CN203643278U - 显微镜下的四点弯曲材料微观力学性能原位测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种显微镜下的四点弯曲材料微观力学性能原位测试装置，属于精密科学仪器领域。包括精密驱动/传动单元、信号检测单元及加载单元，精密直流伺服电机经由减速器减速输出动力，输出轴通过柔性联轴器与一对换向齿轮连接，将动力传至蜗杆轴，经由蜗轮蜗杆副将运动传至滚珠丝杠螺母，带动加载工具头对试件样品进行四点弯曲加载测试。信号检测单元由应变片及光电编码器组成。优点在于：结构紧凑、体积小、重量轻、能耗低，且弯曲加载部分跨距可调，可精确测定相关材料力学性能参数，特别是可以与商业化金相显微镜和光学显微镜集成使用、调试方便，借助显微镜可对弯曲应力作用下材料的变形损伤、微观组织结构变化进行动态可视化原位监测。

Description

显微镜下的四点弯曲材料微观力学性能原位测试装置

技术领域

    本实用新型涉及精密科学仪器领域，特别涉及一种显微镜下的四点弯曲材料微观力学性能原位测试装置。可安装在商业化金相显微镜或光学显微镜下对三维固态材料进行四点弯曲力学性能测试和微观样貌的原位观测，将材料微观变形、损伤与力学性能直接关联，研究微观结构变化对宏观材料力学性能的影响。

背景技术

原位力学性能测试是指在微/纳米尺度下对试件材料进行力学性能测试的过程中，通过光学显微镜、电子显微镜以及原子力显微镜等仪器对各种载荷作用下材料及其制品发生的微观变形、损伤进行全程动态在线监测的一种力学测试手段。该技术从微观层面上揭示各类材料及其制品的力学行为、损伤机理及载荷类型、大小与材料性能间的相关规律。原位四点弯曲测试是原位力学测试方法的一种，能够反映构件材料的弯曲强度特性，并能最直观地测量材料弹性模量、屈服极限和断裂强度等重要力学参数。四点弯曲受力状态弯矩均匀分布，试样中间段不受剪力的影响，对其进行原位观测更便于发现材料在载荷作用下的微小损伤。

当前对于原位弯曲测试的研究尚处于初级阶段，具体表现如下：（1）受到各种电镜腔体空间的限制，目前多数研究都集中在对纳米线、纳米管以及薄膜材料等极微小结构进行原位拉伸测试，缺少对宏观尺寸试件的力学性能测试的深入研究及微观结构的原位观测。限制了对于宏观尺寸材料的微观力学行为和断裂损伤机制的深入探究。（2）现在比较成熟的原位测试方法，主要是借助于商业化的纳米压痕仪和原位拉伸仪与电镜配合使用，这些测量方法设备费用昂贵，方法单一。（3）目前的原位弯曲加载装置一般只能观测试样的侧面，而对材料最大拉/压应力区的微观形貌变化难以提供在线观测，制约了材料微观力学性能研究的发展。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种显微镜下的四点弯曲材料微观力学性能原位测试装置，解决了现有弯曲测量仪器对材料进行测试时，机械性能测试和试件微观形貌变化观测两个过程是相互独立分离的问题。本实用新型在对试件进行弯曲测试时，能够实现可调跨距测量，通过调整加载单元的上下相对位置，能对试件承受最大压应力面和最大拉应力面的微观形貌变化进行原位动态检测。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

显微镜下的四点弯曲材料微观力学性能原位测试装置，包括精密驱动/传动单元、信号检测单元及加载单元，所述精密驱动/传动单元是直流伺服电机2通过减速器3输出运动与动力，经由波纹管弹性联轴器6与换向齿轮Ⅰ、Ⅱ9、13连接，再通过蜗杆套Ⅰ、Ⅱ7、24及蜗轮Ⅰ、Ⅱ4、23与滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ16、20连接，并通过螺母Ⅰ、Ⅱ15、19带动加载工具头Ⅰ、Ⅱ28、29直线运动实现弯矩加载。

所述直流伺服电机2与减速器3轴向固连，并与电机支撑座5通过螺钉连接，电机支撑座5固连在基座8上；波纹管联轴器6分别与减速器3输出轴和换向齿轮轴Ⅰ10连接，齿轮轴Ⅰ、Ⅱ10、12分别通过精密轴承支撑于平台侧板Ⅰ、Ⅱ11、21；换向齿轮Ⅰ、Ⅱ9、13通过紧定螺钉固连在齿轮轴Ⅰ、Ⅱ10、12上，蜗杆套Ⅰ、Ⅱ7、24和蜗轮Ⅰ、Ⅱ4、23分别与齿轮轴Ⅱ12及精密滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ16、20紧定连接，滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ16、20的固定支撑座Ⅰ、Ⅱ14、22通过螺钉固连在挡板Ⅱ31上；螺母Ⅰ、Ⅱ15、19与加载工具头支撑座Ⅰ、Ⅱ27、30通过螺钉固连。

换向齿轮的使用及蜗轮蜗杆的合理布置，将直流伺服电机2输出的水平运动转换为加载工具头Ⅰ、Ⅱ28、29竖直方向上的动力输出，实现立式加载，空余出试件的最大应力表面，便于使用金相显微镜等元件对试件18最大应力处进行观察，加载时观测区域水平方向固定不动，形成良好的观察视野。

所述的信号检测单元由应变片35和光电编码器1组成，所述光电编码器1与直流伺服电机2同轴相连，所述应变片35直接贴于试件18表面；光电编码器1是一种角度检测装置，其直接与电机转子相连，与直流伺服电机2同速旋转，通过计算光电编码器1的输出脉冲个数反映电动机角度位移，并通过传动转换得到测试装置执行部件加载工具头Ⅰ、Ⅱ28、29的位移量，即试件在加载过程中的弯曲挠度。应变片35直接贴于试件18表面，通过检测应变片的输出信号，能间接得到弯曲应力。

所述的加载单元由加载工具头Ⅰ、Ⅱ28、29及支撑工具头Ⅰ、Ⅱ17、34组成，所述加载工具头Ⅰ、Ⅱ28、29分别与加载工具头支撑座Ⅰ、Ⅱ27、30连接，支撑工具头Ⅰ、Ⅱ17、34分别与侧板Ⅰ、Ⅱ11、21连接，再通过螺母紧固；侧板Ⅰ、Ⅱ11、21与加载工具头支撑座Ⅰ、Ⅱ27、30的连接孔采用椭圆型，可实现不同跨距下试件的四点弯曲力学性能测试。

所述的支撑工具头Ⅰ、Ⅱ17、34固定不动，加载工具头Ⅰ、Ⅱ28、29上下运动。通过调整加载工具头Ⅰ、Ⅱ28、29与支撑工具头Ⅰ、Ⅱ17、34的上下相对位置，能实现在四点弯曲加载下，对试件18承受最大压应力面和最大拉应力面的微观形貌变化进行原位动态检测。

所述的加载工具头支撑座Ⅰ、Ⅱ27、30固定在滑块Ⅰ、Ⅱ25、33上，导轨Ⅰ、Ⅱ26、32通过螺钉分别固定于侧板Ⅰ、Ⅱ11、21；所述加载工具头支撑座Ⅰ、Ⅱ27、30分别由单个宽型导轨导向支承构成，结构简单，且保证加载过程的稳定。

本实用新型的有益效果在于：与现有仪器相比，本实用新型结构紧凑、体积小、重量轻、能耗低、测试精度高，能够对材料多种力学参数进行测试，并可以与商业化的金相显微镜和光学显微镜等设备兼容，对试件最大拉/压应力表面的微观结构变形进行动态监测。并且可通过载荷/位移信号的同步检测，结合相关的软件算法，自动拟合生成弯曲载荷作用下的应力应变曲线，实用性强。本实用新型对丰富原位弯曲测试领域测试方法及促进测试仪器的发展与进步有很大的意义。

附图说明

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

图1为本实用新型在金相显微镜下的整体结构示意图；

图2为本实用新型去除挡板Ⅰ36后的结构示意图；

图3为本实用新型去除挡板Ⅰ36后的主视图

图4为本实用新型去除挡板Ⅰ36后的俯视图；

图5为本实用新型试件加载部分结构示意图（观察试件最大拉应力面）；

图6为本实用新型试件加载部分结构示意图（观察试件最大压应力面）。

图中：1、光电编码器；2、直流伺服电机；3、减速器；4、蜗轮Ⅰ；5、电机法兰盘；6、波纹管弹性联轴器；7、蜗杆套Ⅰ；8、基座；9、换向齿轮Ⅰ；10、齿轮轴Ⅰ；11、基座侧板Ⅰ；12、齿轮轴Ⅱ；13、换向齿轮Ⅱ；14、固定支撑座Ⅰ；15、螺母Ⅰ；16、滚珠丝杠Ⅰ；17、支撑工具头Ⅰ；18、试件；19、螺母Ⅱ；20、滚珠丝杠Ⅱ；21、基座侧板Ⅱ；22、固定支撑座Ⅱ；23、蜗轮Ⅱ；24、蜗杆套Ⅱ；25、滑块Ⅰ；26、导轨Ⅰ；27、加载工具头支撑座Ⅰ；28、加载工具头Ⅰ；29、加载工具头Ⅱ；30、加载工具头支撑座Ⅱ；31、挡板Ⅱ；32、导轨Ⅱ；33、滑块Ⅱ；34、支撑工具头Ⅱ；35、应变片；36、挡板Ⅰ；37、金相显微镜。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图6所示，本实用新型的显微镜下的四点弯曲材料微观力学性能原位测试装置，包括精密驱动/传动单元、信号检测单元及加载单元等结构，所述的精密驱动/传动单元是：直流伺服电机2通过减速器3输出运动与动力，经由波纹管弹性联轴器6与一对换向齿轮Ⅰ、Ⅱ9、13连接，再通过蜗杆套Ⅰ、Ⅱ7、24及蜗轮Ⅰ、Ⅱ4、23与两条滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ16、20连接，并通过螺母Ⅰ、Ⅱ15、19带动加载工具头Ⅰ、Ⅱ28、29直线运动实现弯矩加载。

所述直流伺服电机2与减速器3轴向固连，减速器3与电机支撑座5通过螺钉连接，电机支撑座5由螺钉固连在基座8上。波纹管联轴器6分别与减速器3输出轴和换向齿轮轴Ⅰ9连接，齿轮轴Ⅰ、Ⅱ10、12分别通过精密轴承支撑于侧板Ⅰ、Ⅱ11、21，并与侧板轴承孔配合安装。换向齿轮Ⅰ、Ⅱ9、13通过紧定螺钉固连在齿轮轴Ⅰ、Ⅱ10、12上。蜗杆套Ⅰ、Ⅱ7、24和蜗轮Ⅰ、Ⅱ4、23分别与齿轮轴Ⅱ12及精密滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ16、20紧定连接。滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ16、20的固定支撑座Ⅰ、Ⅱ14、22采用螺钉固连在挡板Ⅱ31上。螺母Ⅰ、Ⅱ15、19与加载工具头支撑座Ⅰ、Ⅱ27、30通过螺钉固连，加载工具头支撑座Ⅰ、Ⅱ27、30的连接板固定在滑块Ⅰ、Ⅱ25、33上，导轨Ⅰ、Ⅱ26、32采用螺钉固定于侧板Ⅰ、Ⅱ11、21。 

所述的信号检测单元由应变片35和光电编码器1组成，光电编码器1与直流伺服电机2同轴相连，应变片35直接贴于试件18表面。光电编码器1是一种角度检测装置，它直接与电机转子相连，与电动机2同速旋转，通过计算光电编码器1的输出脉冲个数反映电动机角度位移，并通过传动转换得到测试装置执行部件加载工具头的位移量，即试件在加载过程中的弯曲挠度。应变片35直接贴于试件18表面，通过检测应变片35的输出信号，能间接得到试件的弯曲应力。

所述的加载单元由加载工具头Ⅰ、Ⅱ28、29及支撑工具头Ⅰ、Ⅱ17、34组成，所述加载工具头Ⅰ、Ⅱ28、29分别与加载工具头支撑座Ⅰ、Ⅱ27、30连接，支撑工具头Ⅰ、Ⅱ17、34分别与侧板Ⅰ、Ⅱ11、21连接，再通过螺母紧固。侧板Ⅰ、Ⅱ11、21与加载工具头支撑座Ⅰ、Ⅱ27、30的连接孔采用椭圆型，可实现不同跨距下试件的四点弯曲力学性能测试。

所述的加载工具头支撑座Ⅰ、Ⅱ27、30由单个宽滑块连接支撑，简化了结构，实现运动的平稳性。加载工具头支撑座Ⅰ、Ⅱ27、30分别固定在滑块Ⅰ、Ⅱ25、33上，导轨Ⅰ、Ⅱ26、32采用螺钉固定于侧板Ⅰ、Ⅱ11、21。

所述的换向齿轮的使用及蜗轮蜗杆的合理布置，将电机2输出的水平运动转换为加载工具头Ⅰ、Ⅱ28、29竖直方向上的动力输出，实现立式加载，空余出试件的最大应力表面，便于使用金相显微镜37等元件对试件18最大应力处进行观察，加载时观测区域水平方向固定不动，形成良好的观察视野。

本实用新型的四点弯曲的加载方式能够使材料试样中性层两侧承受不同的受力状态，加载工具头一侧承受压应力，支撑工具头一侧承受拉应力。所述的加载工具头与支撑工具头的相对位置通过滚珠丝杠螺母副进行调整，能实现在四点弯曲加载下，对试件18承受最大压应力面和最大拉应力面的微观形貌变化进行原位动态检测。如图5为对试件最大拉应力表面进行观测，图6对试件最大压应力表面进行观测。

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

Claims (4)

1.一种显微镜下的四点弯曲材料微观力学性能原位测试装置，其特征在于：包括精密驱动/传动单元、信号检测单元及加载单元，所述精密驱动/传动单元是直流伺服电机（2）通过减速器（3）输出运动与动力，经由波纹管弹性联轴器（6）与换向齿轮Ⅰ、Ⅱ（9、13）连接，再通过蜗杆套Ⅰ、Ⅱ（7、24）及蜗轮Ⅰ、Ⅱ（4、23）与滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ（16、20）连接，并通过螺母Ⅰ、Ⅱ（15、19）带动加载工具头Ⅰ、Ⅱ（28、29）直线运动实现弯矩加载；

所述直流伺服电机（2）与减速器（3）轴向固连，并与电机支撑座（5）通过螺钉连接，电机支撑座（5）固连在基座（8）上；波纹管联轴器（6）分别与减速器（3）输出轴和换向齿轮轴Ⅰ（10）连接，齿轮轴Ⅰ、Ⅱ（10、12）分别通过精密轴承支撑于平台侧板Ⅰ、Ⅱ（11、21）；换向齿轮Ⅰ、Ⅱ（9、13）通过紧定螺钉固连在齿轮轴Ⅰ、Ⅱ（10、12）上，蜗杆套Ⅰ、Ⅱ（7、24）和蜗轮Ⅰ、Ⅱ（4、23）分别与齿轮轴Ⅱ（12）及精密滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ（16、20）紧定连接，滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ（16、20）的固定支撑座Ⅰ、Ⅱ（14、22）通过螺钉固连在挡板Ⅱ（31）上；螺母Ⅰ、Ⅱ（15、19）与加载工具头支撑座Ⅰ、Ⅱ（27、30）通过螺钉固连。

2.根据权利要求1所述的显微镜下的四点弯曲材料微观力学性能原位测试装置，其特征在于：所述的信号检测单元由应变片（35）和光电编码器（1）组成，所述光电编码器（1）与直流伺服电机（2）同轴相连，所述应变片（35）直接贴于试件（18）表面。

3.根据权利要求1所述的显微镜下的四点弯曲材料微观力学性能原位测试装置，其特征在于：所述的加载单元由加载工具头Ⅰ、Ⅱ（28、29）及支撑工具头Ⅰ、Ⅱ（17、34）组成，所述加载工具头Ⅰ、Ⅱ（28、29）分别与加载工具头支撑座Ⅰ、Ⅱ（27、30）连接，支撑工具头Ⅰ、Ⅱ（17、34）分别与侧板Ⅰ、Ⅱ（11、21）连接，再通过螺母紧固；侧板Ⅰ、Ⅱ（11、21）与加载工具头支撑座Ⅰ、Ⅱ（27、30）的连接孔采用椭圆型。

4.根据权利要求1或3所述的显微镜下的四点弯曲材料微观力学性能原位测试装置，其特征在于：所述的加载工具头支撑座Ⅰ、Ⅱ（27、30）固定在滑块Ⅰ、Ⅱ（25、33）上，导轨Ⅰ、Ⅱ（26、32）通过螺钉分别固定于侧板Ⅰ、Ⅱ（11、21）；所述加载工具头支撑座Ⅰ、Ⅱ（27、30）分别由单个宽型导轨导向支承构成。

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