[發明專利]拉伸-剪切復合加載模式下材料微觀力學性能原位測試裝置

有效

• 申請號: 201310213713.1
• 申請日: 2013-06-03
• 公開（公告）號: CN103335898A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發明（設計）人: 趙宏偉;董曉龍;胡曉利;程虹丙;高景;邵明坤;張攀峰
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01N3/28
• 分類號: G01N3/28
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 王怡敏

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技術領域

本發明涉及原位力學性能測試領域，特別涉及一種拉伸-剪切復合加載模式下材料微觀力學性能原位測試裝置。本裝置可以作為拉伸和純剪切兩種材料力學性能測試裝置獨立使用，亦可以實現拉剪兩種載荷在不同加載時序下的復合載荷測試，同時可以進行高頻抗剪疲勞性能測試；試驗裝置可以置于金相顯微鏡等顯微成像設備下對試件在拉剪復合載荷加載過程中的微觀形態進行原位觀測，如微觀裂紋的產生、長大以及擴展方式等；可以實現對載荷/位移信號的采集、轉換及控制，以一種較為新穎的方法精確測定材料在微納米尺度下的力學特性。

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、原子力顯微鏡以及光學顯微鏡等儀器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。該技術在探測載荷的類型、大小與材料性能間的相關性規律的同時，也從微觀層面揭示了各類材料及其制品的力學特性、損傷破壞機理，對深入認識材料在復雜受力狀態下的力學行為有很大的幫助。在諸多微納米力學性能測試的范疇中，彈性模量、切變模量、屈服極限、斷裂極限、彎曲模量、硬度等參數是微構件力學特性測試中最主要的測試對象，針對這些力學參量產生了很多種測試方法，如拉伸/壓縮法、彎曲法、剪切法、扭轉法、納米壓痕/劃痕和鼓膜法等。

材料及其制品在實際工況下往往受到非單一載荷的作用，如拉剪組合、拉彎組合等，單一載荷作用的測試方式可能不能表現材料在真實服役狀態下的力學性能，如材料在拉應力作用下往往使其發生臨界斷裂破壞的剪切應力遠小于其剪切強度，在剪切應力作用下其發生臨界斷裂破壞的拉應力遠小于其抗拉強度。現有研究中，復合載荷模式的加載主要是通過將被測試件通過與拉伸軸線互成角度的不規則裝夾來實現的，即驅動源輸出的加載力主要是拉伸的軸向力，通過不同軸或不等高的拉伸模式使材料內部出現不同的復合載荷測試形式。該測試方法造成了兩種或多種載荷模式無法獨立加載或依次加載，就難以實現對不同單一載荷模式的解析，也無法就材料及其制品在不同應力組合的復合載荷作用下的力學性能及變性損傷機制做出準確評價。

目前的原位納米力學測試技術具有以下局限性：（1）多數原位納米測試集中在以微/納機電系統原理為基礎，對納米管、納米線以及薄膜材料等極微小結構進行單純原位納米拉伸測試上，缺少對宏觀尺寸（薄膜材料或三維試件）的跨尺度原位微/納米力學性能測試的深入研究；（2）目前的原位力學測試主要借助商業化的原位納米拉伸儀和納米壓痕儀分別進行原位納米拉伸測試和原位壓痕測試，商業化測試設備費用昂貴，測試方法單一，且不能提供對材料在多載荷復合模式下的力學測試；（3）在進行疲勞性能測試時，目前的原位疲勞試驗機一般僅能提供50HZ以下的低周疲勞測試，不能反映試件及其制品在實際疲勞工況下的力學性能。

在原位拉伸剪切復合載荷力學性能測試技術應用之前，拉伸試驗和剪切試驗一般是依靠大型材料試驗機對試件進行離位測試。試驗機按照相關標準以均勻速率對試件進行加載，由與試驗機相連的計算機繪出載荷-撓度曲線，進而得到相關載荷作用下應力-應變曲線圖。因此，傳統的材料試驗機是將試件加載到拉斷或剪斷之后，才得出材料的拉伸屈服極限、拉伸強度極限、剪切屈服極限、剪切強度極限等力學參數；并且傳統彎曲試驗機針對的大都是大尺度宏材尺度試件，未涉及到高分辨率顯微成像系統下的原位觀測，無法較為深入地開展復合載荷與材料的微觀力學行為及變性損傷過程的結合性研究。

因此，設計一種結構小巧緊湊、性能可靠、精度高的并且能與顯微成像設備兼容的原位拉剪復合載荷試驗裝置有十分重要的意義。

發明內容