三點、四點彎曲作用下材料微觀力學性能的原位測試儀器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種三點、四點彎曲作用下材料微觀力學性能的原位測試儀器，屬于材料微觀力學性能測試【技術領域】。屬于集機電一體化的材料微觀力學性能精密測試儀器。直流伺服電機與渦輪、蝸桿相連，通過二級渦輪蝸桿傳動機構實現減速增扭后帶動絲杠運動，結合基座的支撐后絲杠帶動精密滑塊，實現彎頭移動，結合試件樣品的支撐單元共同作用，從而實現三點彎曲、四點彎曲實驗。優點在于：體積小、結構緊湊、重量輕、動態特性好、能耗低。傳感器直接安裝在儀器基座上，充分保證了測試精度；同時兩邊彎頭跨距可以調節，三點彎曲壓頭和四點彎曲壓頭拆卸方便，互換簡潔，采用豎直結構布局，有利于保證儀器與商業化材料性能表征儀器裝備的載物臺結構兼容。
【專利說明】三點、四點彎曲作用下材料微觀力學性能的原位測試儀器
【技術領域】
[0001]本發明涉及材料微觀力學性能測試【技術領域】，特別涉及材料微觀力學性能原位測試【技術領域】，尤指一種三點、四點彎曲作用下材料微觀力學性能的原位測試儀器。其以在對樣品進行三點彎曲或四點彎曲加載的同時，借助電鏡等顯微成像儀器(如掃描電子顯微鏡SEM、raman光譜儀、X射線衍射儀、金相顯微鏡和光學顯微鏡等)對加載過程中樣品的微觀變形，損傷以及斷裂過程開展原位監測，屬于高端制造裝備與材料試驗機【技術領域】。
【背景技術】
[0002]任何機械零件或工具，在使用過程中，往往要受到各種形式外力的作用，如起重機上的鋼索，受到懸掛物拉力的作用，柴油機上的連桿，在傳遞動力時，不僅受到拉力的作用，而且還受到沖擊力的作用，軸類零件要受到彎矩、扭力的作用等等。這就要求金屬材料必須具有一種承受機械載荷而不超過許可變形或不破壞的能力，這種能力就是材料的力學性能，而要了解材料的力學性能以及影響材料力學性能的各種因素，就必須結合材料的失效形式，通過設計實驗來了解材料各方面的力學性能。主要的幾種金屬材料力學性能試驗包括拉伸試驗、壓縮試驗、扭轉試驗、彎曲試驗、硬度試驗、沖擊韌度試驗、疲勞試驗等。其中彎曲試驗則是應用最廣泛的力學性能試驗方法之一。傳統的三點彎曲、四點彎曲試驗一般是在萬能材料試驗機上進行的，試驗時將標準試樣放在一定跨距的支座上，然后在標準試樣上加載進行彎曲，由于三點彎曲、四點彎曲加載比較符合實際生產中結構件以及功能件的實際工作情況，所以常在彎曲試驗中被采用。這種三點彎曲、四點彎曲測試裝置體積大，屬于“非原位”三點彎曲、四點彎曲測試領域，即在測試的動態過程中，不能借助于掃描電子顯微鏡、拉曼光譜儀、激光共聚焦顯微鏡、超景深顯微鏡等顯微成像組件對被測試件在三點彎曲、四點彎曲加載工況下，開展原位實時的動態監測。
[0003]而原位力學性能測試是指在微、納米尺度下對試件材料進行力學性能測試，通過電子顯微鏡等觀測儀器對載荷作用下材料發生的微觀變形損傷進行全程動態監測的一種力學測試技術。該技術深入的揭示了各類材料及其制品的微觀力學行為、損傷機理及其與載荷作用和材料性能間的相關性規律。在諸多納米力學測試的范疇中，彈性模量、硬度、斷裂極限等參數是微構件力學特性測試中的最主要的測試對象，針對這些力學屬性產生了多種測試方法，如拉伸/壓縮法，扭轉法、彎曲法、納米壓痕法和鼓膜法等，其中原位彎曲測試能夠反映構件材料的彎曲強度特性，并能最直觀的測量材料彈性模量、屈服極限和斷裂強度等重要力學參數。
[0004]當前原位微納米三點彎曲、四點彎曲測試的研究尚處萌芽階段，具體表現在:受到原子力顯微鏡(AFM)、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡(TEM)等的腔體空間的限制，多數研究集中在微、納米尺度材料和結構上，如納米管、納米線以及薄膜材料等極微小結構的單純原位納米彎曲測試上，缺少對宏觀尺寸的跨尺度原位納米力學測試的深入研究，從而嚴重阻礙了微小結構材料的微觀力學行為和損傷機制新現象、新規律的發現，從測試手段和方法上來說，借助商業化的納米壓痕儀進行的原位納米壓痕測試和借助商業化的原為納米拉伸儀進行的原位拉伸測試，兩種方法均存在設備費用昂貴，測試方法單一。對結構緊湊，體積小巧，精度高，測試試件多樣化的三點彎曲、四點彎曲原位測試裝置鮮有提及，極大制約了研究的深入與發展。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種三點、四點彎曲作用下材料微觀力學性能的原位測試儀器，解決了現有機械設備在材料的機械性能測試和在此過程中觀察試件微觀形態變化是獨立的、分離的問題，以及現有測試設備體積大、結構復雜、費用昂貴及兼容性差等問題，通過不同的載荷加載方式對材料試件進行材料微觀力學性能測試，進而提供一種三點彎曲、四點彎曲作用下材料微觀力學性能的原位測試儀器，可以借助于掃描電子顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡、超景深顯微鏡等高倍數的顯微成像組件，在獲取準確的載荷-撓度曲線的同時，能夠原位實時監測被測試件在三點彎曲、四點彎曲工況下的微觀變形、損傷、裂紋的萌生、擴展路徑等微觀力學。
[0006]本發明的上述目的通過以下技術方案實現:
三點、四點彎曲作用下材料微觀力學性能的原位測試儀器，直流伺服電機I通過電機支座19安裝在底座12上，蝸桿a2固定在直流伺服電機I上，渦輪a3和蝸桿b6分別安裝在軸5上，軸5兩端固定在支架4上，渦輪b7安裝在絲杠16上，絲杠16通過連接板a8與滑動基座9相連，連接板blO與彎頭a、bll、15分別安裝在滑動基座9上，滑動基座9兩邊安裝在精密滑塊18上，精密滑塊18安裝在導軌17上；直流伺服電機I通過渦輪a、b3、7和蝸桿a、b2、6減速增扭后驅動絲杠16，絲杠16通過連接板a8帶動滑動基座9，由精密滑塊18在導軌17上滑動，實現連接板blO、彎頭all及彎頭bl5的運動，完成二點彎曲、四點彎曲實驗。
[0007]所述的底座12上安裝有精密力傳感器14，壓頭13安裝在精密力傳感器14上。精密力傳感器14直接安裝在底座12上，與傳統安裝方法相比，無中間傳動部分，不會受到絲杠間隙和剛度變形的影響，測試精度得到很大的提高，充分保證了測試精度。
[0008]所述的彎頭all與彎頭bl5間的跨距可調，可以對不同尺寸的試件進行測試。
[0009]所述的三點、四點彎曲作用下材料微觀力學性能的原位測試儀器總體尺寸為%mmX YOmmX 120mm。
[0010]本發明采用立式布局，結構緊湊，總體尺寸小，采用自行設計的滑動基座9，免去很多連接件等中間環節，減少摩擦，提高精度。可以與各種電子顯微鏡真空腔體的載物平臺相互兼容，并且能夠精確的觀測到三點彎曲、四點彎曲平面的實時變形。采用二級渦輪、蝸桿傳動機構減速增扭，使測試儀器運動平穩，傳動效率更高。三點彎曲和四點彎曲壓頭通過螺紋連接安裝在測試儀器上面，因此拆卸方便，互換簡潔。整體結構緊湊、尺寸小，可置于掃描電子顯微鏡真空腔內、Raman光譜儀載物臺、XRD載物臺以及常規金相顯微鏡或光學顯微鏡載物臺上，結合這些材料性能表征儀器，對載荷作用下材料的微觀力學行為、損傷機制以及微觀組織結構的演化進行動態原位監測。
[0011]本發明的有益效果在于:體積小，結構緊湊，功能可靠，安裝方便，便于操作的力學性能測試儀器，適用于超景深顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡、Raman光譜儀、XRD以及常規金相顯微鏡或光學顯微鏡等顯微成像組件的原位三點彎曲、四點彎曲測試裝置，結合這些材料性能表征儀器，對載荷作用下材料的微觀力學行為、損傷機制以及微觀組織結構的演化進行動態原位監測，本發明綜合現有的原位力學性能測試平臺，采用了簡便可行的更換壓頭方法解決普通測試平臺只能進行三點彎曲或者四點彎曲的問題，采用了壓頭通過傳感器，直接緊固在底座上的方法解決傳動鏈過多、測量結果不精確的問題，采用了可移動的彎頭和豎直的結構設計解決普通測試平臺難以對被測試件的正面和側邊同時進行原位觀測的難題，采用二級渦輪、蝸桿傳動機構減速增扭，使整體布局更加合理，傳動效率得到提高。
[0012]綜上，本發明對豐富原位微納米力學性能測試內容和促進材料力學性能測試技術及裝備的發展，具有重要的理論指導意義和良好的應用開發前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]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。
[0014]圖1為本發明的軸側示意圖；
圖2為本發明的主視示意圖；
圖3為本發明的電機驅動渦輪蝸桿軸測視圖；
圖4為本發明的三點彎曲結構示意圖；
圖5為本發明的四點彎曲結構示意圖。
[0015]圖中:1、直流伺服電機;2、蝸桿a ;3、渦輪a ;4、支架；5、軸;6、蝸桿b ;7、渦輪b ;8、連接板a ;9、滑動基座；10、連接板b ;11、彎頭a ;12、底座；13、壓頭；14、精密力傳感器；15、彎頭b ;16、絲杠；17、導軌；18、精密滑塊；19、電機支座。
【具體實施方式】
[0016]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】。
[0017]參見圖1至圖3所示，本發明的三點、四點彎曲作用下材料微觀力學性能的原位測試儀器，包括精密驅動單元、傳動和執行單元、信號控制和檢測單元、連接和支撐單元，具體結構是:直流伺服電機I與電機支座19通過螺栓安裝在底座12上，蝸桿a2固定在直流伺服電機I上，渦輪a3和蝸桿b6分別安裝在軸5上，軸5兩端固定在支架4上，渦輪b7通過螺釘安裝在絲杠16上，絲杠16與連接板a8通過螺釘與滑動基座9相連，連接板blO與彎頭a、bll、15通過螺釘安裝在滑動基座9上，滑動基座9兩邊通過螺釘安裝在精密滑塊18上，精密滑塊18通過螺釘安裝在導軌17上。直流伺服電機I通電，通過渦輪a、b3、7和蝸桿a、b2、6減速增扭后驅動絲杠16，絲杠16通過連接板a8帶動滑動基座9，由精密滑塊18在導軌17上來回滑動，實現連接板blO、彎頭alI及彎頭bl5的運動，完成二點彎曲、四點彎曲實驗。
[0018]參見圖1及圖2所示，精密力傳感器14通過螺紋連接安裝在底座12上，壓頭13通過螺紋連接緊固在精密力傳感器14上，精密力傳感器14直接安裝在底座12上，與傳統安裝方法相比，無中間傳動部分，不會受到絲杠間隙和剛度變形的影響，測試精度能夠得到很大的提高，充分保證了測試精度。
[0019]參見圖1及圖2所示，彎頭all與彎頭bl5的跨距可以通過滑動彎頭調整，可以對不同尺寸的試件進行測試。
[0020]參見圖1及圖2所示，所述的三點、四點彎曲作用下材料微觀力學性能的原位測試儀器采用立式結構，總體尺寸小95mmX70mmX 120mm，采用自行設計的滑動基座9，免去很多連接件等中間環節，減少摩擦，提高精度。
[0021]參見圖1及圖2所示，所述的三點、四點彎曲作用下材料微觀力學性能的原位測試儀器可以與各種電子顯微鏡真空腔體的載物平臺相互兼容，并且能夠精確的觀測到三點彎曲、四點彎曲平面的實時變形。
[0022]參見圖1至圖3所示，所述的三點、四點彎曲作用下材料微觀力學性能的原位測試儀器，采用二級渦輪、蝸桿傳動機構減速增扭，使測試儀器運動平穩，傳動效率更高。
[0023]參見圖4及圖5所示，所述的三點、四點彎曲作用下材料微觀力學性能的原位測試儀器的三點彎曲、四點彎曲壓頭通過螺紋連接安裝在測試儀器上，壓頭拆卸方便，互換簡潔。
[0024]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】
1.一種三點、四點彎曲作用下材料微觀力學性能的原位測試儀器，其特征在于:直流伺服電機(1)通過電機支座(19)安裝在底座(12 )上，蝸桿3 (2 )固定在直流伺服電機(1)上，渦輪3 (3)和蝸桿6 (6)分別安裝在軸(5)上，軸(5)兩端固定在支架(4)上，渦輪6
(8)與滑動基座(9)相連，連接板 6 (10)與彎頭1 13 (1115)分別安裝在滑動基座(9)上，滑動基座(9)兩邊安裝在精密滑塊(18)上，精密滑塊(18)安裝在導軌(17)上；直流伺服電機(1)通過渦輪(3.7)和蝸桿1 6(2,6)減速增扭后驅動絲杠(16)，絲杠(16)通過連接板3(8)帶動滑動基座(9),由精密滑塊(18)在導軌(17)上滑動，實現連接板6 (川)、彎頭3 (11)及彎頭6 (15)的運動，完成三點彎曲、四點彎曲實驗。
2.根據權利要求1所述的三點、四點彎曲作用下材料微觀力學性能的原位測試儀器，其特征在于:所述的底座(12)上安裝有精密力傳感器(14),壓頭(13)安裝在精密力傳感器(14)上。
3.根據權利要求1所述的三點、四點彎曲作用下材料微觀力學性能的原位測試儀器，其特征在于:所述的彎頭3 (11)與彎頭6 (15)間的跨距可調。
4.根據權利要求1或2或3所述的三點、四點彎曲作用下材料微觀力學性能的原位測試儀器，其特征在于:所述的三點、四點彎曲作用下材料微觀力學性能的原位測試儀器總體尺寸為120臟。
【文檔編號】G01N3/06GK104359769SQ201410628789
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月11日 優先權日:2014年11月11日
【發明者】趙宏偉, 侯鵬亮, 付海雙, 徐修權, 呼詠, 鄒青, 張富, 金明俊, 李聰, 李檸 申請人:吉林大學