多載荷多物理場耦合材料微觀性能原位測試試驗的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種多載荷多物理場耦合材料微觀性能原位測試試驗機，屬于材料力學性能測試【技術領域】。包括有微/納精度的驅動/傳動模塊、“機-電-熱-磁”加載模塊、控制模塊，并集成了高景深3D顯微成像鏡頭和拉曼光譜儀、可視化原位監測模塊，能夠動態監控加載過程中材料的變形行為、損傷機制與性能演變規律。優點在于：整機結構緊湊，節省空間布局。其中“拉伸/壓縮-扭轉-彎曲-壓痕”四種形式的載荷既可以單獨加載，也可以實現兩種或兩種以上的載荷進行組合式加載，結合熱-電-磁等外加物理場可以最大限度的模擬材料構件的真實工況下，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性能原位測試試驗機
【技術領域】
[0001]本發明涉及材料性能測試領域，特別涉及一種多載荷多物理場耦合材料微觀性能 原位測試試驗機。
【背景技術】
[0002]基于標準試樣的常規拉伸、彎曲、扭轉測試技術已經相對成熟，可以在滿足材料強 度和疲勞特性等宏觀力學性能測試的需求的同時，能夠對單一載荷下的樣件進行微觀力學 性能的分析。但其測試原理多為離位測試，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，因此很難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 起來綜合分析材料的性能。特別是材料在實際工況下，往往是多載荷作用下工作，材料的各 種力學性能已經不能以單一載荷測試下的性能進行評定。
[0003]而現有研究中，復合載荷模式的加載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。這種復合的形式 相對單一，不能夠有效地控制載荷的加載時間，也就無法模擬實際工況下載荷的作用情況， 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，限制了 材料試驗機的普及應用。
[0004]同時，隨著社會的發展，具有優良的力學性能的功能材料已經逐漸被人們所使用。 這就使得對電-熱-磁等多種物理場作用下的力學性能的分析的需求迫切。而現有商業化 的試驗機很難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 于多種載荷多物理場耦合環境下的材料力學性能測試試驗機已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性能原位測試試驗機， 解決了現有技術存在的上述問題。是對材料在多載荷多物理場下微觀力學性能實時觀測 分析的試驗機，對功能材料的測試分析亦適用。本發明可以對樣件施加“拉伸/壓縮-扭 轉-彎曲-壓痕”四種形式載荷中的單一載荷，也可以在選擇性地加載溫度場、電場和磁場 的同時施加其中兩種或兩種以上的復合載荷，尤其針對鐵磁、熱磁、半導體等功能性材料在 溫度場、電場和磁場與應力場相耦合的情況下的力學性能測試，并且可以結合三維動態成 像平臺可以對測試過程進行動態實時觀測與性能分析。為研究接近服役條件下材料的微觀 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效地測試手段。
[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性能原位測試試驗機，包括拉/壓模塊1、扭轉模塊2、壓 痕模塊3、原位觀測模塊4、三點彎曲模塊5、熱磁加載模塊6、框架支撐模塊8和夾持模塊9， 該試驗機整體采用臥式非對稱結構布置，單側布置拉/扭傳感器7和拉扭模塊傳感器；所述壓痕模塊3和原位觀測模塊4集成于同一升降臺；三點彎曲模塊5和熱磁加載模塊6集成 于同一升降臺；拉/壓模塊1、扭轉模塊2安裝于框架支撐模塊8上；可以實現“拉伸/壓 縮一扭轉-彎曲-壓痕”四種形式載荷的加載、“溫度場、電場、磁場”三種物理場的加載條 件下研究功能材料在“機-電-熱-磁”多載荷多物理場耦合條件下的微觀力學性能以及 原位測試。
[0007]所述的拉/壓模塊I采用單側拉伸結構，由電機通過導軌直接帶動位于拉伸模塊 I上的扭轉模塊2，降低了結構的復雜性。
[0008]所述的扭轉模塊2通過齒輪在齒形帶30的旋轉刻度值來確定扭轉模塊2的進給 量，采用滾珠花鍵來將軸向拉/壓運動與扭轉運動獨立開來，使得拉/壓模塊I和扭轉模塊 2相互獨立。
[0009]所述的原位觀測模塊4安裝于可上下升降的鏡頭支架42上，并且可由微調連接塊 44和微調傳動箱45調節原位觀測模塊4在水平面內的自由度，滿足實時動態觀測需求。
[0010]所述的三點彎曲模塊5通過升降移動支架52下安裝的絲杠導軌64，使得上層三點 彎曲模塊可相對于框架支撐模塊8整體浮動，實現內力型三點彎曲。
[0011]所述的熱磁加載模塊6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。
[0012]所述的三點彎曲模塊5和熱磁加載模塊6固定于同一可升降的支架上,并且該支 架可以沿試驗機橫向方向移動，實現兩個加載模塊的切換。
[0013]所述的壓痕模塊3通過負載傳感器75和微進機構84精確地確定壓痕位置與壓痕 位移。
[0014]所述的原位觀測模塊4和壓痕模塊3固定于可沿試驗機縱向方向移動的升降平臺 上，可方便的實現這兩個單原間的切換以及各自模塊相對于樣件位置的粗調。
[0015]所述的框架支撐模塊8采用大理石臺面27，可有效地保證試驗機表面的平度，該 大理石臺面27與氣浮隔振臺92固定，有效地降低了外界因素對試驗測試時的影響。
[0016]本發明基于“機-電-熱-磁”多物理場耦合原理，其機械加載部分可實現“拉伸 /壓縮-扭轉-彎曲-壓痕”四種形式載荷的施加，可根據試驗的實際要求高效地將四種外 加場進行組合，完成多物理場下的測試需求。
[0017]本發明的有益效果在于:
1、可實現“拉伸/壓縮-扭轉-彎曲-壓痕”四種形式載荷的施加，可根據試驗的實際 要求高效地將“機-電-熱-磁”四種外加場進行組合，完成多載荷多物理場下的測試需求， 也可對其中的兩種或兩種以上的載荷組合加載，可以真實地模擬真實工況下材料微觀力學 性能。
[0018]2、在結構上進行了模塊化設計，結構緊湊、功能齊全。
[0019]3、在試驗機的主體框架中集成了三維動態觀測平臺，通過觀高景深3D成像等顯 微成像鏡頭和拉曼光譜儀，可以實時動態的對試樣的微觀組織形貌，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提供有有效地測試手段。
[0020]4、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和很高的經濟效益。【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]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。
[0022]圖1為本發明總體俯視圖；
圖2為本發明集成拉伸模塊的整體示意圖；
圖3為本發明扭轉模塊的整體示意圖；
圖4為本發明原位觀測模塊的整體示意圖；
圖5為本發明三點彎曲模塊示意圖；
圖6為本發明熱磁模塊的示意圖；
圖7為本發明壓痕模塊的示意圖；
圖8為本發明壓痕模塊和原位觀測模塊的位置示意圖；
圖9為本發明框架支撐模塊示意圖。
[0023]圖中:1-拉/壓模塊；2_扭轉模塊；3_壓痕模塊；4_原位觀測模塊；5_三點彎曲 模塊；6_熱磁加載模塊；7_框架支撐模塊；9_夾持模塊；10_拉伸伺服電機；11_減速器； 12-內六角螺栓I ;13_螺母I ;14_軸套I ;15_絲杠螺母座III ；16-絲杠螺母座IV ；17-絲 杠；18-基座I ;19_內六角螺釘I ;20_絲杠螺母I ;21_推力軸承；22-導軌滑塊I ;23_導 軌I ;24_內六角螺釘II ;25_電機座I ;26_內六角螺釘III ;27_大理石臺面；28_固定板； 29-固定擋板；30_齒形帶；31_上齒輪；32_鍵I ;33_張緊機構；34_下齒輪；35_鍵II ； 36-外花鍵軸；37_內花鍵軸；38_鏡頭基座；39_微調手輪；40_鏡身；41_鏡頭；42_鏡頭 支架；43_螺栓；44_連接塊；45-微調傳動箱；46_導軌；47_定位板；48_頭部定位塊I ; 49-彎曲頭；50-頭部定位塊II ;51_導軌滑塊I ;52_升降移動支架；53-彎曲模塊基座； 54-移動絲杠座I ;55_伺服電機；56-移動支撐架I ;57_移動模塊基座I ;58_絲杠螺母 I ;59_絲杠I ;60_移動絲杠座II ;61_絲杠II ;62_導軌滑塊II ;63_支撐塊；64-升降支 座；65_絲杠螺母座I ;66_絲杠螺母座II ;67_頂梁磁頭；68_連接塊；69_夾緊塊；70_支撐 塊；71_熱磁基座架；72_調節螺母；73_調節螺桿；74_柔性鉸鏈；75_負載傳感器；76_壓 痕頭；77_頭部固定器；78_連接桿；79_遮擋板；80_安裝桿；81_調整支架；82_內六角螺 栓II ；83-螺母II ；84-微進機構；85_壓板；86_基座II ;87_連接板；88_蓋板；89_壓痕殼 體；90_內六角螺釘IV ;91_側板；92_氣浮隔振臺。
【具體實施方式】
[0024]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】。
[0025]參見圖1至圖9所示，本發明的多載荷多物理場耦合材料微觀性能原位測試試驗 機，包括拉/壓模塊1、扭轉模塊2、壓痕模塊3、原位觀測模塊4、三點彎曲模塊5、熱磁加載 模塊6、框架支撐模塊8和夾持模塊9，該試驗機整體采用臥式非對稱結構布置，單側布置拉 /扭傳感器7和拉扭模塊傳感器；所述壓痕模塊3和原位觀測模塊4集成于同一升降臺；三 點彎曲模塊5和熱磁加載模塊6集成于同一升降臺；拉/壓模塊1、扭轉模塊2安裝于框架 支撐模塊8上；可以實現“拉伸/壓縮一扭轉-彎曲-壓痕”四種形式載荷的加載、“溫度 場、電場、磁場”三種物理場的加載條件下研究功能材料在“機-電-熱-磁”多載荷多物 理場耦合條件下的微觀力學性能以及原位測試。[0026]參見圖2所示，本發明的拉/壓模塊I采用非對稱結構，主要由拉伸伺服電機10、 減速器11、內六角螺栓I 12、螺母I 13、軸套I 14、絲杠螺母座III 15、絲杠螺母座IV 16、絲 杠17、基座I 18、內六角螺釘I 19、絲杠螺母I 20、推力軸承21、導軌滑塊I 22、導軌I 23、 內六角螺釘II 24、電機座I 25、內六角螺釘III 26組成。導軌I 23和電機座I 25為該模塊 的固定部分，通過螺栓與大理石臺27固定，電機座I 25上安裝有絲杠螺母座III 15，拉伸伺 服電機10和減速器11組裝后通過內六角螺栓I 12與電機座I 25固定，減速器軸與絲杠螺 母座III15之間選擇軸套I 14連接，由此就可以將拉伸伺服電機10主軸的旋轉運動傳遞給 絲杠17，由絲杠17帶動基座I 18沿導軌I 23的直線運動，從而實現了沿試驗機縱向方向 的拉伸/壓縮功能。拉伸運動端由伺服電機10驅動絲杠15運轉，帶動導軌滑塊22運動， 對所夾持的樣件施加拉伸/壓縮載荷。另一端固定端安裝有拉扭傳感器7，該拉扭傳感器7 由空氣軸承支撐，可有效消除輕浮力的干擾。
[0027]參見圖3所示，本發明的扭轉模塊2主要由固定板28、固定擋板29、齒形帶30、上 齒輪31、鍵I 32、張緊機構33、下齒輪34、鍵II 35、外花鍵軸36、內花鍵軸37組成。扭轉模 塊伺服電機通過鍵I 32與上齒輪31連接，齒形帶30用于傳遞上齒輪31和下齒輪34之間 的扭轉力，下齒輪34通過外花鍵軸36、內花鍵軸37實現與拉/壓模塊I主軸的連接，既可 以實現拉/壓、扭轉力的傳遞與復合，整個模塊安裝固定于固定板28和固定擋板29上，其 中張緊機構33用于防止齒形帶30松弛。扭轉模塊2通過齒輪在齒形帶30上的旋轉刻度 值來確定扭轉模塊的進給量，采用滾珠花鍵來將軸向拉/壓運動與扭轉運動獨立開來，使 得拉/壓模塊I和扭轉模塊2相互獨立。扭轉力采用樣件兩側同時加載的方式，以保證觀 測點的固定。
[0028]參見圖7及圖8所示，本發明的壓痕模塊3主要由柔性鉸鏈74、負載傳感器75、壓 痕頭76、頭部固定器77、連接桿78、遮擋板79、安裝桿80、調整支架81、內六角螺栓II 82、 螺母II 83、微進機構84、壓板85、基座II 86、連接板87、蓋板88、壓痕殼體89、內六角螺釘 IV 90、側板91組成。壓痕頭76通過頭部固定器77、遮擋板79和連接桿78連接到負載傳 感器75，負載傳感器75與柔性鉸鏈74連接，這部分組成了壓痕模塊的前端壓痕工作單元， 安裝桿80和調整支架81通過內六角螺栓II 82和螺母II 83連接后，與微進機構84固定， 由微進機構84帶動壓板85，實現壓痕頭76的壓痕精確進給功能。整個模塊下端設計粗略 進給單元，包括連接板87、蓋板88、壓痕殼體89、內六角螺釘IV 90和側板91。壓痕模塊3 與原位觀測模塊4共用同一個兩自由度升降支架，有效地進行壓痕模塊3與原位觀測模塊 4位置的切換，以及粗略定位，負載傳感器75和微進機構84精確地確定壓痕位置與壓痕位 移量。
[0029]參見圖4及圖8所示，本發明的原位觀測模塊4主要由鏡頭基座38、微調手輪39、 鏡身40、鏡頭41、鏡頭支架42、螺栓43、微調連接塊44、微調傳動箱45、導軌46組成。鏡身 40、鏡頭41和鏡頭支架42是組成件，通過螺栓43與微調連接塊44連接，可實現鏡頭41沿 樣件軸向方向的精確進給運動。微調連接塊44與微調傳動箱45固定，通過微調手輪39的 調節，實現微調傳動箱45上的滑塊沿導軌46方向的運動，由此實現鏡頭41沿樣件徑向的 進給運動。原位觀測模塊4通過鏡頭基座38粗調移動位置，通過微調連接塊44和微調傳 動箱45進行精確定位觀測點。
[0030]參見圖5所示，本發明的三點彎曲模塊5主要由定位板47、頭部定位塊I 48、彎曲頭49、頭部定位塊II 50、導軌滑塊I 51、升降移動支架52、彎曲模炔基座53、移動絲杠座 I 54、伺服電機55、移動支撐架I 56、移動模炔基座I 57、絲杠螺母I 58、絲杠I 59、移動絲杠座II 60、絲杠II 61、導軌滑塊II 62、支撐塊63、升降支座64、絲杠螺母座I 65、絲杠螺母座II 66組成。彎曲頭49的固定2而安裝于頭部定位塊I 48固定，彎曲頭49運動2而安裝于頭部定位塊II 50，部定位塊II 50上的導軌滑塊I 51可沿彎曲模炔基座53上的導軌直線運動，實現彎曲頭49運動端沿樣件徑向的進給運動。定位板47與升降移動支架52連接， 實現整個彎曲模塊的升降功能，升降支座64與移動絲杠座I 54連接，由伺服電機55驅動移動支撐架I 56實現彎曲模塊的粗略進給功能。三點彎曲模塊5通過升降移動支架52下安裝的絲杠導軌64，使得上層三點彎曲模塊可相對于框架支撐模塊8整體浮動，再由伺服電機實現內力型三點彎曲。
[0031]參見圖6所示，本發明的熱磁加載模塊6主要由頂梁磁頭67、連接塊68、夾緊塊 69、支撐塊70、熱磁基座架71、調節螺母72、調節螺桿73組成。連接塊68用于連接頂梁磁頭67和支撐塊70，夾緊塊69與支撐塊70固定，由連接于夾緊塊69的調節螺母72和調節螺桿73來調節對樣件的夾持力。熱磁基座架71與定位板47固定。該熱磁加載模塊6采用永磁體直接回路法施加磁場，通過調節螺桿73調節永磁體與軟鐵形成的磁回路的相對位置來實現不同磁場強度的加載。溫度場的實現則是通過半導體帕爾貼片對試件進行制冷， 將帕爾貼片通以規定方向的直流電，由于帕爾貼效應帕爾貼片制冷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。采用兩根對稱的發光體發出紅外光，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。
[0032]三點彎曲模塊5和熱磁加載模塊6固定于同一可升降的支架上，并且該支架可以沿試驗機橫向方向移動，實現兩個加載模塊的切換。
[0033]本發明主要用能材料之拉伸/壓縮、三點彎曲、壓痕、扭轉的多載荷加載模式下， 以及耦合熱、磁物理場的條件下功能材料微觀力學性能的原位監測測試。本發明集成有微/ 納精度的驅動/傳動模塊、“機-電-熱-磁”加載模塊、控制模塊，并集成了高景深3D顯微成像鏡頭和拉曼光譜儀、可視化原位監測模塊，能夠動態監控加載過程中材料的變形行為、 損傷機制與性能演變規律。
[0034]本發明中的三點彎曲模塊和熱磁加載模塊采用互換式布局，壓痕單元和觀測單元均可根據實驗的要求進行快速替換，有效地節省了空間布局，實現整機結構的緊湊性。其中 “拉伸/壓縮--扭轉-彎曲-壓痕”四種形式的載荷既可以單獨加載，也可以實現兩種或兩種以上的載荷進行組合式加載，結合熱-電-磁等外加物理場可以最大限度的模擬材料構件的真實工況下，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。
`[0035]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性能原位測試試驗機，其特征在于:包括拉/壓 模塊(I)、扭轉模塊(2 )、壓痕模塊(3 )、原位觀測模塊(4)、三點彎曲模塊(5 )、熱磁加載模塊(6)、框架支撐模塊(8)和夾持模塊(9)，該試驗機整體采用臥式非對稱結構布置，單側布置 拉/扭傳感器(7)和拉扭模塊傳感器；所述壓痕模塊(3)和原位觀測模塊(4)集成于同一升 降臺；三點彎曲模塊(5)和熱磁加載模塊(6)集成于同一升降臺；拉/壓模塊(I)、扭轉模塊 (2 )安裝于框架支撐模塊(8 )上；可以實現“拉伸/壓縮一扭轉-彎曲-壓痕”四種形式載荷 的加載、“溫度場、電場、磁場”三種物理場的加載條件下研究功能材料在“機-電-熱-磁” 多載荷多物理場耦合條件下的微觀力學性能以及原位測試。
2.根據權利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀性能原位測試試驗機,其特征 在于:所述的拉/壓模塊(I)采用單側拉伸結構，由電機通過導軌直接帶動位于拉伸模塊(I)上的扭轉模塊(2)。
3.根據權利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀性能原位測試試驗機,其特征 在于:所述的扭轉模塊(2)通過齒輪在齒形帶(30)的旋轉刻度值來確定扭轉模塊(2)的進 給量，采用滾珠花鍵來將軸向拉/壓運動與扭轉運動獨立開來，使得拉/壓模塊(I)和扭轉 模塊(2)相互獨立。
4.根據權利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀性能原位測試試驗機，其特 征在于:所述的原位觀測模塊(4)安裝于可上下升降的鏡頭支架(42)上，并且可由連接塊(44)和微調傳動箱(45)調節原位觀測模塊(4)在水平面內的自由度。
5.根據權利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀性能原位測試試驗機,其特征 在于:所述的三點彎曲模塊(5)通過升降移動支架(52)下安裝的絲杠導軌(64)，使得上層 三點彎曲模塊可相對于框架支撐模塊(8)整體浮動，實現內力型三點彎曲。
6.根據權利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀性能原位測試試驗機,其特征 在于:所述的熱磁加載模塊(6)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。
7.根據權利要求1或5所述的多載荷多物理場耦合材料微觀性能原位測試試驗機，其 特征在于:所述的三點彎曲模塊(5)和熱磁加載模塊(6)固定于同一可升降的支架上,并且 該支架可以沿試驗機橫向方向移動，實現兩個加載模塊的切換。
8.根據權利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀性能原位測試試驗機,其特征 在于:所述的壓痕模塊(3)通過負載傳感器(75)和微進機構(84)精確地確定壓痕位置與壓 痕位移。
9.根據權利要求1或4所述的多載荷多物理場耦合材料微觀性能原位測試試驗機，其 特征在于:所述的原位觀測模塊(4)和壓痕模塊(3)固定于可沿試驗機縱向方向移動的升 降平臺上，可方便的實現這兩個單原間的切換以及各自模塊相對于樣件位置的粗調。
10.根據權利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀性能原位測試試驗機,其特 征在于:所述的框架支撐模塊(8)采用大理石臺面(27)，可有效地保證試驗機表面的平度， 該大理石臺面(27)與氣浮隔振臺(92)固定，有效地降低了外界因素對試驗測試時的影響。
【文檔編號】G01N3/40GK103499483SQ201310444252
【公開日】2014年1月8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, 李聰, 曲涵, 張永利, 緱旭, 佟達, 唐可洪, 范尊強, 朱仲偉, 高景, 程虹柄, 林增宇, 張富, 鄒青, 徐麗霞 申請人:吉林大學