CN103499483A - 多载荷多物理场耦合材料微观性能原位测试试验机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多载荷多物理场耦合材料微观性能原位测试试验机，属于材料力学性能测试技术领域。包括有微/纳精度的驱动/传动模块、“机-电-热-磁”加载模块、控制模块，并集成了高景深3D显微成像镜头和拉曼光谱仪、可视化原位监测模块，能够动态监控加载过程中材料的变形行为、损伤机制与性能演变规律。优点在于：整机结构紧凑，节省空间布局。其中“拉伸/压缩-扭转-弯曲-压痕”四种形式的载荷既可以单独加载，也可以实现两种或两种以上的载荷进行组合式加载，结合热-电-磁等外加物理场可以最大限度的模拟材料构件的真实工况下，为接近服役条件下材料微观力学性能测试提供有效的手段和方法。

Description

多载荷多物理场耦合材料微观性能原位测试试验机

技术领域

    本发明涉及材料性能测试领域，特别涉及一种多载荷多物理场耦合材料微观性能原位测试试验机。

背景技术

基于标准试样的常规拉伸、弯曲、扭转测试技术已经相对成熟，可以在满足材料强度和疲劳特性等宏观力学性能测试的需求的同时，能够对单一载荷下的样件进行微观力学性能的分析。但其测试原理多为离位测试，不能对测试过程中试件的微观组织形貌进行实时动态的观察，因此很难将材料微观组织变化的内在机理与材料宏观力学性能有效地结合起来综合分析材料的性能。特别是材料在实际工况下，往往是多载荷作用下工作，材料的各种力学性能已经不能以单一载荷测试下的性能进行评定。

而现有研究中，复合载荷模式的加载主要是通过将被测试件与拉伸/压缩轴线互成角度的不规则装夹来实现。将驱动源输出的加载轴向力通过不同轴或不等高的拉伸/压缩装夹方式，使材料内部出现拉弯组合或压剪组合等复合载荷测试形式。这种复合的形式相对单一，不能够有效地控制载荷的加载时间，也就无法模拟实际工况下载荷的作用情况，无法就材料及其制品在复合载荷作用下的力学性能及变性损伤机制做出准确评价，限制了材料试验机的普及应用。

同时，随着社会的发展，具有优良的力学性能的功能材料已经逐渐被人们所使用。这就使得对电-热-磁等多种物理场作用下的力学性能的分析的需求迫切。而现有商业化的试验机很难满足上述多场耦合下材料性能测试过程的模拟与检测，因此开发一种能够基于多种载荷多物理场耦合环境下的材料力学性能测试试验机已成为新型材料试验机的发展趋势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多载荷多物理场耦合材料微观性能原位测试试验机，解决了现有技术存在的上述问题。是对材料在多载荷多物理场下微观力学性能实时观测分析的试验机，对功能材料的测试分析亦适用。本发明可以对样件施加“拉伸/压缩-扭转-弯曲-压痕”四种形式载荷中的单一载荷，也可以在选择性地加载温度场、电场和磁场的同时施加其中两种或两种以上的复合载荷，尤其针对铁磁、热磁、半导体等功能性材料在温度场、电场和磁场与应力场相耦合的情况下的力学性能测试，并且可以结合三维动态成像平台可以对测试过程进行动态实时观测与性能分析。为研究接近服役条件下材料的微观组织形貌和宏观力学性能之间的内在联系以及裂纹的扩展规律提供有效地测试手段。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

多载荷多物理场耦合材料微观性能原位测试试验机，包括拉/压模块1、扭转模块2、压痕模块3、原位观测模块4、三点弯曲模块5、热磁加载模块6、框架支撑模块8和夹持模块9，该试验机整体采用卧式非对称结构布置，单侧布置拉/扭传感器7和拉扭模块传感器；所述压痕模块3和原位观测模块4集成于同一升降台；三点弯曲模块5和热磁加载模块6集成于同一升降台；拉/压模块1、扭转模块2安装于框架支撑模块8上；可以实现“拉伸/压缩--扭转-弯曲-压痕”四种形式载荷的加载、“温度场、电场、磁场”三种物理场的加载条件下研究功能材料在 “机-电-热-磁”多载荷多物理场耦合条件下的微观力学性能以及原位测试。

所述的拉/压模块1采用单侧拉伸结构，由电机通过导轨直接带动位于拉伸模块1上的扭转模块2，降低了结构的复杂性。

所述的扭转模块2通过齿轮在齿形带30的旋转刻度值来确定扭转模块2的进给量，采用滚珠花键来将轴向拉/压运动与扭转运动独立开来，使得拉/压模块1和扭转模块2相互独立。

所述的原位观测模块4安装于可上下升降的镜头支架42上，并且可由微调连接块44和微调传动箱45调节原位观测模块4在水平面内的自由度，满足实时动态观测需求。

所述的三点弯曲模块5通过升降移动支架52下安装的丝杠导轨64，使得上层三点弯曲模块可相对于框架支撑模块8整体浮动，实现内力型三点弯曲。

所述的热磁加载模块6采用试件直接通电的方式施加电场，采用永磁体直接回路法施加磁场，采用半导体制冷和光照辐射相结合的方式实现温度场的施加。

所述的三点弯曲模块5和热磁加载模块6固定于同一可升降的支架上，并且该支架可以沿试验机横向方向移动，实现两个加载模块的切换。

所述的压痕模块3通过负载传感器75和微进机构84精确地确定压痕位置与压痕位移。

所述的原位观测模块4和压痕模块3固定于可沿试验机纵向方向移动的升降平台上，可方便的实现这两个单原间的切换以及各自模块相对于样件位置的粗调。

所述的框架支撑模块8采用大理石台面27，可有效地保证试验机表面的平度，该大理石台面27与气浮隔振台92固定，有效地降低了外界因素对试验测试时的影响。

本发明基于“机-电-热-磁”多物理场耦合原理，其机械加载部分可实现“拉伸/压缩-扭转-弯曲-压痕”四种形式载荷的施加，可根据试验的实际要求高效地将四种外加场进行组合，完成多物理场下的测试需求。

本发明的有益效果在于：

1、可实现“拉伸/压缩-扭转-弯曲-压痕”四种形式载荷的施加，可根据试验的实际要求高效地将“机-电-热-磁”四种外加场进行组合，完成多载荷多物理场下的测试需求，也可对其中的两种或两种以上的载荷组合加载，可以真实地模拟真实工况下材料微观力学性能。

2、在结构上进行了模块化设计，结构紧凑、功能齐全。

3、在试验机的主体框架中集成了三维动态观测平台，通过观高景深3D成像等显微成像镜头和拉曼光谱仪，可以实时动态的对试样的微观组织形貌，对于研究材料的微观组织形貌和宏观力学性能之间的内在联系提供有有效地测试手段。

4、可为各类金属材料、半导体材料、功能材料的结构设计、装备制造、寿命预测和可靠性评估提供新方法，研究工作具有十分重要的科学意义和很高的经济效益。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明总体俯视图；

图2为本发明集成拉伸模块的整体示意图；

图3为本发明扭转模块的整体示意图；

图4为本发明原位观测模块的整体示意图；

图5为本发明三点弯曲模块示意图；

图6为本发明热磁模块的示意图；

图7为本发明压痕模块的示意图；

图8为本发明压痕模块和原位观测模块的位置示意图；

图9为本发明框架支撑模块示意图。

图中：1-拉/压模块；2-扭转模块；3-压痕模块；4-原位观测模块；5-三点弯曲模块；6-热磁加载模块；7-框架支撑模块；9-夹持模块；10-拉伸伺服电机；11-减速器；12-内六角螺栓Ⅰ；13-螺母Ⅰ；14-轴套Ⅰ；15-丝杠螺母座Ⅲ；16-丝杠螺母座Ⅳ；17-丝杠；18-基座Ⅰ；19-内六角螺钉Ⅰ；20-丝杠螺母Ⅰ；21-推力轴承；22-导轨滑块Ⅰ；23-导轨Ⅰ；24-内六角螺钉Ⅱ；25-电机座Ⅰ；26-内六角螺钉Ⅲ；27-大理石台面；28-固定板；29-固定挡板；30-齿形带；31-上齿轮；32-键Ⅰ；33-张紧机构；34-下齿轮；35-键Ⅱ；36-外花键轴；37-内花键轴；38-镜头基座；39-微调手轮；40-镜身；41-镜头；42-镜头支架；43-螺栓；44-连接块； 45-微调传动箱；46-导轨；47-定位板；48-头部定位块Ⅰ；49-弯曲头；50-头部定位块Ⅱ；51-导轨滑块Ⅰ；52-升降移动支架；53-弯曲模块基座；54-移动丝杠座Ⅰ；55-伺服电机；56-移动支撑架Ⅰ；57-移动模块基座Ⅰ；58-丝杠螺母Ⅰ；59-丝杠Ⅰ；60-移动丝杠座Ⅱ；61-丝杠Ⅱ；62-导轨滑块Ⅱ；63-支撑块；64-升降支座；65-丝杠螺母座Ⅰ；66-丝杠螺母座Ⅱ；67-顶梁磁头；68-连接块；69-夹紧块；70-支撑块；71-热磁基座架；72-调节螺母；73-调节螺杆；74-柔性铰链；75-负载传感器；76-压痕头；77-头部固定器；78-连接杆；79-遮挡板；80-安装杆；81-调整支架；82-内六角螺栓Ⅱ；83-螺母Ⅱ；84-微进机构；85-压板；86-基座Ⅱ；87-连接板；88-盖板；89-压痕壳体；90-内六角螺钉Ⅳ；91-侧板；92-气浮隔振台。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图9所示，本发明的多载荷多物理场耦合材料微观性能原位测试试验机，包括拉/压模块1、扭转模块2、压痕模块3、原位观测模块4、三点弯曲模块5、热磁加载模块6、框架支撑模块8和夹持模块9，该试验机整体采用卧式非对称结构布置，单侧布置拉/扭传感器7和拉扭模块传感器；所述压痕模块3和原位观测模块4集成于同一升降台；三点弯曲模块5和热磁加载模块6集成于同一升降台；拉/压模块1、扭转模块2安装于框架支撑模块8上；可以实现“拉伸/压缩--扭转-弯曲-压痕”四种形式载荷的加载、“温度场、电场、磁场”三种物理场的加载条件下研究功能材料在 “机-电-热-磁”多载荷多物理场耦合条件下的微观力学性能以及原位测试。

参见图2所示，本发明的拉/压模块1采用非对称结构，主要由拉伸伺服电机10、减速器11、内六角螺栓Ⅰ12、螺母Ⅰ13、轴套Ⅰ14、丝杠螺母座Ⅲ15、丝杠螺母座Ⅳ16、丝杠17、基座Ⅰ18、内六角螺钉Ⅰ19、丝杠螺母Ⅰ20、推力轴承21、导轨滑块Ⅰ22、导轨Ⅰ23、内六角螺钉Ⅱ24、电机座Ⅰ25、内六角螺钉Ⅲ26组成。导轨Ⅰ23和电机座Ⅰ25为该模块的固定部分，通过螺栓与大理石台27固定，电机座Ⅰ25上安装有丝杠螺母座Ⅲ15，拉伸伺服电机10和减速器11组装后通过内六角螺栓Ⅰ12与电机座Ⅰ25固定，减速器轴与丝杠螺母座Ⅲ15之间选择轴套Ⅰ14连接，由此就可以将拉伸伺服电机10主轴的旋转运动传递给丝杠17，由丝杠17带动基座Ⅰ18沿导轨Ⅰ23的直线运动，从而实现了沿试验机纵向方向的拉伸/压缩功能。拉伸运动端由伺服电机10驱动丝杠15运转，带动导轨滑块22运动，对所夹持的样件施加拉伸/压缩载荷。另一端固定端安装有拉扭传感器7，该拉扭传感器7由空气轴承支撑，可有效消除轻浮力的干扰。

参见图3所示，本发明的扭转模块2主要由固定板28、固定挡板29、齿形带30、上齿轮31、键Ⅰ32、张紧机构33、下齿轮34、键Ⅱ35、外花键轴36、内花键轴37组成。扭转模块伺服电机通过键Ⅰ32与上齿轮31连接，齿形带30用于传递上齿轮31和下齿轮34之间的扭转力，下齿轮34通过外花键轴36、内花键轴37实现与拉/压模块1主轴的连接，既可以实现拉/压、扭转力的传递与复合，整个模块安装固定于固定板28和固定挡板29上，其中张紧机构33用于防止齿形带30松弛。扭转模块2通过齿轮在齿形带30上的旋转刻度值来确定扭转模块的进给量，采用滚珠花键来将轴向拉/压运动与扭转运动独立开来，使得拉/压模块1和扭转模块2相互独立。扭转力采用样件两侧同时加载的方式，以保证观测点的固定。

参见图7及图8所示，本发明的压痕模块3主要由柔性铰链74、负载传感器75、压痕头76、头部固定器77、连接杆78、遮挡板79、安装杆80、调整支架81、内六角螺栓Ⅱ82、螺母Ⅱ83、微进机构84、压板85、基座Ⅱ86、连接板87、盖板88、压痕壳体89、内六角螺钉Ⅳ90、侧板91组成。压痕头76通过头部固定器77、遮挡板79和连接杆78连接到负载传感器75，负载传感器75与柔性铰链74连接，这部分组成了压痕模块的前端压痕工作单元，安装杆80和调整支架81通过内六角螺栓Ⅱ82和螺母Ⅱ83连接后，与微进机构84固定，由微进机构84带动压板85，实现压痕头76的压痕精确进给功能。整个模块下端设计粗略进给单元，包括连接板87、盖板88、压痕壳体89、内六角螺钉Ⅳ90和侧板91。压痕模块3与原位观测模块4共用同一个两自由度升降支架，有效地进行压痕模块3与原位观测模块4位置的切换，以及粗略定位，负载传感器75和微进机构84精确地确定压痕位置与压痕位移量。

参见图4及图8所示，本发明的原位观测模块4主要由镜头基座38、微调手轮39、镜身40、镜头41、镜头支架42、螺栓43、微调连接块44、微调传动箱45、导轨46组成。镜身40、镜头41和镜头支架42是组成件，通过螺栓43与微调连接块44连接，可实现镜头41沿样件轴向方向的精确进给运动。微调连接块44与微调传动箱45固定，通过微调手轮39的调节，实现微调传动箱45上的滑块沿导轨46方向的运动，由此实现镜头41沿样件径向的进给运动。原位观测模块4通过镜头基座38粗调移动位置，通过微调连接块44和微调传动箱45进行精确定位观测点。

参见图5所示，本发明的三点弯曲模块5主要由定位板47、头部定位块Ⅰ48、弯曲头49、头部定位块Ⅱ50、导轨滑块Ⅰ51、升降移动支架52、弯曲模块基座53、移动丝杠座Ⅰ54、伺服电机55、移动支撑架Ⅰ56、移动模块基座Ⅰ57、丝杠螺母Ⅰ58、丝杠Ⅰ59、移动丝杠座Ⅱ60、丝杠Ⅱ61、导轨滑块Ⅱ62、支撑块63、升降支座64、丝杠螺母座Ⅰ65、丝杠螺母座Ⅱ66组成。弯曲头49的固定端安装于头部定位块Ⅰ48固定，弯曲头49运动端安装于头部定位块Ⅱ50，部定位块Ⅱ50上的导轨滑块Ⅰ51可沿弯曲模块基座53上的导轨直线运动，实现弯曲头49运动端沿样件径向的进给运动。定位板47与升降移动支架52连接，实现整个弯曲模块的升降功能，升降支座64与移动丝杠座Ⅰ54连接，由伺服电机55驱动移动支撑架Ⅰ56实现弯曲模块的粗略进给功能。三点弯曲模块5通过升降移动支架52下安装的丝杠导轨64，使得上层三点弯曲模块可相对于框架支撑模块8整体浮动，再由伺服电机实现内力型三点弯曲。

参见图6所示，本发明的热磁加载模块6主要由顶梁磁头67、连接块68、夹紧块69、支撑块70、热磁基座架71、调节螺母72、调节螺杆73组成。连接块68用于连接顶梁磁头67和支撑块70，夹紧块69与支撑块70固定，由连接于夹紧块69的调节螺母72和调节螺杆73来调节对样件的夹持力。热磁基座架71与定位板47固定。该热磁加载模块6采用永磁体直接回路法施加磁场，通过调节螺杆73调节永磁体与软铁形成的磁回路的相对位置来实现不同磁场强度的加载。温度场的实现则是通过半导体帕尔贴片对试件进行制冷，将帕尔贴片通以规定方向的直流电，由于帕尔贴效应帕尔贴片制冷侧会吸收大量的热量，使得试件的温度降低达到制冷的效果。采用两根对称的发光体发出红外光，光线经两个弧形反射面反射后聚焦于试件中心一点，使该区域温度迅速提升，经过一段时间的内部热量传导整个试件会达到测试要求的温度。

三点弯曲模块5和热磁加载模块6固定于同一可升降的支架上，并且该支架可以沿试验机横向方向移动，实现两个加载模块的切换。

    本发明主要用能材料之拉伸/压缩、三点弯曲、压痕、扭转的多载荷加载模式下，以及耦合热、磁物理场的条件下功能材料微观力学性能的原位监测测试。本发明集成有微/纳精度的驱动/传动模块、“机-电-热-磁”加载模块、控制模块，并集成了高景深3D显微成像镜头和拉曼光谱仪、可视化原位监测模块，能够动态监控加载过程中材料的变形行为、损伤机制与性能演变规律。

本发明中的三点弯曲模块和热磁加载模块采用互换式布局，压痕单元和观测单元均可根据实验的要求进行快速替换，有效地节省了空间布局，实现整机结构的紧凑性。其中“拉伸/压缩- -扭转-弯曲-压痕”四种形式的载荷既可以单独加载，也可以实现两种或两种以上的载荷进行组合式加载，结合热-电-磁等外加物理场可以最大限度的模拟材料构件的真实工况下，为接近服役条件下材料微观力学性能测试提供有效的手段和方法。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多载荷多物理场耦合材料微观性能原位测试试验机，其特征在于：包括拉/压模块（1）、扭转模块（2）、压痕模块（3）、原位观测模块（4）、三点弯曲模块（5）、热磁加载模块（6）、框架支撑模块（8）和夹持模块（9），该试验机整体采用卧式非对称结构布置，单侧布置拉/扭传感器（7）和拉扭模块传感器；所述压痕模块（3）和原位观测模块（4）集成于同一升降台；三点弯曲模块（5）和热磁加载模块（6）集成于同一升降台；拉/压模块（1）、扭转模块（2）安装于框架支撑模块（8）上；可以实现“拉伸/压缩--扭转-弯曲-压痕”四种形式载荷的加载、“温度场、电场、磁场”三种物理场的加载条件下研究功能材料在 “机-电-热-磁”多载荷多物理场耦合条件下的微观力学性能以及原位测试。

2.根据权利要求1所述的多载荷多物理场耦合材料微观性能原位测试试验机，其特征在于：所述的拉/压模块（1）采用单侧拉伸结构，由电机通过导轨直接带动位于拉伸模块（1）上的扭转模块（2）。

3.根据权利要求1所述的多载荷多物理场耦合材料微观性能原位测试试验机，其特征在于：所述的扭转模块（2）通过齿轮在齿形带（30）的旋转刻度值来确定扭转模块（2）的进给量，采用滚珠花键来将轴向拉/压运动与扭转运动独立开来，使得拉/压模块（1）和扭转模块（2）相互独立。

4.根据权利要求1所述的多载荷多物理场耦合材料微观性能原位测试试验机，其特征在于：所述的原位观测模块（4）安装于可上下升降的镜头支架（42）上，并且可由连接块（44）和微调传动箱（45）调节原位观测模块（4）在水平面内的自由度。

5.根据权利要求1所述的多载荷多物理场耦合材料微观性能原位测试试验机，其特征在于：所述的三点弯曲模块（5）通过升降移动支架（52）下安装的丝杠导轨（64），使得上层三点弯曲模块可相对于框架支撑模块（8）整体浮动，实现内力型三点弯曲。

6.根据权利要求1所述的多载荷多物理场耦合材料微观性能原位测试试验机，其特征在于：所述的热磁加载模块（6）采用试件直接通电的方式施加电场，采用永磁体直接回路法施加磁场，采用半导体制冷和光照辐射相结合的方式实现温度场的施加。

7.根据权利要求1或5所述的多载荷多物理场耦合材料微观性能原位测试试验机，其特征在于：所述的三点弯曲模块（5）和热磁加载模块（6）固定于同一可升降的支架上，并且该支架可以沿试验机横向方向移动，实现两个加载模块的切换。

8.根据权利要求1所述的多载荷多物理场耦合材料微观性能原位测试试验机，其特征在于：所述的压痕模块（3）通过负载传感器（75）和微进机构（84）精确地确定压痕位置与压痕位移。

9.根据权利要求1或4所述的多载荷多物理场耦合材料微观性能原位测试试验机，其特征在于：所述的原位观测模块（4）和压痕模块（3）固定于可沿试验机纵向方向移动的升降平台上，可方便的实现这两个单原间的切换以及各自模块相对于样件位置的粗调。

10.根据权利要求1所述的多载荷多物理场耦合材料微观性能原位测试试验机，其特征在于：所述的框架支撑模块（8）采用大理石台面（27），可有效地保证试验机表面的平度，该大理石台面（27）与气浮隔振台（92）固定，有效地降低了外界因素对试验测试时的影响。

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