[發(fā)明專利]掃描電子顯微鏡中原位靜-動(dòng)態(tài)疲勞力學(xué)性能測(cè)試儀器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110502918.6
• 申請(qǐng)日: 2021-05-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113514319B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-06-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉長(zhǎng)宜;黃令帥;李鳴鶴;馬嵩寧;趙宏偉;邢文娟;李俊蓉;王子威
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N3/02
• 分類號(hào): G01N3/02;G01N3/04;G01N3/06;G01N3/08;G01N3/20;G01N3/24
• 代理公司: 吉林長(zhǎng)春新紀(jì)元專利代理有限責(zé)任公司 22100
• 代理人: 王怡敏

本發(fā)明涉及一種掃描電子顯微鏡中原位靜?動(dòng)態(tài)疲勞力學(xué)性能測(cè)試儀器，屬于科學(xué)儀器與材料測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。包括驅(qū)動(dòng)單元、支撐單元、夾持單元、測(cè)量單元及加熱單元；支撐單元，支撐夾持單元，與掃描電子顯微鏡的移動(dòng)平臺(tái)連接；驅(qū)動(dòng)單元包括準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)載荷加載機(jī)構(gòu)和動(dòng)態(tài)疲勞載荷加載機(jī)構(gòu)兩部分，構(gòu)建靜?動(dòng)態(tài)力學(xué)載荷耦合的加載環(huán)境；測(cè)量單元測(cè)量樣品的靜?動(dòng)態(tài)力學(xué)載荷和位移；加熱單元固定在支撐單元上。優(yōu)點(diǎn)在于：可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料進(jìn)行原位高溫、高應(yīng)力的靜?動(dòng)態(tài)疲勞測(cè)試，還可集成拉伸、壓縮、三點(diǎn)彎、四點(diǎn)彎、剪切等多種靜態(tài)載荷模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料力學(xué)性能試驗(yàn)的穩(wěn)定、連續(xù)、準(zhǔn)確的控制和表面變形及失效行為監(jiān)測(cè)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及科學(xué)儀器與材料測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種掃描電子顯微鏡中原位靜-動(dòng)態(tài)疲勞力學(xué)性能測(cè)試儀器，與掃描電子顯微鏡具有良好的兼容性，能夠?qū)Σ牧系奈⒂^變形、疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程進(jìn)行在線觀測(cè)，為揭示材料在納米尺度下的力學(xué)特性和損傷機(jī)制提供了新的測(cè)試方法。

背景技術(shù)

隨著航空航天、微電子等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，工業(yè)界對(duì)材料的性能又提出了新的要求，因此，探究材料在溫度場(chǎng)、靜-動(dòng)態(tài)機(jī)械載荷場(chǎng)多場(chǎng)耦合條件下的力學(xué)性能演化機(jī)制顯得尤為重要。然而在傳統(tǒng)的材料性能研究模式中，力學(xué)性能測(cè)試與顯微結(jié)構(gòu)研究獨(dú)立進(jìn)行，無(wú)法將材料微觀組織變化的機(jī)理與材料宏觀力學(xué)性能有效結(jié)合，綜合表征材料的性能。

掃描電子顯微鏡是材料微觀組織結(jié)構(gòu)測(cè)試的重要工具，可以對(duì)宏觀到微觀，甚至納米尺度的材料進(jìn)行微結(jié)構(gòu)跨尺度測(cè)量，是揭示材料微觀組織結(jié)構(gòu)的重要手段。同時(shí)掃描電子顯微鏡還可以配置電子背散射衍射儀（EBSD）和X-射線能量色散譜儀（EDS），可以在一次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中獲取被測(cè)試樣的微區(qū)形貌、微區(qū)成分以及晶體取向等關(guān)鍵信息。基于上述優(yōu)勢(shì)，美國(guó)MTI、英國(guó)Deben和德國(guó)Kamra-Weiss等公司均發(fā)展了以掃描電子顯微鏡為主要應(yīng)用平臺(tái)的原位疲勞試驗(yàn)機(jī)。這些儀器雖然能夠配合掃描電子顯微鏡進(jìn)行材料微觀性能測(cè)試，但是由于掃描電子顯微鏡內(nèi)部空間和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段的限制，存在以下不足：

（1）從驅(qū)動(dòng)方式上來(lái)看，現(xiàn)有的原位疲勞試驗(yàn)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式大多是電機(jī)和液壓驅(qū)動(dòng)兩種方式，其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)一般加載較為平穩(wěn)，可以提供較大的載荷，但是只能實(shí)現(xiàn)低周疲勞加載，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，效率低下。液壓驅(qū)動(dòng)的疲勞試驗(yàn)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)高頻加載，但是液壓驅(qū)動(dòng)單元尺寸過(guò)大，且液壓油在真空環(huán)境下的密封難以處理，需要對(duì)掃描電子顯微鏡專門改造，成本昂貴，通用性較差。

（2）從功能結(jié)構(gòu)上來(lái)看，現(xiàn)有疲勞試驗(yàn)機(jī)只能提供單一載荷下的疲勞實(shí)驗(yàn)，如預(yù)拉伸載荷下的疲勞實(shí)驗(yàn)，無(wú)法與三點(diǎn)彎、剪切、壓縮等不同載荷進(jìn)行兼容使用。同時(shí)部分原位疲勞試驗(yàn)機(jī)由于結(jié)構(gòu)受限，無(wú)法兼容熱場(chǎng)，現(xiàn)有研究表明，材料的力學(xué)性能通常會(huì)隨著其所在的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的復(fù)合作用發(fā)生改變。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種掃描電子顯微鏡中原位靜-動(dòng)態(tài)疲勞力學(xué)性能測(cè)試儀器，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，易和商業(yè)化的掃描電子顯微鏡集成，在掃描電子顯微鏡的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)下可開(kāi)展任意給定應(yīng)力或應(yīng)變水平下的原位動(dòng)態(tài)疲勞測(cè)試，并可開(kāi)展高溫環(huán)境下等幅或變頻疲勞試驗(yàn)，測(cè)試頻率、溫度可控。同時(shí)本發(fā)明還可以通過(guò)更換不同的夾具，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)儀器多種載荷（拉伸、壓縮、三點(diǎn)彎曲）下的疲勞測(cè)試，功能拓展性強(qiáng)。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了在掃描電鏡內(nèi)在線原位監(jiān)測(cè)材料疲勞實(shí)驗(yàn)過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)變化和損傷失效行為，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料進(jìn)行原位高溫、高應(yīng)力的靜-動(dòng)態(tài)疲勞測(cè)試，還可集成拉伸、壓縮、三點(diǎn)彎、四點(diǎn)彎、剪切等多種靜態(tài)載荷模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料力學(xué)性能試驗(yàn)的穩(wěn)定、連續(xù)、準(zhǔn)確的控制和表面變形及失效行為監(jiān)測(cè)。

本發(fā)明的上述目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：