多載荷多物理場耦合材料微觀力學(xué)性能原位測試儀器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種多載荷多物理場耦合材料微觀力學(xué)性能原位測試儀器，在驅(qū)動/傳動單元、“機(jī)-電-熱-磁”多物理場耦合加載單元的基礎(chǔ)之上，結(jié)合檢測、控制單元與算法程序，可以實(shí)現(xiàn)“拉伸/壓縮-低周疲勞-扭轉(zhuǎn)-彎曲-壓痕”多載荷模式、“機(jī)-電-熱-磁”多物理場耦合條件下的材料微觀力學(xué)性能測試。本實(shí)用新型在機(jī)械主體框架上集成了高景深3D顯微成像組件、超聲波探傷元件，能夠動態(tài)監(jiān)測在上述復(fù)雜機(jī)械載荷和多物理場耦合作用下材料的變形損傷機(jī)制、微觀組織變化以及性能演變規(guī)律的。本實(shí)用新型中多載荷加載和多物理場耦合加載的結(jié)合可以較真實(shí)地模擬工件材料的真實(shí)工況，為接近服役條件下材料微觀力學(xué)性能測試提供有效的手段和方法。
【專利說明】多載荷多物理場耦合材料微觀力學(xué)性能原位測試儀器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及材料力學(xué)測試領(lǐng)域，特別涉及一種材料微觀力學(xué)性能測試儀器，尤指一種多載荷多物理場耦合材料微觀力學(xué)性能原位測試儀器。可以對試件材料施加“拉伸/壓縮-低周疲勞-扭轉(zhuǎn)-彎曲-壓痕”五種形式載荷中的單一載荷，也可以同時施加其中兩種或兩種以上的組合載荷，同時針對鐵磁、熱磁、半導(dǎo)體等功能材料可開展試件材料在溫度場、電場和磁場與應(yīng)力場多物理場耦合作用下的微觀力學(xué)性能測試。結(jié)合原位觀測模塊該測試儀器可以對試件材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)、多物理場耦合情況下的測試過程進(jìn)行動態(tài)實(shí)時觀測，將會為研究材料在多載荷多物理場條件下微觀組織形貌、性能演變和宏觀力學(xué)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系以及裂紋的擴(kuò)展規(guī)律提供有效地測試手段。
【背景技術(shù)】
[0002]人類社會發(fā)展的基礎(chǔ)是制造業(yè)，其中材料的力學(xué)性能直接制約著制造業(yè)的高速發(fā)展，影響國防工程航空航天、工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)步，影響著現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步；材料在拉伸、彎曲和疲勞等現(xiàn)實(shí)載荷作用下的力學(xué)性能更是直接關(guān)系到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全、軍事設(shè)備安全以及人類生命財產(chǎn)安全。近年來隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)及顯微成像設(shè)備的快速發(fā)展，研究發(fā)現(xiàn)材料的微觀結(jié)構(gòu)變化將直接影響其宏觀力學(xué)性能，因此開展材料基于微觀結(jié)構(gòu)變化的力學(xué)性能測試技術(shù)研究有著重要的意義。
[0003]傳統(tǒng)的基于標(biāo)準(zhǔn)試樣的常規(guī)拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)測試技術(shù)以及疲勞測試技術(shù)已經(jīng)很成熟，基本上能滿足材料強(qiáng)度和疲勞特性等宏觀力學(xué)性能測試的需求。但其測試原理一般為離位測試，不能對測試過程中試件的微觀組織形貌進(jìn)行實(shí)時動態(tài)的觀察，因此無法將材料微觀組織變化的內(nèi)在機(jī)理與材料宏觀力學(xué)性能有效地結(jié)合起來綜合表征材料的性能。特別地聯(lián)系到材料的實(shí)際使用工況，材料及其制品在使用過程中往往受到非單一載荷形式的作用，如拉-彎組合、壓-剪組合及拉-扭組合等多種載荷同時存在的情況，單一載荷形式的力學(xué)測試已經(jīng)難以準(zhǔn)確反映實(shí)際工況下材料及構(gòu)件的受載形式，即無法對復(fù)合載荷作用下材料的力學(xué)性能做出準(zhǔn)確的評價。例如從一些實(shí)驗(yàn)性研究考慮，材料在拉應(yīng)力作用下往往使其發(fā)生臨界斷裂破壞的彎曲應(yīng)力遠(yuǎn)小于其抗彎強(qiáng)度，在彎曲應(yīng)力作用下其發(fā)生臨界斷裂破壞的拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于其抗拉強(qiáng)度。而現(xiàn)有研究中，復(fù)合載荷模式的加載一種主要是通過將被測試件與拉伸/壓縮軸線互成角度的不規(guī)則裝夾來實(shí)現(xiàn)。將驅(qū)動源輸出的加載軸向力通過不同軸或不等高的拉伸/壓縮裝夾方式，使材料內(nèi)部出現(xiàn)拉彎組合或壓剪組合等復(fù)合載荷測試形式。另一種是借助于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價昂貴的多功能材料試驗(yàn)機(jī)來施加復(fù)合載荷。但其一般復(fù)合的形式比較單一，兩種或多種載荷模式無法獨(dú)立加載或依次加載，無法就材料及其制品在復(fù)合載荷作用下的力學(xué)性能及變性損傷機(jī)制做出準(zhǔn)確評價，嚴(yán)重限制了材料試驗(yàn)機(jī)的普及應(yīng)用。
[0004]與此同時伴隨著材料科學(xué)、生產(chǎn)加工工藝技術(shù)方面的革新，各類新型功能材料層出不窮，原有傳統(tǒng)材料的性能也有了進(jìn)一步的提升，其使用范圍也在日益擴(kuò)大，因而對材料性能的檢驗(yàn)方面也提出了更高的要求。上世紀(jì)80年代之前，材料試驗(yàn)機(jī)的使用僅局限于金屬材料等少數(shù)領(lǐng)域。而如今，材料試驗(yàn)機(jī)的使用范圍已不再只局限于金屬材料等領(lǐng)域，它已經(jīng)擴(kuò)展到了所有的行業(yè)。特別是一些新型的鐵-電/鐵-磁、熱-磁和半導(dǎo)體材料的大規(guī)模使用，使得材料在力-電-熱-磁等多種物理場作用下的力學(xué)性能更加突出。而現(xiàn)有商業(yè)化的試驗(yàn)機(jī)很少能滿足上述多場耦合下材料性能測試過程的模擬與檢測，因此開發(fā)一種能夠基于多種物理場耦合環(huán)境下的材料性能測試試驗(yàn)機(jī)成為新型材料試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展趨勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型的目的在于提供一種多載荷多物理場耦合材料微觀力學(xué)性能原位測試儀器，解決了現(xiàn)有材料試驗(yàn)機(jī)施加載荷單一、不考慮應(yīng)力場與溫度場、磁場等外加物理場的耦合作用、不能進(jìn)行原位測試等缺陷，本實(shí)用新型可以實(shí)現(xiàn)“拉伸/壓縮-低周疲勞-扭轉(zhuǎn)-彎曲-壓痕”五種形式載荷的加載、結(jié)合外加溫度場、電場、磁場，可以進(jìn)一步研究材料在“機(jī)-電-熱-磁”多載荷多物理場耦合條件下的微觀力學(xué)性能。其中多載荷模塊中五種形式的載荷(除彎曲和壓痕不能并存外)既可以單獨(dú)加載，也可以對其中兩種或兩種以上的載荷進(jìn)行組合式加載，測試儀器整體布局中的彎曲模塊、壓痕模塊和熱磁加載模塊采用互換式布置，既節(jié)省了布置空間也可最大限度的豐富試驗(yàn)機(jī)的測試范圍。本實(shí)用新型同時考慮材料微觀組織結(jié)構(gòu)變化、性能演變與宏觀力學(xué)性能之間的聯(lián)系，集成了原位觀測模塊，通過其上的高景深3D顯微成像組件、超聲波探傷組件和拉曼光譜儀可以對試件材料在多載荷多物理場耦合條件下的測試過程進(jìn)行動態(tài)實(shí)時地原位觀測，為揭示材料在多載荷多物理場耦合條件下的力學(xué)性能、微觀組織形貌與裂紋的擴(kuò)展提供有效的研究手段。本實(shí)用新型從現(xiàn)實(shí)工況下的多載荷模式、機(jī)-電-熱-磁多場稱合下材料微觀力學(xué)性能的原理與方法出發(fā)，設(shè)計(jì)一種集“拉伸/壓縮-低周疲勞-扭轉(zhuǎn)-彎曲-壓痕”多載荷在“機(jī)-電-熱-磁”多場耦合作用下的材料力學(xué)性能原位測試試驗(yàn)機(jī)來滿足現(xiàn)實(shí)材料測試領(lǐng)域的需求。本實(shí)用新型可為各類金屬材料、半導(dǎo)體材料、功能材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝備制造、壽命預(yù)測和可靠性評估提供新方法，研究工作具有十分重要的科學(xué)意義，可望產(chǎn)生重大社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。
[0006]本實(shí)用新型的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0007]多載荷多物理場耦合材料微觀力學(xué)性能原位測試儀器，包括框架支撐模塊、拉/壓-低周疲勞模塊、扭轉(zhuǎn)模塊21、三點(diǎn)彎曲模塊6、壓痕模塊33、熱磁加載模塊34、原位觀測模塊32和夾具體模塊22，框架支撐模塊為測試儀器提供整機(jī)的結(jié)構(gòu)支撐，拉/壓-低周疲勞模塊布置在測試儀器上下兩端，扭轉(zhuǎn)模塊21直接布置于拉/壓-低周疲勞模塊的前端，三點(diǎn)彎曲模塊6、壓痕模塊33和熱磁加載模塊34通過公共替換部件布置于整個測試儀器的一側(cè)支撐立柱之上，原位觀測模塊布置于另一側(cè)的支撐立柱之上。夾具體模塊連接于扭轉(zhuǎn)模塊的前段，完成對試件的裝夾功能。該儀器整體采用四立柱垂直對稱式布置，上下兩端分別采用兩個完全相同的伺服液壓缸10和兩個扭轉(zhuǎn)模塊21對處于中心位置的試件23材料進(jìn)行對稱式的拉伸/壓縮測試和對稱式的扭轉(zhuǎn)測試，以保證拉伸/壓縮和扭轉(zhuǎn)過程中試件23材料的幾何中心位置相對靜止，以便于實(shí)施對測試過程中材料變形損傷等性能進(jìn)行動態(tài)的原位監(jiān)測；同時對稱式機(jī)械結(jié)構(gòu)布置可有效地抑制幾何中心點(diǎn)(即試件中心)的共振振幅?？梢詫?shí)現(xiàn)“拉伸/壓縮-低周疲勞-扭轉(zhuǎn)-彎曲-壓痕”五種形式載荷的加載、結(jié)合內(nèi)嵌的電、熱、磁加載模塊和原位觀測模塊，可以深入研究樣品材料在多載荷模式、多物理場耦合條件下的微觀力學(xué)性能，獲取其變形行為、損傷機(jī)制以及性能弱化與載荷作用和材料性能間的相關(guān)規(guī)律；
[0008]所述拉/壓-低周疲勞模塊包括伺服液壓缸10和液壓缸固定套筒13等連接組件；所述扭轉(zhuǎn)模塊21包括扭轉(zhuǎn)伺服電機(jī)44、蝸輪蝸桿減速箱和滾珠花鍵47等關(guān)鍵件組成；所述三點(diǎn)彎曲模塊6包括彎曲伺服電機(jī)54、滾珠絲杠60、絲杠螺母61傳動組件、壓頭64以及導(dǎo)軌滑塊組件1、11 71、72等；所述壓痕模塊33包括壓痕伺服電機(jī)75、絲杠螺母組件89、壓電陶瓷93、柔性鉸鏈81、力傳感器84、電容式位移傳感器83、金剛石壓頭87和一些連接支撐部件；所述夾具體模塊22包括夾具97、夾具擋片98、夾具體99、拉扭力傳感器100、連接體101和下連接脹緊套102。
[0009]所述的儀器在“機(jī)、電、熱、磁”多載荷多物理場加載的框架支撐模塊上設(shè)置原位觀測模塊，所述原位觀測模塊包含材料性能測試表征儀器，所述材料性能測試表征儀器為高景深3D成像顯微組件、超聲波探傷元件，能夠動態(tài)監(jiān)控在上述復(fù)雜機(jī)械載荷和多物理場耦合作用的整個過程中材料的變性損傷機(jī)制、微觀組織變化以及性能演變規(guī)律。
[0010]所述的三點(diǎn)彎曲模塊6、壓痕模塊33、熱磁加載模塊34分別通過公共安裝替換部件——固定支撐板5實(shí)現(xiàn)互換式布置，在保證多載荷多物理場耦合加載的同時，既節(jié)省了布局空間也最大限度的豐富了儀器的測試范圍；儀器整體結(jié)構(gòu)簡化、布局緊湊。所述壓痕模塊33創(chuàng)新性地通過公共安裝替換部件固定支撐板5集成在框架支撐模塊上，可以對試件材料進(jìn)行各種復(fù)雜應(yīng)力場和物理場耦合狀態(tài)下的壓痕實(shí)驗(yàn)。
[0011]所述的扭轉(zhuǎn)模塊21采用蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)配合滾珠花鍵將軸向拉伸/壓縮運(yùn)動與扭轉(zhuǎn)運(yùn)動獨(dú)立，使拉/壓-低周疲勞模塊和扭轉(zhuǎn)模塊21相互獨(dú)立、互不干擾。
[0012]所述的三點(diǎn)彎曲模塊6通過彎曲底板70下安裝的一層導(dǎo)軌滑塊組件I 71，使得上層三點(diǎn)彎曲模塊可相對于底板支撐板74整體浮動，實(shí)現(xiàn)內(nèi)力型三點(diǎn)彎曲。
[0013]所述的三點(diǎn)彎曲模塊6中的兩個反向支撐頭65固連于支撐頭后座66，并通過末端的尾部旋轉(zhuǎn)軸67安裝于滑動軸承68之內(nèi)，以保證在彎曲過程中兩個后端支撐頭65自適應(yīng)的調(diào)整一定的角度，解決由于裝配、夾持不對中帶來的試件23材料無法同時接觸支撐頭65的問題。
[0014]所述的壓痕模塊33采用手動平移臺95調(diào)節(jié)電容式位移傳感器83的探頭與反射板85初始間距。
[0015]所述的夾具體模塊22采用脹緊套對測試試件進(jìn)行裝夾。
[0016]所述的熱磁加載模塊34采用永磁體104提供磁場，通過調(diào)節(jié)螺桿105調(diào)節(jié)永磁體104與軟鐵106形成的磁回路的相對位置來實(shí)現(xiàn)不同磁場強(qiáng)度的加載；結(jié)構(gòu)緊湊，可在較小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)較大幅度磁場強(qiáng)度的調(diào)節(jié)。
[0017]本實(shí)用新型基于“機(jī)-電-熱-磁”多載荷多物理場耦合原理，機(jī)械加載部分可實(shí)現(xiàn)“拉伸/壓縮-低周疲勞-扭轉(zhuǎn)-彎曲-壓痕”五種形式載荷的施加，采用試件直接通電的方式施加電場，采用永磁體直接回路法施加磁場，采用半導(dǎo)體制冷和光照輻射相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)溫度場的施加；該多載荷多物理場耦合材料微觀力學(xué)性能原位測試儀器可根據(jù)實(shí)際要求高效地將四種外加場進(jìn)行組合，完成多載荷多物理場響應(yīng)下的測試要求。電場加載采用直接電流方式。在測試的過程中通過外部直流電源直接通過兩個電極給試件施加穩(wěn)定的直流電壓，在導(dǎo)電試件的內(nèi)部就會形成穩(wěn)定的電場。通過調(diào)節(jié)外加電壓的大小調(diào)節(jié)內(nèi)部電場的大小。[0018]所述的熱磁加載模塊34采用半導(dǎo)體帕爾貼片107對試件材料進(jìn)行制冷，將帕爾貼片107通以規(guī)定方向的直流電，由于帕爾貼效應(yīng)會使制冷一側(cè)吸收大量的熱量，使得試件的溫度降低達(dá)到制冷的效果。
[0019]所述的熱磁加載模塊34采用光照輻射的方法對試件進(jìn)行加熱；通過兩根對稱的發(fā)光體108發(fā)出紅外光，光線經(jīng)兩個弧形反射面反射后聚焦于試件中心一點(diǎn)，使該區(qū)域溫度迅速提升，經(jīng)過一段時間的內(nèi)部熱量傳導(dǎo)整個試件會達(dá)到測試要求的溫度。特別地該熱磁加載模塊34中設(shè)置循環(huán)水冷卻系統(tǒng)109，以保證熱磁模塊34內(nèi)部穩(wěn)定的溫度場不受外界溫度的影響。
[0020]本實(shí)用新型的有益效果在于:在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了集成性與創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊、功能齊全，可以對試樣施加“拉伸/壓縮-低周疲勞-扭轉(zhuǎn)-彎曲-壓痕”五種不同形式的載荷，其中五種載荷既可以單獨(dú)加載，也可對其中的兩種或兩種以上的載荷組合加載，可以更加真實(shí)地模擬材料構(gòu)件在現(xiàn)實(shí)中的真實(shí)工況。針對鐵磁、熱磁、半導(dǎo)體等功能性材料，本實(shí)用新型可以開展材料在多載荷模式下在外加物理場中的力學(xué)測試實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而為功能材料在多物理場下的性能參數(shù)提供有效地測試手段。本實(shí)用新型在測試儀器的框架支撐模塊中集成了原位觀測模塊，在對試件材料進(jìn)行加載測試的過程中通過原位觀測模塊上集成的高景深3D成像組件、超聲波探傷元件和拉曼光譜儀等成像組件，可以動態(tài)實(shí)時的對試樣的微觀組織形貌和裂紋擴(kuò)展情況進(jìn)行原位觀測，對于研究材料的微觀組織形貌和宏觀力學(xué)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系以及裂紋的擴(kuò)展規(guī)律提供有有效地測試手段。本實(shí)用新型為各類固態(tài)材料研制、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝備制造、壽命預(yù)測和可靠性評估提供新方法。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]此處所說明的附圖用來提供對本實(shí)用新型的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，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)成對本實(shí)用新型的不當(dāng)限定。
[0022]圖1為本實(shí)用新型集成彎曲模塊的整體主視圖；
[0023]圖2為本實(shí)用新型集成彎曲模塊的整體俯視圖；
[0024]圖3為本實(shí)用新型集成壓痕模塊的整體示意圖；
[0025]圖4為本實(shí)用新型集成熱磁加載模塊的整體示意圖；
[0026]圖5為本實(shí)用新型扭轉(zhuǎn)模塊的主視圖；
[0027]圖6為本實(shí)用新型扭轉(zhuǎn)模塊的剖視圖；
[0028]圖7為本實(shí)用新型彎曲模塊的剖視圖；
[0029]圖8為本實(shí)用新型壓痕模塊的主視圖；
[0030]圖9為本實(shí)用新型的壓痕模塊的剖視圖；
[0031]圖10為本實(shí)用新型的夾具體示意圖；
[0032]圖11為本實(shí)用新型的熱磁加載模塊視圖。
[0033]圖中:1、氣浮隔振臺；2螺釘I ;3、彈性墊圈I ;4、支撐立柱；5、固定支撐板；6、三點(diǎn)彎曲模塊；7、上支撐板；8、連接套筒；9、脹緊套；10、伺服液壓缸；11、螺釘II ;12、彈性墊圈II ；13液壓缸固定套筒；14、螺釘III ;15、彈性墊圈III ;16、螺釘IV ;17、彈性墊圈IV ;18、墊片；19、螺釘V ;20、彈性墊圈V ;21、扭轉(zhuǎn)模塊；22、夾具體模塊；23、試件；24、導(dǎo)向條；25、下套筒；26、上套筒；27、六角螺母；28、雙頭螺栓；29、調(diào)整墊片；30、螺釘VI ;31、彈性墊圈VI ;32、原位觀測模塊；33、壓痕模塊；34、熱磁加載模塊；35、蝸桿箱體；36、蝸桿端蓋；37、調(diào)整墊片I ;38、滾動軸承I ;39、套筒I ;40、蝸桿軸；41、蝸桿；42、鍵I ;43、套筒II ;44、扭轉(zhuǎn)伺服電機(jī)；45、調(diào)整墊片II ;46、滾動軸承II ;47、滾珠花鍵；48、蝸輪端蓋I ;49、套筒
II;50、蝸輪；51、固定端蓋；52、鍵II ;53蝸輪端蓋II ;54、彎曲伺服電機(jī)；55、減速機(jī)；56、內(nèi)六角螺釘；57、電機(jī)法蘭；58、聯(lián)軸器；59、EK支撐I ;60滾珠絲杠；61、絲杠螺母；62螺母連接件；63、彎曲力傳感器；64、壓頭；65、支撐頭；66、支撐頭后座；67、尾部旋轉(zhuǎn)軸；68、滑動軸承；69、擋板；70、彎曲底板；71、導(dǎo)軌滑塊組件I ;72、導(dǎo)軌滑塊組件II ;73、EK支撐座
I;74、底板支撐板；75、壓痕伺服電機(jī)；76、法蘭；77、底板一 ；78、底板二；79、位移傳感器支架；80、手動臺支架；81、柔性鉸鏈；82、調(diào)節(jié)螺釘；83、電容式位移傳感器；84、力傳感器；85、反射板；86、壓頭套筒；87、金剛石壓頭；88、EK支撐II ；89絲杠螺母組件；90、絲杠螺母座；91、EF支撐座；92緊釘螺釘；93、壓電陶瓷；94、預(yù)壓墊片；95、手動平移臺、96、LM導(dǎo)軌滑塊；97、夾具；98、夾具擋片；99、夾具體；100、拉扭力傳感器；101、連接體；102、下連接脹緊套;103、下支撐板;104、永磁體；105、調(diào)節(jié)螺桿；106、軟鐵;107、帕爾貼片;108、發(fā)光體；109、水冷卻系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0034]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】。
[0035]參見圖1至圖11所示，本實(shí)用新型的多載荷多物理場耦合材料微觀力學(xué)性能原位測試儀器，由框架支撐模塊、拉/壓-低周疲勞模塊、扭轉(zhuǎn)模塊21、三點(diǎn)彎曲模塊6、壓痕模塊33、熱磁加載模塊34、原位觀測模塊32和夾具體模塊構(gòu)成?？蚣苤文K為測試儀器提供整機(jī)的結(jié)構(gòu)支撐，拉/壓-低周疲勞模塊布置在測試儀器上下兩端，扭轉(zhuǎn)模塊21直接布置于拉/壓-低周疲勞模塊的前端，三點(diǎn)彎曲模塊6、壓痕模塊33和熱磁加載模塊34通過公共替換部件布置于整個測試儀器的一側(cè)支撐立柱之上，原位觀測模塊布置于另一側(cè)的支撐立柱之上。夾具體模塊連接于扭轉(zhuǎn)模塊的前段，完成對試件的裝夾功能。本實(shí)用新型整體結(jié)構(gòu)采用四立柱垂直對稱式布置，上線兩端分別采用兩個完全相同的伺服液壓缸10和兩個扭轉(zhuǎn)模塊21對中心試件23進(jìn)行對稱拉伸/壓縮和對稱扭轉(zhuǎn)，可以保證在拉伸/壓縮和扭轉(zhuǎn)的過程中試件23的幾何中心位置相對靜止。
[0036]所述框架支撐模塊主要由氣浮隔振臺1、上、下支撐板7、103和支撐立柱4組成。整個測試儀器主體安裝于氣浮隔振臺I上可有效地避免外界振動對于測試過程所帶來的影響。下支撐板103通過螺釘I 2、彈性墊圈I 3緊固于氣浮隔振臺I的安裝臺面上，四根空間完全對稱的支撐立柱4安裝于上、下支撐板7、103相對應(yīng)的配合孔內(nèi)，通過螺釘IV 16、彈性墊圈IV 17進(jìn)行緊固。
[0037]所述拉/壓-低周疲勞模塊主要由伺服液壓缸10和液壓缸固定套筒13等連接件組成。伺服液壓缸10通過安裝法蘭與液壓缸固定套筒13通過軸孔之間的公差配合保證安裝精度，采用螺釘II 11、彈性墊圈II 12進(jìn)行緊固。液壓缸固定套筒13通過螺釘III 14、彈性墊圈III15剛性的固定到相應(yīng)的上、下支撐板7、103上。其中墊片18用于調(diào)整上、下支撐板之間的垂直高度。
[0038]參見圖5及圖6所示，本實(shí)用新型的扭轉(zhuǎn)模塊21主要由扭轉(zhuǎn)伺服電機(jī)44、蝸輪蝸桿減速箱和滾珠花鍵47等關(guān)鍵件組成。扭轉(zhuǎn)伺服電機(jī)44的輸出軸通過鍵I 42與蝸桿軸40相連。蝸桿41與蝸桿軸40通過鍵連接。套筒II 43用于固定滾動軸承外圈的軸向位置。所述的蝸桿軸40通過滾動軸承I 38支撐于蝸桿箱體35的安裝孔內(nèi)，套筒I 39用于限制蝸桿41的軸向位移。滾動軸承I 38的外圈通過蝸桿端蓋36和調(diào)整墊片I 37進(jìn)行限位。所述的滾珠花鍵47的外花鍵套通過套筒II 49和滾動軸承II 46支撐于蝸桿箱體35的安裝孔內(nèi)，通過蝸輪端蓋1、11 48,53的內(nèi)凸緣和調(diào)整墊片II 45對滾動軸承進(jìn)行限位。固定端蓋51起過渡支撐和連接的作用。所述的蝸輪50通過鍵II 52與滾珠花鍵47的外花鍵套相連。所述的滾珠花鍵47的一軸端通過連接套筒8、脹緊套9與伺服液壓缸10的液壓桿相連，另一端通過脹緊套與夾具體模塊22相連，整個扭轉(zhuǎn)模塊通過蝸桿箱體35上的安裝孔用螺釘V 19、彈性墊圈V 20固定于上、下支撐板7、103上。
[0039]參見圖1、圖2及圖7所示，本實(shí)用新型的三點(diǎn)彎曲模塊主要由彎曲伺服電機(jī)54、滾珠絲杠60、絲杠螺母61傳動組件、壓頭64以及導(dǎo)軌滑塊組件1、II 71,72等組成。所述的彎曲伺服電機(jī)54經(jīng)由一級減速機(jī)55與電機(jī)法蘭57用內(nèi)六角螺釘56固連。減速機(jī)55的輸出軸將動力經(jīng)由聯(lián)軸器58傳遞到滾珠絲杠60上，經(jīng)絲杠螺母61的轉(zhuǎn)化輸出為彎曲壓頭64的直線運(yùn)動。其中滾珠絲杠60采用EK支撐I 59單端懸臂布置，再經(jīng)由EK支撐座I 73固定于彎曲底板70上。在彎曲測試的過程中，彎曲橫向力由彎曲力傳感器63采集，彎曲力傳感器63安裝于螺母連接件62與壓頭64之間，而螺母連接件62則通過導(dǎo)軌滑塊組件II72進(jìn)行導(dǎo)向，保證彎曲壓頭位移的直線性。特別地，本實(shí)用新型采用的三點(diǎn)彎曲為內(nèi)力型三點(diǎn)彎曲，故在彎曲底板70的下層同樣安裝一層導(dǎo)軌滑塊組件I 71，使得上層三點(diǎn)彎曲模塊可相對于底板支撐板74整體浮動。相應(yīng)地為了保證內(nèi)力型彎曲，在壓頭64的右側(cè)布置了兩個支撐頭65，支撐頭65固連于支撐頭后座66并通過末端的尾部旋轉(zhuǎn)軸67安裝于滑動軸承68之內(nèi)，可以保證在彎曲過程中兩個后端支撐頭65自適應(yīng)的調(diào)整一定的角度，避解決裝夾不對中帶來的試件23無法同時接觸支撐頭65的問題。擋板69連接于尾部旋轉(zhuǎn)軸67的軸端，可防止尾部旋轉(zhuǎn)軸67的脫落。所述的三點(diǎn)彎曲模塊通過下端的底板支撐板74安裝于公共安裝替換部件固定支撐板5上，而固定支撐板5通過螺釘VI 30、彈性墊圈VI 31安裝于下套筒25上，上、下套筒26、25整體經(jīng)六角螺母27、雙頭螺栓28、調(diào)整墊片29緊固于后側(cè)兩根支撐立柱4之上。安裝于固定支撐板5上的導(dǎo)向條24用于方便各模塊之間互換時的安裝與定位。
[0040]參見圖3、圖8及圖9所示，本實(shí)用新型的壓痕模塊主要由壓痕伺服電機(jī)75、絲杠螺母組件89、壓電陶瓷93、柔性鉸鏈81、力傳感器84、電容式位移傳感器83、金剛石壓頭87和一些連接支撐部件組成。所述壓痕伺服電機(jī)75通過法蘭76安裝于底板一 77上。底板二 78通過LM導(dǎo)軌滑塊96安裝于底板一 77上進(jìn)行導(dǎo)向。所述位移傳感器支架79通過手動平移臺95安裝于手動臺支架80上。其中的手動平移臺95用于調(diào)節(jié)電容式位移傳感器83的探頭與反射板85初始間距，調(diào)節(jié)螺釘82可用于夾緊位移傳感器的探頭。金剛石壓頭87通過壓頭套筒86安裝于力傳感器84的一端，力傳感器的另一端通過外部安裝螺栓連接到柔性鉸連81上，緊釘螺釘92用于固定金剛石壓頭87。其中的壓電陶瓷93安裝于柔性鉸連81相應(yīng)的凹槽內(nèi)，由預(yù)壓墊片94進(jìn)行預(yù)緊。壓痕伺服電機(jī)75的輸出動力經(jīng)由絲杠螺母組件89轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動，通過絲杠螺母座90傳遞給柔性鉸鏈81作為壓痕時的粗調(diào)位移。壓痕真實(shí)位移由壓電陶瓷輸出。所述的壓痕模塊中絲杠螺母組件89采用EK支撐II 88、EF支撐座91兩端固定。壓痕模塊整體也通過底板支撐板74安裝于公共安裝替換部件固定支撐板5上。
[0041]參見圖10所示，本實(shí)用新型的夾具體模塊主要由夾具97、夾具擋片98、夾具體99、拉扭力傳感器100、連接體101和下連接脹緊套102組成。其中下連接脹緊套102與扭轉(zhuǎn)模塊中的輸出軸相連，對試件進(jìn)行夾緊時通過調(diào)節(jié)夾具擋片98上的螺釘來提供脹緊力。
[0042]參見圖4及圖11所示，本實(shí)用新型所述的“機(jī)-電-熱-磁”多物理場耦合加載，試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械加載部分可實(shí)現(xiàn)“拉伸/壓縮-低周疲勞-扭轉(zhuǎn)-彎曲-壓痕”五種形式載荷的施加,采用試件直接通電的方式施加電場,測試過程中通過外部直流電源直接通過兩個電極給試件施加穩(wěn)定的直流電壓，在導(dǎo)電試件的內(nèi)部就會形成穩(wěn)定的電場。通過調(diào)節(jié)外加電壓的大小調(diào)節(jié)內(nèi)部電場的大小。所述的熱場和磁場加載主要通過熱磁加載模塊34來實(shí)現(xiàn)。熱磁加載模塊中的磁加載采用永磁體104直接回路法施加磁場，通過調(diào)節(jié)螺桿105調(diào)節(jié)永磁體104與軟鐵106形成的磁回路的相對位置來實(shí)現(xiàn)不同磁場強(qiáng)度的加載。結(jié)構(gòu)緊湊，可在較小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)較大幅度磁場強(qiáng)度的調(diào)節(jié)。溫度場的實(shí)現(xiàn)則是通過半導(dǎo)體帕爾貼片107對試件進(jìn)行制冷，將帕爾貼片107通以規(guī)定方向的直流電，帕爾貼片制冷一側(cè)會吸收大量的熱量，使得試件的溫度降低達(dá)到制冷的效果；通過光照輻射的方法對試件進(jìn)行加熱。采用兩根對稱的發(fā)光體108發(fā)出紅外光，光線經(jīng)兩個弧形反射面反射后聚焦于試件中心一點(diǎn)，使該區(qū)域溫度迅速提升，經(jīng)過一段時間的內(nèi)部熱量傳導(dǎo)整個試件會達(dá)到測試要求的溫度。特別地在該熱磁加載模塊34的整體框架中集成了循環(huán)水冷卻系統(tǒng)109，可以保證熱磁模塊34內(nèi)部穩(wěn)定的溫度場不受外界溫度的影響。
[0043]所述的原位觀測模塊32同樣安裝于公共安裝替換部件固定支撐板5上，采用同樣的方法將上、下套筒安裝于前側(cè)的兩根支撐立柱上。該原位觀測平臺具有較大的三維移動范圍，并且每個移動方向上配備有主動隔震裝置，可對試件上的觀察點(diǎn)進(jìn)行精確地跟隨，有利于在實(shí)驗(yàn)過程中對試件的追蹤。
[0044]本實(shí)用新型整個機(jī)械結(jié)構(gòu)采用氣浮隔振臺I作為底座，可有效地降低外界振源對試驗(yàn)機(jī)的影響。其中的拉/壓-低周疲勞模塊采用兩個高精度伺服液壓缸10作為動力源，通過多通道伺服控制器控制進(jìn)入伺服液壓缸10的油量與油液方向可以精確地控制拉/壓、低周疲勞過程中的位移。所述的扭轉(zhuǎn)模塊21采用伺服電機(jī)作為動力源，經(jīng)由一級大減速比蝸輪蝸桿減速后通過滾珠花鍵將扭轉(zhuǎn)角輸出到與液壓桿相連的滾珠花鍵軸上，帶動液壓桿和前端的夾具體模塊整體進(jìn)行扭轉(zhuǎn)。所述的三點(diǎn)彎曲模塊6由伺服電機(jī)提供動力源，經(jīng)由滾珠絲杠螺母組件將其轉(zhuǎn)化為彎曲壓頭的直線運(yùn)動。所述的壓痕模塊33由伺服電機(jī)提供動力源，經(jīng)由滾珠絲杠螺母組件將其轉(zhuǎn)化為壓痕過程中的粗調(diào)位移，壓痕中的壓入位移由壓電陶瓷經(jīng)柔性鉸鏈輸出。所述的熱磁加載模塊34中的磁加載采用永磁體直接回路法施加磁場，通過調(diào)節(jié)螺桿105調(diào)節(jié)永磁體104與軟鐵106形成的磁回路的相對位置來實(shí)現(xiàn)不同磁場強(qiáng)度的加載。結(jié)構(gòu)緊湊，可在較小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)較大幅度磁場強(qiáng)度的調(diào)節(jié)。溫度場的實(shí)現(xiàn)則是通過半導(dǎo)體帕爾貼片107對試件進(jìn)行制冷，將帕爾貼片107通以規(guī)定方向的直流電，帕爾貼片107制冷一側(cè)會吸收大量的熱量，使得試件的溫度降低達(dá)到制冷的效果；通過光照輻射的方法對試件進(jìn)行加熱。采用兩根對稱的發(fā)光體108發(fā)出紅外光，光線經(jīng)兩個弧形反射面反射后聚焦于試件中心一點(diǎn)，使該區(qū)域溫度迅速提升，經(jīng)過一段時間的內(nèi)部熱量傳導(dǎo)整個試件會達(dá)到測試要求的溫度。特別地在該熱磁加載模塊34的整體框架中集成了循環(huán)水冷卻系統(tǒng)109，可以保證熱磁模塊34內(nèi)部穩(wěn)定的溫度場不受外界溫度的影響。而電場的加載是通過外部直流電源直接通過兩個電極給試件施加穩(wěn)定的直流電壓，在導(dǎo)電試件的內(nèi)部就會形成穩(wěn)定的電場。通過調(diào)節(jié)外加電壓的大小調(diào)節(jié)內(nèi)部電場的大小。所述的原位觀測模塊32作為集成性模塊這里不再論述。
[0045]在具體的測試過程中，測試之前首先確定需要施加載荷的類型以及所施加外加場的類型，通過公共安裝替換部件固定支撐板5安裝相對應(yīng)的壓痕模塊、三點(diǎn)彎曲模塊或熱磁加載模塊。啟動伺服液壓缸10將夾具體調(diào)整到合適的位置上，將待測試的標(biāo)準(zhǔn)試件23插入對應(yīng)的夾具當(dāng)中，手動調(diào)節(jié)夾具擋片98上的夾緊螺釘，使其可靠地夾緊試件。通過上位機(jī)多路控制器控制各加載模塊的加載過程，完成預(yù)定的試驗(yàn)要求。在測試的過程中通過多路采集控制卡，將各加載模塊中獲得的載荷數(shù)據(jù)、位移數(shù)據(jù)連同原位觀測模塊采集的圖像信息一同送入到上位機(jī)調(diào)試軟件中，通過相應(yīng)的理論分析建立材料本構(gòu)關(guān)系和相應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)演變的數(shù)學(xué)模型，通過實(shí)驗(yàn)測試確定本構(gòu)關(guān)系中材料性質(zhì)相關(guān)的參數(shù)，推導(dǎo)各種常用物理參量的數(shù)學(xué)描述形式，同時動態(tài)的將材料的微觀組織形貌顯示在相應(yīng)的成像屏幕上，完成整個基于多載荷多物理場的原位測試試驗(yàn)。
[0046]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】
1.一種多載荷多物理場耦合材料微觀力學(xué)性能原位測試儀器，其特征在于:包括框架支撐模塊、拉/壓-低周疲勞模塊、扭轉(zhuǎn)模塊(21)、三點(diǎn)彎曲模塊(6)、壓痕模塊(33)、熱磁加載模塊(34)、原位觀測模塊(32)和夾具體模塊(22)，所述框架支撐模塊為測試儀器提供整機(jī)的結(jié)構(gòu)支撐，拉/壓-低周疲勞模塊布置在測試儀器上下兩端，扭轉(zhuǎn)模塊(21)直接布置于拉/壓-低周疲勞模塊的前端，三點(diǎn)彎曲模塊(6)、壓痕模塊(33)和熱磁加載模塊(34)通過公共替換部件布置于整個測試儀器的一側(cè)支撐立柱之上，原位觀測模塊布置于另一側(cè)的支撐立柱之上；夾具體模塊連接于扭轉(zhuǎn)模塊的前段，完成對試件的裝夾功能；該儀器整體采用四立柱垂直對稱式布置，上下兩端分別采用兩個完全相同的伺服液壓缸(10 )和兩個扭轉(zhuǎn)模塊(21)對處于中心位置的試件(23)材料進(jìn)行對稱式的拉伸/壓縮測試和對稱式的扭轉(zhuǎn)測試。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀力學(xué)性能原位測試儀器，其特征在于:所述拉/壓-低周疲勞模塊包括伺服液壓缸(10)和液壓缸固定套筒(13);所述扭轉(zhuǎn)模塊(21)包括扭轉(zhuǎn)伺服電機(jī)(44)、蝸輪蝸桿減速箱和滾珠花鍵(47);所述三點(diǎn)彎曲模塊(6)包括彎曲伺服電機(jī)(54)、滾珠絲杠(60)、絲杠螺母(61)傳動組件、壓頭(64)以及導(dǎo)軌滑塊組件1、II (71,72);所述壓痕模塊(33)包括壓痕伺服電機(jī)(75)、絲杠螺母組件(89)、壓電陶瓷(93)、柔性鉸鏈(81)、力傳感器(84)、電容式位移傳感器(83)、金剛石壓頭(87)和一些連接支撐部件；所述夾具體模塊(22)包括夾具(97)、夾具擋片(98)、夾具體(99)、拉扭力傳感器(100)、連接體(101)和下連接脹緊套(102)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀力學(xué)性能原位測試儀器，其特征在于:所述的框架支撐模塊上設(shè)置原位觀測模塊，所述原位觀測模塊包含材料性能測試表征儀器，所述材料性能測試表征儀器為高景深3D成像顯微組件、超聲波探傷元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀力學(xué)性能原位測試儀器，其特征在于:所述的三點(diǎn)彎曲模塊(6)、壓痕模塊(33)、熱磁加載模塊(34)分別通過公共安裝替換部件——固定支撐板(5 )實(shí)現(xiàn)互換式布置；所述壓痕模塊(33 )通過公共安裝替換部件固定支撐板(5)集成在框架支撐模塊上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀力學(xué)性能原位測試儀器，其特征在于:所述的扭轉(zhuǎn)模塊(21)采用蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)配合滾珠花鍵將軸向拉伸/壓縮運(yùn)動與扭轉(zhuǎn)運(yùn)動獨(dú)立。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀力學(xué)性能原位測試儀器，其特征在于:所述的三點(diǎn)彎曲模塊(6)通過彎曲底板(70)下安裝的一層導(dǎo)軌滑塊組件I (71)，使得上層三點(diǎn)彎曲模塊可相對于底板支撐板(74)整體浮動。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀力學(xué)性能原位測試儀器，其特征在于:所述的三點(diǎn)彎曲模塊(6)中的兩個反向支撐頭(65)固連于支撐頭后座(66),并通過末端的尾部旋轉(zhuǎn)軸(67)安裝于滑動軸承(68)之內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀力學(xué)性能原位測試儀器，其特征在于:所述的壓痕模塊(33)采用手動平移臺(95)調(diào)節(jié)電容式位移傳感器(83)的探頭與反射板(85)初始間距。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀力學(xué)性能原位測試儀器，其特征在于:所述的夾具體模塊(22)采用脹緊套對測試試件進(jìn)行裝夾。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀力學(xué)性能原位測試儀器，其特征在于:所述的熱磁加載模塊(34)采用永磁體(104)提供磁場，通過調(diào)節(jié)螺桿(105)調(diào)節(jié)永磁體(104)與軟鐵(106)形成的磁回路的相對位置來實(shí)現(xiàn)不同磁場強(qiáng)度的加載。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀力學(xué)性能原位測試儀器，其特征在于:所述的熱磁 加載模塊(34)采用半導(dǎo)體帕爾貼片(107)對試件材料進(jìn)行制冷，將帕爾貼片(107)通以規(guī)定方向的直流電。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀力學(xué)性能原位測試儀器，其特征在于:所述的熱磁加載模塊(34)采用光照輻射對試件進(jìn)行加熱；通過兩根對稱的發(fā)光體(108)發(fā)出紅外光，光線經(jīng)兩個弧形反射面反射后聚焦于試件中心一點(diǎn)，該熱磁加載模塊(34)中設(shè)置循環(huán)水冷卻系統(tǒng)(109)。
【文檔編號】G01N3/26GK203551383SQ201320597291
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月26日
【發(fā)明者】趙宏偉, 任露泉, 李建平, 黃虎, 張攀峰, 胡曉利, 程虹丙, 方岱寧, 馬志超, 莊慶偉, 高景, 董曉龍, 唐可洪, 張富, 鄒青, 朱玉祥, 董景石, 范尊強(qiáng), 呼詠, 尚濤 申請人:吉林大學(xué)