加載單元安裝於底座，並通過夾持單元驅動被測試樣扭轉。夾持單元包括相對設置且均安裝於底座的第一夾體、第二夾體，被測試樣的兩端分別夾持於第一夾體和第二夾體。溫度加載單元包括用於對被測試樣進行加熱的加熱臺，加熱臺與底座連接，且位於第一夾體和第二夾體之間，加熱臺還設有用於容納被測試樣的凹槽。檢測單元包括第一檢測器和第二檢測器，第一檢測器與扭矩加載單元匹配連接，並測量扭矩加載單元的輸出扭轉角度，第二檢測器與第二夾體連接，並檢測被扭轉的被測試樣的扭矩。

優選地，溫度加載單元還包括隔熱板，加熱臺通過隔熱板安裝於底座。

優選地，溫度加載單元還包括隔熱塊，第二檢測器通過隔熱塊與第二夾體連接。

優選地，隔熱塊設有冷卻裝置。

優選地，第一夾體包括相互配合的第一夾具和第一壓板，第二夾體包括相互配合的第二夾具和第二壓板，第一夾具與扭矩加載單元連接，第一夾具與第一壓板連接並形成用於夾持被測試樣的第一夾孔，第二夾具與第二壓板連接並形成用於夾持被測試樣的第二夾孔，第一夾孔與第二夾孔同軸相對。

優選地，原位扭轉測試平臺還包括導向單元，導向單元包括固定座、支撐板和導軌，導軌安裝於底座，支撐板與導軌滑動連接，固定座固設於支撐板，第二檢測器安裝於固定座。

優選地，扭矩加載單元包括伺服電機、安裝於底座的減速箱、主軸，主軸與第一夾體連接並同步轉動，伺服電機分別與第一檢測器、減速箱匹配連接，減速箱的輸出軸驅動主軸轉動。

優選地，扭矩加載單元還包括相互配合傳動的第一蝸輪、第一蝸杆以及相互配合傳動的第二蝸輪、第二蝸杆，減速箱的輸出軸與第一蝸杆連接，第一蝸輪與第二蝸杆同步轉動配合，第二蝸輪與主軸連接。

優選地，第一檢測器為光電編碼器，第二檢測器為扭矩傳感器。

一種觀測系統，其包括上述的原位扭轉測試平臺。該觀測系統能夠在變溫條件下，對扭轉過程中的被測試樣的微觀組織結構變化、變形損傷機制等進行原位監測。

本實用新型實施例的有益效果是：本實用新型提供了一種原位扭轉測試平臺及其觀測系統。該原位扭轉測試平臺具有體積小巧、結構緊湊、測試精度高等優點，可與多種顯微設備相兼容形成觀測系統，併集成溫度加載單元，在熱場作用下，對被測試樣受扭轉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，揭示材料在力熱耦合環境下的微觀變形和裂紋擴展行為。

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1提供的原位扭轉測試平臺結構示意圖；

圖2為圖1的II部位的局部放大視圖；

圖3為本實用新型實施例1的夾持單元結構示意圖；

圖4為本實用新型實施例1的加熱臺結構示意圖。

圖標：100-原位扭轉測試平臺；110-支撐單元；112-底座；114-主軸承座；130-扭矩加載單元；132-伺服電機；134-減速箱；136-第一蝸杆；138-第一蝸輪；140-第二蝸杆；142-第二蝸輪；144-蝸杆軸；146-主軸；150-夾持單元；152-第一夾體；154-第二夾體；156-第一夾具；158-第一壓板；160-第二夾具；162-第二壓板；164-第一夾孔；165-被測試樣；170-溫度加載單元；172-隔熱板；174-加熱臺；176-隔熱塊；178-凹槽；190-檢測單元；192-第一檢測器；194-第二檢測器；210-導向單元；212-支撐板；214-固定座；216-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，需要說明的是，術語「上」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，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裝置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。

另外，術語「第一」、「第二」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」、「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。

實施例1

請參照圖1，本實施例提供一種原位扭轉測試平臺100，其包括支撐單元110、扭矩加載單元130、夾持單元150、溫度加載單元170、檢測單元190以及導向單元210。

支撐單元110包括底座112以及設於底座112上的主軸承座114。

扭矩加載單元130包括伺服電機132、減速箱134、相互配合傳動的第一蝸杆136和第一蝸輪138(請參照圖2)、相互配合傳動的第二蝸杆140和第二蝸輪142、蝸杆軸144以及主軸146。

伺服電機132與減速箱134連接，減速箱134固定安裝於底座112，減速箱134的輸出軸與第一蝸杆136連接，第一蝸輪138與第二蝸杆140同步轉動配合併通過緊定螺釘安裝於蝸杆軸144。主軸146與主軸承座114過盈配合，第二蝸輪142固定於主軸146的一端，主軸146的另一端與夾持單元150法蘭連接。

需要說明的是，減速箱134、第一蝸杆136和第一蝸輪138、第二蝸杆140和第二蝸輪142採用較大減速比，可將伺服電機132輸出的驅動轉矩實現較大程度的減速增矩，最終輸出超低應變速率，以滿足超低速準靜態加載的測試要求。可根據實際需求選擇合適的減速比，本實施例選用減速箱134減速比19：1，兩級蝸輪蝸杆減速比為400：1，基本屬於準靜態輸出，便於原位觀測和分析裂紋萌生、擴展形式。

夾持單元150包括相對設置的第一夾體152和第二夾體154，第一夾體152包括相互配合的第一夾具156和第一壓板158，第二夾體154包括相互配合的第二夾具160和第二壓板162。第一夾具156通過法蘭與主軸146連接，第一夾具156與第一壓板158連接並形成用於夾持被測試樣165的第一夾孔164，請參照圖3；第二夾具160與第二壓板162連接並形成用於夾持被測試樣165的第二夾孔(圖中未示出)。第一夾孔164與第二夾孔同軸相對，且形狀大小相同。

較佳地，為了避免被測試樣165在測試時發生滑動，本實施例將第一夾孔164與第二夾孔均設計為D字型。根據不同的測試需求，也可以將第一夾孔164與第二夾孔的截面設計為其他形狀，例如矩形、三角形等等。

溫度加載單元170包括隔熱板172、加熱臺174。隔熱板172固定安裝於底座112，隔熱塊176與第二夾具160連接。如圖4所示，加熱臺174設有用於容納被測試樣165的凹槽178。

較佳地，為了在對圓形的被測試樣165進行溫度加載的時候更方便地對圓形的被測試樣165的原位觀測，本實施例中將凹槽178設計為U型結構，從而使得觀測設備可以從凹槽178的上方對被測試樣165進行觀測。

較佳地，為了使檢測單元190在溫度加載時始終保持正常工作溫度，隔熱塊176設有冷卻裝置(圖中未示出)。本實施例中隔熱塊176採用水冷設計，其內部設有水道。冷卻裝置(圖中未示出)也可採用其它冷卻方式，如空氣循環冷卻。同時，夾持單元150採用耐熱材料製成，以減少溫度場對機械結構的影響。

檢測單元190包括第一檢測器192以及第二檢測器194。第一檢測器192與伺服電機132匹配連接，並測量伺服電機132的輸出扭轉角度，第二檢測器194通過隔熱塊176與第二夾具160連接，並檢測被測試樣165的扭矩。

較佳地，本實施例中，第一檢測器192選用光電編碼器，第二檢測器194選用扭矩傳感器。

導向單元210包括支撐板212、固定座214以及導軌216。導軌216固定安裝於底座112，支撐板212安裝於導軌216，固定座214安裝於支撐板212。隔熱塊176通過第二檢測器194與固定座214相連。較佳地，為了使測試更為精準，本實施例中支撐板212可滑動地安裝於導軌216。支撐板212及其上方包括第二夾體154、隔熱塊176、第二檢測器194均可沿導軌216滑動，從而可以在測試過程中對被測試樣165所受的附加軸向力進行卸載。同時，也能滿足不同長度的被測試樣165分別進行測試的需要。需要說明的是，如果不需要考慮被測試樣165所受的附加軸向力，也可將第二夾體154、隔熱塊176、第二檢測器194直接安裝於底座112。

原位扭轉測試平臺100的工作原理是：被測試樣165被第一夾體152和第二夾體154鎖緊後，打開隔熱塊176的冷卻裝置(圖中未示出)，再進行加熱臺174加熱溫度的調試。當測試溫度穩定後，打開原位扭轉測試平臺100的控制軟體，啟動伺服電機132，對被測試樣165施加扭轉載荷，伺服電機132輸出的動力通過減速箱134進行初次減速增扭，之後經過第一蝸杆136、第一蝸輪138、第二蝸杆140和第二蝸輪142進行二次減速增扭，最終將動力通過主軸146傳遞至第一夾體152，第一夾體152帶動被測試樣165一端進行轉動，被測試樣165另一端則由第二夾體154固定在固定座214上不轉動，實現對被測試樣165一端的扭轉。被測試樣165在扭轉載荷作用下，其軸向性能會發生變化，並導致軸向尺寸的變化，從而帶動安裝於固定座214上的第二夾體154在導軌216上產生直線運動。加載在被測試樣165的扭矩通過第二夾體154傳遞給扭矩傳感器(第二檢測器194)，由於扭矩傳感器(第二檢測器194)可隨支撐板212在導軌216上滑動，因此消除了因被測試樣165軸向的變化對扭矩測量的影響，提高扭矩的測量精度。當扭矩傳感器(第二檢測器194)檢測到的被測試樣165的扭轉角度與光電編碼器(第一檢測器192)檢測到的伺服電機132發出的扭轉角度一致時，停止轉動。通過計算機軟體系統對送入角位移和扭矩信號的處理，得到被測試樣165在扭轉載荷下的材料力學參數。

實施例2

本實施例提供一種觀測系統，該觀測系統可根據實際需求，選用不同的顯微設備與原位扭轉測試平臺100組合而成。例如，透射電鏡、掃描電子顯微鏡、工業CT等等。本實施例以掃描電子顯微鏡結合原位扭轉測試平臺100使用為例，對該觀測系統進行工作原理說明。

被測試樣165採用車削加工再通過線切割方式將夾持部分加工出用於夾持的對稱平面，並利用小型外圓拋光機對被測試樣165進行拋光處理，得到可用於高解析度顯微成像監測的較好表面光潔度，或者通過化學腐蝕等工藝得到金相等顯微形貌。然後將被測試樣165進行鎖緊。關閉掃描電子顯微鏡真空腔密閉擋板，並通過掃描電子顯微鏡自身的載物平臺在XOY平面內擬定測試點的準確位置。接下來開始實施例1中原位扭轉測試平臺100的工作過程。在測試的整個過程中，被測試樣165在扭轉載荷作用下材料的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，結合軟體亦可實時獲取表徵材料力學性能的應力-應變曲線、切變模量、彈性模量等重要力學參數。

需要說明的是，為確保更高的測量精度，本實用新型在測試前，需要對原位扭轉測試平臺100以及觀測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/角度信號的幹擾，並將剛度影響係數添加到應力-應變曲線中去。另外，測試前溫度加載單元170的標定工作也不可忽視，保證溫度加載的準確性，將溫度波動控制在一定範圍。

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。