多載荷多物理場耦合材料微觀力學性能原位測試儀器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種多載荷多物理場耦合材料微觀力學性能原位測試儀器，在驅動/傳動單元、“機-電-熱-磁”多物理場耦合加載單元的基礎之上，結合檢測、控制單元與算法程序，可以實現“拉伸/壓縮-低周疲勞-扭轉-彎曲-壓痕”多載荷模式、“機-電-熱-磁”多物理場耦合條件下的材料微觀力學性能測試。本發明在機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，能夠動態監測在上述復雜機械載荷和多物理場耦合作用下材料的變形損傷機制、微觀組織變化以及性能演變規律的。本發明中多載荷加載和多物理場耦合加載的結合可以較真實地模擬工件材料的真實工況，為接近服役條件下材料微觀力學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性能原位測試儀器
【技術領域】
[0001]本發明涉及材料力學測試領域，特別涉及一種材料微觀力學性能測試儀器，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-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、半導體等功能材料可開展試件材料在溫度場、電場和磁場與應力場多物理場耦合作用下的微觀力學性能測試。結合原位觀測模塊該測試儀器可以對試件材料在復雜應力狀態、多物理場耦合情況下的測試過程進行動態實時觀測，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性能之間的內在聯系以及裂紋的擴展規律提供有效地測試手段。
【背景技術】
[0002]人類社會發展的基礎是制造業，其中材料的力學性能直接制約著制造業的高速發展，影響國防工程航空航天、工農業等領域的發展進步，影響著現在科學技術的進步；材料在拉伸、彎曲和疲勞等現實載荷作用下的力學性能更是直接關系到工農業生產安全、軍事設備安全以及人類生命財產安全。近年來隨著微機電系統(MEMS)及顯微成像設備的快速發展，研究發現材料的微觀結構變化將直接影響其宏觀力學性能，因此開展材料基于微觀結構變化的力學性能測試技術研究有著重要的意義。
[0003]傳統的基于標準試樣的常規拉伸、彎曲、扭轉測試技術以及疲勞測試技術已經很成熟，基本上能滿足材料強度和疲勞特性等宏觀力學性能測試的需求。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行實時動態的觀察，因此無法將材料微觀組織變化的內在機理與材料宏觀力學性能有效地結合起來綜合表征材料的性能。特別地聯系到材料的實際使用工況，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測試已經難以準確反映實際工況下材料及構件的受載形式，即無法對復合載荷作用下材料的力學性能做出準確的評價。例如從一些實驗性研究考慮，材料在拉應力作用下往往使其發生臨界斷裂破壞的彎曲應力遠小于其抗彎強度，在彎曲應力作用下其發生臨界斷裂破壞的拉應力遠小于其抗拉強度。而現有研究中，復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則裝夾來實現。將驅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，使材料內部出現拉彎組合或壓剪組合等復合載荷測試形式。另一種是借助于結構復雜、造價昂貴的多功能材料試驗機來施加復合載荷。但其一般復合的形式比較單一，兩種或多種載荷模式無法獨立加載或依次加載，無法就材料及其制品在復合載荷作用下的力學性能及變性損傷機制做出準確評價，嚴重限制了材料試驗機的普及應用。
[0004]與此同時伴隨著材料科學、生產加工工藝技術方面的革新，各類新型功能材料層出不窮，原有傳統材料的性能也有了進一步的提升，其使用范圍也在日益擴大，因而對材料性能的檢驗方面也提出了更高的要求。上世紀80年代之前，材料試驗機的使用僅局限于金屬材料等少數領域。而如今，材料試驗機的使用范圍已不再只局限于金屬材料等領域，它已經擴展到了所有的行業。特別是一些新型的鐵-電/鐵-磁、熱-磁和半導體材料的大規模使用，使得材料在力-電-熱-磁等多種物理場作用下的力學性能更加突出。而現有商業化的試驗機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，因此開發一種能夠基于多種物理場耦合環境下的材料性能測試試驗機成為新型材料試驗機的發展趨勢。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種多載荷多物理場耦合材料微觀力學性能原位測試儀器，解決了現有材料試驗機施加載荷單一、不考慮應力場與溫度場、磁場等外加物理場的耦合作用、不能進行原位測試等缺陷，本發明可以實現“拉伸/壓縮-低周疲勞-扭轉-彎曲-壓痕”五種形式載荷的加載、結合外加溫度場、電場、磁場，可以進一步研究材料在“機-電-熱-磁”多載荷多物理場耦合條件下的微觀力學性能。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)既可以單獨加載，也可以對其中兩種或兩種以上的載荷進行組合式加載，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，既節省了布置空間也可最大限度的豐富試驗機的測試范圍。本發明同時考慮材料微觀組織結構變化、性能演變與宏觀力學性能之間的聯系，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行動態實時地原位觀測，為揭示材料在多載荷多物理場耦合條件下的力學性能、微觀組織形貌與裂紋的擴展提供有效的研究手段。本發明從現實工況下的多載荷模式、機-電-熱-磁多場耦合下材料微觀力學性能的原理與方法出發，設計一種集“拉伸/壓縮-低周疲勞-扭轉-彎曲-壓痕”多載荷在“機-電-熱-磁”多場耦合作用下的材料力學性能原位測試試驗機來滿足現實材料測試領域的需求。本發明可為各類金屬材料、半導體材料、功能材料的結構設計、裝備制造、壽命預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意義，可望產生重大社會效益和經濟效益。
[0006]本發明的上述目的通過以下技術方案實現:
多載荷多物理場耦合材料微觀力學性能原位測試儀器，包括框架支撐模塊、拉/壓-低周疲勞模塊、扭轉模塊21、三點彎曲模塊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的結構支撐，拉/壓-低周疲勞模塊布置在測試儀器上下兩端，扭轉模塊21直接布置于拉/壓-低周疲勞模塊的前端，三點彎曲模塊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支撐立柱之上，原位觀測模塊布置于另一側的支撐立柱之上。夾具體模塊連接于扭轉模塊的前段，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和兩個扭轉模塊21對處于中心位置的試件23材料進行對稱式的拉伸/壓縮測試和對稱式的扭轉測試，以保證拉伸/壓縮和扭轉過程中試件23材料的幾何中心位置相對靜止，以便于實施對測試過程中材料變形損傷等性能進行動態的原位監測；同時對稱式機械結構布置可有效地抑制幾何中心點(即試件中心)的共振振幅。可以實現“拉伸/壓縮-低周疲勞-扭轉-彎曲-壓痕”五種形式載荷的加載、結合內嵌的電、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性能，獲取其變形行為、損傷機制以及性能弱化與載荷作用和材料性能間的相關規律；
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；所述扭轉模塊21包括扭轉伺服電機44、蝸輪蝸桿減速箱和滾珠花鍵47等關鍵件組成；所述三點彎曲模塊6包括彎曲伺服電機54、滾珠絲杠60、絲杠螺母61傳動組件、壓頭64以及導軌滑塊組件1、II 71、72等；所述壓痕模塊33包括壓痕伺服電機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。
[0007]所述的儀器在“機、電、熱、磁”多載荷多物理場加載的框架支撐模塊上設置原位觀測模塊，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，能夠動態監控在上述復雜機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制、微觀組織變化以及性能演變規律。
[0008]所述的三點彎曲模塊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實現互換式布置，在保證多載荷多物理場耦合加載的同時，既節省了布局空間也最大限度的豐富了儀器的測試范圍；儀器整體結構簡化、布局緊湊。所述壓痕模塊33創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，可以對試件材料進行各種復雜應力場和物理場耦合狀態下的壓痕實驗。
[0009]所述的扭轉模塊21采用蝸輪蝸桿減速機構配合滾珠花鍵將軸向拉伸/壓縮運動與扭轉運動獨立，使拉/壓-低周疲勞模塊和扭轉模塊21相互獨立、互不干擾。
[0010]所述的三點彎曲模塊6通過彎曲底板70下安裝的一層導軌滑塊組件I 71，使得上層三點彎曲模塊可相對于底板支撐板74整體浮動，實現內力型三點彎曲。
[0011 ] 所述的三點彎曲模塊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軸67安裝于滑動軸承68之內，以保證在彎曲過程中兩個后端支撐頭65自適應的調整一定的角度，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。
[0012]所述的壓痕模塊33采用手動平移臺95調節電容式位移傳感器83的探頭與反射板85初始間距。
[0013]所述的夾具體模塊22采用脹緊套對測試試件進行裝夾。
[0014]所述的熱磁加載模塊34采用永磁體104提供磁場，通過調節螺桿105調節永磁體104與軟鐵106形成的磁回路的相對位置來實現不同磁場強度的加載；結構緊湊，可在較小的空間內實現較大幅度磁場強度的調節。
[0015]本發明基于“機-電-熱-磁”多載荷多物理場耦合原理，機械加載部分可實現“拉伸/壓縮-低周疲勞-扭轉-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，采用半導體制冷和光照輻射相結合的方式實現溫度場的施加；該多載荷多物理場耦合材料微觀力學性能原位測試儀器可根據實際要求高效地將四種外加場進行組合，完成多載荷多物理場響應下的測試要求。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定的直流電壓，在導電試件的內部就會形成穩定的電場。通過調節外加電壓的大小調節內部電場的大小。[0016]所述的熱磁加載模塊34采用半導體帕爾貼片107對試件材料進行制冷，將帕爾貼片107通以規定方向的直流電，由于帕爾貼效應會使制冷一側吸收大量的熱量，使得試件的溫度降低達到制冷的效果。
[0017]所述的熱磁加載模塊34采用光照輻射的方法對試件進行加熱；通過兩根對稱的發光體108發出紅外光，光線經兩個弧形反射面反射后聚焦于試件中心一點，使該區域溫度迅速提升，經過一段時間的內部熱量傳導整個試件會達到測試要求的溫度。特別地該熱磁加載模塊34中設置循環水冷卻系統109，以保證熱磁模塊34內部穩定的溫度場不受外界溫度的影響。
[0018]本發明的有益效果在于:在結構上進行了集成性與創新性的設計，結構緊湊、功能齊全，可以對試樣施加“拉伸/壓縮-低周疲勞-扭轉-彎曲-壓痕”五種不同形式的載荷，其中五種載荷既可以單獨加載，也可對其中的兩種或兩種以上的載荷組合加載，可以更加真實地模擬材料構件在現實中的真實工況。針對鐵磁、熱磁、半導體等功能性材料，本發明可以開展材料在多載荷模式下在外加物理場中的力學測試實驗，進而為功能材料在多物理場下的性能參數提供有效地測試手段。本發明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，可以動態實時的對試樣的微觀組織形貌和裂紋擴展情況進行原位觀測，對于研究材料的微觀組織形貌和宏觀力學性能之間的內在聯系以及裂紋的擴展規律提供有有效地測試手段。本發明為各類固態材料研制、結構設計、裝備制造、壽命預測和可靠性評估提供新方法。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。
[0020]圖1為本發明集成彎曲模塊的整體主視圖；
圖2為本發明集成彎曲模塊的整體俯視圖；
圖3為本發明集成壓痕模塊的整體示意圖；
圖4為本發明集成熱磁加載模塊的整體示意圖；
圖5為本發明扭轉模塊的主視圖；
圖6為本發明扭轉模塊的剖視圖；
圖7為本發明彎曲模塊的剖視圖；
圖8為本發明壓痕模塊的主視圖；
圖9為本發明的壓痕模塊的剖視圖；
圖10為本發明的夾具體示意圖；
圖11為本發明的熱磁加載模塊視圖。
[0021]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、扭轉模塊；22、夾具體模塊；23、試件；24、導向條；25、下套筒；26、上套筒；27、六角螺母；28、雙頭螺栓；29、調整墊片；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、扭轉伺服電機；45、調整墊片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；55、減速機；56、內六角螺釘；57、電機法蘭；58、聯軸器；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、尾部旋轉軸；68、滑動軸承；69、擋板；70、彎曲底板；71、導軌滑塊組件I ;72、導軌滑塊組件II ;73、EK支撐座I ;74、底板支撐板；75、壓痕伺服電機；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、調節螺釘；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、預壓墊片；95、手動平移臺、96、LM導軌滑塊；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、調節螺桿；106、軟鐵;107、帕爾貼片;108、發光體；109、水冷卻系統。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖進一步說明本發明的詳細內容及其【具體實施方式】。
[0023]參見圖1至圖11所示，本發明的多載荷多物理場耦合材料微觀力學性能原位測試儀器，由框架支撐模塊、拉/壓-低周疲勞模塊、扭轉模塊21、三點彎曲模塊6、壓痕模塊33、熱磁加載模塊34、原位觀測模塊32和夾具體模塊構成。框架支撐模塊為測試儀器提供整機的結構支撐，拉/壓-低周疲勞模塊布置在測試儀器上下兩端，扭轉模塊21直接布置于拉/壓-低周疲勞模塊的前端，三點彎曲模塊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支撐立柱之上，原位觀測模塊布置于另一側的支撐立柱之上。夾具體模塊連接于扭轉模塊的前段，完成對試件的裝夾功能。本發明整體結構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和兩個扭轉模塊21對中心試件23進行對稱拉伸/壓縮和對稱扭轉，可以保證在拉伸/壓縮和扭轉的過程中試件23的幾何中心位置相對靜止。
[0024]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相對應的配合孔內，通過螺釘IV 16、彈性墊圈IV 17進行緊固。
[0025]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剛性的固定到相應的上、下支撐板7、103上。其中墊片18用于調整上、下支撐板之間的垂直高度。
[0026]參見圖5及圖6所示，本發明的扭轉模塊21主要由扭轉伺服電機44、蝸輪蝸桿減速箱和滾珠花鍵47等關鍵件組成。扭轉伺服電機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，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和調整墊片I 37進行限位。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，通過蝸輪端蓋1、11 48,53的內凸緣和調整墊片II 45對滾動軸承進行限位。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。
[0027]參見圖1、圖2及圖7所示，本發明的三點彎曲模塊主要由彎曲伺服電機54、滾珠絲杠60、絲杠螺母61傳動組件、壓頭64以及導軌滑塊組件1、II 71,72等組成。所述的彎曲伺服電機54經由一級減速機55與電機法蘭57用內六角螺釘56固連。減速機55的輸出軸將動力經由聯軸器58傳遞到滾珠絲杠60上，經絲杠螺母61的轉化輸出為彎曲壓頭64的直線運動。其中滾珠絲杠60采用EK支撐I 59單端懸臂布置，再經由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則通過導軌滑塊組件II 72進行導向，保證彎曲壓頭位移的直線性。特別地，本發明采用的三點彎曲為內力型三點彎曲，故在彎曲底板70的下層同樣安裝一層導軌滑塊組件I 71，使得上層三點彎曲模塊可相對于底板支撐板74整體浮動。相應地為了保證內力型彎曲，在壓頭64的右側布置了兩個支撐頭65，支撐頭65固連于支撐頭后座66并通過末端的尾部旋轉軸67安裝于滑動軸承68之內，可以保證在彎曲過程中兩個后端支撐頭65自適應的調整一定的角度，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連接于尾部旋轉軸67的軸端，可防止尾部旋轉軸67的脫落。所述的三點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整體經六角螺母27、雙頭螺栓28、調整墊片29緊固于后側兩根支撐立柱4之上。安裝于固定支撐板5上的導向條24用于方便各模塊之間互換時的安裝與定位。
[0028]參見圖3、圖8及圖9所示，本發明的壓痕模塊主要由壓痕伺服電機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75通過法蘭76安裝于底板一 77上。底板二 78通過LM導軌滑塊96安裝于底板一 77上進行導向。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用于調節電容式位移傳感器83的探頭與反射板85初始間距，調節螺釘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相應的凹槽內，由預壓墊片94進行預緊。壓痕伺服電機75的輸出動力經由絲杠螺母組件89轉化為直線運動，通過絲杠螺母座90傳遞給柔性鉸鏈81作為壓痕時的粗調位移。壓痕真實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。
[0029]參見圖10所示，本發明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與扭轉模塊中的輸出軸相連，對試件進行夾緊時通過調節夾具擋片98上的螺釘來提供脹緊力。
[0030]參見圖4及圖11所示，本發明所述的“機-電-熱-磁”多物理場耦合加載，試驗機的機械加載部分可實現“拉伸/壓縮-低周疲勞-扭轉-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定的直流電壓，在導電試件的內部就會形成穩定的電場。通過調節外加電壓的大小調節內部電場的大小。所述的熱場和磁場加載主要通過熱磁加載模塊34來實現。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，通過調節螺桿105調節永磁體104與軟鐵106形成的磁回路的相對位置來實現不同磁場強度的加載。結構緊湊，可在較小的空間內實現較大幅度磁場強度的調節。溫度場的實現則是通過半導體帕爾貼片107對試件進行制冷，將帕爾貼片107通以規定方向的直流電，帕爾貼片制冷一側會吸收大量的熱量，使得試件的溫度降低達到制冷的效果；通過光照輻射的方法對試件進行加熱。采用兩根對稱的發光體108發出紅外光，光線經兩個弧形反射面反射后聚焦于試件中心一點，使該區域溫度迅速提升，經過一段時間的內部熱量傳導整個試件會達到測試要求的溫度。特別地在該熱磁加載模塊34的整體框架中集成了循環水冷卻系統109，可以保證熱磁模塊34內部穩定的溫度場不受外界溫度的影響。
[0031 ] 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進行精確地跟隨，有利于在實驗過程中對試件的追蹤。
[0032]本發明整個機械結構采用氣浮隔振臺I作為底座，可有效地降低外界振源對試驗機的影響。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。所述的扭轉模塊21采用伺服電機作為動力源，經由一級大減速比蝸輪蝸桿減速后通過滾珠花鍵將扭轉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行扭轉。所述的三點彎曲模塊6由伺服電機提供動力源，經由滾珠絲杠螺母組件將其轉化為彎曲壓頭的直線運動。所述的壓痕模塊33由伺服電機提供動力源，經由滾珠絲杠螺母組件將其轉化為壓痕過程中的粗調位移，壓痕中的壓入位移由壓電陶瓷經柔性鉸鏈輸出。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，通過調節螺桿105調節永磁體104與軟鐵106形成的磁回路的相對位置來實現不同磁場強度的加載。結構緊湊，可在較小的空間內實現較大幅度磁場強度的調節。溫度場的實現則是通過半導體帕爾貼片107對試件進行制冷，將帕爾貼片107通以規定方向的直流電，帕爾貼片107制冷一側會吸收大量的熱量，使得試件的溫度降低達到制冷的效果；通過光照輻射的方法對試件進行加熱。采用兩根對稱的發光體108發出紅外光，光線經兩個弧形反射面反射后聚焦于試件中心一點，使該區域溫度迅速提升，經過一段時間的內部熱量傳導整個試件會達到測試要求的溫度。特別地在該熱磁加載模塊34的整體框架中集成了循環水冷卻系統109，可以保證熱磁模塊34內部穩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定的直流電壓，在導電試件的內部就會形成穩定的電場。通過調節外加電壓的大小調節內部電場的大小。所述的原位觀測模塊32作為集成性模塊這里不再論述。
[0033]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安裝相對應的壓痕模塊、三點彎曲模塊或熱磁加載模塊。啟動伺服液壓缸10將夾具體調整到合適的位置上，將待測試的標準試件23插入對應的夾具當中，手動調節夾具擋片98上的夾緊螺釘，使其可靠地夾緊試件。通過上位機多路控制器控制各加載模塊的加載過程，完成預定的試驗要求。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據、位移數據連同原位觀測模塊采集的圖像信息一同送入到上位機調試軟件中，通過相應的理論分析建立材料本構關系和相應的微觀結構演變的數學模型，通過實驗測試確定本構關系中材料性質相關的參數，推導各種常用物理參量的數學描述形式，同時動態的將材料的微觀組織形貌顯示在相應的成像屏幕上，完成整個基于多載荷多物理場的原位測試試驗。
[0034]以上所述僅為本發明的優選實例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡對本發明所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種多載荷多物理場耦合材料微觀力學性能原位測試儀器，其特征在于:包括框架支撐模塊、拉/壓-低周疲勞模塊、扭轉模塊(21)、三點彎曲模塊(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的結構支撐，拉/壓-低周疲勞模塊布置在測試儀器上下兩端，扭轉模塊(21)直接布置于拉/壓-低周疲勞模塊的前端，三點彎曲模塊(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支撐立柱之上，原位觀測模塊布置于另一側的支撐立柱之上；夾具體模塊連接于扭轉模塊的前段，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 )和兩個扭轉模塊(21)對處于中心位置的試件(23)材料進行對稱式的拉伸/壓縮測試和對稱式的扭轉測試，以保證拉伸/壓縮和扭轉過程中試件(23)材料的幾何中心位置相對靜止，以便于實施對測試過程中材料變形損傷等性能進行動態的原位監測；可以實現“拉伸/壓縮-低周疲勞-扭轉-彎曲-壓痕”五種形式載荷的加載、結合內嵌的電、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性能，獲取其變形行為、損傷機制以及性能弱化與載荷作用和材料性能間的規律。
2.根據權利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀力學性能原位測試儀器，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);所述扭轉模塊(21)包括扭轉伺服電機(44)、蝸輪蝸桿減速箱和滾珠花鍵(47);所述三點彎曲模塊(6)包括彎曲伺服電機(54)、滾珠絲杠(60)、絲杠螺母(61)傳動組件、壓頭(64)以及導軌滑塊組件1、II (71,72);所述壓痕模塊(33)包括壓痕伺服電機(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.根據權利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀力學性能原位測試儀器，其特征在于:所述的框架支撐模塊上設置原位觀測模塊，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，能夠動態監控在上述復雜機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制、微觀組織變化以及性能演變規律。
4.根據權利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀力學性能原位測試儀器，其特征在于:所述的三點彎曲模塊(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)實現互換式布置，在保證多載荷多物理場耦合加載的同時，既節省了布局空間也最大限度的豐富了儀器的測試范圍；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,可以對試件材料進行各種復雜應力場和物理場耦合狀態下的壓痕實驗。
5.根據權利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀力學性能原位測試儀器，其特征在于:所述的扭轉模塊(21)采用蝸輪蝸桿減速機構配合滾珠花鍵將軸向拉伸/壓縮運動與扭轉運動獨立，使拉/壓-低周疲勞模塊和扭轉模塊(21)相互獨立、互不干擾。
6.根據權利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀力學性能原位測試儀器，其特征在于:所述的三點彎曲模塊(6)通過彎曲底板(70)下安裝的一層導軌滑塊組件I (71)，使得上層三點彎曲模塊可相對于底板支撐板(74)整體浮動，實現內力型三點彎曲。
7.根據權利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀力學性能原位測試儀器，其特征在于:所述的三點彎曲模塊(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軸(67)安裝于滑動軸承(68)之內，以保證在彎曲過程中兩個后端支撐頭(65)自適應的調整角度，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。
8.根據權利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀力學性能原位測試儀器，其特征在于:所述的壓痕模塊(33)采用手動平移臺(95)調節電容式位移傳感器(83)的探頭與反射板(85)初始間距。
9.根據權利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀力學性能原位測試儀器，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行裝夾。
10.根據權利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀力學性能原位測試儀器，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，通過調節螺桿(105)調節永磁體(104)與軟鐵(106)形成的磁回路的相對位置來實現不同磁場強度的加載。
11.根據權利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀力學性能原位測試儀器，其特征在于:所述的熱磁加載模塊(34)采用半導體帕爾貼片(107)對試件材料進行制冷，將帕爾貼片(107)通以規定方向的直流電，由于帕爾貼效應會使制冷一側吸收大量的熱量，使得試件的溫度降低達到制冷的效果。
12.根據權利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀力學性能原位測試儀器，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行加熱；通過兩根對稱的發光體(108)發出紅外光，光線 經兩個弧形反射面反射后聚焦于試件中心一點，該熱磁加載模塊(34)中設置循環水冷卻系統(109)，保證熱磁模塊(34)內溫度場不受外界溫度的影響。
【文檔編號】G01N3/26GK103512803SQ201310444251
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月26日 優先權日:2013年9月26日
【發明者】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, 呼詠, 尚濤 申請人:吉林大學