[实用新型]便携式拉-弯-扭复合载荷材料力学性能试验机

说明书

技术领域

    本实用新型涉及微观环境下多载荷下预载荷加载测试领域、微观环境下复合加载测试领域，弯曲载荷加载模式还涉及到原位力学性能测试领域。特别涉及一种便携式拉-弯-扭复合载荷材料力学性能试验机。可以对样品进行拉伸、弯曲、扭转单一载荷加载的同时，用电镜等显微成像仪器（如扫描电子显微镜SEM等）对加载过程中样品的微观变形，损伤以及断裂过程实施微观环境下的静、动态监测。此外，还可以对样品进行多种载荷下的预载荷加载和多种载荷复合加载，加载过程中用电镜等显微成像仪器对样品进行在线观测。本实用新型还可实现对载荷/位移信号的采集、控制及转换，为精确测定样品在微观环境下的力学特性和揭示样品在拉伸、弯曲、扭转等作用下的微观变形，损伤断裂机制及多载荷作用下的耦合、解耦机制提供新的测试方式。

背景技术

    多种载荷下的预载荷加载是指试件在受到拉伸、弯曲、扭转等不同形式的预加载后，对试件实施拉伸、弯曲或扭转实验。加载过程中，通过对并行信号的采集、控制及转换，配合以多种微观成像设备，可观察和对比分析试件在单一载荷加载模式下和多种载荷下的预载荷加载模式下不同的变形损伤机制。

多种载荷复合加载是指试件同时受到拉伸和弯曲载荷、拉伸和扭转载荷、弯曲和扭转载荷或拉伸、弯曲、扭转载荷的作用。加载过程中，通过对各路并行信号的采集、控制及转换，并配合以多种微观成像设备，可建立拉、弯、扭等复合载荷加载的载荷空间耦合模型，并结合试验数据，对复合载荷进行解耦，研究材料及制品服役状态下的真实力学行为与变形损伤机制。同时软件方面需要对载荷进行并行控制及对信号进行并行采集与处理，以保证耦合和解耦的准确性。

    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，通过光学显微镜、电子显微镜以及原子力显微镜等仪器对各种载荷作用下材料及其制品发生的微观变形，损伤进行全程动态在线监测的一种力学测试手段。该技术从微观层面揭示了各类材料及其制品的力学行为、损伤机理以及载荷的大小、种类与材料性能间的相关性规律。在诸多微纳米力学性能测试的范畴中，弹性模量、切变模量、弯曲模量、硬度、断裂极限等参数是微构件力学特性测试中的最主要的测试对象，针对这些力学量产生了很多种测试方法，如纳米压痕/划痕、拉伸/压缩法、剪切法、弯曲法和鼓膜法等，其中原位三点弯曲测试方法能较全面的反应材料或制品在弯曲条件下的力学特性，并能较直观的测量材料弯曲模量、屈服极限和断裂强度等重要力学参数。

当前对于原位三点弯曲测试的研究尚处于初级阶段，具体表现如下：（1）扫描电子显微镜、原子力显微镜和透射电子显微镜等的腔体空间非常有限，以至于目前的多数研究都集中在以微/纳米尺度材料和结构为基础，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，从而严重束缚了学术界对较大尺寸元件的微观力学行为以及损伤断裂机制的深入研究；（2）从测量仪器上来说，主要借助于商业化的扫描电子显微镜（SEM）配带弯曲加载装置对材料及其制品进行原位微/纳米力学性能测试，这种方法存在设备费用昂贵，测试范围有限，测试内容陈旧等特点，对结构紧凑，测量范围可调，测试内容多样的原位三点弯曲测试装置少有提及，极大制约了研究的深入与发展；

    在原位三点弯曲力学性能测试技术应用之前，弯曲试验一般是用大型弯曲试验机对材料及其制品进行离位测试。试验机按照相关标准以均匀速率对样品进行加载，由试验机绘出载荷-挠度曲线，进而得到载荷作用下应力-应变曲线图，因此，最初的弯曲试验机是将材料弯到规定的角度或者断裂后，得出材料的弹性模量、屈服极限、断裂极限等力学参数。传统弯曲试验机针对的大都是大尺度宏材尺度试件，未涉及样品微纳米尺度范畴的力学性能研究，也未涉及到高分辨率显微成像系统下的原位在线观测。

发明内容