基於拉伸/壓縮模式的掃描電鏡下原位高頻疲勞材料力學測試平臺的製作方法

2023-12-11 20:38:47 7

專利名稱：基於拉伸/壓縮模式的掃描電鏡下原位高頻疲勞材料力學測試平臺的製作方法
技術領域：
本發明涉及機電類，特別涉及一種基於拉伸/壓縮模式的掃描電鏡下原位高頻疲勞材料力學測試平臺。其與掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡、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，在給定應力或應變水平下開展對材料在疲勞應力作用下的的微觀變形、損傷和破壞過程進行在線觀測，可以實現對載荷/位移信號的採集、記錄與控制，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：
原位微納米力學測試技術是指在微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、原子力顯微鏡和或光學顯微鏡等成像儀器對載荷作用下材料發生的微觀變形、損傷直至失效破壞的過程進行全程動態監測的一種力學測試技術。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。疲勞現象可以解釋為材料、零件和構件在循環加載下，在某點或某些點產生局部的永久性損傷，並在一定循環次數後形成裂紋、或使裂紋進一步擴展直到完全斷裂的現象。 材料或構件在交變應力作用下引起的破壞與靜載荷作用下的破壞性質完全不同。承受交變應力用作的構件在工作應力遠低於材料的強度極限的情況下，經歷一定的工作時間後也可能發生突然斷裂。在交變應力作用下，由於構件外形和材料內部質地不均勻、有疵點，致使構件某些局部區域應力達到屈服極限，在交變應力的作用下，在此局部區域將逐漸形成細小的微觀裂紋，而裂紋尖端嚴重的應力集中又進一步導致裂紋在交變應力作用下不斷向內部擴展，最終使得材料或構件發生斷裂破壞。商業化疲勞試驗機用於提供試樣或構件承受周期或隨機變化的應力或應變，以測定在特定循環基數下的持久極限和疲勞壽命等指標。疲勞試驗按照試驗環境可以分為室溫/高溫/低溫疲勞試驗、熱疲勞試驗、腐蝕疲勞試驗及接觸疲勞試驗等；按照試件的加載方式可以分為拉壓疲勞試驗、彎曲疲勞試驗、扭轉疲勞試驗及複合盈利疲勞試驗等；按照應力循環的類型可以分為等幅疲勞試驗、變頻疲勞試驗及隨機疲勞試驗等。目前，針對可用於掃描電鏡下的原位疲勞測試相關儀器的研究尚處萌芽狀態，具體表現在(1)從測試手段和方法上來說，主要藉助商業化的疲勞試驗機進行的非原位疲勞測試，且疲勞試驗機價格昂貴，工作噪音較大，調試複雜，測試內容單一，對結構緊湊，體積小巧的基於拉伸模式的原位疲勞測試裝置鮮有提及。(2)受到掃描電子顯微鏡的腔體空間的限制，目前的多數都集中在以微/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納米測試上，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)從測試頻率上看，目前的原位疲勞試驗機一般都僅能提供50Hz以下的低周疲勞測試，與材料及其製品的實際工況不符，也限制了相關研究的深入與發展。因此，設計一種測試精度高，結構緊湊，測試頻率較高，並能夠與電子顯微鏡等成像系統兼容使用的基於拉伸模式的原位高頻疲勞材料力學測試平臺已十分必要。

發明內容
本發明的目的在於提供一種基於拉伸/壓縮模式的掃描電鏡下原位高頻疲勞材料力學測試平臺，解決了現在技術存在的上述問題。本發明可在掃描電鏡等觀測儀器的動態監測下開展在任意給定應力或應變水平下的原位高頻測試，並開展室溫下等幅或變頻疲勞試驗，測試頻率可控。相對於傳動疲勞試驗機的離位測試，本發明可在掃描電鏡等成像儀器的動態監測下開展拉伸/壓縮模式下的原位疲勞試驗並可同步進行載荷/位移信號的精密檢測與閉環控制。測試裝置與Zeiss EVO 18型掃描電子顯微鏡具有良好的兼容性，亦可與各類具有腔體或載物臺結構的成像系統兼容使用，如原子力顯微鏡、拉曼光譜儀、X射線衍射儀及光學顯微鏡等。可通過原位疲勞測試獲得材料的持久極限等重要力學參數，對材料的裂紋萌生、擴展和材料失效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
基於拉伸/壓縮模式的掃描電鏡下原位高頻疲勞材料力學測試平臺，包括精密加載單元、精密運動轉換單元、載荷/位移信號採集及控制單元、高頻驅動單元及試件夾持及連接單元；
所述的精密加載單元是直流伺服電機1通過電機法蘭架2與測試平臺基座22連接， 通過精密脈衝/方向控制方式提供給定角速度及動態扭矩輸出；
所述的精密運動轉換單元是通過直齒輪殼體3內的主、從動直齒輪25、29構成的一級直齒輪傳動副、由蝸杆、蝸輪4、5構成的二級蝸輪蝸杆傳動副將直流伺服電機1輸出的具有微小解析度的扭矩動力及角位移輸出進行一定程度的減速、增距；最終通過由滾珠絲槓螺母支架I、滾珠絲槓螺母支架II、精密雙向滾珠絲槓16、20、27構成的精密雙向滾珠絲槓螺母副將旋轉運動轉換成精密往復直線運動；主、從動直齒輪25、29分別通過平鍵26與直流伺服電機1及蝸杆4連接，該蝸杆4通過蝸杆軸承32及蝸杆軸承座23與測試平臺基座22 連接，由滾珠絲槓螺母支架I、II、精密雙向滾珠絲槓16、20、27構成的精密雙向滾珠絲槓螺母副通過絲槓固定支撐座6定位，滾珠絲槓螺母支架I、11、(16、20)的往復運動通過連接在精密導軌軌道(19)上的導軌滑塊I、II (17、21)進行導向；
所述的載荷/位移信號採集及控制單元由精密拉壓力傳感器14、精密接觸式位移傳感器18及高線數光電編碼器24組成，該高線數光電編碼器24與直流伺服電機1連接，精密接觸式位移傳感器18穿過精密柔性鉸鏈7並通過位移傳感器緊固螺釘30固定，精密拉壓力傳感器14與力傳感器基座15固定連接；直流伺服電機1的脈衝/方向閉環控制模式的反饋信號源由變形速率、載荷速率兩種模擬量及編碼器標定位移速率數字量提供，即測試平臺可實現恆變形速率、恆載荷速率及恆位移速率三種加載/卸載方式為高頻測試提供精確的應力及應變參考量；
所述的高頻驅動單元由精密柔性鉸鏈7、壓電疊堆8組成，其中壓電疊堆8安裝於精密柔性鉸鏈7的方形槽內，且與被測試件11共面、軸線設置；精密柔性鉸鏈7)特殊結構可以保證在給定拉應力作用下，壓電疊堆8始終處於受壓狀態，精密柔性鉸鏈7通過鉸鏈連接螺釘9與滾珠絲槓螺母支架II 20剛性連接；
所述的試件夾持及連接單元由被測試件11、試件夾具體支撐架13、夾具體壓板I、 II 10、12、力傳感器基座15、絲槓固定支撐座6及測試平臺基座22組成，被測試件11通過帶有鋸齒結構的夾具體壓板I、II 10、12、精密柔性鉸鏈7、試件夾具體支撐架13以壓緊方式完成夾持。所述的精密柔性鉸鏈7可以保證被測試件11在受拉應力作用時，安裝於精密柔性鉸鏈7的方形槽內的壓電疊堆8始終處於受壓狀態，即可保證在給定應力水平下壓電疊堆 8具有一定的位移及載荷輸出能力，壓電疊堆8與被測試件11共面、軸線布置，亦可保證試件11受單軸疲勞應力作用；精密柔性鉸鏈7通過鉸鏈連接螺釘9與滾珠絲槓螺母支架II 20 剛性連接的方式同時可保證按照一定的比例係數將壓電疊堆8輸出的精密往復位移進行傳遞至鉸鏈前端用於夾持被測試件11的鋸齒形結構處。所述的接觸式位移傳感器18的基體部分安裝於與滾珠絲槓螺母支架II 20剛性連接的精密柔性鉸鏈7的圓孔內，並通過位移傳感器螺釘30進行固定，前端探頭部分與試件夾具體支撐架13彈性接觸，即接觸式位移傳感器18實際檢測到的變形為試件夾具體支撐架13與精密柔性鉸鏈7側板之間的相對變形；為平衡接觸式位移傳感器18的重量，精密柔性鉸鏈7的異側做了必要的配重；精密拉壓力傳感器14與接觸式位移傳感器18均於試件 28共面安裝，且受載方向與被測試件11受載荷方向相同。所述的精密雙向滾珠絲槓27設有兩段旋向相異的小導程滾道，即可確保在給定應力水平的拉伸測試過程中，滾珠絲槓螺母支架I、11 16、20可實現同步的反向運動，從而保證被測試件11的幾何中心位置始終處於成像區域的最中央，便於成像儀器的觀測及圖像記錄，同時，導軌滑塊I、II 17,21分別通過燕尾槽型機構緊貼於精密導軌軌道19上，並分別與滾珠絲槓螺母支架I、II 16,20剛性連接，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。所述的試件夾具體支撐架13及精密柔性鉸鏈7與被測試件11的接觸面均採用線切割方式加工為鋸齒狀結構，夾具體壓板I、II (10、12)與被測試件(11)的接觸面亦採用交錯線切割方式加工出滾化結構，可提高高頻測試中試件夾持的可靠性和穩定性。所述的試件夾具體支撐13與滾珠絲槓螺母支架I 16均通過線切割方式加工出帶有半圓形的凹槽，並在該凹槽內設有鋼球，通過內嵌在凹槽中的鋼球減小載荷信號採集過程中因摩擦因素帶來的檢測誤差。本發明的測試平臺主體尺寸約為140mmX44mmX80mm，與Zeiss EVO 18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。本發明的有益效果在於與現有技術相比，本發明結構緊湊，測試精度高，可提供的測試內容豐富、與Zeiss EVO 18型掃描電子顯微鏡具有良好的兼容性，亦可與各類具有腔體或載物臺結構的成像系統兼容使用，應用範圍廣泛。可以對各種特徵尺寸釐米級以上的三維試件進行跨尺度原位疲勞力學測試，對材料及其製品在載荷在下疲勞應力作用下的裂紋萌生、擴展進行動態觀測，以揭示材料在微納米尺度下的力學行為和損傷機制。並通過載荷/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應力應變曲線及疲勞曲線。綜上所述，本發明對豐富原位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為本發明的後視示意圖； 圖4為本發明的俯視示意圖； 圖5、圖6為本發明的柔性鉸鏈結構示意圖； 圖7、圖8為本發明的夾具體支撐架示意圖。圖中1、直流伺服電機2、電機法蘭架3、直齒輪殼體4、蝸杆5、蝸輪6、絲槓固定支承座7、精密柔性鉸鏈8、壓電疊堆9、鉸鏈連接螺釘10、夾具體壓板I 11、被測試件 12、夾具體壓板II 13、試件夾具體支撐架 14、精密拉壓力傳感器15、力傳感器基座 16、 滾珠絲槓螺母支架I 17、導軌滑塊I 18、接觸式位移傳感器19、精密導軌軌道20、滾珠絲槓螺母支架II 21、導軌滑塊II 22、測試平臺基座23、蝸杆軸承座24、高線數光電編碼器25、主動直齒輪26、平鍵27、精密雙向滾珠絲槓28、力傳感器緊固螺釘29、從動直齒輪 30、位移傳感器緊固螺釘31、電機法蘭盤固定螺釘32、蝸杆軸承33、夾具體緊固螺釘。
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8，本發明的基於拉伸/壓縮模式的掃描電鏡下原位高頻疲勞材料力學測試平臺，包括精密加載單元、精密運動轉換單元、載荷/位移信號採集及控制單元、高頻驅動單元及試件夾持及連接單元；
所述的精密加載單元是直流伺服電機1通過電機法蘭架2與測試平臺基座22連接， 通過精密脈衝/方向控制方式提供給定角速度及動態扭矩輸出；直流伺服電機1通過電機法蘭盤固定螺釘31固定在測試平臺基座22上；
所述的精密運動轉換單元是通過直齒輪殼體3內的主、從動直齒輪25、29構成的一級直齒輪傳動副、由蝸杆、蝸輪4、5構成的二級蝸輪蝸杆傳動副將直流伺服電機1輸出的具有微小解析度的扭矩動力及角位移輸出進行一定程度的減速、增距；最終通過由滾珠絲槓螺母支架I、滾珠絲槓螺母支架II、精密雙向滾珠絲槓16、20、27構成的精密雙向滾珠絲槓螺母副將旋轉運動轉換成精密往復直線運動；主、從動直齒輪25、29分別通過平鍵26與直流伺服電機1及蝸杆4連接，該蝸杆4通過蝸杆軸承32及蝸杆軸承座23與測試平臺基座22 連接，由滾珠絲槓螺母支架I、II、精密雙向滾珠絲槓16、20、27構成的精密雙向滾珠絲槓螺母副通過絲槓固定支撐座6定位，滾珠絲槓螺母支架I、II >(16,20)的往復運動通過連接在精密導軌軌道(19)上的導軌滑塊I、II (17、21)進行導向；
所述的載荷/位移信號採集及控制單元由精密拉壓力傳感器14、精密接觸式位移傳感器18及高線數光電編碼器24組成，該高線數光電編碼器24與直流伺服電機1連接，精密接觸式位移傳感器18穿過精密柔性鉸鏈7並通過位移傳感器緊固螺釘30固定，精密拉壓力傳感器14與力傳感器基座15固定連接；直流伺服電機1的脈衝/方向閉環控制模式的反饋信號源由變形速率、載荷速率兩種模擬量及編碼器標定位移速率數字量提供，即測試平臺可實現恆變形速率、恆載荷速率及恆位移速率三種加載/卸載方式為高頻測試提供精確的應力及應變參考量；
所述的高頻驅動單元由精密柔性鉸鏈7、壓電疊堆8組成，其中壓電疊堆8安裝於精密柔性鉸鏈7的方形槽內，且與被測試件11共面、軸線設置；精密柔性鉸鏈7)特殊結構可以保證在給定拉應力作用下，壓電疊堆8始終處於受壓狀態，精密柔性鉸鏈7通過鉸鏈連接螺釘9與滾珠絲槓螺母支架II 20剛性連接；
所述的試件夾持及連接單元由被測試件11、試件夾具體支撐架13、夾具體壓板I、 II 10、12、力傳感器基座15、絲槓固定支撐座6及測試平臺基座22組成，被測試件11通過帶有鋸齒結構的夾具體壓板I、II 10、12、精密柔性鉸鏈7、試件夾具體支撐架13以壓緊方式完成夾持。所述的精密柔性鉸鏈7可以保證被測試件11在受拉應力作用時，安裝於精密柔性鉸鏈7的方形槽內的壓電疊堆8始終處於受壓狀態，即可保證在給定應力水平下壓電疊堆 8具有一定的位移及載荷輸出能力，壓電疊堆8與被測試件11共面、軸線布置，亦可保證試件11受單軸疲勞應力作用；精密柔性鉸鏈7通過鉸鏈連接螺釘9與滾珠絲槓螺母支架II 20 剛性連接的方式同時可保證按照一定的比例係數將壓電疊堆8輸出的精密往復位移進行傳遞至鉸鏈前端用於夾持被測試件11的鋸齒形結構處。所述的接觸式位移傳感器18的基體部分安裝於與滾珠絲槓螺母支架II 20剛性連接的精密柔性鉸鏈7的圓孔內，並通過位移傳感器螺釘30進行固定，前端探頭部分與試件夾具體支撐架13彈性接觸，即接觸式位移傳感器18實際檢測到的變形為試件夾具體支撐架13與精密柔性鉸鏈7側板之間的相對變形；為平衡接觸式位移傳感器18的重量，精密柔性鉸鏈7的異側做了必要的配重；精密拉壓力傳感器14與接觸式位移傳感器18均於試件 28共面安裝，且受載方向與被測試件11受載荷方向相同。所述的精密雙向滾珠絲槓27設有兩段旋向相異的小導程滾道，即可確保在給定應力水平的拉伸測試過程中，滾珠絲槓螺母支架I、11 16、20可實現同步的反向運動，從而保證被測試件11的幾何中心位置始終處於成像區域的最中央，便於成像儀器的觀測及圖像記錄，同時，導軌滑塊I、II 17,21分別通過燕尾槽型機構緊貼於精密導軌軌道19上，並分別與滾珠絲槓螺母支架I、II 16,20剛性連接，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。所述的試件夾具體支撐架13及精密柔性鉸鏈7與被測試件11的接觸面均採用線切割方式加工為鋸齒狀結構，夾具體壓板I、II (10、12)與被測試件(11)的接觸面亦採用交錯線切割方式加工出滾化結構，可提高高頻測試中試件夾持的可靠性和穩定性。所述的試件夾具體支撐13與滾珠絲槓螺母支架I 16均通過線切割方式加工出帶有半圓形的凹槽，並在該凹槽內設有鋼球，通過內嵌在凹槽中的鋼球減小載荷信號採集過程中因摩擦因素帶來的檢測誤差。本發明的測試平臺主體尺寸約為140mmX44mmX80mm，與Zeiss EVO 18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。參見圖1至圖8，本發明所涉及的基於拉伸模式的掃描電鏡下原位高頻疲勞材料力學測試平臺，該測試平臺的整體尺寸約為140mmX44mmX 80mm，是根據Zeiss EVO 18型掃描電鏡的真空腔體和成像條件所設計的，同時可與X射線衍射儀、拉曼光譜儀、原子力顯微鏡及光學顯微鏡等主流成像儀器的兼容使用。其中涉及到的元器件和具體型號為壓電疊堆8 (型號為NEC-AE0505D08F)、直流伺服電機1 (型號為Maxon RE-MAX22 25W)、接觸式位移傳感器18 (型號為WYM-I型)和精密拉壓力傳感器14 (型號為TEST-304型)、高線數光電編碼器24 (型號為HEDL9140-1000)，針對直流伺服電機1的脈衝/方向控制，測試平臺可提供變形速率控制、力速率控制兩路模擬量反饋源及位移速率控制數字量反饋。被測試件11長度範圍為4-26mm，最小寬度為1mm，直流伺服電機1及與之匹配使用的高線數光電編碼器24可結合Accelnet型伺位置控制單元對直流伺服電機1進行精確的角位移及扭矩輸出控制，從而保證測試過程中試件11的應變速率可控制。結合壓電驅動模塊亦可實現對壓電疊堆8的精密運動控制。本發明在具體的測試過程中，首先，被測試件11在進行疲勞測試前，需採用線切割加工方法試製處帶有應力薄弱區域或預知缺口的標準試件，並通過單面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11安放於精密柔性鉸鏈7及夾具體支撐架13前端帶有鋸齒結構的夾持端，後通過夾具體壓板I、II 10,12及夾具體緊固螺釘33完成被測試件11的夾持過程， 進一步，通過調整夾具的位置及利用水平儀和千分表的檢測來保證被測試件11在測試過程中的共面性和準確位置。接觸式位移傳感器18的基體部分安裝於與滾珠絲槓螺母支架 II 20剛性連接的精密柔性鉸鏈7的圓孔內，並通過位移傳感器螺釘30進行固定，前端探頭部分與試件夾具體支撐架13彈性接觸，即接觸式位移傳感器18實際檢測到的變形為試件夾具體支撐架13與精密柔性鉸鏈7側板之間的相對變形。為平衡接觸式位移傳感器18的重量，精密柔性鉸鏈7的異側做了必要的配重。精密拉壓力傳感器14與接觸式位移傳感器 18均於試件28共面安裝，且受載方向與被測試件11受載荷方向相同。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，給定疲勞測試前加載的拉伸應力或應變值，以給定脈衝輸出的方式驅動直流伺服電機1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直流伺服電機1輸出精確角位移，通過一級直齒輪傳動副、二級蝸輪蝸杆傳動副及精密雙向滾珠絲槓螺母副將直流伺服電機1輸出的旋轉運動轉換成往復直線運動測試過程中精密拉壓力傳感器14對拉伸壓縮軸向的載荷進行檢測；同時試件的變形量力由精密接觸式位移傳感器18同步拾取。給定的應力水平可以是材料抗拉強度一下的任意值。 此時，壓電疊堆8處於受壓狀態，此後，由任意波形/脈衝發生器給定特定的頻率信號，以正弦和方波信號為例，通過功率放大器，將輸出的電壓信號作用於壓電疊堆8的兩個電極上， 完成對壓電疊堆8的精密驅動，給定的信號可以是固定頻率信號，亦可是掃頻信號，信號的頻率範圍可以達到200Hz，壓電疊堆8輸出的往復位移通過精密柔性鉸鏈7按照一定的比例進行放大，最終作用於被測試件11，載荷/位移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，被測試件在拉伸載荷及交變載荷作用下材料的裂紋萌生、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，結合上位機調試軟體亦可實時獲取表徵材料力學性能的持久極限、彈性模量等重要力學參數。
權利要求
1.一種基於拉伸/壓縮模式的掃描電鏡下原位高頻疲勞材料力學測試平臺，其特徵在於包括精密加載單元、精密運動轉換單元、載荷/位移信號採集及控制單元、高頻驅動單元及試件夾持及連接單元；所述的精密加載單元是直流伺服電機(1)通過電機法蘭架(2)與測試平臺基座(22) 連接；所述的精密運動轉換單元是主、從動直齒輪(25、29)分別通過平鍵(26)與直流伺服電機(1)及蝸杆(4)連接，該蝸杆(4)通過蝸杆軸承(32)及蝸杆軸承座(23)與測試平臺基座(22)連接，由滾珠絲槓螺母支架I、11、精密雙向滾珠絲槓(16、20、27)構成的精密雙向滾珠絲槓螺母副通過絲槓固定支撐座(6)定位，滾珠絲槓螺母支架I、11、(16、20)的往復運動通過連接在精密導軌軌道(19)上的導軌滑塊I、II (17、21)進行導向；所述的載荷/位移信號採集及控制單元由精密拉壓力傳感器(14)、精密接觸式位移傳感器(18)及高線數光電編碼器(24)組成，該高線數光電編碼器(24)與直流伺服電機(1) 連接，精密接觸式位移傳感器(18 )穿過精密柔性鉸鏈(7 )並通過位移傳感器緊固螺釘(30 ) 固定，精密拉壓力傳感器(14)與力傳感器基座(15)固定連接；所述的高頻驅動單元由精密柔性鉸鏈(7)、壓電疊堆(8)組成，其中壓電疊堆(8)安裝於精密柔性鉸鏈(7)的方形槽內，且與被測試件(11)共面、軸線設置；精密柔性鉸鏈(7)通過鉸鏈連接螺釘(9)與滾珠絲槓螺母支架II (20)剛性連接；所述的試件夾持及連接單元由被測試件(11)、試件夾具體支撐架(13)、夾具體壓板 I、11(10、12)、力傳感器基座(15)、絲槓固定支撐座(6)及測試平臺基座(22)組成，被測試件(11)通過帶有鋸齒結構的夾具體壓板I、II (10、12)、精密柔性鉸鏈(7)、試件夾具體支撐架(13)以壓緊方式完成夾持。
2.根據權利要求1所述的基於拉伸/壓縮模式的掃描電鏡下原位高頻疲勞材料力學測試平臺，其特徵在於所述的接觸式位移傳感器(18)的基體部分安裝於與滾珠絲槓螺母支架II (20)剛性連接的精密柔性鉸鏈(7)的圓孔內，並通過位移傳感器螺釘(30)進行固定， 前端探頭部分與試件夾具體支撐架(13)彈性接觸，即接觸式位移傳感器(18)實際檢測到的變形為試件夾具體支撐架(13)與精密柔性鉸鏈(7)側板之間的相對變形；精密拉壓力傳感器(14 )與接觸式位移傳感器(18 )均於試件(28 )共面安裝，且受載方向與被測試件(11) 受載荷方向相同。
3.根據權利要求1所述的基於拉伸/壓縮模式的掃描電鏡下原位高頻疲勞材料力學測試平臺，其特徵在於所述的精密雙向滾珠絲槓(27)設有兩段旋向相異的小導程滾道，導軌滑塊I、II (17、21)分別通過燕尾槽型機構緊貼於精密導軌軌道(19)上，並分別與滾珠絲槓螺母支架I、11(16,20)剛性連接。
4.根據權利要求1所述的基於拉伸/壓縮模式的掃描電鏡下原位高頻疲勞材料力學測試平臺，其特徵在於所述的試件夾具體支撐架(13)及精密柔性鉸鏈(7)與被測試件(11) 的接觸面均為鋸齒狀結構，夾具體壓板I、II (10、12)與被測試件(11)的接觸面亦採用交錯線切割方式加工出滾化結構。
5.根據權利要求1所述的基於拉伸/壓縮模式的掃描電鏡下原位高頻疲勞材料力學測試平臺，其特徵在於所述的試件夾具體支撐(13)與滾珠絲槓螺母支架I (16)分別設有半圓形的凹槽，並在該凹槽內設有鋼球。
6.根據權利要求1至5中任意一項所述的基於拉伸/壓縮模式的的掃描電鏡下原位高頻疲勞材料力學測試平臺，其特徵在於所述的測試平臺主體尺寸為140mmX44mmX80mm。
全文摘要
本發明涉及一種基於拉伸/壓縮模式的掃描電鏡下原位高頻疲勞材料力學測試平臺，屬於機電類。包括精密加載單元、精密運動轉換單元、載荷/位移信號採集及控制單元、高頻驅動單元及試件夾持及連接單元。本發明結構緊湊、測試精度高、應變速率及測試頻率可控，可在各類成像儀器的觀測下開展針對特徵尺寸釐米級以上三維試件的基於拉伸/壓縮模式的原位高頻測試，對材料在疲勞應力下的微觀變形、損傷與斷裂過程進行在線監測，為揭示材料微觀變形行為和損傷機制提供了嶄新的測試方法。
文檔編號G01N3/08GK102331370SQ20111030511
公開日2012年1月25日 申請日期2011年10月11日 優先權日2011年10月11日
發明者李秦超, 王開廳, 胡曉利, 趙宏偉, 馬志超, 黃虎 申請人:吉林大學