[实用新型]拉伸-剪切复合加载模式下材料微观力学性能原位测试装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及原位力学性能测试领域，特别涉及一种拉伸-剪切复合加载模式下材料微观力学性能原位测试装置。本装置可以作为拉伸和纯剪切两种材料力学性能测试装置独立使用，亦可以实现拉剪两种载荷在不同加载时序下的复合载荷测试，同时可以进行高频抗剪疲劳性能测试；试验装置可以置于金相显微镜等显微成像设备下对试件在拉剪复合载荷加载过程中的微观形态进行原位观测，如微观裂纹的产生、长大以及扩展方式等；可以实现对载荷/位移信号的采集、转换及控制，以一种较为新颖的方法精确测定材料在微纳米尺度下的力学特性。 

背景技术

原位力学性能测试是指在微/纳米尺度下对试件材料进行力学性能测试的过程中，通过电子显微镜、原子力显微镜以及光学显微镜等仪器对各种载荷作用下材料发生的微观变形、损伤进行全程原位监测的一种力学测试方法。该技术在探测载荷的类型、大小与材料性能间的相关性规律的同时，也从微观层面揭示了各类材料及其制品的力学特性、损伤破坏机理，对深入认识材料在复杂受力状态下的力学行为有很大的帮助。在诸多微纳米力学性能测试的范畴中，弹性模量、切变模量、屈服极限、断裂极限、弯曲模量、硬度等参数是微构件力学特性测试中最主要的测试对象，针对这些力学参量产生了很多种测试方法，如拉伸/压缩法、弯曲法、剪切法、扭转法、纳米压痕/划痕和鼓膜法等。 

材料及其制品在实际工况下往往受到非单一载荷的作用，如拉剪组合、拉弯组合等，单一载荷作用的测试方式可能不能表现材料在真实服役状态下的力学性能，如材料在拉应力作用下往往使其发生临界断裂破坏的剪切应力远小于其剪切强度，在剪切应力作用下其发生临界断裂破坏的拉应力远小于其抗拉强度。现有研究中，复合载荷模式的加载主要是通过将被测试件通过与拉伸轴线互成角度的不规则装夹来实现的，即驱动源输出的加载力主要是拉伸的轴向力，通过不同轴或不等高的拉伸模式使材料内部出现不同的复合载荷测试形式。该测试方法造成了两种或多种载荷模式无法独立加载或依次加载，就难以实现对不同单一载荷模式的解析，也无法就材料及其制品在不同应力组合的复合载荷作用下的力学性能及变性损伤机制做出准确评价。 

目前的原位纳米力学测试技术具有以下局限性：（1）多数原位纳米测试集中在以微/纳机电系统原理为基础，对纳米管、纳米线以及薄膜材料等极微小结构进行单纯原位纳米拉伸测试上，缺少对宏观尺寸（薄膜材料或三维试件）的跨尺度原位微/纳米力学性能测试的深入研究；（2）目前的原位力学测试主要借助商业化的原位纳米拉伸仪和纳米压痕仪分别进行原位纳米拉伸测试和原位压痕测试，商业化测试设备费用昂贵，测试方法单一，且不能提供对材料在多载荷复合模式下的力学测试；（3）在进行疲劳性能测试时，目前的原位疲劳试验机一般仅能提供50HZ以下的低周疲劳测试，不能反映试件及其制品在实际疲劳工况下的力学性能。 

在原位拉伸剪切复合载荷力学性能测试技术应用之前，拉伸试验和剪切试验一般是依靠大型材料试验机对试件进行离位测试。试验机按照相关标准以均匀速率对试件进行加载，由与试验机相连的计算机绘出载荷-挠度曲线，进而得到相关载荷作用下应力-应变曲线图。因此，传统的材料试验机是将试件加载到拉断或剪断之后，才得出材料的拉伸屈服极限、拉伸强度极限、剪切屈服极限、剪切强度极限等力学参数；并且传统弯曲试验机针对的大都是大尺度宏材尺度试件，未涉及到高分辨率显微成像系统下的原位观测，无法较为深入地开展复合载荷与材料的微观力学行为及变性损伤过程的结合性研究。 

因此，设计一种结构小巧紧凑、性能可靠、精度高的并且能与显微成像设备兼容的原位拉剪复合载荷试验装置有十分重要的意义。 

发明内容