掃描電鏡下微弧度級精度原位扭轉材料力學性能測試裝置的製作方法

2023-12-11 15:40:57

專利名稱：掃描電鏡下微弧度級精度原位扭轉材料力學性能測試裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及機電領域，特別涉及一種掃描電鏡下微弧度級精度原位扭轉材料力學性能測試裝置。本發明與掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、拉曼光譜儀及光學顯微鏡等具有良好的兼容性，結合上述成像儀器，對材料在扭矩作用下的的微觀變形、損傷和破壞過程進行在線觀測，為揭示材料在微納米尺度下的力學特性和損傷機制提供了測試方法。
背景技術：
在諸多微納米力學參數測試的範疇中，彈性模量、切變模量、屈服極限抗扭強度等參數是材料力學特性測試中的最主要的研究對象，針對這些力學量產生了多種測試方法， 如扭轉法、拉伸法及納米壓入法等，通過原位力學測試手段勢必可以揭示出外界載荷作用下材料變形損傷的規律，發現更為新穎的現象和規律，就較大尺寸試件所開展的有關測試將更有利於研究材料及其製品服役狀態下的真實力學行為與變形損傷機制。扭轉實驗材料機械性能試驗的基本試驗方法之一。扭轉試驗可以測定脆性材料和塑性材料的強度和塑性，對於製造經常承受扭矩的零件如軸、彈簧等材料常需進行扭轉試驗。扭轉試驗在扭轉試驗機上進行，試驗時在圓柱形試樣的標距兩端施加扭矩I，這時在試樣標距的兩個截面間產生扭轉角0，根據M和Φ的變化可繪製成扭矩-轉角圖，同時可得到相應的應力-應變圖，商業化扭轉試驗機主要用於金屬或非金屬材料進行扭轉強度測試，也可進行各種零件、構件抗扭強度試驗，具有扭轉力值和扭轉角自動跟蹤測量等功能一般情況下扭轉角度的測試精度為士0. 1°。
目前，原位微納米扭轉測試尚處萌芽狀態，具體表現為(1)從測試手段和方法上來說，針對特徵尺寸毫米級以上宏觀材料的扭轉測試，主要藉助商業化的扭轉試驗機進行的非原位拉伸測試，並未涉及到掃描電鏡等成像儀器使用環境下的原位測試。且表現出設備較為昂貴，測試內容乏善可陳的特點，極大制約了研究的深入與發展。(2)受到掃描電子顯微鏡的腔體空間的限制，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扭轉測試上，缺少對宏觀尺寸(薄膜材料或三維試件)的跨尺度原位納米力學測試，因尺寸效應的存在，對微構件的研究制約了對較大尺寸元件的力學性能的評價；(3)觀測手段上看，針對宏觀試件，多局限於光學顯微鏡及原子力顯微鏡下的原位拉伸測試，光學顯微鏡存在著明顯的放大倍率不足的問題，原子力顯微鏡則具有成像速度過慢的缺點，兩種觀測方法均難以深入研究載荷變化對材料力學行為和損傷機制的影響規律。因此，設計一種體積小巧、結構緊湊，測試精度高，能夠利用電子顯微鏡等成像系統在線監測，且針對特徵尺寸毫米級以上宏觀試件進行超低速準靜態扭轉測試的裝置已十分必要
發明內容
本發明的目的在於提供一種基於超極速準靜態加載方式的掃描電鏡下微弧度級精度原位扭轉材料力學性能測試裝置，解決了現有技術存在的上述問題。本發明可在掃描電鏡等成像儀器的動態監測下開展原位扭轉試驗並可同步進行扭矩/角位移信號的精密檢測與閉環控制。相對於傳統扭轉試驗機上的非原位測試，本發明可實現高解析度顯微成像系統下針對特徵尺寸毫米級以上宏觀試件的原位觀測，同時解決了現有的原位扭轉研究中大多針對納米管、線及薄膜材料的局限，測試平臺可實現「超低速準靜態」的加載模式，扭矩/角位移信號的同步採集和精密閉環控制，本發明由精密加載單元、精密信號檢測及控制單元、夾持單元及連接單元組成，結構緊湊，體積小巧，角應變速率可控，可與Zeiss EVO 18及Hitachi TM-1000型掃描電子顯微鏡及各類具有腔體及載物臺結構的成像儀器具有良好的使用兼容性。可通過原位扭轉測試獲得材料的切變模量、抗扭強度等力學參數，在已知材料泊松比的情況下，亦可通過簡單計算亦可得到材料的彈性模量。通過本測試裝置可開展對材料的微觀變形、損傷和斷裂過程進行原位監測，為揭示材料在微納米尺度下的力學特性和損傷機制提供了測試方法。

本發明的上述目的通過以下技術方案實現
掃描電鏡下微弧度級精度原位扭轉材料力學性能測試裝置，包括精密加載單元、精密信號檢測及控制單元、夾持單元及連接單元；
所述的精密加載單元包括精密直流伺服電機1、彈性聯軸器3及兩級較大減速比二次包絡型蝸輪蝸杆副，該兩級較大減速比二次包絡型蝸輪蝸杆副由一級蝸輪蝸杆(5、6)、二級蝸輪蝸杆(7、26)構成；該精密直流伺服電機1通過電機法蘭盤2固定在測試裝置基座15 上，並通過彈性聯軸器3及一級蝸杆軸承座4與一級蝸杆5連接；該精密直流伺服電機1可提供高解析度扭矩及角位移輸出，兩級較大減速比二次包絡型蝸輪蝸杆副可提供2500 1 的較大減速比，即可對精密直流伺服電機1輸出的動力進行較大程度減速、增矩，最終提供超低速準靜態的加載方式；精密直流伺服電機1通過給定脈衝驅動方式可提供具有高解析度的扭矩動力輸出及角位移輸出，經由彈性聯軸器3、兩級大減速分別為1:50的二次包絡型蝸輪蝸杆副進行較大程度減速、增矩的運動及動力傳遞，最終實現低於0. 001r/min的超低速準靜態的加載能力；
所述精密信號檢測及控制單元由精密扭矩傳感器19、精密圓光柵尺9及與精密直流伺服電機1同步運動的高線數光電編碼器20組成，該精密扭矩傳感器19與凹形拖板18連接， 精密圓光柵尺9與圓光柵基座套接；精密信號檢測及控制單元可為測試裝置提供包括變形角速率、扭矩加載速率、編碼器標定角位移速率在內的三種模擬或數字量作為精密直流伺服電機1的脈衝/方向閉環控制模式的反饋信號源，即測試平臺可實現恆角變形速率、恆扭矩加載速率及恆編碼標定角位移速率三種加載/卸載方式；
所述夾持單元由被測試件13、牙鉗式夾具體的主、從動牙鉗式夾具體上、下壓板12、 14、23、24及壓板緊固螺釘28組成；該主、從動牙鉗式夾具體下壓板23、24分別與圓光柵基座8及扭距傳感器法蘭架16通過方形軸孔定位，並通過夾具體連接螺釘27進行連接，被測試件13通過帶有鋸齒狀結構的主、從動牙鉗式夾具體上、下壓板12、14、23、24以壓緊方式夾持；
所述連接單元由凹形拖板18、測試裝置基座15、電機法蘭盤2、讀數頭連接架11及二級蝸杆軸承22、一級蝸杆軸承25、圓光柵基座軸承30組成，圓光柵讀數頭10通過該讀數頭連接架11固定在測試裝置基座15上，並通過讀數頭調整螺釘29調整；二級蝸杆軸承22、一級蝸杆軸承25分別通過二級蝸杆軸承座21、一級蝸杆軸承座4與測試裝置基座15連接，圓光柵基座軸承30與圓光柵基座8連接。所述的牙鉗式夾具體由主動牙鉗式夾具體上、下壓板12、23及主動牙鉗式夾具體上、下壓板24、14組成，主動及從動牙鉗式夾具體下壓板23、14分別與圓光柵基座8及扭距傳感器法蘭架16通過方形軸孔定位，並通過夾具體連接螺釘27進行連接，被測試件13為圓柱體迴轉結構，在夾持區域設有兩組幾何對稱的平面，通過帶有鋸齒狀結構的主、從動牙鉗式夾具體上、下壓板12、14、23、24以壓緊方式夾持，以提高夾持的穩定性和可靠性。

所述的凹形拖板18滑動安裝於測試裝置基座15上，精密扭矩傳感器19與凹形拖板18剛性連接，通過凹形拖板18上的缺口調整與測試裝置基座1的相對位置，並通過凹形拖板鎖緊螺釘17進行緊固，以便於針對不同長度被測試件13調整其夾持標距。本發明所述的測試平臺主體尺寸約為115mmX34mmX78mm，與Zeiss EVO 18及 Hitachi TM-1000型掃描電子顯微鏡具有良好的結構兼容性、真空兼容性及電磁兼容性，亦可與其他主流商業化掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、原子力顯微鏡及光學顯微鏡等兼容使用。本發明的有益效果在於與現有技術相比，本發明體積小巧，結構緊湊，測試精度高，角應變速率可控，與各種主流電子顯微鏡真空腔體匹配，應用範圍廣泛，可以對各種材料的特徵尺寸毫米計以上宏觀試件進行跨尺度原位扭轉試驗，對材料及其製品在載荷在下的微觀變形進行動態觀測，以揭示材料在微納米尺度下的力學行為和損傷機制。並通過扭矩/角位移信號的同步檢測，結合相關算法，亦可自動擬合生成載荷作用下的扭矩_角位移曲線及應力-應變曲線。綜上所述，本發明對豐富原位微納米力學測試內容和促進材料力學性能測試技術及裝備具有重要的理論意義和良好的應用開發前途。


圖1為本發明的整體外觀結構示意圖； 圖2為本發明的主視示意圖3為本發明的右視示意圖； 圖4為本發明的俯視示意圖； 圖5、圖6、圖7為本發明的夾具體的結構示意圖。圖中1、精密直流伺服電機；2、電機法蘭盤；3、彈性聯軸器；4、一級蝸杆軸承座；5、一級蝸杆；6、一級蝸輪；7、二級渦輪；8、圓光柵基座；9、圓光柵尺；10、 圓光柵讀數頭；11、讀數頭連接架；12、主動牙鉗式夾具體上壓板；13、被測試件；14、 從動牙鉗式夾具體下壓板；15、測試裝置基座；16、扭距傳感器法蘭架；17、凹形託板鎖緊螺釘；18、凹形拖板；19、精密扭矩傳感器；20、高線數光電編碼器；21、二級蝸杆軸承座；22、二級蝸杆軸承；23、主動牙鉗式夾具體下壓板；24、從動牙鉗式夾具體上壓板；25、一級蝸杆軸承；26、二級蝸杆；27、夾具體連接螺釘；28、壓板緊固螺釘； 29、讀數頭調整螺釘；30、圓光柵基座軸承。
具體實施例方式
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
。
參見圖1至圖7，本發明的掃描電鏡下微弧度級精度原位扭轉材料力學性能測試裝置，包括精密加載單元、精密信號檢測及控制單元、夾持單元及連接單元；
所述的精密加載單元包括精密直流伺服電機1、彈性聯軸器3及兩級較大減速比二次包絡型蝸輪蝸杆副，該兩級較大減速比二次包絡型蝸輪蝸杆副由一級蝸輪蝸杆(5、6)、二級蝸輪蝸杆(7、26)構成；該精密直流伺服電機1通過電機法蘭盤2固定在測試裝置基座15 上，並通過彈性聯軸器3及一級蝸杆軸承座4與一級蝸杆5連接；該精密直流伺服電機1可提供高解析度扭矩及角位移輸出，兩級較大減速比二次包絡型蝸輪蝸杆副可提供2500 1 的較大減速比，即可對精密直流伺服電機1輸出的動力進行較大程度減速、增矩，最終提供超低速準靜態的加載方式；精密直流伺服電機1通過給定脈衝驅動方式可提供具有高解析度的扭矩動力輸出及角位移輸出，經由彈性聯軸器3、兩級大減速分別為1:50的二次包絡型蝸輪蝸杆副進行較大程度減速、增矩的運動及動力傳遞，最終實現低於0. 001r/min的超低速準靜態的加載能力；
所述精密信號檢測及控制單元由精密扭矩傳感器19、精密圓光柵尺9及與精密直流伺服電機1同步運動的高線數光電編碼器20組成，該精密扭矩傳感器19與凹形拖板18連接， 精密圓光柵尺9與圓光柵基座套接；精密信號檢測及控制單元可為 測試裝置提供包括變形角速率、扭矩加載速率、編碼器標定角位移速率在內的三種模擬或數字量作為精密直流伺服電機1的脈衝/方向閉環控制模式的反饋信號源，即測試平臺可實現恆角變形速率、恆扭矩加載速率及恆編碼標定角位移速率三種加載/卸載方式；
所述夾持單元由被測試件13、牙鉗式夾具體的主、從動牙鉗式夾具體上、下壓板12、 14、23、24及壓板緊固螺釘28組成；該主、從動牙鉗式夾具體下壓板23、24分別與圓光柵基座8及扭距傳感器法蘭架16通過方形軸孔定位，並通過夾具體連接螺釘27進行連接，被測試件13通過帶有鋸齒狀結構的主、從動牙鉗式夾具體上、下壓板12、14、23、24以壓緊方式夾持；
所述連接單元由凹形拖板18、測試裝置基座15、電機法蘭盤2、讀數頭連接架11及二級蝸杆軸承22、一級蝸杆軸承25、圓光柵基座軸承30組成，圓光柵讀數頭10通過該讀數頭連接架11固定在測試裝置基座15上，並通過讀數頭調整螺釘29調整；二級蝸杆軸承22、一級蝸杆軸承25分別通過二級蝸杆軸承座21、一級蝸杆軸承座4與測試裝置基座15連接，圓光柵基座軸承30與圓光柵基座8連接。所述的牙鉗式夾具體由主動牙鉗式夾具體上、下壓板12、23及主動牙鉗式夾具體上、下壓板24、14組成，主動及從動牙鉗式夾具體下壓板23、14分別與圓光柵基座8及扭距傳感器法蘭架16通過方形軸孔定位，並通過夾具體連接螺釘27進行連接，被測試件13為圓柱體迴轉結構，在夾持區域設有兩組幾何對稱的平面，通過帶有鋸齒狀結構的主、從動牙鉗式夾具體上、下壓板12、14、23、24以壓緊方式夾持，以提高夾持的穩定性和可靠性。所述的凹形拖板18滑動安裝於測試裝置基座15上，精密扭矩傳感器19與凹形拖板18剛性連接，通過凹形拖板18上的缺口調整與測試裝置基座1的相對位置，並通過凹形拖板鎖緊螺釘17進行緊固，以便於針對不同長度被測試件13調整其夾持標距。本發明所述的測試平臺主體尺寸約為115mmX34mmX78mm，與Zeiss EVO 18及 Hitachi TM-1000型掃描電子顯微鏡具有良好的結構兼容性、真空兼容性及電磁兼容性，亦可與其他主流商業化掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、原子力顯微鏡及光學顯微鏡等兼容使用。參見圖1至圖7，本發明所涉及的一種掃描電鏡下微弧度級精度原位扭轉材料力學性能測試裝置，該裝置主體部分的整體尺寸為115mmX34mmX 78m，是根據Zeiss EVO 18 及Hitachi TM-1000型掃描電鏡的真空腔體尺寸和成像條件所設計的，同時可與主流成像儀器的兼容使用，即可安裝於各種主流掃描電子顯微鏡和其他成像儀器的腔體內或載物臺上。測試裝置中具體的元器件和具體型號為精密直流伺服電機型號為Maxon EC-MAX22, 25W、精密扭矩測試儀19型號為D-2452-0. 2匪、精密圓光柵尺9型號為Heidenhain RCN727)、高線數光電編碼器20型號為HEDL9140-1000。精密扭矩測試儀19型號為D-2452-0. 2匪、精密圓光柵尺9型號為Heidenhain RCN727用以同步檢測扭轉測試過程中的扭矩/角位移信號，可為測試裝置提供包括變形角速率、扭矩加載速率、編碼器標定角位移速率在內的三種模擬或數字量作為精密直流伺服電機1的脈衝/方向閉環控制模式的反饋信號源，即測試平臺可實現恆角變形速率、恆扭矩加載速率及恆編碼標定角位移速率三種加載/卸載方式。被測試件13長度範圍為8-50mm， 試件最小直徑為2mm，高線數光電編碼器20結合Accelnet型伺位置控制單元對精密直流伺服電機1進行精確的角位移控制，從而保證測試過程中被測試件13的角應變速率可調並輸出給定扭矩值。本發明在具體的測試過程中，首先，被測試件13在進行扭轉測試前，需採用車削加工方法試製出棒狀試件，再通過線切割方式將夾持部分試製出用於夾持的對稱平面，並利用小型外圓拋光機對試件進行拋光處理得到以可用於高解析度顯微成像監測的較好表面光潔度，或通過化學腐蝕等工藝得到金相等顯微形貌，然後將被測試件13裝夾在主、從動牙鉗式夾具體上、下壓板12、14、23、24中，之後擰緊壓板緊固螺釘28完成被測試件13的裝夾過程。進一步，通過調整讀數頭調整螺釘28以確定精密圓光柵尺9和圓光柵讀數頭10 的相對位置。精密扭矩傳感器19兩端分別與扭距傳感器法蘭架16及凹形拖板18剛性連接，然後，關閉掃描電子顯微鏡真空腔密閉擋板並通過掃描電鏡自身的載物平臺在XOY平面內擬定測試點的準確位置。然後，給定扭轉測試的恆角變形或扭矩控制方式，以脈衝輸出的方式驅動開始測試過程，即通過測試算法程序設定測試條件和參數，在時序脈衝控制信號作用下精密直流伺服電機1輸出精確角位移，通過兩級較大減速比二次包絡型蝸輪蝸杆副的減速、增距最終實 現對被測試件13的超低速準靜態加載，測試過程中精密扭距傳感器 19對被測試件13的扭矩#進行檢測；同時試件的扭轉變形量力由精密圓光柵尺9同步拾取，兩路信號通過模數轉換並進行必要的信號調理後送入計算機。在測試的整個過程中，被測試件13在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，結合上位機調試軟體亦可實時獲取表徵材料力學性能的扭矩_角位移曲線、應力_應變曲線、切變模量及抗扭強度等重要力學參數。
權利要求
1.一種掃描電鏡下微弧度級精度原位扭轉材料力學性能測試裝置，其特徵在於包括精密加載單元、精密信號檢測及控制單元、夾持單元及連接單元；所述精密加載單元包括精密直流伺服電機(1)、彈性聯軸器(3)及兩級較大減速比二次包絡型蝸輪蝸杆副，該兩級較大減速比二次包絡型蝸輪蝸杆副由一級蝸輪蝸杆(5、6)、二級蝸輪蝸杆(7、26 )構成；該精密直流伺服電機(1)通過電機法蘭盤(2 )固定在測試裝置基座(15)上，並通過彈性聯軸器(3)與一級蝸杆(5)連接；所述精密信號檢測及控制單元由精密扭矩傳感器(19)、精密圓光柵尺(9)及與精密直流伺服電機(1)同步運動的高線數光電編碼器(20)組成，該精密扭矩傳感器(19)與凹形拖板(18)連接，精密圓光柵尺(9)與圓光柵基座套接；所述夾持單元由被測試件(13)、牙鉗式夾具體的主、從動牙鉗式夾具體上、下壓板 (12、14、23、24)及壓板緊固螺釘(28)組成；該主、從動牙鉗式夾具體下壓板(23、24)分別與圓光柵基座(8 )及扭距傳感器法蘭架(16 )通過方形軸孔定位，並通過夾具體連接螺釘(27 ) 進行連接，被測試件(13)通過帶有鋸齒狀結構的主、從動牙鉗式夾具體上、下壓板(12、14、 23,24)以壓緊方式夾持；所述連接單元由凹形拖板(18)、測試裝置基座(15)、電機法蘭盤(2)、讀數頭連接架 (11)及二級蝸杆軸承(22)、一級蝸杆軸承(25)、圓光柵基座軸承(30)組成，圓光柵讀數頭 (10)通過該讀數頭連接架(11)固定在測試裝置基座(15)上，二級蝸杆軸承(22)、一級蝸杆軸承(25)分別通過二級蝸杆軸承座(21 )、一級蝸杆軸承座(4)與測試裝置基座(15)連接， 圓光柵基座軸承(30 )與圓光柵基座(8 )連接。
2.根據權利要求1所述的掃描電鏡下微弧度級精度原位扭轉材料力學性能測試裝置， 其特徵在於所述的牙鉗式夾具體由主動牙鉗式夾具體上、下壓板(12、23)及主動牙鉗式夾具體上、下壓板(24、14)組成，主動及從動牙鉗式夾具體下壓板(23、14)分別與圓光柵基座(8)及扭距傳感器法蘭架(16)通過方形軸孔定位，並通過夾具體連接螺釘(27)進行連接，被測試件(13)為圓柱體迴轉結構，在夾持區域設有兩組幾何對稱的平面，通過帶有鋸齒狀結構的主、從動牙鉗式夾具體上、下壓板(12、14、23、24)以壓緊方式夾持。
3.根據權利要求1所述的掃描電鏡下微弧度級精度原位扭轉材料力學性能測試裝置， 其特徵在於所述的凹形拖板(18)滑動安裝於測試裝置基座(15)上，精密扭矩傳感器(19) 與凹形拖板(18)剛性連接，通過凹形拖板(18)上的缺口調整與測試裝置基座(1)的相對位置，並通過凹形拖板鎖緊螺釘(17)進行緊固。
4.根據權利要求1至3中任意一項所述的掃描電鏡下微弧度級精度原位扭轉材料力學性能測試裝置，其特徵在於所述的測試平臺主體尺寸為115mmX34mmX78mm。
全文摘要
本發明涉及一種掃描電鏡下微弧度級精度原位扭轉材料力學性能測試裝置，屬於機電領域。由精密加載單元、精密信號檢測及控制單元、夾持單元及連接單元組成。本發明結構精巧，角應變速率可控，與掃描電子顯微鏡、光學顯微鏡、原子力顯微鏡、拉曼光譜儀等良好的結構兼容性、真空兼容性及電磁兼容性。可在各類成像儀器的觀測下開展針對三維宏觀試件的跨尺度原位扭轉測試，通過本發明亦可對材料在扭矩作用下的微觀變形和損傷過程進行原位觀察，並一定程度上揭示材料及其製品在微納米尺度下的力學行為和破壞機制。
文檔編號G01N3/22GK102346117SQ20111030511
公開日2012年2月8日 申請日期2011年10月11日 優先權日2011年10月11日
發明者萬順光, 李秦超, 王開廳, 胡曉利, 趙宏偉, 馬志超, 黃虎 申請人:吉林大學