[發(fā)明專利]原位拉/壓-扭轉復合載荷材料微觀力學測試平臺

有效

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• 申請日: 2013-10-24
• 公開（公告）號: CN103528887A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發(fā)明（設計）人: 趙宏偉;劉宏達;程虹丙;魯帥;楊倚寒;邵明坤;高景;張霖;佟達
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08;G01N3/22
• 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

技術領域

????本發(fā)明涉及材料力學測試領域，特別涉及一種原位拉/壓-扭轉復合載荷材料微觀力學測試平臺。可在掃描電子顯微鏡、金相顯微鏡、Raman光譜儀、X射線衍射儀等固態(tài)材料性能表征儀器的動態(tài)監(jiān)測下研究分析拉伸/壓縮載荷作用、扭轉載荷作用，特別是拉伸/壓縮與扭轉復合載荷共同作用下試件樣品材料的微觀組織結構變化、變形損傷機制和性能演化規(guī)律，結合檢測控制單元可同步進行載荷/位移信號的精密檢測、分析與閉環(huán)控制。通過本發(fā)明可對材料在復合載荷作用下的微觀變形、損傷和斷裂過程進行原位監(jiān)測，為揭示材料在接近服役條件下微納米尺度下的力學特性和損傷機制提供有效的測試方法。

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、原子力顯微鏡和光學顯微鏡等成像儀器對載荷作用下材料發(fā)生的微觀變形、損傷直至失效破壞的過程進行全程動態(tài)監(jiān)測的一種力學測試技術。在諸多微納米力學參數(shù)測試的范疇中，彈性模量、切變模量、屈服極限抗扭強度等參數(shù)是材料力學特性測試中的最主要的研究對象，針對這些力學參數(shù)產(chǎn)生了多種測試方法，如扭轉法、拉伸法及納米壓入法等。通過原位力學測試可以揭示出，在外界載荷作用下材料變形損傷的規(guī)律，復合載荷下原位力學測試有利于研究材料及其制品在接近服役狀態(tài)下較為真實的力學行為與變形損傷機制。

當前精密材料力學性能復合載荷原位測試的研究尚不完善，具體表現(xiàn)在：（1）受到各種觀測設備腔體尺寸限制，多數(shù)研究都集中在以微/納機電系統(tǒng)工藝為基礎，對納米管、納米線以及薄膜材料等極微小結構的單純原位納米拉伸測試上。因而缺少對宏觀尺寸（薄膜材料或三維試件）的跨尺度原位納米力學測試的深入研究，從而嚴重阻礙了學術界對較大尺寸元件的微觀力學行為和損傷機制的新現(xiàn)象、新規(guī)律的發(fā)現(xiàn)；（2）從測試手段和方法上來說，主要借助商業(yè)化的納米壓痕儀進行的原位納米壓痕測試和原位納米拉伸儀進行的原位拉伸測試。兩種方法均存在設備費用昂貴，測試方法單一，測試內容乏善可陳的特點，對結構緊湊，體積小巧的復合載荷原位測試裝置鮮有提及，極大制約了研究的深入與發(fā)展；（3）從測試內容上看，現(xiàn)有儀器設備的測試內容相對單一，兩種及兩種以上載荷類型的復合測試儀器鮮有提及，限制了復雜工況下材料的微觀力學性能及損傷機制的研究深入化。

在原位納米拉伸/壓縮-扭轉復合載荷力學測試技術應用之前，拉伸/壓縮試驗與扭轉試驗一般是在材料試驗機上的離位測試。試驗機依規(guī)定的速率均勻地加載試樣，由試驗機繪出載荷-伸長曲線，進而得到載荷作用下應力-應變曲線圖，因此，最初的拉伸機和剪切測試機是將材料拉斷或剪斷后，得出材料的拉伸屈服極限、拉伸強度極限、剪切屈服極限、剪切極限等力學參數(shù)。傳統(tǒng)拉伸機和剪切測試機針對的都是宏材尺度試件，未涉及材料納米尺度范疇的力學性能研究，亦未涉及到高分辨率顯微成像系統(tǒng)下的原位觀測。

因此，設計一種體積小、結構緊湊，測試精度高，能夠利用電子顯微鏡等成像系統(tǒng)實時監(jiān)測宏觀試件在載荷作用下的微觀變形和損傷過程的拉伸/壓縮-扭轉復合載荷力學測試平臺已十分必要。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一種原位拉/壓-扭轉復合載荷材料微觀力學測試平臺，解決了現(xiàn)有技術存在的上述問題，且一定程度上填補了現(xiàn)有技術的空白。為實現(xiàn)精度高、應變速率可控、體積小、結構精巧的可用于精密材料微觀力學性能原位復合載荷測試的裝置提供一種有效的方案。通過原位拉伸/壓縮-扭轉測試獲得材料的切變模量、屈服極限和強度極限等力學參數(shù)，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。通過本測試裝置可監(jiān)測材料的微觀組織結構變化、變形損傷機制和性能演化規(guī)律，為揭示材料在微觀尺度下的力學特性和損傷機制提供了測試方法。

本發(fā)明的上述目的通過以下技術方案實現(xiàn)：

原位拉/壓-扭轉復合載荷材料微觀力學測試平臺，包括測試平臺基座40、精密加載單元、檢測控制單元、夾持及連接單元，所述精密加載單元包含扭矩加載單元和拉壓加載單元，由精密直流伺服電機Ⅰ、Ⅱ9、17、二次包絡型蝸輪蝸桿副Ⅰ、Ⅱ、精密滾珠絲杠副、精密滾珠直線導軌組成，其中精密直流伺服電機Ⅰ、Ⅱ9、17可提供高分辨率扭矩及角位移輸出，二次包絡型蝸輪蝸桿副Ⅰ可提供2500：1的較大減速比，可對精密直流伺服電機Ⅰ、Ⅱ9、17輸出的動力進行較大程度減速、增矩，分別給扭矩加載單元和拉壓加載單元提供超低速準靜態(tài)的加載方式；