剪切—扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式材料微觀力學(xué)性能原位測試平臺(tái)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種剪切—扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式材料微觀力學(xué)性能原位測試平臺(tái)，屬于精密科學(xué)儀器領(lǐng)域。由精密剪切加載驅(qū)動(dòng)單元、精密扭轉(zhuǎn)加載驅(qū)動(dòng)單元、力學(xué)和變形信號(hào)檢測單元、試件夾持單元等部分組成，可分別進(jìn)行純剪切和純扭轉(zhuǎn)的單一載荷作用材料微觀力學(xué)性能測試，還可以進(jìn)行剪切—扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式的材料微觀力學(xué)性能測試。優(yōu)點(diǎn)在于：功能多樣、結(jié)構(gòu)緊湊輕巧，具有驅(qū)動(dòng)、加載、檢測和多項(xiàng)材料微觀性能動(dòng)態(tài)測試的功能，與商業(yè)化主流的掃描電子顯微鏡、光學(xué)顯微鏡（金相顯微鏡）、X射線衍射儀等儀器良好的兼容性，可結(jié)合這類材料性能測試表征儀器動(dòng)態(tài)研究不同類型載荷作用情況下材料的微觀組織結(jié)構(gòu)與變形損傷機(jī)制的相關(guān)性規(guī)律。
【專利說明】剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式材料微觀力學(xué)性能原位測試平臺(tái)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于精密科學(xué)儀器類，特別涉及一種剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式材料微觀力學(xué)性能原位測試平臺(tái)?？勺鳛榧兗羟谢蚣兣まD(zhuǎn)的單一載荷作用材料微觀力學(xué)性能測試平臺(tái)獨(dú)立使用，亦可實(shí)現(xiàn)在給定剪切應(yīng)力水平下的扭轉(zhuǎn)載荷作用材料微觀力學(xué)性能測試或給定扭轉(zhuǎn)力矩狀態(tài)下的剪切載荷作用材料微觀力學(xué)性能測試，即復(fù)合載荷加載模式的材料微觀力學(xué)性能測試。此外，該平臺(tái)可在掃描電子顯微鏡、光學(xué)顯微鏡(金相顯微鏡)、X射線衍射儀等儀器的原位監(jiān)測下進(jìn)行包括原位剪切載荷加載模式的材料微觀力學(xué)性能測試、原位扭轉(zhuǎn)載荷加載模式的材料微觀力學(xué)性能測試、原位剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式的材料微觀力學(xué)性能測試，從而實(shí)現(xiàn)對被測材料的微觀力學(xué)行為和變性損傷過程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察。同時(shí)，通過對驅(qū)動(dòng)單元的閉環(huán)控制，力學(xué)和變形信號(hào)檢測單元對剪切加載驅(qū)動(dòng)單元的剪切壓力、直線位移信號(hào)的采集及力學(xué)和變形信號(hào)檢測單元對扭轉(zhuǎn)加載驅(qū)動(dòng)單元的扭矩、角位移信號(hào)的采集，也可擬合被測材料在剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合作用下的應(yīng)力應(yīng)變歷程，為復(fù)合載荷加載模式下材料的微觀力學(xué)性能測試提供了方法。
【背景技術(shù)】
[0002]原位納米力學(xué)測試是指在納米尺度下對試件材料進(jìn)行力學(xué)性能測試過程中，通過電子顯微鏡、原子力顯微鏡或光學(xué)顯微鏡等儀器對載荷作用下材料發(fā)生的微觀變形損傷進(jìn)行全程動(dòng)態(tài)監(jiān)測的一種力學(xué)測試技術(shù)。該技術(shù)深入的揭示了各類材料及其制品的微觀力學(xué)行為、損傷機(jī)理及其材料性能與所受載荷間的相關(guān)性規(guī)律。目前，為了測量材料及其制品的彈性模量、硬度、斷裂極限、切變模量等重要參數(shù)，基于納米力學(xué)測試，提出了多種測試方法，如拉伸/壓縮法、剪切法、扭轉(zhuǎn)法、彎曲法和納米壓痕法等。但是，在實(shí)際工況下，材料及其制品受到的載荷形式往往是非單一模式的，如拉伸/壓縮一彎曲復(fù)合載荷模式、拉伸/壓縮一扭轉(zhuǎn)復(fù)合載荷模式、剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合模式等。相對單一模式，復(fù)合載荷模式下工作的材料及構(gòu)件的受力情況、變形、破壞失效的原因也更復(fù)雜。因此，采用針對單一載荷形式的力學(xué)測試方法難以準(zhǔn)確表達(dá)實(shí)際工況下材料及構(gòu)件的受載形式，即無法對復(fù)合載荷作用下材料的力學(xué)性能做出準(zhǔn)確評價(jià)。
[0003]因此，為了對材料及其制品在復(fù)合載荷模式作用下的力學(xué)性能及變性損傷機(jī)制做出準(zhǔn)確評價(jià)，實(shí)現(xiàn)對不同單一載荷模式的解析，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對兩種或多種載荷模式獨(dú)立加載或依次加載，發(fā)明了多種載荷復(fù)合模式的原位測試平臺(tái)，如顯微鏡下拉壓彎復(fù)合載荷模式材料力學(xué)性能測試裝置等。
[0004]本剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式材料微觀力學(xué)性能原位測試平臺(tái)，作為能夠直觀反映材料力學(xué)性能的有效評價(jià)手之一，可直接獲取如切變模量等重要力學(xué)參數(shù)，基于剪切、扭轉(zhuǎn)兩種單一載荷形式的復(fù)合載荷加載模式亦在實(shí)際工況中較為普遍，且常是導(dǎo)致材料及其制品失效破壞的原因之一。微觀尺度下對試件材料進(jìn)行原位微觀力學(xué)性能測試過程中，通過掃描電子顯微鏡等成像儀器可對載荷作用下試件發(fā)生的微觀變形、損傷、失效破壞的過程進(jìn)行全程動(dòng)態(tài)監(jiān)測。通過這種力學(xué)測試手段，可以揭示出外載荷作用下，材料變形損傷的規(guī)律，且可避免因?yàn)槲?gòu)件的尺寸效應(yīng)等問題帶來的困擾，這將更有利于研究材料及其制品在服役狀態(tài)下的真實(shí)微觀力學(xué)行為與變形損傷機(jī)制。
[0005]綜上所述，設(shè)計(jì)一種可用于顯微鏡下純剪切載荷加載模式、純扭轉(zhuǎn)載荷加載模式以及剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式的材料微觀力學(xué)性能原位測試的測試平臺(tái)十分必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本實(shí)用新型的目的在于設(shè)計(jì)一種剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式材料微觀力學(xué)性能原位測試平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)純剪切載荷加載模式、純扭轉(zhuǎn)載荷加載模式、以及基于以上兩種載荷模式的剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式的材料微觀力學(xué)性能原位測試，其中復(fù)合載荷加載模式下，試件的受力狀況更接近實(shí)際工況下材料的復(fù)雜受力情況。本測試平臺(tái)結(jié)構(gòu)小、質(zhì)量輕，可借助掃描電子顯微鏡、光學(xué)顯微鏡(金相顯微鏡)、X射線衍射儀等成像系統(tǒng)，對上述測試過程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，如對材料的裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展和材料的失效斷裂過程進(jìn)行原位監(jiān)測，進(jìn)而對材料在單一載荷模式及復(fù)合載荷模式加載作用下的微觀力學(xué)行為、變形損傷機(jī)制進(jìn)行深入研究。同時(shí)，通過對驅(qū)動(dòng)單元的閉環(huán)控制及載荷/位移信號(hào)的采集，亦可擬合材料在復(fù)合載荷加載模式作用下的應(yīng)力應(yīng)變歷程，為復(fù)合載荷加載模式的材料微觀力學(xué)性能原位測試提供了方法。
[0007]本實(shí)用新型的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0008]剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式材料微觀力學(xué)性能原位測試平臺(tái)，包括精密剪切加載驅(qū)動(dòng)單元、精密扭轉(zhuǎn)加載驅(qū)動(dòng)單元、力學(xué)和變形信號(hào)檢測單元、試件夾持單元等，精密剪切加載驅(qū)動(dòng)單元和精密扭轉(zhuǎn)加載驅(qū)動(dòng)單元通過螺栓固定在測試平臺(tái)基座I上，保證精密剪切加載驅(qū)動(dòng)單元終端輸出的直線移動(dòng)方向與精密扭轉(zhuǎn)加載驅(qū)動(dòng)單元終端輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軸線相垂直；試件夾持單元配合精密扭轉(zhuǎn)加載驅(qū)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)對試件的固定、夾緊和施加扭矩，力學(xué)和變形信號(hào)檢測單元的各個(gè)元器件分布在精密剪切加載驅(qū)動(dòng)單元、精密扭轉(zhuǎn)加載驅(qū)動(dòng)單元中，以實(shí)現(xiàn)各自的功能。其中，精密剪切加載驅(qū)動(dòng)單元、精密扭轉(zhuǎn)加載驅(qū)動(dòng)單元的運(yùn)動(dòng)時(shí)序可控，且分別獨(dú)立驅(qū)動(dòng)；即測試平臺(tái)可分別進(jìn)行純剪切和純扭轉(zhuǎn)的單一載荷作用材料微觀力學(xué)性能測試，特別是可以進(jìn)行剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式的材料微觀力學(xué)性能測試。
[0009]所述精密剪切加載驅(qū)動(dòng)單元是:安裝了編碼器I 14的直流伺服電機(jī)I 15與由減速器16、同步帶18、同步帶輪I 20、及精密雙向滾珠絲杠7所構(gòu)成的傳動(dòng)單元I相連，直流伺服電機(jī)I 15以脈沖/換向方式輸出精密角位移及可控扭矩，通過與直流伺服電機(jī)I 15相連接的減速器I 16、同步帶18、同步帶輪I 20及精密雙向滾珠絲杠7等組成的傳動(dòng)單元I將直流伺服電機(jī)I 15提供的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，直流伺服電機(jī)I 15通過法蘭架I 17與測試平臺(tái)基座I相連；精密雙向滾珠絲杠7通過絲杠固定基座1、II 3、21與測試平臺(tái)基座I相連；
[0010]所述精密扭轉(zhuǎn)加載驅(qū)動(dòng)單元是:安裝了編碼器II 35的直流伺服電機(jī)II 34與由減速器II 33、蝸輪30、蝸桿31構(gòu)成的傳動(dòng)單元II相連接，直流伺服電機(jī)II 34以脈沖/換向方式輸出精密角位移及可控扭矩，通過與直流伺服電機(jī)34相連接的減速器II 33、蝸桿31、蝸輪30等組成的傳動(dòng)單元II將直流伺服電機(jī)II 34提供的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給夾具體II 27，直流伺服電機(jī)II 34通過法蘭架II 32與測試平臺(tái)基座I相連，所述蝸桿31與減速器II 33螺釘連接，渦輪30與夾具體II 27螺釘連接，夾具體II 27通過軸承I 29、支承座I 28與測試平臺(tái)基座I相連。
[0011]所述力學(xué)和變形信號(hào)檢測單元由壓力傳感器1、II 2、23和扭矩傳感器11組成的力學(xué)信號(hào)檢測單元，由光柵角位移傳感器25、直線位移傳感器44組成的位移信號(hào)檢測單元，及編碼器1、11 14、35組成，分別用以檢測復(fù)合載荷測試中被測試件受到的載荷——剪切力、扭矩，以及試件產(chǎn)生的變形量——剪切深度和扭轉(zhuǎn)角度；所述壓力傳感器II 23的一端與壓力傳感器基座I 24連接，另一端與壓頭II 22連接；壓力傳感器I 2的一端與壓力傳感器基座II 36連接，另一端與壓頭I 6連接；扭矩傳感器11的一端與扭矩傳感器基座12連接，另一端與試件夾持單元的夾具體I 10連接；直線位移傳感器44的兩端分別連接到滑動(dòng)導(dǎo)軌I 5上的絲杠螺母支架1、II 4、19上；光柵角位移傳感器25直接與試件8相連；所述編碼器I 14與直流伺服電機(jī)I 15的轉(zhuǎn)子同軸連接，編碼器II 35與直流伺服電機(jī)II 34的轉(zhuǎn)子同軸連接。采用光柵角位移傳感器(25)測量的角位移值來換算得到試件有效長度內(nèi)的旋轉(zhuǎn)角度。
[0012]所述壓力傳感器1、II 2、23及編碼器I 14可分別通過載荷模擬信號(hào)及編碼器標(biāo)定變形數(shù)字信號(hào)為直流伺服電機(jī)I 15提供精密脈沖/方向閉環(huán)控制模式的反饋源；扭矩傳感器11及編碼器II 35可分別通過載荷模擬信號(hào)及編碼器標(biāo)定變形數(shù)字信號(hào)為直流伺服電機(jī)II 34提供精密脈沖/方向閉環(huán)控制模式的反饋源。
[0013]所述的夾持單元由夾具體II 27、支承座II 50、支承座III 52和夾具體I 10組成，其中支承座II 50與測試平臺(tái)基座I通過內(nèi)六角螺栓剛性連接，支承座III 52通過內(nèi)六角螺栓與滑動(dòng)基座55連接；夾具體1、II 10,27與試件8之間通過螺釘定位、夾緊及傳遞扭矩。夾具體I 10通過螺栓與扭矩傳感器11相連，通過兩對螺釘對試件8進(jìn)行固定、夾緊，該夾具體僅能沿試件軸向方向移動(dòng)，無法進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，通過支承座III 52固定在滑動(dòng)基座55上；夾具體II 27也是通過兩對螺釘對試件8進(jìn)行固定、夾緊的，并通過其轉(zhuǎn)動(dòng)對試件施加扭矩，通過軸承I 29、軸承座I 28與測試平臺(tái)基座I相連。滑動(dòng)導(dǎo)軌II 13為滑動(dòng)基座55提供支撐與導(dǎo)向的作用，保證在進(jìn)行扭轉(zhuǎn)測試的過程中，滑動(dòng)基座55帶動(dòng)包括扭矩傳感器基座12和夾具體I 10等沿試件軸向自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)測試過程中，試件在該方向尺寸的變化。
[0014]所述的減速器I 16及精密滾珠絲杠7通過鍵分別與同步帶輪1、II 48、20連接。
[0015]所述的精密剪切加載驅(qū)動(dòng)單元的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)旋鈕1、II 9、26分別與壓力傳感器基座I1、I 36、24連接，所述壓力傳感器基座I1、I 36、24分別與導(dǎo)軌V、IV 58、46滑動(dòng)連接，精密剪切加載驅(qū)動(dòng)單元通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)旋鈕1、11 9、26，可使壓力傳感器基座I1、I 36、24分別沿著導(dǎo)軌V、IV58、46移動(dòng)，從而對連接在壓力傳感器基座I1、I 36、24上的兩個(gè)剪切壓頭1、II 6、22的剪切位置進(jìn)行調(diào)整。
[0016]所述的精密雙向滾珠絲杠7設(shè)有兩段導(dǎo)程相同、旋向相反的小導(dǎo)程滾道，以確保在剪切測試過程中，與絲杠螺母連接的絲杠螺母基座1、II 4、19分別帶動(dòng)剪切壓頭1、II 6、22以相同的速度相向運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，導(dǎo)軌滑塊I 42等通過燕尾槽型機(jī)構(gòu)緊貼于精密導(dǎo)軌軌道上，并分別與滾珠絲杠螺母基座1、II 4、19剛性相連，對精密雙向滾珠絲杠螺母副所輸出的往復(fù)運(yùn)動(dòng)起到精密導(dǎo)向作用。
[0017]本實(shí)用新型所述的測試平臺(tái)主體尺寸為235mmX185.5mmX82.5mm，可安裝于掃描
電子顯微鏡、光學(xué)顯微鏡(金相顯微鏡)、X射線衍射儀等儀器上，即與主流高分辨率顯微成像組件均具有良好的結(jié)構(gòu)兼容性。[0018]本實(shí)用新型的有益效果在于:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型可同時(shí)實(shí)現(xiàn)剪切、扭轉(zhuǎn)兩種載荷加載模式獨(dú)立加載或依次加載，不但可以實(shí)現(xiàn)對剪切和扭轉(zhuǎn)單一載荷加載模式的解析，還能夠就材料及其制品在剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式作用下的微觀力學(xué)性能及變性損傷機(jī)制做出準(zhǔn)確評價(jià)。測試材料范圍廣，測試內(nèi)容豐富，包括金屬材料、陶瓷、非晶合金以及骨骼等生物材料均在可測范圍之內(nèi)。同時(shí)本測試平臺(tái)結(jié)構(gòu)小、質(zhì)量輕，能夠借助如掃面電子顯微鏡、光學(xué)顯微鏡(金相顯微鏡)、X射線衍射儀等成像儀器，對被測材料的微觀組織結(jié)構(gòu)、微觀力學(xué)行為和變性損傷過程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，實(shí)現(xiàn)原位測試。此外，載荷傳感器、光柵角位移傳感器和編碼器等測量、控制元器件的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對該原位測試平臺(tái)的精確閉環(huán)控制。綜上所述，本實(shí)用新型不但具有良好的應(yīng)用、開發(fā)前景，而且對原位測試技術(shù)及裝置的發(fā)展有著重要意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本實(shí)用新型的整體外觀結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為本實(shí)用新型的精密剪切加載驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖3為本實(shí)用新型的精密扭轉(zhuǎn)加載驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖4為本實(shí)用新型的精密剪切加載驅(qū)動(dòng)單元的向視圖；
[0023]圖5為本實(shí)用新型的試件夾持單元夾持試件時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖中:1、測試平臺(tái)基座；2、壓力傳感器I ;3、絲杠固定基座I ;4、絲杠螺母支架I ;5、滑動(dòng)導(dǎo)軌I ;6、壓頭I ;7、精密雙向滾珠絲杠；8、試件；9、調(diào)節(jié)旋鈕I ;10、夾具體
I;11、扭矩傳感器；12、扭矩傳感器基座；13、滑動(dòng)導(dǎo)軌II ;14、編碼器I ;15、直流伺服電機(jī)I ;16、減速器I ;17、法蘭架I ;18、同步帶；19、絲杠螺母支架II ;20、同步帶輪I ;21、絲杠固定基座II ;22、壓頭II ;23、壓力傳感器II ;24、壓力傳感器基座I ;25、光柵角位移傳感器；26、調(diào)節(jié)旋鈕II ;27、夾具體II ;28、支承座I ;29、軸承I ;30、蝸輪；31、蝸桿；32、法蘭架II ;33、減速器II ;34、直流伺服電機(jī)II ;35、編碼器II ;36、壓力傳感器基座II ;37、軸承
II;38、精密絲杠螺母；39、旋鈕座I ;40、軸承III ;41、彈簧；42、滑塊I ;43、旋鈕座II ;44、直線位移傳感器；45、滑動(dòng)導(dǎo)軌111;46、滑動(dòng)導(dǎo)軌IV;47、滑塊II ;48、同步帶輪II ;49、滑動(dòng)導(dǎo)軌VI ;50、支承座II ;51、軸承V ;52、支承座III ;53、軸承VI ;54、滑塊III ;55、滑動(dòng)基座；56、滑塊IV ;57、滑塊V ;58、滑動(dòng)導(dǎo)軌V。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本實(shí)用新型的詳細(xì)內(nèi)容及其【具體實(shí)施方式】。
[0026]參見圖1至圖5，發(fā)明的剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式材料微觀力學(xué)性能原位測試平臺(tái)，包括精密剪切加載驅(qū)動(dòng)單元、精密扭轉(zhuǎn)加載驅(qū)動(dòng)單元、力學(xué)和變形信號(hào)檢測單元、試件夾持單元，精密剪切加載驅(qū)動(dòng)單元和精密扭轉(zhuǎn)加載驅(qū)動(dòng)單元通過螺栓固定在測試平臺(tái)基座I上，保證精密剪切加載驅(qū)動(dòng)單元終端輸出的直線移動(dòng)方向與精密扭轉(zhuǎn)加載驅(qū)動(dòng)單元終端輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軸線相垂直；試件夾持單元配合精密扭轉(zhuǎn)加載驅(qū)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)對試件的固定、夾緊和施加扭矩，力學(xué)和變形信號(hào)檢測單元的各個(gè)元器件分布在精密剪切加載驅(qū)動(dòng)單元、精密扭轉(zhuǎn)加載驅(qū)動(dòng)單元中，以實(shí)現(xiàn)各自的功能。其中，精密剪切加載驅(qū)動(dòng)單元、精密扭轉(zhuǎn)加載驅(qū)動(dòng)單元的運(yùn)動(dòng)時(shí)序可控，且分別獨(dú)立驅(qū)動(dòng)；即測試平臺(tái)可分別進(jìn)行純剪切和純扭轉(zhuǎn)的單一載荷作用材料微觀力學(xué)性能測試，特別是可以進(jìn)行剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式的材料微觀力學(xué)性能測試。
[0027]所述精密剪切加載驅(qū)動(dòng)單元是:直流伺服電機(jī)I 15安裝編碼器I 14后，與減速器
I16、同步帶18、同步帶輪I 20及精密雙向滾珠絲杠7構(gòu)成的傳動(dòng)單元相連接,直流伺服電機(jī)I 15以脈沖/換向方式輸出精密角位移及可控扭矩，通過與直流伺服電機(jī)I 15相連的減速器I 16、同步帶18、同步帶輪I 20及精密雙向滾珠絲杠7等組成的傳動(dòng)單元將直流伺服電機(jī)I 15提供的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，直流伺服電機(jī)I 15通過法蘭架I 17與測試平臺(tái)基座I相連；精密滾珠絲杠7兩端分別通過軸承II >11137,40,絲杠固定基座1、II 3、21與測試平臺(tái)基座I相連。精密絲杠螺母38與滾珠絲杠7 —起形成滾珠絲杠螺母副，精密絲杠螺母38安裝于絲杠螺母支架I 4上。
[0028]所述精密扭轉(zhuǎn)加載驅(qū)動(dòng)單元是:直流伺服電機(jī)II 34安裝編碼器II 35后，與減速器
II33、蝸桿31、蝸輪30所構(gòu)成的傳動(dòng)單元II相連，直流伺服電機(jī)II 34以脈沖/換向方式輸出精密角位移及可控扭矩，通過與直流伺服電機(jī)II 34相連接的減速器II 33、蝸桿31、蝸輪30等組成的傳動(dòng)單元II將直流伺服電機(jī)II 34提供的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給夾具體II 27，直流伺服電機(jī)II 34通過法蘭架II 32與測試平臺(tái)基座I相連；所述蝸桿31與減速器II 33螺釘連接，渦輪30與夾具體II 27螺釘連接，夾具體II 27通過軸承I 29、支承座I 28與測試平臺(tái)基座I相連。
[0029]所述力學(xué)和變形信號(hào)檢測單元包括壓力傳感器1、II 2、23、扭矩傳感器11組成的力學(xué)信號(hào)檢測單元，光柵角位移傳感器25、直線位移傳感器44組成的變形信號(hào)檢測單元，以及編碼器1、II 14、35。壓力傳感器1、II 2、23用以檢測純剪切載荷加載模式和剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式的材料微觀力學(xué)性能測試中被測試件8所受的剪切應(yīng)力，扭矩傳感器11用以檢測純扭轉(zhuǎn)載荷加載模式和剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式的材料微觀力學(xué)性能測試中被測試件8所受的扭矩，光柵角位移傳感器25用以檢測純扭轉(zhuǎn)載荷加載模式和剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式的材料微觀力學(xué)性能測試中被測試件8的扭轉(zhuǎn)角度，直線位移傳感器44用以檢測純剪切載荷加載模式和剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式的材料微觀力學(xué)性能測試中剪切壓頭的剪切深度。同時(shí)，壓力傳感器1、11 2、23、直線位移傳感器44和編碼器14通過模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，從而對直流伺服電機(jī)I 15實(shí)現(xiàn)精確閉環(huán)控制；扭矩傳感器11、光柵角位移傳感器25和編碼器II 35通過模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，為直流伺服電機(jī)II 34提供精密脈沖/方向閉環(huán)控制模式的反饋源；壓力傳感器II 23的一端與壓力傳感器基座I 24連接，另一端與剪切壓頭II 22連接；壓力傳感器I 2的一端與壓力傳感器基座II 36連接，另一端與剪切壓頭I 6連接；扭矩傳感器11的一端與扭矩傳感器基座12連接，另一端與試件夾持單元的夾具體I 10連接；直線位移傳感器44的兩端分別連接到滑動(dòng)導(dǎo)軌I 5、滑動(dòng)導(dǎo)軌III 45上與兩個(gè)精密絲杠螺母對應(yīng)的絲杠螺母支架1、II 4、19上；光柵角位移傳感器25直接與試件8相連。所述編碼器I 14與直流伺服電機(jī)I 15的轉(zhuǎn)子同軸連接，編碼器II 35與直流伺服電機(jī)II 34的轉(zhuǎn)子同軸連接。
[0030]所述的夾持單元由夾具體II 27、支承座II 50、支承座III 52和夾具體I 10組成，其中支承座II 50與測試平臺(tái)基座I通過內(nèi)六角螺栓剛性連接，支承座III 52通過內(nèi)六角螺栓與滑動(dòng)基座55連接；夾具體1、II 10,27與試件8之間通過螺釘定位、夾緊及傳遞扭矩。夾具體I 10通過螺栓與扭矩傳感器11相連，通過兩對螺釘對試件8進(jìn)行固定、夾緊，該夾具體僅能沿試件軸向方向移動(dòng)，無法進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，通過支承座III 52固定在滑動(dòng)基座55上；夾具體II 27也是通過兩對螺釘對試件8進(jìn)行固定、夾緊的，并通過其轉(zhuǎn)動(dòng)對試件施加扭矩，通過軸承1、軸承V、軸承VI 29、51、53和支承座1、II JII 28,50,52與測試平臺(tái)基座I相連?；瑒?dòng)導(dǎo)軌II 13為滑動(dòng)基座55提供支撐與導(dǎo)向的作用，保證在進(jìn)行扭轉(zhuǎn)測試的過程中，滑動(dòng)基座55帶動(dòng)包括扭矩傳感器基座12和夾具體I 10等沿試件軸向自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)測試過程中，試件在該方向尺寸的變化。
[0031]所述的精密剪切加載驅(qū)動(dòng)單元由同步帶傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力傳遞,其中同步帶輪
I1、I 20,48通過鍵分別與精密雙向滾珠絲杠7和減速器I 16的輸出軸相連接。
[0032]所述的精密雙向滾珠絲杠7設(shè)有兩段導(dǎo)程相同、旋向相反的小導(dǎo)程滾道，又由于壓頭1、11 6、22，壓力傳感器1、11 2、23，傳感器基座I1、I 36、24等零件或元器件完全對稱，使得在精密雙向滾珠絲杠7工作時(shí)，壓頭1、11 6、22以相同的速率相向運(yùn)動(dòng)，即測試過程中剪切位置保持不變，以確保在剪切測試過程中，與絲杠螺母連接的絲杠螺母支架1、
II4、19分別帶動(dòng)壓頭1、II 6、22以相同的速度相向運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，滑塊I 42等通過燕尾槽型機(jī)構(gòu)緊貼于精密導(dǎo)軌軌道上，并分別與滾珠絲杠螺母支架1、11 4、19剛性相連，對精密雙向滾珠絲杠螺母副所輸出的往復(fù)運(yùn)動(dòng)起到精密導(dǎo)向作用。
[0033]所述的剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式材料微觀力學(xué)性能原位測試平臺(tái)中，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)旋鈕1、II 9、26，可以通過固定在壓力傳感器基座I1、I 36、24上的旋鈕座I1、I 43、39使壓力傳感器基座I1、I 36、24分別通過滑塊乂、11 57、47沿著滑動(dòng)導(dǎo)軌V、IV58、46水平運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)剪切壓頭22和6沿著試件軸向運(yùn)動(dòng)，從而調(diào)整剪切壓頭1、II 6、22的切入位置，壓力傳感器基座下各有兩個(gè)同彈簧41 一樣的彈簧，用來保證調(diào)整旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)旋鈕后的壓力傳感器基座的穩(wěn)定性。
[0034]所述的剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式材料微觀力學(xué)性能原位測試平臺(tái)中，精密扭轉(zhuǎn)加載驅(qū)動(dòng)單元和精密扭轉(zhuǎn)加載驅(qū)動(dòng)單元分別由直流伺服電機(jī)I1、I 34、15驅(qū)動(dòng)，這兩個(gè)單元的運(yùn)動(dòng)時(shí)序可控且相互獨(dú)立，因此該測試平臺(tái)可以分別實(shí)現(xiàn)純剪切載荷加載模式、純扭轉(zhuǎn)載荷加載模式以及剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式的材料微觀力學(xué)性能原位測試。
[0035]所述的夾具體I 10通過扭矩傳感器11與扭矩傳感器基座12相連，扭矩傳感器基座12和支承座III 52共同連接到滑動(dòng)基座55，該滑動(dòng)基座通過內(nèi)六角螺母與滑塊II1、IV 54、56等剛性相連，在精密扭轉(zhuǎn)測試的過程中，該滑動(dòng)基座55通過滑動(dòng)導(dǎo)軌I1、VI 13、49上的滑塊水平移動(dòng)，以適應(yīng)試件軸向尺寸的變化。
[0036]所述的測試平臺(tái)主體尺寸為235mmX 185.5mmX82.5mm,可安裝掃描電子顯微鏡、光學(xué)顯微鏡(金相顯微鏡)、X射線衍射儀等儀器上，即與主流高分辨率顯微成像組件均具有良好的結(jié)構(gòu)兼容性，因此，可以對上述三種模式的力學(xué)性能原位測試進(jìn)行在線實(shí)時(shí)觀察，進(jìn)而對材料在單一載荷加載模式以及復(fù)合載荷加載模式作用下的微觀力學(xué)行為和變形損傷機(jī)制進(jìn)行深入研究。
[0037]參見圖1至圖5，發(fā)明的剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式材料微觀力學(xué)性能原位測試平臺(tái)中，安裝試件前，需要對夾具體1、11 10、27進(jìn)行復(fù)位操作，要求復(fù)位后用于固定、夾緊的螺釘水平分布，以便于后續(xù)操作的進(jìn)行。在實(shí)施測試前，需要對用于純剪切載荷加載模式測試和剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式測試的壓力傳感器1、II 2,23,以及用于純扭轉(zhuǎn)載荷加載模式測試和剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式測試的扭矩傳感器11進(jìn)行標(biāo)定測試，同時(shí)利用激光測微儀對在一定載荷作用下傳感器的彈性變形值進(jìn)行測試，便于對扭轉(zhuǎn)載荷加載模式測試及剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式測試下試件的變形量進(jìn)行計(jì)算。
[0038]對于剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式的材料微觀力學(xué)性能測試，根據(jù)兩種載荷的加載順序不同，可分為如下三種模式:模式一為在剪切測試的同時(shí)，進(jìn)行扭轉(zhuǎn)測試；模式二為在扭轉(zhuǎn)測試完成以后，再進(jìn)行剪切測試，即實(shí)現(xiàn)在已有扭轉(zhuǎn)應(yīng)力狀態(tài)下的剪切測試；另一個(gè)模式為在剪切測試完成以后，再進(jìn)行扭轉(zhuǎn)測試，即實(shí)現(xiàn)在已有剪切應(yīng)力狀態(tài)下的扭轉(zhuǎn)測試。
[0039]由于需要對測試進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，因此為了為便于顯微成像系統(tǒng)對被測試件8的觀測及圖像采集，需要對試件部分表面進(jìn)行研磨過其他方式的表面處理，以獲得較高的表面精度。也可以通過化學(xué)腐蝕等工藝得到試件的金相等顯微形貌，以便對測試過程進(jìn)行觀察及對結(jié)果進(jìn)行分析。
[0040]對于上述的三種測試模式，模式一的測試過程可以分析如下:給定編碼器II 35標(biāo)定速率作為被測試件8的恒應(yīng)變速率，此應(yīng)變速率范圍為0.5um/s至50um/s，或以扭矩傳感器11提供的模擬量信號(hào)作為反饋源提供的恒載荷速率，在脈沖信號(hào)的控制下直流伺服電機(jī)II 34輸出精確角位移，通過減速器II 33、蝸桿31和蝸輪30的減速增扭，將電機(jī)輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞到夾具體II 27上，同時(shí)，扭矩傳感器11及編碼器II 35對扭矩T進(jìn)行檢測及夾具體II 27的轉(zhuǎn)速進(jìn)行同步拾取。在扭轉(zhuǎn)載荷加載模式測試的任意應(yīng)力水平下，以脈沖方式驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)I 15輸出精密直線位移，進(jìn)行獨(dú)立的剪切測試，直至顯微成像組件觀測到初始裂紋源及其萌生或失效破壞現(xiàn)象。同時(shí)，如前所述，通過對在一定載荷作用下傳感器的彈性變形值進(jìn)行的標(biāo)定測試，亦可較為準(zhǔn)確的間接計(jì)算出試件在剪切及扭轉(zhuǎn)作用下的應(yīng)變值。另外兩個(gè)模式的測試過程與此類似。
[0041]在測試的整個(gè)過程中，被測試件的裂紋萌生、擴(kuò)展及變形損傷情況由高放大倍率的掃描電子顯微鏡成像系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，并可同時(shí)記錄圖像，結(jié)合調(diào)試軟件亦可實(shí)時(shí)獲取表征材料力學(xué)性能的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線及抗彎強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等重要力學(xué)參數(shù)。
[0042]以上所述僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)例，并不用于限制本實(shí)用新型，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本實(shí)用新型可以有多種更改和變化。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式材料微觀力學(xué)性能原位測試平臺(tái)，其特征在于:包括精密剪切加載驅(qū)動(dòng)單元、精密扭轉(zhuǎn)加載驅(qū)動(dòng)單元、力學(xué)和變形信號(hào)檢測單元、試件夾持單元，精密剪切加載驅(qū)動(dòng)單元和精密扭轉(zhuǎn)加載驅(qū)動(dòng)單元通過螺栓固定在測試平臺(tái)基座(1)上，保證精密剪切加載驅(qū)動(dòng)單元終端輸出的直線移動(dòng)方向與精密扭轉(zhuǎn)加載驅(qū)動(dòng)單元終端輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軸線相垂直；試件夾持單元配合精密扭轉(zhuǎn)加載驅(qū)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)對試件的固定、夾緊和施加扭矩，力學(xué)和變形信號(hào)檢測單元的各個(gè)元器件分布在精密剪切加載驅(qū)動(dòng)單元、精密扭轉(zhuǎn)加載驅(qū)動(dòng)單元中，以實(shí)現(xiàn)各自的功能；其中，精密剪切加載驅(qū)動(dòng)單元、精密扭轉(zhuǎn)加載驅(qū)動(dòng)單元的運(yùn)動(dòng)時(shí)序可控，且分別獨(dú)立驅(qū)動(dòng)；即測試平臺(tái)可分別進(jìn)行純剪切和純扭轉(zhuǎn)的單一載荷作用材料微觀力學(xué)性能測試，可以進(jìn)行剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式的材料微觀力學(xué)性能測試。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式材料微觀力學(xué)性能原位測試平臺(tái)，其特征在于:所述 的精密剪切加載驅(qū)動(dòng)單元是:直流伺服電機(jī)I (15)安裝編碼器I (14)后，與減速器I (16)、同步帶(18)、同步帶輪I (20)及精密雙向滾珠絲杠(7)構(gòu)成的傳動(dòng)單元I相連，直流伺服電機(jī)I (15)通過法蘭架I (17)與測試平臺(tái)基座(1)相連；精密雙向滾珠絲杠(7)通過絲杠固定基座1、II (3、21)與測試平臺(tái)基座(1)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式材料微觀力學(xué)性能原位測試平臺(tái)，其特征在于:所述精密扭轉(zhuǎn)加載驅(qū)動(dòng)單元是:直流伺服電機(jī)II (34)安裝編碼器II (35)后，與減速器II (33)、蝸桿(31)、蝸輪(30)所構(gòu)成的傳動(dòng)單元II相連，直流伺服電機(jī)II (34)通過法蘭架II (32)與測試平臺(tái)基座(1)相連，所述蝸桿(31)與減速器II (33)通過螺釘連接，渦輪(30)與夾具體II (27)通過螺釘連接，夾具體II (27)通過軸承I (29)、支承座I (28)與測試平臺(tái)基座(1)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式材料微觀力學(xué)性能原位測試平臺(tái)，其特征在于:所述力學(xué)和變形信號(hào)檢測單元由壓力傳感器1、II (2,23)和扭矩傳感器(11)組成的載荷信號(hào)檢測單元，光柵角位移傳感器(25)、直線位移傳感器(44)組成的位移信號(hào)檢測單元，編碼器1、11 (14,35)組成，壓力傳感器II (23)的一端與壓力傳感器基座I (24)連接，另一端與剪切壓頭II (22)連接；壓力傳感器I (2)的一端與壓力傳感器基座II (36)連接，另一端與剪切壓頭I (6)連接；扭矩傳感器(11)的一端與扭矩傳感器基座(12)連接，另一端與試件夾持單元的夾具體I (10)連接；直線位移傳感器(44)的兩端分別連接到滑動(dòng)導(dǎo)軌I (5)上的絲杠螺母支架1、II (4,19)上；光柵角位移傳感器(25)直接與試件(8)相連；所述編碼器I (14)與直流伺服電機(jī)I (15)的轉(zhuǎn)子同軸連接，編碼器II (35)與直流伺服電機(jī)II (34)的轉(zhuǎn)子同軸連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式材料微觀力學(xué)性能原位測試平臺(tái)，其特征在于:所述試件夾持單元的夾具體I (10)通過螺栓與扭矩傳感器(11)相連；夾具體II (27)通過軸承I (29)、軸承座I (28)與測試平臺(tái)基座(1)相連，所述夾具體1、11 (10、27)與被測試件(8)間通過螺釘固定、夾緊和傳遞扭矩。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式材料微觀力學(xué)性能原位測試平臺(tái)，其特征在于:所述的精密剪切加載驅(qū)動(dòng)單元的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)旋鈕1、II (9,26)分別與壓力傳感器基座I1、I (36、24)連接，所述壓力傳感器基座I1、I (36、24)分別與導(dǎo)軌V、IV (58、46)滑動(dòng)連接，精密剪切加載驅(qū)動(dòng)單元通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)旋鈕1、II (9、26)，可使壓力傳感器基座I1、I (36、24)分別沿著導(dǎo)軌V、IV(58、46)移動(dòng)，從而對連接在壓力傳感器基座I1、I (36、24)上的兩個(gè)剪切壓頭1、II (6,22)的剪切位置進(jìn)行調(diào)整；減速器I (16)及精密滾珠絲杠(7)通過鍵分別與同步帶輪I1、I (48、20)連接；精密雙向滾珠絲杠(7)設(shè)有兩段旋向相反的小導(dǎo)程滾道。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式材料微觀力學(xué)性能原位測試平臺(tái)，其特征在于:所述的蝸桿(31)和減速器II (33)之間、渦輪(30)和夾具體II (27)之間均通過螺釘連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式材料微觀力學(xué)性能原位測試平臺(tái)，其特征在于:采用光柵角位移傳感器(25)測量的角位移值來換算得到試件有效長度內(nèi)的旋轉(zhuǎn)角度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任意一項(xiàng)所述的剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式材料微觀力學(xué)性能原位測試平臺(tái)，其特征在于:所述的剪切一扭轉(zhuǎn)復(fù)合加載模式材料微觀力學(xué)性能原位測試平臺(tái)主體尺寸為235mmX 185.5mmX82.5mm。
【文檔編號(hào)】G01N3/00GK203551372SQ201320641301
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月17日
【發(fā)明者】趙宏偉, 高景, 劉陽, 董曉龍, 韓磊, 劉宏達(dá), 魯帥, 佟達(dá), 李爍, 楊倚寒 申請人:吉林大學(xué)