專利名稱：基于準(zhǔn)靜態(tài)加載的掃描電鏡下原位拉伸/壓縮材料力學(xué)測(cè)試平臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)電類，特別涉及一種基于準(zhǔn)靜態(tài)加載的掃描電鏡下原位拉伸/壓縮材料力學(xué)測(cè)試平臺(tái)。本發(fā)明與掃描電子顯微鏡SEM、原子力顯微鏡AFM、拉曼光譜儀及光學(xué)顯微鏡等具有良好的兼容性，結(jié)合上述成像儀器，對(duì)材料的微觀變形、損傷和破壞過程進(jìn)行在線觀測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)載荷/位移信號(hào)的采集與控制，為揭示材料在納米尺度下的力學(xué)特性和損傷機(jī)制提供了測(cè)試方法。
背景技術(shù)：
彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、硬度、切變模量等參數(shù)是材料力學(xué)特性測(cè)試中的最主要的研究對(duì)象，在多種測(cè)試方法中，相對(duì)于納米壓痕法、三點(diǎn)彎曲法等，拉伸/壓縮測(cè)試方法通過最直接表征材料力學(xué)性能的力學(xué)測(cè)試手段。掃描電鏡下的原位拉伸測(cè)試技術(shù)作為原位微納米力學(xué)測(cè)試的重要手段，是指在對(duì)試件材料進(jìn)行拉伸測(cè)試過程中，通過引入光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡等儀器對(duì)拉伸過程中材料組織及結(jié)構(gòu)發(fā)生的微觀變形、損傷失效的過程進(jìn)行在線觀測(cè)的一種技術(shù)，這種測(cè)試技術(shù)勢(shì)必可以揭示出外界載荷作用下材料變形損傷的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)更為新穎的現(xiàn)象和規(guī)律，就較大尺寸試件所開展的有關(guān)測(cè)試將更有利于研究材料及其制品服役狀態(tài)下的真實(shí)力學(xué)行為與變形損傷機(jī)制。目前，原位微納米米拉伸/壓縮測(cè)試手段尚有待萬倍，具體表現(xiàn)為(1)從測(cè)試儀器上來說，主要借助商業(yè)化的拉伸儀進(jìn)行的原位拉伸測(cè)試，且表現(xiàn)出設(shè)備費(fèi)用昂貴，并只能與特定型號(hào)的成型設(shè)備兼容使用，測(cè)試方法單一，，對(duì)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧并能與主流成像儀器均能兼容使用的原位測(cè)試裝置鮮有提及，極大制約了研究的深入與發(fā)展。(2)受各種成像儀器的腔體的空間限制，如掃描電子顯微鏡的腔體空間的限制，光學(xué)顯微鏡的焦距限制， 目前的多數(shù)都集中在以微機(jī)電系統(tǒng)工藝為基礎(chǔ)，對(duì)薄膜材料以及納米管、線等極微小結(jié)構(gòu)的力學(xué)測(cè)試上，缺少對(duì)宏觀試件的跨尺度原位納米力學(xué)測(cè)試，因尺寸效應(yīng)的存在，對(duì)微構(gòu)件的研究制約了對(duì)較大尺寸元件的力學(xué)性能的評(píng)價(jià)；(3)從觀測(cè)手段上看，因受限于掃描電子顯微鏡的真空使用條件，針對(duì)宏觀試件，多局限于光學(xué)顯微鏡及原子力顯微鏡下的原位拉伸測(cè)試，光學(xué)顯微鏡存在著明顯的放大倍率不足的問題，原子力顯微鏡則具有成像速度過慢的缺點(diǎn)，兩種觀測(cè)方法均難以深入研究載荷變化對(duì)材料力學(xué)行為和損傷機(jī)制的影響規(guī)律。因此，設(shè)計(jì)一種體積小巧、結(jié)構(gòu)緊湊，測(cè)試精度高，能夠利用電子顯微鏡等成像系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)宏觀試件在載荷作用下的微觀變形和損傷過程的基于準(zhǔn)靜態(tài)加載的拉伸/壓縮力學(xué)測(cè)試平臺(tái)已十分必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于準(zhǔn)靜態(tài)加載的掃描電鏡下原位拉伸/壓縮材料力學(xué)測(cè)試平臺(tái)，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題。相對(duì)于傳統(tǒng)拉伸試驗(yàn)機(jī)的離位測(cè)試，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)高分辨率顯微成像系統(tǒng)下針對(duì)特征尺寸厘米級(jí)以上宏觀試件的原位觀測(cè)，同時(shí)解決了現(xiàn)有的原位拉伸研究中大多針對(duì)納米管、線及薄膜材料的局限，由于試件尺寸與力學(xué)測(cè)試和原位觀測(cè)的尺度跨越很大，即可避免已有研究中因尺度效應(yīng)等因素帶來的問題。測(cè)試平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)“超低速準(zhǔn)靜態(tài)”的拉伸/壓縮模式加載，載荷/位移信號(hào)的同步采集和精密閉環(huán)控制，并可實(shí)現(xiàn)與Hitachi TM-1000型掃描電鏡及各類具有腔體及載物臺(tái)結(jié)構(gòu)的成像儀器兼容使用?？赏ㄟ^原位拉伸/壓縮測(cè)試獲得材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)，對(duì)材料的微觀變形、損傷和斷裂過程進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)，為揭示材料在微納米尺度下的力學(xué)特性和損傷機(jī)制提供了測(cè)試方法。本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
基于準(zhǔn)靜態(tài)加載的掃描電鏡下原位拉伸/壓縮材料力學(xué)測(cè)試平臺(tái)，包括精密驅(qū)動(dòng)單元、精密傳動(dòng)單元、載荷/位移信號(hào)檢測(cè)及控制單元以及夾持及連接單元；
所述的精密驅(qū)動(dòng)單元是精密直流伺服電機(jī)1通過電機(jī)法蘭盤2與測(cè)試平臺(tái)基座14連接，并可通過脈沖/方向控制方式提供具有微小分辨率的扭矩動(dòng)力輸出及角位移輸出；
所述的精密傳動(dòng)單元包括彈性聯(lián)軸器3、由一級(jí)蝸桿、一級(jí)蝸輪、二級(jí)蝸輪、二級(jí)蝸桿 5、6、8、30構(gòu)成的兩級(jí)二次包絡(luò)型蝸輪蝸桿副及由滾珠絲杠螺母支架I、精密雙向滾珠絲杠、滾珠絲杠螺母支架II 17、23、31構(gòu)成的精密雙向滾珠絲杠螺母副，精密直流伺服電機(jī)1 通過彈性聯(lián)軸器3與兩級(jí)二次包絡(luò)型蝸輪蝸桿副相連，該兩級(jí)二次包絡(luò)型蝸輪蝸桿副與精密雙向滾珠絲杠螺母副通過二級(jí)蝸輪(8)相連接；精密傳動(dòng)單元可將精密直流伺服電機(jī)1 提供的輸出扭矩經(jīng)彈性聯(lián)軸器3及兩級(jí)二次包絡(luò)型蝸輪蝸桿副實(shí)現(xiàn)大程度的減速、增矩目的，并最終通過精密雙向滾珠絲杠螺母副將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為精密直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)；所述一、二級(jí)蝸桿5、30分別通過蝸桿軸承10及一、二級(jí)蝸桿軸承座4J6與測(cè)試平臺(tái)基座14連接，精密雙向滾珠絲杠螺母副通過絲杠固定支撐座25定位，滾珠絲杠螺母支架I、II 17,31通過精密導(dǎo)軌滑塊I、II 13、15及精密導(dǎo)軌軌道16導(dǎo)向；
所述的載荷/位移信號(hào)檢測(cè)及控制單元由精密拉壓力傳感器19、精密接觸式位移傳感器9及高線數(shù)光電編碼器20組成，精密拉壓力傳感器(19)固定安裝于力傳感器基座(18) 上，精密接觸式位移傳感器(9 )與位移傳感器基座(11)套接，高線數(shù)光電編碼器(20 )與精密直流伺服電機(jī)(1)同軸連接；載荷/位移信號(hào)檢測(cè)及控制單元可提供包括變形速率、載荷速率、編碼器標(biāo)定位移速率在內(nèi)的三種模擬或數(shù)字量作為精密直流伺服電機(jī)1的脈沖/方向閉環(huán)控制模式的反饋信號(hào)源，即測(cè)試平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)恒變形速率、恒載荷速率及恒位移速率三種加載/卸載方式；
所述的夾持及支撐單元包括試件夾具體支撐架I、II 7、21、試件壓板I、II 27、29、試件觀、絲杠固定支撐座25、位移傳感器基座11、力傳感器基座18以及軸承10組成，試件28 通過試件壓板I、II 27,29及帶有滾花結(jié)構(gòu)的試件夾具體支撐架I、II 7、21以壓緊方式夾持。本發(fā)明中，所述的精密雙向滾珠絲杠23設(shè)有兩段旋向相異的小導(dǎo)程滾道，即可確保在拉伸或壓縮測(cè)試過程中，滾珠絲杠螺母支架I、II 17,31可實(shí)現(xiàn)同步的反向運(yùn)動(dòng)，從而保證試件觀的幾何中心位置始終處于成像區(qū)域的最中央，便于觀測(cè)及圖像記錄。所述的精密接觸式位移傳感器9的基體部分安裝于與試件夾具體支撐架I 7剛性連接的位移傳感器基座11內(nèi)，并通過螺紋緊固，前端探頭部分與試件夾具體支撐架II 21的
5L形連接板彈性接觸，即精密接觸式位移傳感器9實(shí)際檢測(cè)到的變形為試件夾具體支撐架 KII 7、11之間的相對(duì)變形；精密拉壓力傳感器19兩端設(shè)有軸頸為M5的外螺紋，分別與力傳感器基座18和試件夾具體支撐架II 21剛性連接，該精密接觸式位移傳感器9及精密拉壓力傳感器19均與試件觀共面安裝，且受載方向與試件觀受拉伸/壓縮方向相同。所述的精密導(dǎo)軌滑塊I、II 13、15分別與滾珠絲杠螺母支架I、II 17,31剛性連接， 并且通過燕尾槽型機(jī)構(gòu)緊貼于精密導(dǎo)軌軌道16，對(duì)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。所述的試件夾具體支撐架I、II 7、21及試件壓板I、II 27,29與試件觀的接觸面均采用線切割方式加工為滾花狀結(jié)構(gòu)，可提高試件夾持的可靠性，具體的方法是在兩個(gè)側(cè)面分別加工成鋸齒狀結(jié)構(gòu)。所述的試件夾具體支撐架II 21與力傳感器基座18均設(shè)有半圓形的凹槽，并在凹槽中內(nèi)嵌鋼球22，通過鋼球22減小其接觸過程中的傳動(dòng)摩擦。本發(fā)明所述的測(cè)試平臺(tái)主體尺寸約為105mmX34mmX88mm，與Hitachi TM-1000 型掃描電子顯微鏡具有良好的結(jié)構(gòu)兼容性、真空兼容性及電磁兼容性，亦可與其他主流商業(yè)化掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、原子力顯微鏡及光學(xué)顯微鏡等兼容使用。測(cè)試平臺(tái)可安裝于Hitachi TM-1000掃描電子顯微鏡真空腔體的載物臺(tái)上，可在其呈現(xiàn)系統(tǒng)的的原位監(jiān)測(cè)下進(jìn)行基于準(zhǔn)靜態(tài)加載的拉伸/壓縮模式的材料力學(xué)性能測(cè)試， 即可對(duì)材料的微觀變形、損傷和破壞過程進(jìn)行在線觀測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)載荷/位移信號(hào)的采集與控制，可測(cè)試材料在納米尺度下的力學(xué)特性和損傷機(jī)制。本發(fā)明的有益效果在于與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明體積小巧，結(jié)構(gòu)緊湊，測(cè)試精度高，可提供的測(cè)試內(nèi)容豐富、變形/位移/載荷速率可控，可安裝于各種主流電子顯微鏡真空腔體的載物平臺(tái)上，亦可與原子力顯微鏡、拉曼光譜儀、X射線衍射儀、光學(xué)顯微鏡等成像設(shè)備兼容使用，應(yīng)用范圍廣泛?？梢詫?duì)各種特征尺寸厘米級(jí)以上的三維試件進(jìn)行跨尺度原位力學(xué)測(cè)試，并可實(shí)現(xiàn)連續(xù)、間歇等多種加載方式，對(duì)材料及其制品在載荷在下的微觀變形進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)，以揭示材料在納米尺度下的力學(xué)行為和損傷機(jī)制。并通過載荷/位移信號(hào)的同步檢測(cè)，結(jié)合相關(guān)算法，亦可自動(dòng)擬合生成載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。綜上所述，本發(fā)明對(duì)豐富原位微納米力學(xué)測(cè)試內(nèi)容和促進(jìn)材料力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)及裝備具有重要的理論意義和良好的應(yīng)用開發(fā)前途。


圖1為本發(fā)明的整體外觀結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明的右視示意圖； 圖3為本發(fā)明的主視示意圖； 圖4為本發(fā)明的左視示意圖； 圖5為本發(fā)明的俯視示意圖； 圖6、圖7、圖8為本發(fā)明的夾具體的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中
1、精密直流伺服電機(jī)；2、電機(jī)法蘭盤；3、彈性聯(lián)軸器；4、一級(jí)蝸桿軸承座； 5、一級(jí)蝸桿；6、一級(jí)蝸輪；7、試件夾具體支撐架I; 8、二級(jí)蝸輪；9、精密接觸式位移傳感器；10、蝸桿軸承；11、位移傳感器基座；12、二級(jí)蝸桿軸承座基座；13、精密導(dǎo)軌滑塊I; 14、測(cè)試平臺(tái)基座；15、精密導(dǎo)軌滑塊II; 16、精密導(dǎo)軌軌道；17、滾珠絲杠螺母支架I; 18、力傳感器基座；19、精密拉壓力傳感器；20、高線數(shù)光電編碼器；21、試件夾具體支撐架II ； 22、鋼球；23、精密雙向滾珠絲杠；24、位移傳感器緊固螺釘；25、絲杠固定支撐座；26、二級(jí)蝸桿軸承座；27、試件壓板I; 28、試件；29、試件壓板 II; 30、二級(jí)蝸桿；31、滾珠絲杠螺母支架II。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容及其具體實(shí)施方式
。參見圖1至圖8，本發(fā)明的基于準(zhǔn)靜態(tài)加載的掃描電鏡下原位拉伸/壓縮材料力學(xué)測(cè)試平臺(tái)，包括精密驅(qū)動(dòng)單元、精密傳動(dòng)單元、載荷/位移信號(hào)檢測(cè)及控制單元以及夾持及連接單元；
所述的精密驅(qū)動(dòng)單元是精密直流伺服電機(jī)1通過電機(jī)法蘭盤2與測(cè)試平臺(tái)基座14連接，并可通過脈沖/方向控制方式提供具有微小分辨率的扭矩動(dòng)力輸出及角位移輸出；
所述的精密傳動(dòng)單元包括彈性聯(lián)軸器3、由一級(jí)蝸桿、一級(jí)蝸輪、二級(jí)蝸輪、二級(jí)蝸桿 5、6、8、30構(gòu)成的兩級(jí)二次包絡(luò)型蝸輪蝸桿副及由滾珠絲杠螺母支架I、精密雙向滾珠絲杠、滾珠絲杠螺母支架II 17、23、31構(gòu)成的精密雙向滾珠絲杠螺母副，精密直流伺服電機(jī)1 通過彈性聯(lián)軸器3與兩級(jí)二次包絡(luò)型蝸輪蝸桿副相連，該兩級(jí)二次包絡(luò)型蝸輪蝸桿副與精密雙向滾珠絲杠螺母副通過二級(jí)蝸輪(8)相連接；精密傳動(dòng)單元可將精密直流伺服電機(jī)1 提供的輸出扭矩經(jīng)彈性聯(lián)軸器3及兩級(jí)二次包絡(luò)型蝸輪蝸桿副實(shí)現(xiàn)大程度的減速、增矩目的，并最終通過精密雙向滾珠絲杠螺母副將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為精密直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)；所述一、二級(jí)蝸桿5、30分別通過蝸桿軸承10及一、二級(jí)蝸桿軸承座4J6與測(cè)試平臺(tái)基座14連接，精密雙向滾珠絲杠螺母副通過絲杠固定支撐座25定位，滾珠絲杠螺母支架I、II 17,31通過精密導(dǎo)軌滑塊I、II 13、15及精密導(dǎo)軌軌道16導(dǎo)向；
所述的載荷/位移信號(hào)檢測(cè)及控制單元由精密拉壓力傳感器19、精密接觸式位移傳感器9及高線數(shù)光電編碼器20組成，精密拉壓力傳感器(19)固定安裝于力傳感器基座(18) 上，精密接觸式位移傳感器(9 )與位移傳感器基座(11)套接，高線數(shù)光電編碼器(20 )與精密直流伺服電機(jī)(1)同軸連接；載荷/位移信號(hào)檢測(cè)及控制單元可提供包括變形速率、載荷速率、編碼器標(biāo)定位移速率在內(nèi)的三種模擬或數(shù)字量作為精密直流伺服電機(jī)1的脈沖/方向閉環(huán)控制模式的反饋信號(hào)源，即測(cè)試平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)恒變形速率、恒載荷速率及恒位移速率三種加載/卸載方式；
所述的夾持及支撐單元包括試件夾具體支撐架I、II 7、21、試件壓板I、II 27、29、試件觀、絲杠固定支撐座25、位移傳感器基座11、力傳感器基座18以及軸承10組成，試件觀通過試件壓板I、II 27,29及帶有滾花結(jié)構(gòu)的試件夾具體支撐架I、II 7、21以壓緊方式夾持。本發(fā)明中，所述的精密雙向滾珠絲杠23設(shè)有兩段旋向相異的小導(dǎo)程滾道，即可確保在拉伸或壓縮測(cè)試過程中，滾珠絲杠螺母支架I、II 17,31可實(shí)現(xiàn)同步的反向運(yùn)動(dòng)，從而保證試件觀的幾何中心位置始終處于成像區(qū)域的最中央，便于觀測(cè)及圖像記錄。所述的精密接觸式位移傳感器9的基體部分安裝于與試件夾具體支撐架I 7剛性連接的位移傳感器基座11內(nèi)，并通過螺紋緊固，前端探頭部分與試件夾具體支撐架II 21的 L形連接板彈性接觸并通過位移傳感器緊固螺釘M預(yù)緊，即精密接觸式位移傳感器9實(shí)際檢測(cè)到的變形為試件夾具體支撐架I、11 7、11之間的相對(duì)變形；精密拉壓力傳感器19兩端設(shè)有軸頸為M5的外螺紋，分別與力傳感器基座18和試件夾具體支撐架II 21剛性連接，該精密接觸式位移傳感器9及精密拉壓力傳感器19均與試件觀共面安裝，且受載方向與試件觀受拉伸/壓縮方向相同。所述的精密導(dǎo)軌滑塊I、II 13、15分別與滾珠絲杠螺母支架I、II 17,31剛性連接， 并且通過燕尾槽型機(jī)構(gòu)緊貼于精密導(dǎo)軌軌道16，對(duì)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。如附圖6至圖8所示，所述的試件夾具體支撐架I、II 7、21及試件壓板I、II 27、 29與試件觀的接觸面均采用線切割方式加工為滾花狀結(jié)構(gòu)，可提高試件夾持的可靠性，具體的方法是在兩個(gè)側(cè)面分別加工成鋸齒狀結(jié)構(gòu)。如附圖3所示，所述的試件夾具體支撐架II 21與力傳感器基座18均設(shè)有半圓形的凹槽，并在凹槽中內(nèi)嵌鋼球22，通過鋼球22減小其接觸過程中的傳動(dòng)摩擦。本發(fā)明所述的測(cè)試平臺(tái)主體尺寸約為105mmX34mmX88mm，與Hitachi TM-1000 型掃描電子顯微鏡具有良好的結(jié)構(gòu)兼容性、真空兼容性及電磁兼容性，亦可與其他主流商業(yè)化掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、原子力顯微鏡及光學(xué)顯微鏡等兼容使用。測(cè)試平臺(tái)可安裝于Hitachi TM-1000掃描電子顯微鏡真空腔體的載物臺(tái)上，可在其呈現(xiàn)系統(tǒng)的的原位監(jiān)測(cè)下進(jìn)行基于準(zhǔn)靜態(tài)加載的拉伸/壓縮模式的材料力學(xué)性能測(cè)試， 即可對(duì)材料的微觀變形、損傷和破壞過程進(jìn)行在線觀測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)載荷/位移信號(hào)的采集與控制，可測(cè)試材料在納米尺度下的力學(xué)特性和損傷機(jī)制。參見圖1至圖8，本發(fā)明所涉及的基于準(zhǔn)靜態(tài)加載的掃描電鏡下原位拉伸/壓縮材料力學(xué)測(cè)試平臺(tái)，是根據(jù)Hitachi TM-1000型掃描電鏡的真空腔體尺寸和成像條件所設(shè)計(jì)的，該裝置主體部分的整體尺寸為105mmX88mmX34mm，同時(shí)可安裝于各種主流掃描電子顯微鏡和其他顯微成像系統(tǒng)的腔體內(nèi)或載物臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)與主流成像儀器的兼容使用。其中涉及到的元器件和具體型號(hào)為精密接觸式位移傳感器9型號(hào)可為WYM-I型、精密拉壓力傳感器19型號(hào)可為TEST-304型，用以同步檢測(cè)拉伸/壓縮過程中的位移/載荷信號(hào)，可針對(duì)精密直流伺服電機(jī)1的脈沖/方向控制模式提供包括變形速率控制、力速率控制、位移速率控制在內(nèi)的三種數(shù)字/模擬反饋信號(hào)源。精密直流伺服電機(jī)1的型號(hào)可為Maxon RE-MAX22 25W型，被測(cè)試件觀長(zhǎng)度范圍為446mm，最小寬度為1mm，高線數(shù)光電編碼器20的型號(hào)可為 HEDL9140-1000，結(jié)合Accelnet型伺位置控制單元對(duì)精密直流伺服電機(jī)1進(jìn)行精確的角位移控制，從而保證測(cè)試過程中試件觀的應(yīng)變速率可調(diào)并輸出給定扭矩值。本發(fā)明在具體的測(cè)試過程中，首先，被測(cè)試件觀在進(jìn)行拉伸/壓縮測(cè)試前，需采用線切割加工方法試制處帶有應(yīng)力薄弱區(qū)域或預(yù)知缺口的標(biāo)準(zhǔn)試件，并通過單面拋光處理得到可用于高分辨率顯微成像監(jiān)測(cè)的較好表面光潔度，或通過化學(xué)腐蝕等工藝得到金相等顯微形貌，然后將試件觀裝夾在用于試件夾具體支撐架I、II 7、21和試件壓板I、II 27,29 之間，試件觀夾持部分的寬度與試件壓板I、II 7、21上螺紋孔內(nèi)切線的間距相同，進(jìn)一步， 通過調(diào)整夾具的位置及利用水平儀和千分表的檢測(cè)來保證試件觀測(cè)試過程中的共面性和準(zhǔn)確位置。精密接觸式位移傳感器9的基體部分安裝于與試件夾具體支撐架I 7剛性連接的位移傳感器基座11內(nèi)，并通過螺紋緊固，前端探頭部分與試件夾具體支撐架II 21的L 形連接板彈性接觸，即精密接觸式位移傳感器9所實(shí)際檢測(cè)到的變形為試件夾具體支撐架I、II 7、21之間的相對(duì)變形。精密拉壓力傳感器19兩端為軸頸為M5的外螺紋，分別與力傳感器基座18和試件夾具體支撐架II 21剛性連接，兩種傳感器均于試件觀共面安裝，且受載方向與試件觀受拉伸/壓縮方向相同。然后，關(guān)閉掃描電子顯微鏡真空腔密閉擋板并通過掃描電鏡自身的載物平臺(tái)在XOY平面內(nèi)擬定測(cè)試點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。然后，給定拉伸/壓縮測(cè)試的變形或載荷控制方式，以脈沖輸出的方式驅(qū)動(dòng)精密直流伺服電機(jī)1開始測(cè)試過程， 即通過測(cè)試算法程序設(shè)定測(cè)試條件和參數(shù)，在時(shí)序脈沖控制信號(hào)作用下精密直流伺服電機(jī) 1輸出精確角位移，通過兩級(jí)二次包絡(luò)型蝸輪蝸桿副的減速、增距及精密雙向滾珠絲杠螺母副的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換最終實(shí)現(xiàn)對(duì)試件觀的超低速準(zhǔn)靜態(tài)加載，測(cè)試過程中精密拉壓力傳感器19 對(duì)拉伸壓縮軸向的載荷F進(jìn)行檢測(cè)；同時(shí)試件的變形量h由精密接觸式位移傳感器9同步拾取，兩路信號(hào)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換并進(jìn)行必要的信號(hào)調(diào)理后送入計(jì)算機(jī)。在測(cè)試的整個(gè)過程中， 被測(cè)試件觀在載荷作用下材料的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(cè)，并可同時(shí)記錄圖像，結(jié)合上位機(jī)調(diào)試軟件亦可實(shí)時(shí)獲取表征材料力學(xué)性能的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、彈性模量、屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度等重要力學(xué)參數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種基于準(zhǔn)靜態(tài)加載的掃描電鏡下原位拉伸/壓縮材料力學(xué)測(cè)試平臺(tái)，其特征在于包括精密驅(qū)動(dòng)單元、精密傳動(dòng)單元、載荷/位移信號(hào)檢測(cè)及控制單元以及夾持及連接單元；所述的精密驅(qū)動(dòng)單元是精密直流伺服電機(jī)(1)通過電機(jī)法蘭盤(2)與測(cè)試平臺(tái)基座 (14)連接；所述的精密傳動(dòng)單元包括彈性聯(lián)軸器(3)、由一級(jí)蝸桿、一級(jí)蝸輪、二級(jí)蝸輪、二級(jí)蝸桿 (5、6、8、30)構(gòu)成的兩級(jí)二次包絡(luò)型蝸輪蝸桿副及由滾珠絲杠螺母支架I、精密雙向滾珠絲杠、滾珠絲杠螺母支架II (17、23、31)構(gòu)成的精密雙向滾珠絲杠螺母副，精密直流伺服電機(jī) (1)通過彈性聯(lián)軸器(3 )與兩級(jí)二次包絡(luò)型蝸輪蝸桿副相連，該兩級(jí)二次包絡(luò)型蝸輪蝸桿副與精密雙向滾珠絲杠螺母副通過二級(jí)蝸輪(8)相連接；一、二級(jí)蝸桿(5、30)分別通過蝸桿軸承(10)及一、二級(jí)蝸桿軸承座(4、26)與測(cè)試平臺(tái)基座(14)連接，精密雙向滾珠絲杠螺母副通過絲杠固定支撐座(25)定位，滾珠絲杠螺母支架I、II (17、31)通過精密導(dǎo)軌滑塊I、 II (13、15)及精密導(dǎo)軌軌道(16)導(dǎo)向；所述的載荷/位移信號(hào)檢測(cè)及控制單元由精密拉壓力傳感器(19)、精密接觸式位移傳感器(9)及高線數(shù)光電編碼器(20)組成，精密拉壓力傳感器(19)固定安裝于力傳感器基座 (18 )上，精密接觸式位移傳感器(9 )與位移傳感器基座(11)套接，高線數(shù)光電編碼器(20 ) 與精密直流伺服電機(jī)(1)同軸連接；所述的夾持及支撐單元包括試件夾具體支撐架I、II (7、21)、試件壓板I、II (27、 四)、試件(28)、絲杠固定支撐座(25)、位移傳感器基座(11)、力傳感器基座(18)以及軸承 (10)組成，試件(28)通過試件壓板I、II (27、29)及帶有滾花結(jié)構(gòu)的試件夾具體支撐架I、 IK7.21)以壓緊方式夾持。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于準(zhǔn)靜態(tài)加載的掃描電鏡下原位拉伸/壓縮材料力學(xué)測(cè)試平臺(tái)，其特征在于所述的精密雙向滾珠絲杠(23)設(shè)有兩段旋向相異的小導(dǎo)程滾道，在測(cè)試過程中試件(28)的幾何中心位置始終處于成像區(qū)域的最中央。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于準(zhǔn)靜態(tài)加載的掃描電鏡下原位拉伸/壓縮材料力學(xué)測(cè)試平臺(tái)，其特征在于所述的精密接觸式位移傳感器(9)的基體部分安裝于與試件夾具體支撐架I (7)剛性連接的位移傳感器基座(11)內(nèi)，并通過螺紋緊固，前端探頭部分與試件夾具體支撐架II (21)的L形連接板彈性接觸，精密拉壓力傳感器(19)兩端分別設(shè)有外螺紋， 分別與力傳感器基座(18)和試件夾具體支撐架II (21)剛性連接，該精密接觸式位移傳感器(9)及精密拉壓力傳感器(19)均與試件(28)共面安裝，且受載方向與試件(28)受拉伸 /壓縮方向相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于準(zhǔn)靜態(tài)加載的掃描電鏡下原位拉伸/壓縮材料力學(xué)測(cè)試平臺(tái)，其特征在于所述的精密導(dǎo)軌滑塊I、II (13、15)分別與滾珠絲杠螺母支架I、II (17、 31)剛性連接，并且通過燕尾槽型機(jī)構(gòu)緊貼于精密導(dǎo)軌軌道(16)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于準(zhǔn)靜態(tài)加載的掃描電鏡下原位拉伸/壓縮材料力學(xué)測(cè)試平臺(tái)，其特征在于所述的試件夾具體支撐架I、II (7、21)及試件壓板I、II (27,29)與試件(28)的接觸面均為滾花狀結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于準(zhǔn)靜態(tài)加載的掃描電鏡下原位拉伸/壓縮材料力學(xué)測(cè)試平臺(tái)，其特征在于所述的試件夾具體支撐架II (21)與力傳感器基座(18)均設(shè)有半圓形的凹槽，并在凹槽中內(nèi)嵌鋼球(22)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任意一項(xiàng)所述的基于準(zhǔn)靜態(tài)加載的掃描電鏡下原位拉伸/壓縮材料力學(xué)測(cè)試平臺(tái)，其特征在于所述的測(cè)試平臺(tái)主體尺寸為105mmX34mmX88mm，可安裝于Hitachi TM-1000型掃描電子顯微鏡等儀器的腔體內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于準(zhǔn)靜態(tài)加載的掃描電鏡下原位拉伸/壓縮材料力學(xué)測(cè)試平臺(tái)，屬于機(jī)電類。測(cè)試平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)“超低速準(zhǔn)靜態(tài)”的拉伸/壓縮模式加載，及載荷/位移信號(hào)的同步采集和精密閉環(huán)控制，并可實(shí)現(xiàn)與HitachiTM-1000型掃描電子顯微鏡及各類具有腔體及載物臺(tái)結(jié)構(gòu)的成像儀器兼容使用。本發(fā)明由精密驅(qū)動(dòng)單元、精密傳動(dòng)單元、載荷/位移信號(hào)檢測(cè)及控制單元以及夾持及連接單元組成。本發(fā)明體積小巧，結(jié)構(gòu)緊湊，應(yīng)變速率可控，與各類主流掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡、拉曼光譜儀、X射線衍射儀以及光學(xué)顯微鏡等成像儀器具有良好的結(jié)構(gòu)兼容性、真空兼容性及電磁兼容性。
文檔編號(hào)G01N3/06GK102359912SQ20111030511
公開日2012年2月22日 申請(qǐng)日期2011年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月11日
發(fā)明者萬順光, 李秦超, 王開廳, 胡曉利, 趙宏偉, 馬志超, 黃虎 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)