彎曲預(yù)載荷微納米壓痕力學(xué)性能測(cè)試方法與裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及原位力學(xué)性能測(cè)試領(lǐng)域，特別涉及一種彎曲預(yù)載荷微納米壓痕力學(xué)性能測(cè)試裝置和一種測(cè)試方法。本裝置集成了彎曲加載單元和微納米壓痕加載單元兩部分，可進(jìn)行彎曲預(yù)載荷模式下的微納米壓痕復(fù)合測(cè)試試驗(yàn)，此裝置可與當(dāng)前主流的光學(xué)顯微成像設(shè)備兼容，對(duì)材料在彎曲、壓痕或者兩種載荷復(fù)合作用下的微觀變形、損傷與斷裂過(guò)程進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為揭示材料微觀變形行為和損傷機(jī)制提供了嶄新的測(cè)試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]材料性能測(cè)試領(lǐng)域，隨著材料科學(xué)新技術(shù)的革新，精密和超精密加工技術(shù)的發(fā)展，在微/納米尺度檢驗(yàn)甚至觀測(cè)材料的力學(xué)特性逐漸走進(jìn)材料研究者們的視線，發(fā)展迅速，具有廣闊的前景。傳統(tǒng)的材料力學(xué)測(cè)試手段已經(jīng)在過(guò)去幾年發(fā)展的很成熟，但是已不能夠滿足日益發(fā)展的新技術(shù)，原位力學(xué)測(cè)試技術(shù)的提出突破性地使研究材料的微觀變形損傷機(jī)理與載荷作用的相關(guān)性成為現(xiàn)實(shí)。
[0003]目前國(guó)外對(duì)原位力學(xué)測(cè)試技術(shù)的研究比較早，在國(guó)內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)和人員比較少，而且一般都是研究單一載荷作用下材料力學(xué)性能，主要依靠拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)、疲勞等單一模塊進(jìn)行測(cè)試。實(shí)際工況下許多構(gòu)件的受載形式并非單一載荷，而是多種載荷形式的共同作用，材料在復(fù)合載荷作用下的損傷、失效行為與單一載荷作用下的行為迥然不同，因此復(fù)合載荷模式的原位力學(xué)測(cè)試對(duì)深入研究材料性能演變、失效破壞機(jī)制具有重要意義。
[0004]該系統(tǒng)旨在革新傳統(tǒng)的單一材料測(cè)試方法，豐富現(xiàn)有材料力學(xué)測(cè)試方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種彎曲預(yù)載荷微納米壓痕力學(xué)性能測(cè)試方法與裝置，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，本裝置集成了彎曲加載單元和壓痕加載單元兩部分，相對(duì)于傳統(tǒng)的彎曲和壓痕試驗(yàn)測(cè)試儀，既可以單獨(dú)加載，也可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合加載，兩個(gè)模塊緊湊安裝在一塊大理石底板上，每個(gè)模塊均由驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)采集模塊、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行及轉(zhuǎn)換模塊，夾持及連接模塊構(gòu)成。并且能夠集成掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)、Raman光譜儀、原子力顯微鏡(AFM)或金相顯微鏡等對(duì)載荷作用下材料的組織結(jié)構(gòu)演化進(jìn)行高分辨率動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并在線觀察宏觀試件在復(fù)合載荷作用下的微觀變形和損傷破壞過(guò)程，其中電機(jī)、精密力傳感器和精密位移傳感器的信號(hào)通過(guò)采集卡輸送到計(jì)算機(jī)上，實(shí)時(shí)的繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線圖并對(duì)材料的損傷過(guò)程進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。
[0006]本測(cè)試裝置的上述目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種彎曲預(yù)載荷微納米壓痕力學(xué)性能測(cè)試方法與裝置，集成了彎曲加載單元和微納米壓痕加載單元兩部分，彎曲加載模塊和微納米壓痕加載模塊分別通過(guò)螺栓連接固定在大理石底板兩側(cè)，彎曲加載壓頭和壓痕加載壓頭兩部分同軸并與夾具對(duì)稱安裝，可以進(jìn)行彎曲預(yù)載荷微納米壓痕復(fù)合加載模式下的原位力學(xué)性能測(cè)試試驗(yàn)，該測(cè)試裝置為揭示材料在復(fù)合載荷作用下的力學(xué)行為提供了嶄新的測(cè)試手段。
[0007]所述的彎曲加載單元的驅(qū)動(dòng)模塊由精密直流伺服電機(jī)4通過(guò)電機(jī)法蘭3與彎曲模塊底板27連接構(gòu)成。電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速采用兩級(jí)蝸輪蝸桿調(diào)速，運(yùn)動(dòng)執(zhí)行與轉(zhuǎn)換模塊由一級(jí)渦輪1，一級(jí)蝸桿2，二級(jí)渦輪32，二級(jí)蝸桿31構(gòu)成，一級(jí)渦輪和二級(jí)蝸桿通過(guò)蝸桿軸承29，蝸桿軸承支座30與彎曲加載單元底板27相連，精密單向滾珠絲杠21通過(guò)絲杠螺母34與連接件II緊湊連接，而連接件II的往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過(guò)精密的導(dǎo)軌滑塊23安裝在精密的導(dǎo)軌22上實(shí)現(xiàn)，二級(jí)渦輪32、精密單向滾珠絲杠21與滾珠絲杠支撐座28之間分別通過(guò)緊固螺釘和鎖緊螺母固定，確保傳動(dòng)平穩(wěn)。彎曲加載單元的精密力傳感器I 6安裝在連接件II上，彎曲壓頭7通過(guò)螺紋連接在精密力傳感器上。精密位移傳感器24與位移傳感器支架25相配合一同安裝在連接件II上。當(dāng)電機(jī)經(jīng)過(guò)調(diào)速帶動(dòng)滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)時(shí)，連接件II與位移傳感器支架25產(chǎn)生相對(duì)位移，整個(gè)彎曲加載單元底板27與大理石底板19固定連接。
[0008]所述的壓痕加載單元的驅(qū)動(dòng)模塊主要由配有五相步進(jìn)電機(jī)高分辨率馬達(dá)的XY軸精密自動(dòng)滑臺(tái)17和精密壓電驅(qū)動(dòng)平臺(tái)16構(gòu)成，滑臺(tái)通過(guò)精密壓電驅(qū)動(dòng)平臺(tái)16和連接件
I18與壓痕精密力傳感器支撐板15固連。壓痕精密力傳感器II 14固定在支撐板上并且通過(guò)壓桿13與壓痕金剛石壓頭12螺紋連接，用于檢測(cè)壓力。其中XY軸精密自動(dòng)滑臺(tái)17用于宏觀驅(qū)動(dòng)整體以及橫向換點(diǎn)工作，精密壓電驅(qū)動(dòng)平臺(tái)16實(shí)現(xiàn)微觀驅(qū)動(dòng)金剛石壓頭12使其精準(zhǔn)壓入并自動(dòng)檢測(cè)位移，整個(gè)壓痕加載單元固定在大理石底板19上。
[0009]所述的夾持模塊由夾具支架11、夾具主體10、夾具壓緊塊9以及被測(cè)試件20組成。夾具支架11固定在大理石底板19上，夾具主體，試件以及夾緊塊依次配合，為了防止試件在彎曲力和壓痕力作用下竄動(dòng)，影響試驗(yàn)結(jié)果因此設(shè)計(jì)了凹槽式結(jié)構(gòu)的夾具主體10。既可以使試件精確定位，又可以減小誤差。
[0010]所述的彎曲加載單元的精密力傳感器6與彎曲壓頭7安裝在連接件II 5上并通過(guò)鎖緊螺母鎖緊。精密位移傳感器24為接觸式LVDT位移傳感器，其主體的支架與連接件II 5剛性連接，精密位移傳感器通過(guò)位移傳感器支架25上方的兩個(gè)對(duì)稱分布的螺栓進(jìn)行鎖緊。前段接觸探頭與固定在彎曲加載單元底板27上的位移傳感器L型頂板26預(yù)緊接觸。頂板與探頭接觸處設(shè)有有位移傳感器同軸光滑凹槽，用于保證精密位移傳感器24的線性度。當(dāng)連接件II帶動(dòng)位移傳感器支架25移動(dòng)時(shí)精密位移傳感器就會(huì)檢測(cè)到相應(yīng)的位移距離。
[0011]所述的彎曲預(yù)載荷微納米壓痕力學(xué)性能測(cè)試裝置，其彎曲加載壓頭和壓痕加載壓頭兩部分同軸并與夾具對(duì)稱安裝，夾具處于中心位置，放置在成像裝置的中心區(qū)域，以便原位觀測(cè)。
[0012]本測(cè)試裝置的有益效果在于:實(shí)際工況下，許多構(gòu)件并非僅承受單一載荷作用，其受力狀態(tài)往往是多種載荷共同作用或不同單一載荷的按次序加載作用，而這種載荷狀態(tài)下構(gòu)件的力學(xué)行為與單一載荷作用時(shí)迥然不同。本裝置設(shè)計(jì)的彎曲預(yù)載荷微納米壓痕力學(xué)性能測(cè)試裝置集成了彎曲和壓痕兩個(gè)測(cè)試平臺(tái)，即可單獨(dú)完成彎曲、壓痕兩個(gè)測(cè)試功能，又可進(jìn)行復(fù)合測(cè)試，結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理，測(cè)試精度高，信號(hào)檢測(cè)單元中精密力傳感器和精密位移傳感器的信號(hào)通過(guò)采集卡輸送到計(jì)算機(jī)上，利用LABVIEW軟件自動(dòng)擬合生成載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。集成成像設(shè)備后可對(duì)載荷作用下材料的組織結(jié)構(gòu)演化進(jìn)行高分辨率動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并在線觀察宏觀試件在復(fù)合載荷作用下的微觀變形和損傷破壞過(guò)程。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為本裝置的整體外觀結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2為本裝置的主視示意圖。
[0015]圖3為本裝置的左視示意圖。
[0016]圖4為本裝置的俯視示意圖。
[0017]圖5、6為本裝置的夾具結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖7為本裝置的XY軸精密自動(dòng)滑臺(tái)示意圖。
[0019]圖8為本裝置的壓痕單元爆炸圖。
[0020]圖中:1、渦輪I 2、蝸桿I 3、電機(jī)支撐座4、直流伺服電機(jī)5、連接件II 6、精密力傳感器I 7、彎曲壓頭8、導(dǎo)軌I 9、夾具壓緊塊10、夾具體11、夾具支撐座12、金剛石壓頭13、壓桿14、精密力傳感器II 15、壓痕精密力傳感器支撐板16、壓電驅(qū)動(dòng)平臺(tái)17、XY軸精密自動(dòng)滑臺(tái)18、連接件I 19、大理石底板20、試件21、單向滾珠絲杠22、精密導(dǎo)軌II 23、滑塊24、位移傳感器25、位移傳感器支架26、L型頂板27、彎曲加載單元底板28、滾珠絲杠支撐座29、蝸桿軸承30、蝸桿軸承支座31、蝸桿II 32、渦輪II 33、鎖緊螺母34、絲杠螺母。
具體實(shí)施方案
[0021]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容及其【具體實(shí)施方式】。
[0022]參見(jiàn)圖1至圖7，一種彎曲預(yù)載荷微納米壓痕力學(xué)性能測(cè)試方法與裝置集成了彎曲加載單元和微納米壓痕加載單元兩部分，彎曲加載模塊和微納米壓痕加載模塊分別通過(guò)螺栓連接固定在大理石底板兩側(cè)，彎曲加載壓頭和壓痕加載壓頭兩部分同軸并與夾具對(duì)稱安裝，可以進(jìn)行彎曲預(yù)載荷微納米壓痕復(fù)合加載模式下的原位力學(xué)性能測(cè)試試驗(yàn)，該測(cè)試裝置為揭示材料在復(fù)合載荷作用下的力學(xué)行為提供了嶄新的測(cè)試手段。
[0023]所述的彎曲加載單元的驅(qū)動(dòng)模塊由精密直流伺服電機(jī)4通過(guò)電機(jī)法蘭3與彎曲模塊底板27連接構(gòu)成。電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速采用兩級(jí)蝸輪蝸桿調(diào)速，運(yùn)動(dòng)執(zhí)行與轉(zhuǎn)換模塊由一級(jí)渦輪1，一級(jí)蝸桿2，二級(jí)渦輪32，二級(jí)蝸桿31構(gòu)成，一級(jí)渦輪和二級(jí)蝸桿通過(guò)蝸桿軸承29，蝸桿軸承支座30與彎曲加載