、低溫加載模塊（17)、磁場加載模塊（18)、電場加載模塊（19)，所述低溫加載模塊 (17)、電場加載模塊（19)的核心裝置直流電源和循環(huán)制冷栗為外置設(shè)備;所述拉伸/壓縮加 載模塊（11)固定于偏擺臺（2501)臺面上，扭轉(zhuǎn)加載模塊（12)分為扭轉(zhuǎn)加載主動單元 (1201)、扭轉(zhuǎn)加載固定單元(1202)兩部分，分別安裝于拉伸/壓縮加載模塊（11)的扭轉(zhuǎn)端拉 伸滑座（1103)、疲勞端拉伸滑座（1104)上，低周疲勞加載模塊（14)安裝于疲勞端拉伸滑座 (1104)上與扭轉(zhuǎn)加載固定單元（1202)的尾部連接，彎曲加載模塊（13)、微納米壓痕測試模 塊（15)、紅外熱成像監(jiān)測模塊（22)分別固定于側(cè)向加載觀測模塊（24)的彎曲進給單元 (2401)、壓痕進給單元(2403)、紅外熱成像儀進給單元(2402)上，并一同安裝于功能切換單 元(2404)上；功能切換單元(2404)的往復(fù)運動實現(xiàn)彎曲加載模塊（13)、微納米壓痕測試模 塊（15)、紅外熱成像監(jiān)測模塊(22)的位置選擇和工位切換，紅外熱成像儀進給單元(2402) 的直線運動調(diào)節(jié)紅外熱成像監(jiān)測模塊(22)的可視范圍，彎曲進給單元(2401)的直線運動帶 動彎曲壓頭（1302)實現(xiàn)彎曲載荷加載，壓痕進給單元（2403)的直線運動帶動壓痕壓頭 (1509)進行壓入點位的初定位；高溫加載模塊（16)通過調(diào)整滑座（1602)、調(diào)整滑座導(dǎo)軌 (1805 )與磁場加載模塊（18 )連接，磁場加載模塊（18 )、側(cè)向加載觀測模塊(24)分別固定在 拉伸/壓縮加載模塊(11)主軸線的兩側(cè)； 所述復(fù)合載荷-多物理場加載試驗平臺（1)在實現(xiàn)拉伸/壓縮加載測試的基礎(chǔ)上，同時 還可構(gòu)建高溫/低溫-電場-磁場的物理場環(huán)境，此外能夠?qū)崿F(xiàn)利用壓入式檢測手段分析材 料的微觀力學性能；最多可以實現(xiàn)"拉伸 -疲勞-彎曲-扭轉(zhuǎn)-高溫場/低溫場-電場 -磁場"或 "壓縮-彎曲-扭轉(zhuǎn)-高溫場/低溫場-電場-磁場"的復(fù)合載荷-多物理場耦合加載試驗，模擬 豐富的試驗環(huán)境，獲取豐富的材料物理性能參數(shù)，也可以模擬特定工況，選擇其中一種或幾 種功能進行親合加載。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合載荷模式力電熱磁耦合材料性能原位測試儀器，其特征 在于:所述的復(fù)合載荷-多物理場加載試驗平臺（1)、原位監(jiān)測平臺（2)與真空腔(4)集成，實 現(xiàn)對真空環(huán)境下的復(fù)合載荷-多物理場耦合加載試驗和原位監(jiān)測；隔振基座(3)集成于真空 腔(4)內(nèi)，防止真空栗工作時產(chǎn)生的振動影響儀器的原位監(jiān)測效果;在配備真空腔的條件 下，復(fù)合載荷-多物理場加載試驗平臺（1)放置于偏擺支承模塊(25)上，偏擺支承模塊(25) 的偏擺臺（2501)放置于重載導(dǎo)軌（2502)上，試驗結(jié)束時將復(fù)合載荷-多物理場加載試驗平 臺（1)連同偏擺臺（2501)部分抽出真空腔(4)，便于更換材料樣品；同時通過導(dǎo)軌的對接，將 載物工具車（6)與真空腔(4)內(nèi)的隔振基座（3)連接，將復(fù)合載荷-多物理場加載試驗平臺 (1)完全抽出真空腔(4)外，以方便對其進行調(diào)試、檢修。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合載荷模式力電熱磁耦合材料性能原位測試儀器，其特征 在于:所述的拉伸/壓縮加載模塊（11)采用雙向拉伸結(jié)構(gòu)，由拉壓伺服電機(1101)驅(qū)動雙向 絲杠（1102)，帶動扭轉(zhuǎn)端拉伸滑座（1103)和疲勞端拉伸滑座（1104)，保證兩側(cè)行程、移動速 度一致，實現(xiàn)拉伸/壓縮載荷的加載，由直線光柵讀數(shù)頭Ι、Π (1105、1118)測得拉伸/壓縮加 載變形。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合載荷模式力電熱磁耦合材料性能原位測試儀器，其特征 在于:所述的扭轉(zhuǎn)加載模塊（12)包括扭轉(zhuǎn)加載主動單元（1201)、扭轉(zhuǎn)加載固定單元（1202) 兩部分，采用一端扭轉(zhuǎn)一端固定的方式，扭轉(zhuǎn)加載主動單元(1201)為加載端，由扭轉(zhuǎn)伺服電 機（120104)驅(qū)動扭轉(zhuǎn)主動齒輪（120108)、扭轉(zhuǎn)從動齒輪（120109)帶動主動端夾具體 (120116)實現(xiàn)扭矩的加載;扭轉(zhuǎn)加載固定單元（1202)為固定端，由固定端夾具體（120204)、 連接軸（120209)將扭矩傳遞給拉扭復(fù)合傳感器（120210)，實現(xiàn)拉伸力、扭矩大小的測定;主 動端夾具體（120116)、固定端夾具體（120204)分別安裝有圓光柵讀數(shù)頭Ι、Π (120117、 120202)，通過測量扭轉(zhuǎn)試驗時讀取的角度差實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)角的精準測定； 所述扭轉(zhuǎn)加載主動單元（1201)的旋轉(zhuǎn)接頭（120106)分為旋轉(zhuǎn)接頭定子（120106Β)、旋 轉(zhuǎn)接頭轉(zhuǎn)子（120106Α)，所述旋轉(zhuǎn)接頭轉(zhuǎn)子（120106Α)上開有環(huán)槽，與旋轉(zhuǎn)接頭定子 (120106Β)上的通流口聯(lián)通，在定子轉(zhuǎn)子間存在相對轉(zhuǎn)動時仍能實現(xiàn)流體的輸送，并利用連 接法蘭（120107 )實現(xiàn)將主動端夾具體（120116 )的流道與旋轉(zhuǎn)接頭（120106 )的流道對接，實 現(xiàn)在主動端夾具體(120116)因扭轉(zhuǎn)加載產(chǎn)生轉(zhuǎn)動時制冷液導(dǎo)入與循環(huán);低溫加載模塊(17) 依靠主動端夾具體（120116)、固定端夾具體（120204)的內(nèi)置制冷流道，利用外置的低溫制 冷栗，將制冷液栗送至主動端夾具體（120116)、固定端夾具體（120204)內(nèi)部開通的流道內(nèi)， 通過熱傳導(dǎo)的方式為材料樣品制冷，為材料樣品營造低溫試驗環(huán)境。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合載荷模式力電熱磁耦合材料性能原位測試儀器，其特征 在于:所述的低周疲勞加載模塊（14)的疲勞加載模塊柔性鉸鏈(1402)的內(nèi)框固定在疲勞加 載模塊底座（1401)上，外框與連接板（120211)連接;疲勞加載模塊壓電疊堆（1403)通過疲 勞加載模塊柔性鉸鏈（1402)、連接板（120211 )、拉扭復(fù)合傳感器（120210)驅(qū)動固定端夾具 體(120204)產(chǎn)生高頻的往復(fù)微小位移，實現(xiàn)在預(yù)先拉伸載荷作用下對拉伸材料樣品（51)的 疲勞加載;在大拉伸載荷下，通過擰緊螺釘使卸荷板(120212)與連接板（120211)、疲勞端拉 伸滑座（1104)緊固，實現(xiàn)對大拉伸力載荷的卸荷，保護疲勞加載模塊壓電疊堆（1403)不會 損壞。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合載荷模式力電熱磁耦合材料性能原位測試儀器，其特征 在于:所述的微納米壓痕測試模塊(15)通過壓痕進給單元(2403)的直線運動實現(xiàn)壓痕初進 給，壓痕測試模塊壓電疊堆（1505)通過壓痕柔性鉸鏈（1502)驅(qū)動壓痕壓頭（1509)實現(xiàn)精準 進給，通過壓入力傳感器（1508)采集壓入過程中的壓入力，通過電容式微小位移傳感器 (1506)監(jiān)測壓痕壓頭（1509)的壓入深度。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合載荷模式力電熱磁耦合材料性能原位測試儀器，其特征 在于：所述的高溫加載模塊（16)包括鹵素加熱燈（1601)、調(diào)整滑座（1602)、鹵素燈安裝板 (1603)，鹵素加熱燈（1601)通過螺釘與鹵素燈安裝板（1603)連接，并安裝于調(diào)整滑座 (1602 )上，高溫場的加載由鹵素加熱燈(1601)聚焦照射材料樣品實現(xiàn)； 所述磁場加載模塊（18 )磁場的加載由可控電磁鐵實現(xiàn)，可控電磁鐵由下磁輒（1801)、 線圈（1802)、上磁輒（1803)、磁極極頭（1804)組成，兩個磁極極頭（1804)采用上下布置，分 別固定于下磁輒（1801)與上磁輒（1803)上，材料樣品放置于兩個磁極極頭（1804)之間，通 過對線圈（1802)加載電流的調(diào)整實現(xiàn)對磁場強度的控制;通過調(diào)整滑座（1602)，可以在不 需要高溫加載功能時將鹵素加熱燈（1601)取下，防止其對原位監(jiān)測模塊光路的遮擋；電場 加載模塊(19)外接一臺高壓直流電源，利用導(dǎo)電銀膠將兩根導(dǎo)線分別接于材料樣品相對的 兩個平面上，并在導(dǎo)線兩端施加一個直流高壓電場，從而實現(xiàn)電場的加載;將整個測試儀器 放置于真空腔(4)內(nèi)有助于降低兩個電極間的擊穿電壓，以提高電場加載試驗的電場強度。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合載荷模式力電熱磁耦合材料性能原位測試儀器，其特征 在于:所述的原位監(jiān)測平臺（2)用于動態(tài)監(jiān)測在復(fù)雜力學載荷和多物理場載荷作用下材料 樣品的變形損傷、微觀組織變化與性能演變;通過對各監(jiān)測模塊位姿的精確調(diào)整，實現(xiàn)對復(fù) 雜載荷條件下材料樣品的微觀變形、損傷機制、微觀組織結(jié)構(gòu)變化以及性能演化進行實時 的動態(tài)監(jiān)測；原位監(jiān)測平臺（2)包括光學顯微成像監(jiān)測模塊（21)、紅外熱成像監(jiān)測模塊 (22)、顯微拉曼光譜監(jiān)測模塊(23)、側(cè)向加載觀測模塊(24)、偏擺支承模塊(25)，所述光學 顯微成像監(jiān)測模塊(21)、顯微拉曼光譜監(jiān)測模塊(23)布置于復(fù)合載荷-多物理場加載試驗 平臺（1)的兩側(cè)，安裝在隔振基座(3)上，偏擺支承模塊(25)安裝在隔振基座(3)上，承載復(fù) 合載荷-多物理場加載試驗平臺（1)的同時為各個原位觀測模塊提供更豐富的觀測位置;紅 外熱成像監(jiān)測模塊(22)安裝于側(cè)向加載觀測模塊(24)上，側(cè)向加載觀測模塊(24)安裝于復(fù) 合載荷-多物理場加載試驗平臺（1)上。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合載荷模式力電熱磁耦合材料性能原位測試儀器，其特征 在于:所述的光學顯微成像監(jiān)測模塊(21)、顯微拉曼光譜監(jiān)測模塊(23)均能實現(xiàn)X、Y、Z三個 方向的位置調(diào)整，完成顯示視野的變換和成像儀器的的調(diào)焦，由X軸運動單元Ι、Π (2101、 2301)、Υ軸運動單元I、Π (2102、2302)、Ζ軸運動單元I、Π (2104、2304)實現(xiàn);顯微拉曼光譜 儀(2315)通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)支架（2305)與調(diào)距手輪(2313)對初始監(jiān)測角度和初始監(jiān)測位置進 行調(diào)整，能夠?qū)崿F(xiàn)更為豐富的監(jiān)測范圍；顯微拉曼光譜儀(2315)為內(nèi)置CCD形式，后部通過 一個標準C接口與拉曼光譜儀集成，根據(jù)顯微圖像在可視的范圍內(nèi)選擇局部微小區(qū)域利用 拉曼光譜儀，實現(xiàn)對微區(qū)組織成分的分析;光學顯微成像監(jiān)測模塊(21)、顯微拉曼光譜監(jiān)測 模塊(23)分別實現(xiàn)復(fù)合載荷-多物理場耦合試驗下材料樣品微觀組織結(jié)構(gòu)的監(jiān)測和組織成 分變化的監(jiān)測;紅外熱成像監(jiān)測模塊(22)實時監(jiān)測溫度場下材料樣品的溫度分布。10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9中任意一項所述的復(fù)合載荷模式力電熱磁耦合材料性能原位測 試儀器的測試方法，其特征在于:對于以拉伸試驗為基礎(chǔ)的力電熱磁多物理場親合材料微 觀性能原位測試方法，通過主動端拉伸夾具壓板（120115)、固定端拉伸夾具壓板（120205) 將拉伸材料樣品（51)固定于主動端夾具體（120116)、固定端夾具體（120204)上，并使拉伸/ 壓縮加載模塊（11)驅(qū)動扭轉(zhuǎn)端拉伸滑座（1103)、疲勞端拉伸滑座（1104)背向運動，實現(xiàn)拉 伸材料樣品（51)的拉伸加載;通過扭轉(zhuǎn)加載模塊（12 )實現(xiàn)拉伸材料樣品（51)的扭轉(zhuǎn)加載； 分別通過直線光柵讀數(shù)頭1(1105)、圓光柵讀數(shù)頭（120117)1測算拉伸材料樣品（51)的拉伸 應(yīng)變與扭轉(zhuǎn)應(yīng)變，通過拉扭復(fù)合傳感器（120210)測算拉伸應(yīng)力與扭轉(zhuǎn)應(yīng)力；低周疲勞加載 模塊(14)可以在拉伸載荷下給拉伸材料樣品（51)施加低周疲勞載荷;通過側(cè)向加載觀測模 塊(24)將彎曲加載模塊(13)驅(qū)動至工作位置，給拉伸材料樣品（51)施加彎曲載荷通過壓力 傳感器(1303)測算彎曲力;在施加復(fù)合力學載荷的同時通過電場加載模塊(19)拉伸材料樣 品（51)施加電場，通過磁場加載模塊（18)對拉伸材料樣品（51)施加磁場，通過相關(guān)儀器控 制施加電場、磁場的強度，并對試驗過程中的電滯回線、磁滯回線進行測量;通過高溫加載 模塊(16 )給拉伸材料樣品（51)施加高溫，此時通過側(cè)向加載觀測模塊(24 )將紅外熱成像監(jiān) 測模塊(22)移動至工作位置測量拉伸材料樣品（51)的溫度場信息;此外可以通過低溫加載 模塊(17)給拉伸材料樣品（51)施加低溫;在工作過程中通過光學顯微成像監(jiān)測模塊(21)對 拉伸材料樣品（51)的變形損傷、失效形式進行原位觀測;在試驗中的任意時刻，可以通過側(cè) 向加載觀測模塊(24)將微納米壓痕測試模塊（15)切換至工作位置，對試件表面進行微納米 壓痕測試，壓痕進給單元（2403)的直線運動實現(xiàn)壓痕初進給；壓痕測試模塊壓電疊堆 (1505)通過壓痕柔性鉸鏈（1502)、壓入力傳感器（1508)驅(qū)動壓痕壓頭（1509)實現(xiàn)精準進 給;并用壓入力傳感器（1508)、電容式微小位移傳感器（1506)采集的壓入力、壓入量信息描 繪微納米壓痕曲線；該過程可以通過偏擺支承模塊(25)將復(fù)合載荷-多物理場加載試驗平 臺（1)調(diào)節(jié)到顯微拉曼光譜監(jiān)測模塊(23)的觀測范圍內(nèi)，并對壓入過程進行原位測試，同時 獲取局部微區(qū)域的拉曼光譜信息。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種復(fù)合載荷模式力電熱磁耦合材料性能原位測試儀器與方法，屬于精密科學儀器領(lǐng)域。包括復(fù)合載荷-多物理場加載試驗平臺、原位監(jiān)測平臺和隔振基座三大部分。隔振基座主要用于支承復(fù)合載荷-多物理場加載試驗平臺、原位監(jiān)測平臺，并為其安裝提供定位，同時在測試中為各類精密驅(qū)動加載元件、檢測元件以及原位監(jiān)測元件提供有效的隔振處理。原位監(jiān)測平臺通過對各監(jiān)測模塊位姿的精確調(diào)整，實現(xiàn)對上述復(fù)雜載荷條件下材料樣品的微觀變形、損傷機制、微觀組織結(jié)構(gòu)變化以及性能演化進行實時的動態(tài)原位監(jiān)測。優(yōu)點在于：結(jié)構(gòu)小型化和輕量化，可選配真空腔將儀器主體置于其中，從而為被測材料樣品提供如低壓、真空、惰性氣體等測試環(huán)境。實用性強。
【IPC分類】G01N3/00
【公開號】CN105628487
【申請?zhí)枴緾N201510973083
【發(fā)明人】趙宏偉, 劉長宜, 馬志超, 任露泉, 劉先華, 周永臣, 孫霽雯, 喬元森, 任壯, 洪坤, 張富, 范尊強, 張志輝, 呼詠, 董景石
【申請人】吉林大學
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2015年12月23日