[发明专利]压电致动型材料疲劳力学性能测试装置

说明书

技术领域

    本发明涉及精密驱动领域，特别涉及原位微纳米力学测试领域，尤指一种压电致动型材料疲劳力学性能测试装置。可与主流显微观测设备（如扫描电子显微镜、X射线衍射仪、拉曼光谱仪、3D高景深显微镜及光学显微镜等）兼容使用，开展在高驱动频率下拉伸/压缩模式的原位疲劳测试，为揭示材料在微纳米尺度下的疲劳损伤及断裂机制提供了测试方法。

背景技术

材料或构件在受重复或交变载荷作用时，虽然材料或构件所受载荷幅值远小于其抗拉强度或屈服强度，甚至小于弹性载荷，但经反复的变形累积，最终发生断裂破坏通常是由于疲劳载荷所致。据统计，在各类机械零件的失效案例中，大约80%以上是由疲劳破坏引起的。随着大容量、大功率、高速度、高效率试验装置的出现，那些承受往复或震动载荷的工作条件更加苛刻，疲劳失效的问题更加突出，针对疲劳试验的测试装置和疲劳失效的相关研究中，早期的工作主要集中在疲劳破坏的宏观规律方面，而对疲劳微观机理的研究，由于受到试验手段的限制，大多通过金相显微镜，对材料试样表面在交变载荷下的滑移或断口等问题进行研究。20世纪50年代以后，各类电子显微镜及其他观测类仪器的出现和不断完善，大大促进了疲劳微观机理的研究。位错理论的发展则对疲劳裂纹萌生与扩展的微观研究提供了理论依据。原位微观疲劳力学测试技术可以概述为：借助扫描电子显微镜、X射线衍射仪、拉曼光谱仪、3D高景深显微镜及光学显微镜等成像仪器对被测材料在拉伸/压缩或弯曲模式的疲劳载荷作用下微观裂纹萌生、扩展、损伤失效过程、性能演变规律等进行动态监测的技术，因低周疲劳条件下，由于外加载荷多半高过弹性极限，因此，材料的疲劳寿命多小于10⁴次，交变载荷的频率可适宜观测仪器对可能萌生初始裂纹的表面进行实时的在线观测；在高周疲劳条件下，外加循环应力低于材料的屈服强度，甚至低于弹性极限，材料处于弹性变形范围，应力应变关系基本符合胡克定律，因此，观测仪器无法对裂纹萌生及扩展进行实时的观测，只适宜在一定循环周期的间隔下，暂停疲劳载荷作用，从而实现“准原位疲劳测试”。

传统的疲劳试验通常是在由电液伺服装置或步进电机组成的不同类型的疲劳试验机上进行的，如拉伸/压缩疲劳试验、扭转疲劳试验、拉扭疲劳试验以及弯曲疲劳试验，其中弯曲疲劳试验还可以分成平面弯曲和旋转弯曲疲劳试验两类。电液伺服疲劳试验机为目前最常使用的疲劳试验机，主要由液压泵站、各种液压阀、力和位移传感器、工作油缸、各种试样夹具（如三点弯曲、拉伸压缩等）以及控制软件等构成。能够反映电液伺服疲劳试验机技术水平的主要为高精度力、位移传感器，控制精度与控制范围，液压元器件和频率发生器（最低频率10^-5Hz以及最高频率1000Hz以上）。随着结构件的疲劳寿命极限提高到10⁹次以上，超长疲劳寿命试验机亟待发展。除此之外，还存在一些特殊条件下的疲劳行为的测试装置，如工程实际中有一大类机器零件是在滚动接触条件下工作的，如滚动轴承、齿轮、蜗轮、凸轮、轧辊等。在循环接触应力作用下，这些零件的表面很容易出现接触疲劳的破坏现象，如点蚀、剥离等。

在原位观测方面，相比于其他用于观测试件表面形貌的仪器，扫描电子显微镜具有成像倍率高，扫描速度快，受景深影响小等优势，而光学显微镜受其原理的影响，难以获取成像倍率超过1000倍的清晰图像，原子力显微镜则存在扫描时间过长的问题。但扫描电子显微镜下的疲劳测试仪器研发面临着诸多问题：（1）因扫描电子显微镜的密闭腔体内为真空环境，需将测试装置的信号采集处理单元以及上位机控制单元等通过在真空腔体的密封挡板处打孔的方式外接出密闭腔体外，并在对接接口处做严格的密封处理，因此，需要解决测试装置与扫描电子显微镜的真空兼容性问题。（2）因电子枪激发高能电子束一般需要至少10KV以上的高压，因此电子束轰击部位处于高强电磁场作用下，测试装置与扫描电子显微镜的电磁兼容性问题亦需要解决。（3）现有商业化扫描电子显微镜的真空腔体均有限，且成像工作距离要求严格，如Hitachi TM-1000型号的扫描电镜的真空腔体为直径140mm的圆周，其成像工作距离范围是1.5mm至3.5mm，较大腔体的扫描电镜，如Zeiss Evo 18型扫描电镜的真空腔体尺寸为直径360mm的圆周，其最大工作距离为15mm，因此，测试装置与扫描电镜的结构兼容性亦需要解决。