顯微鏡下的四點(diǎn)彎曲材料微觀力學(xué)性能原位測試裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種顯微鏡下的四點(diǎn)彎曲材料微觀力學(xué)性能原位測試裝置，屬于精密科學(xué)儀器領(lǐng)域。包括精密驅(qū)動(dòng)/傳動(dòng)單元、信號(hào)檢測單元及加載單元，精密直流伺服電機(jī)經(jīng)由減速器減速輸出動(dòng)力，輸出軸通過柔性聯(lián)軸器與一對(duì)換向齒輪連接，將動(dòng)力傳至蝸桿軸，經(jīng)由蝸輪蝸桿副將運(yùn)動(dòng)傳至滾珠絲杠螺母，帶動(dòng)加載工具頭對(duì)試件樣品進(jìn)行四點(diǎn)彎曲加載測試。信號(hào)檢測單元由應(yīng)變片及光電編碼器組成。優(yōu)點(diǎn)在于：結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、能耗低，且彎曲加載部分跨距可調(diào)，可精確測定相關(guān)材料力學(xué)性能參數(shù)，特別是可以與商業(yè)化金相顯微鏡和光學(xué)顯微鏡集成使用、調(diào)試方便，借助顯微鏡可對(duì)彎曲應(yīng)力作用下材料的變形損傷、微觀組織結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)可視化原位監(jiān)測。
【專利說明】顯微鏡下的四點(diǎn)彎曲材料微觀力學(xué)性能原位測試裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及精密科學(xué)儀器領(lǐng)域，特別涉及一種顯微鏡下的四點(diǎn)彎曲材料微觀力學(xué)性能原位測試裝置?？砂惭b在商業(yè)化金相顯微鏡或光學(xué)顯微鏡下對(duì)三維固態(tài)材料進(jìn)行四點(diǎn)彎曲力學(xué)性能測試和微觀樣貌的原位觀測，將材料微觀變形、損傷與力學(xué)性能直接關(guān)聯(lián)，研究微觀結(jié)構(gòu)變化對(duì)宏觀材料力學(xué)性能的影響。
【背景技術(shù)】
[0002]原位力學(xué)性能測試是指在微/納米尺度下對(duì)試件材料進(jìn)行力學(xué)性能測試的過程中，通過光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡以及原子力顯微鏡等儀器對(duì)各種載荷作用下材料及其制品發(fā)生的微觀變形、損傷進(jìn)行全程動(dòng)態(tài)在線監(jiān)測的一種力學(xué)測試手段。該技術(shù)從微觀層面上揭示各類材料及其制品的力學(xué)行為、損傷機(jī)理及載荷類型、大小與材料性能間的相關(guān)規(guī)律。原位四點(diǎn)彎曲測試是原位力學(xué)測試方法的一種，能夠反映構(gòu)件材料的彎曲強(qiáng)度特性，并能最直觀地測量材料彈性模量、屈服極限和斷裂強(qiáng)度等重要力學(xué)參數(shù)。四點(diǎn)彎曲受力狀態(tài)彎矩均勻分布，試樣中間段不受剪力的影響，對(duì)其進(jìn)行原位觀測更便于發(fā)現(xiàn)材料在載荷作用下的微小損傷。
[0003]當(dāng)前對(duì)于原位彎曲測試的研究尚處于初級(jí)階段，具體表現(xiàn)如下:(1)受到各種電鏡腔體空間的限制，目前多數(shù)研究都集中在對(duì)納米線、納米管以及薄膜材料等極微小結(jié)構(gòu)進(jìn)行原位拉伸測試，缺少對(duì)宏觀尺寸試件的力學(xué)性能測試的深入研究及微觀結(jié)構(gòu)的原位觀測。限制了對(duì)于宏觀尺寸材料的微觀力學(xué)行為和斷裂損傷機(jī)制的深入探究。(2)現(xiàn)在比較成熟的原位測試方法，主要是借助于商業(yè)化的納米壓痕儀和原位拉伸儀與電鏡配合使用，這些測量方法設(shè)備費(fèi)用昂貴，方法單一。(3)目前的原位彎曲加載裝置一般只能觀測試樣的側(cè)面，而對(duì)材料最大拉/壓應(yīng)力區(qū)的微觀形貌變化難以提供在線觀測，制約了材料微觀力學(xué)性能研究的發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型的目的在于提供一種顯微鏡下的四點(diǎn)彎曲材料微觀力學(xué)性能原位測試裝置，解決了現(xiàn)有彎曲測量儀器對(duì)材料進(jìn)行測試時(shí)，機(jī)械性能測試和試件微觀形貌變化觀測兩個(gè)過程是相互獨(dú)立分離的問題。本實(shí)用新型在對(duì)試件進(jìn)行彎曲測試時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)可調(diào)跨距測量，通過調(diào)整加載單元的上下相對(duì)位置，能對(duì)試件承受最大壓應(yīng)力面和最大拉應(yīng)力面的微觀形貌變化進(jìn)行原位動(dòng)態(tài)檢測。
[0005]本實(shí)用新型的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0006]顯微鏡下的四點(diǎn)彎曲材料微觀力學(xué)性能原位測試裝置，包括精密驅(qū)動(dòng)/傳動(dòng)單元、信號(hào)檢測單元及加載單元，所述精密驅(qū)動(dòng)/傳動(dòng)單元是直流伺服電機(jī)2通過減速器3輸出運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力，經(jīng)由波紋管彈性聯(lián)軸器6與換向齒輪1、11 9、13連接，再通過蝸桿套1、
II7、24及蝸輪1、Π 4、23與滾珠絲杠1、11 16、20連接，并通過螺母1、11 15、19帶動(dòng)加載工具頭1、II 28,29直線運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)彎矩加載。[0007]所述直流伺服電機(jī)2與減速器3軸向固連，并與電機(jī)支撐座5通過螺釘連接，電機(jī)支撐座5固連在基座8上；波紋管聯(lián)軸器6分別與減速器3輸出軸和換向齒輪軸I 10連接，齒輪軸1、II 10、12分別通過精密軸承支撐于平臺(tái)側(cè)板1、II 11、21 ;換向齒輪1、II 9、13通過緊定螺釘固連在齒輪軸1、II 10、12上，蝸桿套1、II 7、24和蝸輪1、II 4、23分別與齒輪軸II 12及精密滾珠絲杠1、II 16、20緊定連接，滾珠絲杠1、II 16,20的固定支撐座1、II 14、22通過螺釘固連在擋板II 31上；螺母1、II 15、19與加載工具頭支撐座1、II 27、30通過螺釘固連。
[0008]換向齒輪的使用及蝸輪蝸桿的合理布置，將直流伺服電機(jī)2輸出的水平運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為加載工具頭1、11 28,29豎直方向上的動(dòng)力輸出，實(shí)現(xiàn)立式加載，空余出試件的最大應(yīng)力表面，便于使用金相顯微鏡等元件對(duì)試件18最大應(yīng)力處進(jìn)行觀察，加載時(shí)觀測區(qū)域水平方向固定不動(dòng)，形成良好的觀察視野。
[0009]所述的信號(hào)檢測單元由應(yīng)變片35和光電編碼器I組成，所述光電編碼器I與直流伺服電機(jī)2同軸相連，所述應(yīng)變片35直接貼于試件18表面；光電編碼器I是一種角度檢測裝置，其直接與電機(jī)轉(zhuǎn)子相連，與直流伺服電機(jī)2同速旋轉(zhuǎn)，通過計(jì)算光電編碼器I的輸出脈沖個(gè)數(shù)反映電動(dòng)機(jī)角度位移，并通過傳動(dòng)轉(zhuǎn)換得到測試裝置執(zhí)行部件加載工具頭1、
II28,29的位移量，即試件在加載過程中的彎曲撓度。應(yīng)變片35直接貼于試件18表面，通過檢測應(yīng)變片的輸出信號(hào)，能間接得到彎曲應(yīng)力。
[0010]所述的加載單元由加載工具頭1、11 28、29及支撐工具頭1、II 17、34組成，所述加載工具頭1、II 28,29分別與加載工具頭支撐座1、II 27,30連接，支撐工具頭1、II 17、34分別與側(cè)板1、11 11、21連接，再通過螺母緊固；側(cè)板1、11 11、21與加載工具頭支撐座
I> 11 27,30的連接孔采用橢圓型，可實(shí)現(xiàn)不同跨距下試件的四點(diǎn)彎曲力學(xué)性能測試。
[0011]所述的支撐工具頭1、11 17、34固定不動(dòng)，加載工具頭1、II 28、29上下運(yùn)動(dòng)。通過調(diào)整加載工具頭1、11 28,29與支撐工具頭1、II 17、34的上下相對(duì)位置，能實(shí)現(xiàn)在四點(diǎn)彎曲加載下，對(duì)試件18承受最大壓應(yīng)力面和最大拉應(yīng)力面的微觀形貌變化進(jìn)行原位動(dòng)態(tài)檢測。
[0012]所述的加載工具頭支撐座1、II 27,30固定在滑塊1、II 25,33上，導(dǎo)軌1、II 26、32通過螺釘分別固定于側(cè)板1、II 11、21 ;所述加載工具頭支撐座1、II 27,30分別由單個(gè)寬型導(dǎo)軌導(dǎo)向支承構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單，且保證加載過程的穩(wěn)定。
[0013]本實(shí)用新型的有益效果在于:與現(xiàn)有儀器相比，本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、能耗低、測試精度高，能夠?qū)Σ牧隙喾N力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測試，并可以與商業(yè)化的金相顯微鏡和光學(xué)顯微鏡等設(shè)備兼容，對(duì)試件最大拉/壓應(yīng)力表面的微觀結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測。并且可通過載荷/位移信號(hào)的同步檢測，結(jié)合相關(guān)的軟件算法，自動(dòng)擬合生成彎曲載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，實(shí)用性強(qiáng)。本實(shí)用新型對(duì)豐富原位彎曲測試領(lǐng)域測試方法及促進(jìn)測試儀器的發(fā)展與進(jìn)步有很大的意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]此處所說明的附圖用來提供對(duì)本實(shí)用新型的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本實(shí)用新型的示意性實(shí)例及其說明用于解釋本實(shí)用新型，并不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型的不當(dāng)限定。[0015]圖1為本實(shí)用新型在金相顯微鏡下的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2為本實(shí)用新型去除擋板I 36后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖3為本實(shí)用新型去除擋板I 36后的主視圖
[0018]圖4為本實(shí)用新型去除擋板I 36后的俯視圖；
[0019]圖5為本實(shí)用新型試件加載部分結(jié)構(gòu)示意圖(觀察試件最大拉應(yīng)力面);
[0020]圖6為本實(shí)用新型試件加載部分結(jié)構(gòu)示意圖(觀察試件最大壓應(yīng)力面)。
[0021]圖中:1、光電編碼器；2、直流伺服電機(jī)；3、減速器；4、蝸輪I ;5、電機(jī)法蘭盤；6、波紋管彈性聯(lián)軸器；7、蝸桿套I ;8、基座；9、換向齒輪I ;10、齒輪軸I ;11、基座側(cè)板I ;12、齒輪軸II ;13、換向齒輪II ;14、固定支撐座I ;15、螺母I ;16、滾珠絲杠I ;17、支撐工具頭I ;18、試件；19、螺母II ;20、滾珠絲杠II ;21、基座側(cè)板II ;22、固定支撐座II ;23、蝸輪II ;24、蝸桿套II ;25、滑塊I ;26、導(dǎo)軌I ;27、加載工具頭支撐座I ;28、加載工具頭I ;29、加載工具頭II ;30、加載工具頭支撐座II ;31、擋板II ;32、導(dǎo)軌II ;33、滑塊II ;34、支撐工具頭II ;35、應(yīng)變片；36、擋板I ;37、金相顯微鏡。
【具體實(shí)施方式】
[0022]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】。
[0023]參見圖1至圖6所示，本實(shí)用新型的顯微鏡下的四點(diǎn)彎曲材料微觀力學(xué)性能原位測試裝置，包括精密驅(qū)動(dòng)/傳動(dòng)單元、信號(hào)檢測單元及加載單元等結(jié)構(gòu)，所述的精密驅(qū)動(dòng)/傳動(dòng)單元是:直流伺服電機(jī)2通過減速器3輸出運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力，經(jīng)由波紋管彈性聯(lián)軸器6與一對(duì)換向齒輪1、II 9、13連接，再通過蝸桿套1、II 7、24及蝸輪1、II 4、23與兩條滾珠絲杠
I>11 16、20連接，并通過螺母1、11 15、19帶動(dòng)加載工具頭1、II 28、29直線運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)彎矩加載。
[0024]所述直流伺服電機(jī)2與減速器3軸向固連，減速器3與電機(jī)支撐座5通過螺釘連接，電機(jī)支撐座5由螺釘固連在基座8上。波紋管聯(lián)軸器6分別與減速器3輸出軸和換向齒輪軸I 9連接，齒輪軸1、II 10,12分別通過精密軸承支撐于側(cè)板1、II 11、21，并與側(cè)板軸承孔配合安裝。換向齒輪1、II 9、13通過緊定螺釘固連在齒輪軸1、II 10、12上。蝸桿套
1、II 7、24和蝸輪1、II 4、23分別與齒輪軸II 12及精密滾珠絲杠1、II 16,20緊定連接。滾珠絲杠1、II 16,20的固定支撐座1、II 14,22采用螺釘固連在擋板II 31上。螺母1、
II15、19與加載工具頭支撐座1、11 27、30通過螺釘固連，加載工具頭支撐座1、11 27,30的連接板固定在滑塊1、II 25,33上，導(dǎo)軌1、II 26,32采用螺釘固定于側(cè)板1、II 11、21。
[0025]所述的信號(hào)檢測單元由應(yīng)變片35和光電編碼器I組成，光電編碼器I與直流伺服電機(jī)2同軸相連，應(yīng)變片35直接貼于試件18表面。光電編碼器I是一種角度檢測裝置，它直接與電機(jī)轉(zhuǎn)子相連，與電動(dòng)機(jī)2同速旋轉(zhuǎn)，通過計(jì)算光電編碼器I的輸出脈沖個(gè)數(shù)反映電動(dòng)機(jī)角度位移，并通過傳動(dòng)轉(zhuǎn)換得到測試裝置執(zhí)行部件加載工具頭的位移量，即試件在加載過程中的彎曲撓度。應(yīng)變片35直接貼于試件18表面，通過檢測應(yīng)變片35的輸出信號(hào)，能間接得到試件的彎曲應(yīng)力。
[0026]所述的加載單元由加載工具頭1、11 28、29及支撐工具頭1、II 17、34組成，所述加載工具頭1、II 28,29分別與加載工具頭支撐座1、II 27,30連接，支撐工具頭1、II 17、34分別與側(cè)板1、II 11、21連接，再通過螺母緊固。側(cè)板1、II 11、21與加載工具頭支撐座I> 11 27,30的連接孔采用橢圓型，可實(shí)現(xiàn)不同跨距下試件的四點(diǎn)彎曲力學(xué)性能測試。
[0027]所述的加載工具頭支撐座1、II 27,30由單個(gè)寬滑塊連接支撐，簡化了結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。加載工具頭支撐座1、II 27,30分別固定在滑塊1、II 25,33上，導(dǎo)軌1、
II26,32采用螺釘固定于側(cè)板1、II 11、21。
[0028]所述的換向齒輪的使用及蝸輪蝸桿的合理布置，將電機(jī)2輸出的水平運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為加載工具頭1、II 28,29豎直方向上的動(dòng)力輸出，實(shí)現(xiàn)立式加載，空余出試件的最大應(yīng)力表面，便于使用金相顯微鏡37等元件對(duì)試件18最大應(yīng)力處進(jìn)行觀察，加載時(shí)觀測區(qū)域水平方向固定不動(dòng)，形成良好的觀察視野。
[0029]本實(shí)用新型的四點(diǎn)彎曲的加載方式能夠使材料試樣中性層兩側(cè)承受不同的受力狀態(tài)，加載工具頭一側(cè)承受壓應(yīng)力，支撐工具頭一側(cè)承受拉應(yīng)力。所述的加載工具頭與支撐工具頭的相對(duì)位置通過滾珠絲杠螺母副進(jìn)行調(diào)整，能實(shí)現(xiàn)在四點(diǎn)彎曲加載下，對(duì)試件18承受最大壓應(yīng)力面和最大拉應(yīng)力面的微觀形貌變化進(jìn)行原位動(dòng)態(tài)檢測。如圖5為對(duì)試件最大拉應(yīng)力表面進(jìn)行觀測，圖6對(duì)試件最大壓應(yīng)力表面進(jìn)行觀測。
[0030]以上所述僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本實(shí)用新型可以有各種更改和變化。凡對(duì)本實(shí)用新型所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種顯微鏡下的四點(diǎn)彎曲材料微觀力學(xué)性能原位測試裝置，其特征在于:包括精密驅(qū)動(dòng)/傳動(dòng)單元、信號(hào)檢測單元及加載單元，所述精密驅(qū)動(dòng)/傳動(dòng)單元是直流伺服電機(jī)(2)通過減速器(3)輸出運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力，經(jīng)由波紋管彈性聯(lián)軸器(6)與換向齒輪1、II (9,13)連接，再通過蝸桿套1、11 (7、24)及蝸輪1、11 (4、23)與滾珠絲杠1、II (16、20)連接，并通過螺母1、II (15、19)帶動(dòng)加載工具頭1、II (28,29)直線運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)彎矩加載； 所述直流伺服電機(jī)(2)與減速器(3)軸向固連，并與電機(jī)支撐座(5)通過螺釘連接，電機(jī)支撐座(5)固連在基座(8)上；波紋管聯(lián)軸器(6)分別與減速器(3)輸出軸和換向齒輪軸I(10)連接，齒輪軸1、11(10、12)分別通過精密軸承支撐于平臺(tái)側(cè)板1、11(11、21);換向齒輪1、11 (9、13)通過緊定螺釘固連在齒輪軸1、II (10、12)上，蝸桿套1、11 (7、24)和蝸輪1、II (4,23)分別與齒輪軸II (12)及精密滾珠絲杠1、II (16、20)緊定連接，滾珠絲杠1、11 (16、20)的固定支撐座1、11 (14、22)通過螺釘固連在擋板II (31)上；螺母1、11 (15、19)與加載工具頭支撐座1、II (27,30)通過螺釘固連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顯微鏡下的四點(diǎn)彎曲材料微觀力學(xué)性能原位測試裝置，其特征在于:所述的信號(hào)檢測單元由應(yīng)變片(35)和光電編碼器(I)組成，所述光電編碼器(I)與直流伺服電機(jī)(2)同軸相連，所述應(yīng)變片(35)直接貼于試件(18)表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顯微鏡下的四點(diǎn)彎曲材料微觀力學(xué)性能原位測試裝置，其特征在于:所述的加載單元由加載工具頭1、II (28、29)及支撐工具頭1、II (17、34)組成，所述加載工具頭1、II (28,29)分別與加載工具頭支撐座1、II (27,30)連接，支撐工具頭1、II(17、34)分別與側(cè)板1、II (11、21)連接，再通過螺母緊固；側(cè)板1、II (11、21)與加載工具頭支撐座1、II (27,30)的連接孔采用橢圓型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的顯微鏡下的四點(diǎn)彎曲材料微觀力學(xué)性能原位測試裝置，其特征在于:所述的加載工具頭支撐座1、II (27,30)固定在滑塊1、II (25,33)上，導(dǎo)軌1、II (26,32)通過螺釘分別固定于側(cè)板1、II (11、21);所述加載工具頭支撐座1、II (27、30)分別由單個(gè)寬型導(dǎo)軌導(dǎo)向支承構(gòu)成。
【文檔編號(hào)】G01N3/20GK203643278SQ201420004203
【公開日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2014年1月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月3日
【發(fā)明者】趙宏偉, 董曉龍, 孫玉嬌, 程虹丙, 高景, 魯帥, 邵明坤, 胡曉利 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)