本發明專利技術公開了一種拉伸?四點彎曲預載荷下納米壓痕測試裝置，本發明專利技術集成了純拉伸測試、純四點彎曲測試及基于上述兩種單一載荷形式的復合載荷測試，同時在拉伸?四點彎曲基礎上集成了納米壓痕測試機構。測試平臺由精密拉伸預載荷驅動傳動單元和檢測夾持單元；精密四點彎曲預載荷驅動傳動單元和夾持檢測單元等組成。原位納米壓痕測試機構包括XYZ方向位移平臺、壓電疊堆、柔性鉸鏈、壓力傳感器、位移傳感器和金剛石壓頭夾持桿等組成。本發明專利技術體積小，結構緊湊，可在光學顯微鏡的實時顯微觀測下開展試驗測試。并可通過原位拉彎復合測試獲得材料的力學性能參數，對材料的微觀變形、損傷和斷裂過程進行原位監測。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及原位力學性能測試領域，特別涉及一種拉伸-四點彎曲預載荷下納米壓痕測試裝置。可作為純拉伸加載機構、純四點彎曲加載機構、原位納米壓痕測試機構的跨尺度原位材料性能測試平臺獨立使用，也可以同時進行多種載荷同時復合加載。
技術介紹
各種材料及其制品，在服役期間的工作環境都比較復雜，受到單一載荷的情況并不多見，更多情況下受到的是多物理場和多種載荷的共同作用。由于材料受到復合載荷的作用，往往未達到使用極限，就會發生破壞失效。所以，研制當材料受多種載荷共同作用時，能夠對其微觀力學性能進行原位測試的儀器非常重要。目前市場上絕大部分力學試驗機都是針對結構材料的非原位萬能試驗機，一次試驗只能實現一種載荷的加載，試驗中只能記錄試件的載荷和位移值，對于試件的微觀形貌變化則缺乏記錄。而現有原位測試儀器，大多數僅具有單一載荷的測試功能，例如原位拉伸測試儀、原位納米壓痕測試儀和原位彎曲測試儀等，復合載荷下的納米壓痕測試儀鮮有報道，同時缺少有效的力學參數測試準確性評定方法。從總體看，現有的測試儀器在使用過程中，暴露出的主要問題有：首先是測試結果重復性不好，分散性大等問題；其次是測試裝置的功能單一，不能滿足多載荷加載和多物理場的需求，不利于功能擴展；最后，測試儀器對新型結構材料和先進功能材料測試能力不足。由于復合載荷下的壓痕測試儀器比較少，所以目前國內外針對材料在預載荷下的壓痕測試試驗也比較少，但是在實際工況運用中，迫切需要這種預載荷下的微納米壓痕測試儀器。因為這種復合載荷加載，能夠真實地反映材料在實際工況下的受力狀態，同時對利用原位觀測儀器，實時觀測材料的力學測試結果的測試試驗平臺也非常重要。因此開發設計一種可以與顯微成像設備相兼容的拉伸-彎曲預載荷下納米壓痕測試儀器，對材料的微觀變形、損傷和斷裂過程進行原位監測，為揭示材料在納米尺度下的力學特性和損傷機制提供了測試方法。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種拉伸-四點彎曲預載荷下納米壓痕測試裝置，本專利技術解決了現有技術存在的上述問題。該測試儀器集成了純拉伸測試、純四點彎曲測試及基于上述兩種單一載荷形式的復合載荷測試，同時在拉伸-四點彎曲基礎上集成了納米壓痕測試機構。測試平臺由精密拉伸預載荷驅動傳動單元和檢測夾持單元；精密四點彎曲預載荷驅動傳動單元和夾持檢測單元等組成。原位納米壓痕測試機構包括高精度XYZ方向位移平臺、壓電疊堆、柔性鉸鏈、高精密壓力傳感器、高精度位移傳感器和金剛石壓頭夾持桿等組成。測試儀器體積小，結構緊湊，且可在光學顯微鏡的實時顯微觀測下開展上述試驗測試。并可通過原位拉彎復合測試獲得材料的力學性能參數，包括彈性模量、抗拉強度、彎曲強度和硬度等，對材料的微觀變形、損傷和斷裂過程進行原位監測，為揭示材料在納米尺度下的力學特性和損傷機制提供了測試方法。本專利技術的上述目的通過以下技術方案實現：本專利技術包括拉伸預載荷加載機構、四點彎曲預載荷加載機構和原位納
米壓痕測試機構。所述的拉伸預載荷加載機構中的精密直流伺服電機通過電機法蘭盤固定安裝在測試平臺基座上，與蝸輪蝸桿副Ⅱ形成一級減速和換向。雙向滾珠絲杠螺母副將蝸輪蝸桿副Ⅱ的旋轉運動轉化為同步雙向直線運動，進而帶動安裝在螺母副上面的試件夾具支撐座Ⅰ和夾具支撐座Ⅱ實現同步雙向直線運動，試件夾具支撐座Ⅰ和夾具支撐座Ⅱ安裝在下面的拉伸機構直線導軌上，其中夾具Ⅱ與拉伸機構力傳感器通過連接T型塊連接，連接T型塊安裝在交叉滾柱導軌上。兩個試件的夾具Ⅰ和夾具Ⅱ分別固定安裝在對應的試件夾具支撐座Ⅰ和夾具支撐座Ⅱ上，從而對試件兩端施加拉伸力保證試件中心位置不動；拉伸位移檢測是由拉伸位移傳感器測量夾具支撐座Ⅱ的位移實現的。所述的四點彎曲預載荷加載機構中的彎曲機構交流伺服電機通過電機法蘭盤固定安裝在測試平臺基座上，與蝸桿蝸輪副Ⅰ形成一級減速和換向，蝸輪安裝在彎曲機構絲杠固定座上的單向絲杠螺母副上，然后通過單向絲杠螺母副將蝸輪蝸桿副Ⅰ的旋轉運動轉化為單向直線運動，帶動導軌連接臺上的彎曲機構力傳感器和四點彎曲壓頭做往復直線運動，其中力傳感器和四點彎曲壓頭通過連接塊相連。彎曲機構直線導軌安裝在導軌連接臺上，通過四點彎曲壓頭的往復直線運動，實現對試件的彎曲加載與卸載。彎曲位移檢測是由安裝在位移傳感器支架上的彎曲位移傳感器通過測量位移傳感器擋板的位移實現的。所述的彎曲預載荷加載機構采用四點彎曲壓頭，實現對試樣的兩端固定式四點彎曲加載。所述的原位納米壓痕測試機構包括XYZ三軸電動微調滑臺、壓電疊堆、柔性鉸鏈、壓力傳感器、位移傳感器和金剛石壓頭夾持桿。所述的原位納米壓痕測試機構在測試過程中通過調整XYZ微調移動平臺使金剛石壓頭位于壓入前最佳距離。壓電疊堆通過安裝在連接板上的柔性鉸鏈將力和位移傳遞給壓力傳感器，壓力傳感器連接的金剛石壓頭夾持桿帶動金剛石壓頭壓入，最終實現壓頭壓入試樣測試。壓力傳感器和金剛石壓頭夾持桿之間具有連接擋板，利用位移傳感器通過測量連接擋板的位移變形間接測量出壓頭的位移，即得出金剛石壓頭的壓入深度，實現微位移信號檢測。柔性鉸鏈和L型連接塊安裝在Z軸位移平臺上，位移傳感器通過L型連接塊夾持。所述的原位納米壓痕測試機構采用XYZ三軸電動微調滑臺，其是由電動移動滑臺和XYZ手動微調平臺組成，其中XYZ手動微調平臺又由X軸移動平臺、Y軸移動平臺、Z軸移動平臺和連接支座組成，電動移動滑臺利用安裝在平臺底座上的步進電機驅動壓痕機構絲杠固定座上的絲杠螺母組件將旋轉運動轉化成直線運動，其中精密直線導軌起導向作用。在進行原位觀測時，通過電機移動滑臺將XYZ手動平臺及其上的連接單元移開一段距離，將顯微鏡鏡頭對準試樣進行拉彎下的觀測。電動滑臺底座上安裝XYZ手動微調平臺，對連接其上的零部件進行手動位移調節，精密調節XYZ三個方向的位移，以便在試件不同位置利用壓頭做相關壓痕實驗。所述的拉伸-四點彎曲預載荷下納米壓痕測試裝置，整體分為上下雙層立體式布置方式，原位納米壓痕測試機構位于拉伸-四點彎曲加載機構之上，實現對試樣的拉伸測試、四點彎曲測試、壓痕測試及其復合加載測試。本專利技術的有益效果在于：具備拉伸測試、彎曲測試、壓痕測試和復合載荷測試等功能。拉伸測試功能主要實現材料的拉伸測試，獲取材料的彈性模量、屈服強度和抗拉強度
等力學性能參數。彎曲測試功能主要實現材料的四點彎曲測試，獲取材料的抗彎強度、彈性模量和斷裂強度等重要參數。壓痕測試功能主要實現材料的壓痕測試，獲取材料的彈性模量、硬度等力學性能參數。復合載荷測試功能也是獲取材料的彈性模量、硬度等力學性能參數。此測試儀器涉及機電一體化精密科學儀器領域，主要優點是體積小、結構緊湊，可用于精密材料微納米拉伸-彎曲復合力學性能測試及原位納米壓痕測試。附圖說明圖1為本專利技術的立體結構示意圖。圖2為本專利技術的俯視示意圖。圖3為本專利技術的前視示意圖。圖4為本專利技術的右視示意圖。圖中：1、基座；2、彎曲機構交流伺服電機；3、電機法蘭盤；4、蝸輪蝸桿副Ⅰ；5、彎曲位移傳感器；6、位移傳感器支架；7、彎曲機構絲杠固定座；9、導軌連接臺；10、彎曲機構力傳感器；11、位移傳感器擋板；12、連接塊；13、夾具Ⅰ；14、夾具支撐座Ⅰ；15、壓力傳感器；16、柔性鉸鏈；17、L型連接塊；18、Z軸位移平臺；19、連接板；20本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種拉伸?四點彎曲預載荷下納米壓痕測試裝置，其特征在于：包括拉伸預載荷加載機構、四點彎曲預載荷加載機構和原位納米壓痕測試機構；所述的拉伸預載荷加載機構中的精密直流伺服電機(36)通過電機法蘭盤(38)固定安裝在測試平臺基座(1)上，與蝸輪蝸桿副Ⅱ(39)形成一級減速和換向；雙向滾珠絲杠螺母副(37)將蝸輪蝸桿副Ⅱ(39)的旋轉運動轉化為同步雙向直線運動，進而帶動安裝在螺母副上面的試件夾具支撐座Ⅰ(14)和夾具支撐座Ⅱ(30)實現同步雙向直線運動，試件夾具支撐座Ⅰ(14)和夾具支撐座Ⅱ(30)安裝在下面的拉伸機構直線導軌(29)上，其中夾具Ⅱ(34)與拉伸機構力傳感器(31)通過連接T型塊(32)連接，連接T型塊(32)安裝在交叉滾柱導軌(33)上；兩個試件的夾具Ⅰ(13)和夾具Ⅱ(34)分別固定安裝在對應的試件夾具支撐座Ⅰ(14)和夾具支撐座Ⅱ(30)上，從而對試件兩端施加拉伸力保證試件中心位置不動；拉伸位移檢測是由拉伸位移傳感器(40)測量夾具支撐座Ⅱ(30)的位移實現的；所述的四點彎曲預載荷加載機構中的彎曲機構交流伺服電機(2)通過電機法蘭盤(3)固定安裝在測試平臺基座(1)上，與蝸桿蝸輪副Ⅰ(4)形成一級減速和換向，蝸輪安裝在彎曲機構絲杠蝸固定座(7)上的單向絲杠螺母副(48)上，然后通過單向絲杠螺母副(48)將蝸輪蝸桿副Ⅰ4的旋轉運動轉化為單向直線運動，帶動導軌連接臺(9)上的彎曲機構力傳感器(10)和四點彎曲壓頭(35)做往復直線運動，其中彎曲機構力傳感器(10)和四點彎曲壓頭(35)通過連接塊(12)相連；彎曲機構直線導軌(49)安裝在導軌連接臺(9)上，通過四點彎曲壓頭(35)的往復直線運動，實現對試件的彎曲加載與卸載；彎曲位移檢測是由安裝在位移傳感器支架(6)上的彎曲位移蝸傳感器(5)通過測量位移傳感器擋板(11)的位移實現的；所述的彎曲預載荷加載機構采用四點彎曲壓頭(35)，實現對試樣的兩端固定式四點彎曲加載；所述的原位納米壓痕測試機構包括XYZ三軸電動微調滑臺、壓電疊堆(44)、柔性鉸鏈(16)、壓力傳感器(15)、位移傳感器(45)和金剛石壓頭夾持桿(47)；所述的原位納米壓痕測試機構在測試過程中通過調整XYZ微調移動平臺使金剛石壓頭位于壓入前最佳距離；壓電疊堆(44)通過安裝在連接板(19)上的柔性鉸鏈(16)將力和位移傳遞給壓力傳感器(15)，壓力傳感器(15)連接的金剛石壓頭夾持桿(47)帶動金剛石壓頭壓入，最終實現壓頭壓入試樣測試；壓力傳感器(15)和金剛石壓頭夾持桿(47)之間具有連接擋板(46)，利用位移傳感器(45)通過測量連接擋板(46)的位移變形間接測量出壓頭的位移，即得出金剛石壓頭的壓入深度，實現微位移信號檢測；柔性鉸鏈(16)和L型連接塊(17)安裝在Z軸位移平臺(18)上，位移傳感器(45)通過L型連接塊(17)夾持；所述的原位納米壓痕測試機構采用XYZ三軸電動微調滑臺，其是由電動移動滑臺和XYZ手動微調平臺組成，其中XYZ手動微調平臺又由X軸移動平臺(23)、Y軸移動平臺(22)、Z軸移動平臺(20)和連接支座(21)組成，電動移動滑臺利用安裝在平臺底座(28)上的步進電機(27)驅動壓痕機構絲杠固定座(25)上的絲杠螺母組件(43)將旋轉運動轉化成直線運動，其中精密直線導軌(26)起導向作用；在進行原位觀測時，通過電機移動滑臺將XYZ手動平臺及其上的連接單元移開一段距離，將顯微鏡鏡頭對準試樣進行拉彎下的觀測；電動滑臺底座(24)上安裝XYZ手動微調平臺，對連接其上的零部件進行手動位移調節，精密調節XYZ三個方向的位移，以便在試件不同位置利用壓頭做相關壓痕實驗；原位納米壓痕測試機構位于拉伸?四點彎曲加載機構之上，實現對試樣的拉伸測試、四點彎曲測試、壓痕測試及其復合加載測試。...
【技術特征摘要】
1.一種拉伸-四點彎曲預載荷下納米壓痕測試裝置，其特征在于：包括拉伸預載荷加載機構、四點彎曲預載荷加載機構和原位納米壓痕測試機構；所述的拉伸預載荷加載機構中的精密直流伺服電機(36)通過電機法蘭盤(38)固定安裝在測試平臺基座(1)上，與蝸輪蝸桿副Ⅱ(39)形成一級減速和換向；雙向滾珠絲杠螺母副(37)將蝸輪蝸桿副Ⅱ(39)的旋轉運動轉化為同步雙向直線運動，進而帶動安裝在螺母副上面的試件夾具支撐座Ⅰ(14)和夾具支撐座Ⅱ(30)實現同步雙向直線運動，試件夾具支撐座Ⅰ(14)和夾具支撐座Ⅱ(30)安裝在下面的拉伸機構直線導軌(29)上，其中夾具Ⅱ(34)與拉伸機構力傳感器(31)通過連接T型塊(32)連接，連接T型塊(32)安裝在交叉滾柱導軌(33)上；兩個試件的夾具Ⅰ(13)和夾具Ⅱ(34)分別固定安裝在對應的試件夾具支撐座Ⅰ(14)和夾具支撐座Ⅱ(30)上，從而對試件兩端施加拉伸力保證試件中心位置不動；拉伸位移檢測是由拉伸位移傳感器(40)測量夾具支撐座Ⅱ(30)的位移實現的；所述的四點彎曲預載荷加載機構中的彎曲機構交流伺服電機(2)通過電機法蘭盤(3)固定安裝在測試平臺基座(1)上，與蝸桿蝸輪副Ⅰ(4)形成一級減速和換向，蝸輪安裝在彎曲機構絲杠蝸固定座(7)上的單向絲杠螺母副(48)上，然后通過單向絲杠螺母副(48)將蝸輪蝸桿副Ⅰ4的旋轉運動轉化為單向直線運動，帶動導軌連接臺(9)上的彎曲機構力傳感器(10)和四點彎曲壓頭(35)做往復直線運動，其中彎曲機構力傳感器(10)和四點彎曲壓頭(35)通過連接塊(12)相連；彎曲機構直線導軌(49)安裝在導軌連接臺(9)上，通過四點彎曲壓頭(35)的往復直線運動，實現對試件的彎曲加載與卸載；彎曲位移檢測是由安裝在位移傳感器支架(6)上的彎曲位移
\t蝸傳感器(5)通過測量位移傳感器擋板(11)的位移實現的；所述的彎曲預載荷...
【專利技術屬性】
技術研發人員：崔利娜，尤元，關常君，邵珠超，李瑞，
申請(專利權)人：長春工業大學，
類型：發明
國別省市：吉林;22
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