[实用新型]原位拉/压-扭转复合载荷材料微观力学测试平台

说明书

技术领域

    本实用新型涉及材料力学测试领域，特别涉及一种原位拉/压-扭转复合载荷材料微观力学测试平台。可在扫描电子显微镜、金相显微镜、Raman光谱仪、X射线衍射仪等固态材料性能表征仪器的动态监测下研究分析拉伸/压缩载荷作用、扭转载荷作用，特别是拉伸/压缩与扭转复合载荷共同作用下试件样品材料的微观组织结构变化、变形损伤机制和性能演化规律，结合检测控制单元可同步进行载荷/位移信号的精密检测、分析与闭环控制。通过本实用新型可对材料在复合载荷作用下的微观变形、损伤和断裂过程进行原位监测，为揭示材料在接近服役条件下微纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供有效的测试方法。

背景技术

原位微纳米力学测试技术是指在微纳米尺度下对试件材料进行力学性能测试过程中，通过电子显微镜、原子力显微镜和光学显微镜等成像仪器对载荷作用下材料发生的微观变形、损伤直至失效破坏的过程进行全程动态监测的一种力学测试技术。在诸多微纳米力学参数测试的范畴中，弹性模量、切变模量、屈服极限抗扭强度等参数是材料力学特性测试中的最主要的研究对象，针对这些力学参数产生了多种测试方法，如扭转法、拉伸法及纳米压入法等。通过原位力学测试可以揭示出，在外界载荷作用下材料变形损伤的规律，复合载荷下原位力学测试有利于研究材料及其制品在接近服役状态下较为真实的力学行为与变形损伤机制。

当前精密材料力学性能复合载荷原位测试的研究尚不完善，具体表现在：（1）受到各种观测设备腔体尺寸限制，多数研究都集中在以微/纳机电系统工艺为基础，对纳米管、纳米线以及薄膜材料等极微小结构的单纯原位纳米拉伸测试上。因而缺少对宏观尺寸（薄膜材料或三维试件）的跨尺度原位纳米力学测试的深入研究，从而严重阻碍了学术界对较大尺寸元件的微观力学行为和损伤机制的新现象、新规律的发现；（2）从测试手段和方法上来说，主要借助商业化的纳米压痕仪进行的原位纳米压痕测试和原位纳米拉伸仪进行的原位拉伸测试。两种方法均存在设备费用昂贵，测试方法单一，测试内容乏善可陈的特点，对结构紧凑，体积小巧的复合载荷原位测试装置鲜有提及，极大制约了研究的深入与发展；（3）从测试内容上看，现有仪器设备的测试内容相对单一，两种及两种以上载荷类型的复合测试仪器鲜有提及，限制了复杂工况下材料的微观力学性能及损伤机制的研究深入化。

在原位纳米拉伸/压缩-扭转复合载荷力学测试技术应用之前，拉伸/压缩试验与扭转试验一般是在材料试验机上的离位测试。试验机依规定的速率均匀地加载试样，由试验机绘出载荷-伸长曲线，进而得到载荷作用下应力-应变曲线图，因此，最初的拉伸机和剪切测试机是将材料拉断或剪断后，得出材料的拉伸屈服极限、拉伸强度极限、剪切屈服极限、剪切极限等力学参数。传统拉伸机和剪切测试机针对的都是宏材尺度试件，未涉及材料纳米尺度范畴的力学性能研究，亦未涉及到高分辨率显微成像系统下的原位观测。

因此，设计一种体积小、结构紧凑，测试精度高，能够利用电子显微镜等成像系统实时监测宏观试件在载荷作用下的微观变形和损伤过程的拉伸/压缩-扭转复合载荷力学测试平台已十分必要。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种原位拉/压-扭转复合载荷材料微观力学测试平台，解决了现有技术存在的上述问题，且一定程度上填补了现有技术的空白。为实现精度高、应变速率可控、体积小、结构精巧的可用于精密材料微观力学性能原位复合载荷测试的装置提供一种有效的方案。通过原位拉伸/压缩-扭转测试获得材料的切变模量、屈服极限和强度极限等力学参数，在已知材料泊松比的情况下，亦可通过简单计算亦可得到材料的弹性模量。通过本测试装置可监测材料的微观组织结构变化、变形损伤机制和性能演化规律，为揭示材料在微观尺度下的力学特性和损伤机制提供了测试方法。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

原位拉/压-扭转复合载荷材料微观力学测试平台，包括测试平台基座40、精密加载单元、检测控制单元、夹持及连接单元，所述精密加载单元包含扭矩加载单元和拉压加载单元，由精密直流伺服电机Ⅰ、Ⅱ9、17、二次包络型蜗轮蜗杆副Ⅰ、Ⅱ、精密滚珠丝杠副、精密滚珠直线导轨组成，其中精密直流伺服电机Ⅰ、Ⅱ9、17可提供高分辨率扭矩及角位移输出，二次包络型蜗轮蜗杆副Ⅰ可提供2500：1的较大减速比，可对精密直流伺服电机Ⅰ、Ⅱ9、17输出的动力进行较大程度减速、增矩，分别给扭矩加载单元和拉压加载单元提供超低速准静态的加载方式；