基於掃描電鏡下微型原位力學測試儀的製作方法

2023-12-11 18:03:02

基於掃描電鏡下微型原位力學測試儀的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種基於掃描電鏡下微型原位力學測試儀，包括固設在工作檯底板上的導軌、分別通過滑塊設置在導軌上的第I工作檯和第II工作檯、在兩工作檯上分別設置對應的夾具體，通過穿置在該兩個工作檯兩端的兩根絲槓及經兩級渦輪副驅動連接的直流伺服電機，實現試樣的拉、壓測試，通過另一直流伺服電機及經兩級渦輪副驅動連接的扭轉軸產生夾具體的扭轉，以實現試樣的扭轉測試。本實用新型可實現在掃描電子顯微鏡動態監測下的「拉伸/壓縮-剪切-扭轉」單一及複合載荷模式的原位力學測試。克服了傳統材料力學性能測試儀不能實現原位觀測和載荷單一的功能缺陷。
【專利說明】基於掃描電鏡下微型原位力學測試儀
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及微小型材料性能測試試驗機，是可在掃描電鏡動態監測下的拉壓-剪切-扭轉多載荷及複合加載模式的原位力學測試裝置，便於獲取更接近於材料實際服役條件下的微觀性能。
【背景技術】
[0002]傳統的材料力學性能測試技術大都停留在非原位測試階段，如抗拉/壓測試、衝擊測試、硬度測試、疲勞測試、蠕變測試(持久強度和應力鬆弛試驗)、斷裂韌性測試、抗彎測試、抗扭測試等。這些傳統的材料力學性能測試方法對人類開展學術研究與工程研究開發發揮了重要作用。但這些測試技術都是非原位測試，不能在材料性能測試過程中動態監測載荷作用下材料的變形損傷與性能演變規律，無法實現將材料的微觀結構、變形行為、損傷機制及其與外部載荷作用和材料性能進行直接對應測量，已不能滿足目前科技發展的需求。
[0003]其次，因各類固態材料及其製品服役期間工作條件較為複雜，不可避免地會受到拉伸/壓縮-剪切等多載荷模式的同時作用，相同材料在不同載荷模式下將表現出迥然不同的力學行為。通過國內外研究現狀的綜述分析，目前已有的原位力學測試技術都無法實現針對三維宏觀試件的接近材料真實力學服役條件下的多載荷模式的材料微觀力學性能測試。
[0004]其中，現有的微小型單一拉伸/壓縮模塊的加載方式，其主要結構是通過直流伺服電機驅動，進過中間一級蝸輪蝸杆減速機構後帶動單向絲槓旋轉，絲槓通過支座固定在地板上，夾具工作檯一段與螺母固連，另一端固定在地板上，當絲槓旋轉時，帶動螺母軸向移動，進而使一側夾具工作檯軸向移動，使試件軸向收到拉壓。其設計弊端在於加載方式單一，只能加載軸向力，不符合材料在實際服役條件下的受力情況。且不是雙向同步加載，很難保證原位觀測。
[0005]本實用新型，針對複合載荷模式下材料力學行為、損傷機制以及性能演變規律測試方面的重要發展趨勢以及現有研究存在的問題，從實現在掃描電子顯微鏡動態監測下的「拉伸/壓縮-剪切-扭轉」多載荷模式的原位力學測試原理與方法出發，著重研究測試平臺在精密驅動、多載荷模式加載、檢測、控制與原位監測等方面的基礎理論與關鍵技術，在此基礎上研製集「複合載荷、原位觀測」與一體的微小型測試平臺。

【發明內容】

[0006]本實用新型的目的是，針對傳統材料力學性能測試儀不能實現原位觀測和現有的微納米級材料力學測試儀載荷單一，不能觀測材料在接近實際服役條件下的力學行為、損傷機制以及性能演變規律的缺陷，提出一種由雙精密驅動電機分別驅動，兩級蝸輪蝸杆降速增扭，導軌與滾珠絲槓相互配合，光柵位移傳感器、S型力傳感器實時測量的微型原位材料力學性能測試儀，在「驅動、加載、檢測」等功能的測試平臺的配合下，實現在掃描電子顯微鏡動態監測下的「拉伸/壓縮-剪切-扭轉」單一及複合載荷模式的原位力學測試。
[0007]本實用新型按以下方案實現:
[0008]一種基於掃描電鏡下微型原位力學測試儀，包括一工作檯底板、固設在工作檯底板上的導軌、分別通過滑塊設置在導軌上的第I工作檯和第II工作檯、在兩工作檯上分別設置對應的夾具體；
[0009]穿置在該兩個工作檯兩端的兩根絲槓通過與每根絲槓上的兩段反向螺紋配合的兩個螺母中中的一個螺母與所述的第II工作檯固連，另一個螺母與第I工作檯外側的力傳感器支座固連，一力傳感器兩端分別固連在第I工作檯和力傳感器支座上；
[0010]在所述工作檯底板的一側固設第一直流伺服電機，其電機軸通過聯軸器與第一渦輪副的渦杆軸相連接，通過平行設置在第一渦輪副渦輪軸上的兩個二級傳動渦輪副的渦輪軸與所述的穿置在該兩個工作檯兩端的兩根絲槓的一端相連接；
[0011]在所述工作檯底板的另一側固設第二直流伺服電機，其電機軸通過聯軸器與第二渦輪副的渦杆軸相連接，通過設置在第二渦輪副渦輪軸上的二級傳動渦輪副的渦輪軸與通過軸承支撐座固設在工作檯底板上的花鍵套相連接；
[0012]在所述的第II工作檯中通過推力軸承設置一扭轉軸，一個所述的夾具體固設在扭轉軸的一端，扭轉軸的另一端製成花鍵軸插置在所述的花鍵套中並與其呈軸向滑配合。
[0013]在所述的導軌的一側設置一光柵位移傳感器，其兩端的接口模塊分別通過支架用螺釘固連在第I工作檯和第II工作檯側端上。
[0014]本實用新型具有以下優越效果:
[0015]I)本實用新型機構布局及尺寸是基於掃描電鏡的腔體結構進行設計的，以實現利用掃描電鏡對試驗過程進行實時動態觀測，其尺寸為250mm*150mm*80mm。與現有類似試驗機相比，不僅在機構尺寸上具有微型小型化的特點，同時也大大提高了試驗機測量精度，在掃描電鏡下實時觀測材料在接近實際服役條件下的力學行為、損傷機制以及性能演變規律，從而較為準確地得到材料的微觀力學性能。
[0016]2)在加載方式上有了很大改進，打破了現有大部分材料測試平臺只能進行單一載荷加載的局限性。採用兩個電機作為動力驅動源，分別為拉/壓一剪切、扭轉模塊提供動力，且克服了相互運動之間的幹涉問題，使三個模塊既能單獨工作，又可同時加載，可實現單一載荷測試，拉伸(壓縮)測試、扭轉測試、剪切測試，並可實現拉伸(壓縮)扭轉複合載荷測試，剪切扭轉複合載荷測試。可使材料的實驗條件最大化的接近實際工況下的服役情況。
[0017]3)本實用新型可突破現有大部分有材料測試技術手段，通過設計優化試驗機，可實現在掃描電鏡下對材料進行原位觀測。採用兩根精密雙向滾珠絲槓，保證試件加持工作檯具有較好的穩定性及載荷的均勻性，實現對材料進行原位觀測，從而可以更加直觀精確的觀測材料在服役條件下的微觀組織變化。
[0018]4)實驗平臺的布局緊湊合理，設計巧妙，並通過調整優化各個機構的位置，避免其產生幹涉現象。在扭轉、拉伸組合加載時，利用微型滾珠花鍵機構，巧妙避開了工作檯的拉伸運動對扭轉傳動鏈的幹涉。選擇滾珠花鍵，使軸向方向上的摩擦降到最小，並通過後期的標定、校正工作，最大化減小誤差。
【專利附圖】

【附圖說明】[0019]圖1是一種基於掃描電鏡下微型原位力學測試儀結構的軸測示意圖；
[0020]圖2是圖1所示測試儀的側視圖；
[0021]圖3是圖1中所示夾具體(7、8)的工作狀態示意圖，其中:
[0022]A、B、C、D為通過調整兩夾具體的相對位置，可以調整試件所受載荷力的方向，從而實現拉壓、剪切複合載荷。
【具體實施方式】
[0023]以下結合附圖給出的實施例對本實用新型作進一步詳細說明。
[0024]參照圖1、2，一種基於掃描電鏡下微型原位力學測試儀,包括一工作檯底板1、固設在工作檯底板I上的導軌2、分別通過滑塊3設置在導軌2上的第I工作檯4和第II工作檯5、在兩工作檯4、5上分別設置對應的夾具體7、8 ;
[0025]穿置在該兩個工作檯兩端的兩根絲槓6通過與每根絲槓上的兩段反向螺紋配合的兩個螺母中的一個螺母與所述的第II工作檯5固連，另一個螺母與第I工作檯4外側的力傳感器支座20固連，一力傳感器21兩端分別固連在第I工作檯4和力傳感器支座20上，用於測量材料拉壓實驗的力值；
[0026]通過絲槓6的正、反向旋轉可驅動工作檯5和力傳感器支座20進而同過力傳感器支座20拖動力傳感器21帶動第I工作檯4和第II工作檯5同時作相反或相向的直線移動，以實現拉伸或壓縮試驗，
[0027]在所述工作檯底板I的一側固設第一直流伺服電機9，其電機軸通過聯軸器與第一渦輪副的渦杆軸10相連接，通過平行設置在第一渦輪副的渦輪軸11上的兩個二級傳動渦輪副的渦輪軸12與所述的穿置在該兩個工作檯兩端的兩根絲槓6的一端相連接；
[0028]在所述工作檯底板I的另一側固設第二直流伺服電機13，其電機軸通過聯軸器與第二渦輪副的渦杆軸14相連接，通過設置在第二渦輪副的渦輪軸15上的二級傳動渦輪副的渦輪軸16與通過軸承支撐座17固設在工作檯底板上的花鍵套18相連接；
[0029]在所述的第II工作檯5中通過推力軸承設置一扭轉軸19，一個所述的夾具體7固設在扭轉軸18的一端，扭轉軸19的另一端製成花鍵軸插置在所述的花鍵套18中並與其呈軸向滑配合。
[0030]所述穿置在兩個工作檯兩端的兩根絲槓5的另一端上固設一力傳感器支座20，一力傳感器21兩端分別固連在所述的第I工作檯4和力傳感器支座20上。用於測量材料拉壓實驗的力值。
[0031]在所述的導軌2的一側設置一光柵位移傳感器22，其兩端的接口模塊分別通過支架用螺釘固連在第I工作檯4和第II工作檯5側端上，用於測量材料拉壓實驗的位移。
[0032]在所述的夾具體7、8上分別設置通過螺釘固定的夾持試樣壓板23。
[0033]參照圖3，所述的夾具體7、8通過內六角螺釘分別連接在第I工作檯4上和第II工作檯5中的扭轉軸19的軸端上。通過調整兩夾具體的相對位置，可以調整試件所受載荷力的方向，從而實現拉壓、剪切複合載荷。
[0034]本實用新型的工作原理如下:
[0035]I)單一拉伸/壓縮載荷。
[0036]第一直流伺服電機9通過與其驅動連接的渦輪副A和渦輪副B的二級降速增扭後驅動雙向絲槓6低速旋轉，當伺服電機正轉時，使兩個工作檯同時同速向相反方向低速運動，使工件拉伸；當伺服電機反轉時，使兩個工作檯同時同速相向低速運動，使工件壓縮。
[0037]2)單一扭轉載荷。
[0038]第二直流伺服電機12通過與其驅動連接的渦輪副C和渦輪副D的二級降速增扭後驅動花鍵套17旋轉，進而帶動與花鍵套17相配合的扭轉軸18旋轉，使待測工件承受扭矩。
[0039]3)剪切、拉伸複合載荷。當改變夾具體的不同安裝角度，可實現剪切、拉伸不同大小力的組合。(如附圖3)
[0040]參照圖3，對載荷的施加方式予以說明。通過內六角緊定螺釘調整I號夾具體7、8的相對位置，可以調整試件所受載荷力的方向。實現剪切與拉伸/壓縮不同受力的組合。扭轉載荷的施加通過第二直流伺服電機13實現，微型滾珠花鍵總成可避免拉伸載荷與扭轉載荷的幹涉。
[0041]4)拉伸/壓縮、剪切、扭轉符合載荷。當讓兩個伺服電機有相同或不同的轉速時，通過各自獨立的傳動機構，配合不同的夾具安裝角度可實現拉伸、扭轉，壓縮、扭轉，拉伸、剪切、扭轉，壓縮、剪切、扭轉等不同形式的複合載荷，最大程度接近材料在實際服役條件下的受力狀況。
[0042]整個機構根據掃描電鏡的腔體量身定做，結構小巧，可在掃描電鏡下觀測材料的整個受力變形過程。
【權利要求】
1.一種基於掃描電鏡下微型原位力學測試儀，包括一工作檯底板(I)、固設在工作檯底板(I)上的導軌(2)、分別通過滑塊(3)設置在導軌(2)上的第I工作檯(4)和第II工作檯(5)、在兩工作檯(4、5)上分別設置對應的夾具體(7、8)，其特徵在於: 穿置在該兩個工作檯兩端的兩根絲槓(6)通過與每根絲槓上的兩段反向螺紋配合的兩個螺母中的一個螺母與所述的第II工作檯(5)固連，另一個螺母與第I工作檯(4)外側的力傳感器支座(20)固連，一力傳感器(21)兩端分別固連在第I工作檯(4)和力傳感器支座(20)上； 在所述工作檯底板(I)的一側固設第一直流伺服電機(9)，其電機軸通過聯軸器與第一渦輪副的渦杆軸(10)相連接，通過平行設置在第一渦輪副渦輪軸(11)上的兩個二級傳動渦輪副的渦輪軸(12)與所述的穿置在該兩個工作檯兩端的兩根絲槓(6)的一端相連接； 在所述工作檯底板(I)的另一側固設第二直流伺服電機(13)，其電機軸通過聯軸器與第二渦輪副的渦杆軸(14)相連接，通過設置在第二渦輪副渦輪軸(15)上的二級傳動渦輪副的渦輪軸(16)與通過軸承支撐座(17)固設在工作檯底板上的花鍵套(18)相連接； 在所述的第II工作檯(5)中通過推力軸承設置一扭轉軸(19)，一個所述的夾具體(8)固設在扭轉軸(19)的一端，扭轉軸(19)的另一端製成花鍵軸插置在所述的花鍵套(18)中並與其呈軸向滑配合。
2.根據權利要求1所述的基於掃描電鏡下微型原位力學測試儀，其特徵在於，在所述的導軌(2)的一側設置一光柵位移傳感器(22)，其兩端的接口模塊分別通過支架用螺釘固連在第I工作檯(4)和第II工作檯(5)側端上。
3.根據權利要求1所述的基於掃描電鏡下微型原位力學測試儀，其特徵在於，在所述的夾具體(7、8)上分別設置通過螺釘固定的夾持試樣壓板(23)。
4.根據權利要求1所述的基於掃描電鏡下微型原位力學測試儀，其特徵在於，所述的夾具體(7、8)通過內六角緊定螺釘分別連接在第I工作檯(4)上和第II工作檯(5)中的扭轉軸(19)的軸端上。
【文檔編號】G01N3/00GK203405477SQ201320529232
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年8月28日 優先權日:2013年8月28日
【發明者】趙宏偉, 楊雪露, 劉國飛, 梁燚傑, 喻虎, 陳園園, 崔麗娜, 張霖 申請人:吉林大學