拉伸疲勞?四點彎曲疲勞原位力學測試裝置的制作方法

本實用新型涉及機電一體化精密科學儀器領域,特別涉及一種基于拉伸疲勞-四點彎曲疲勞原位力學測試裝置。

背景技術：

金屬疲勞是材料科學的一個重要組成部分，已日益顯示出它在提高產品質量和工程應用中的重要作用。受商業化試驗機限制實驗周期較長、耗費較大，且材料試件疲勞斷裂微觀結構都是在疲勞實驗結束后采用掃描顯微鏡等成像設備進行研究分析的，不能實現材料試件受多種載荷應力作用下材料微觀形貌實時觀測，對材料疲勞力學性能研究有一定的局限性。

疲勞試驗機按測試試樣的加載方式可分為：拉－壓疲勞試驗機、彎曲疲勞試驗機、扭轉疲勞試驗機、復合應力疲勞試驗機等。實際工程中的板、殼結構部件所承受的大多是多種載荷同時作用，如拉伸一彎曲復合載荷模式、彎曲一疲勞復合載荷模式、拉伸一扭轉復合載荷模式等,因此,解析復合載荷模式作用下的材料的力學性能及其變性損傷機制對材料學的發展具有不可忽視的現實意義。同時四點彎曲疲勞試驗是用于測量材料彎曲疲勞性能的一種試驗方法。

因此設計開發一種集拉伸/壓縮、四點彎曲、拉伸疲勞、四點彎曲疲勞多種載荷加載模式于一體的跨尺度原位材料力學測試平臺,對實時原位監測材料的微觀力學行為和變性損傷機制具有十分重要的意義。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于提供一種拉伸疲勞-四點彎曲疲勞原位力學測試裝置,解決了現有技術存在的上述問題。可集成拉伸測試、四點彎曲測試、疲勞測試及基于上述兩種單一載荷形式的復合載荷測試，即可給定拉伸應力下的四點彎曲測試、給定四點彎曲應力下的拉伸測試、給定拉伸應力下的四點彎曲疲勞測試或給定四點彎曲應力狀態下的拉伸疲勞測試,還可以同時進行拉伸疲勞、四點彎曲疲勞復合加載測試。此外本實用新型測試裝置結構小巧，可在多種顯微鏡下開展上述測試，對材料的微觀變形、損傷和斷裂過程進行原位監測。

本實用新型的上述目的通過以下技術方案實現：

一種拉伸疲勞-四點彎曲疲勞原位力學測試裝置，包括四點彎曲預載荷加載單元、四點彎曲疲勞加載單元、拉伸預載荷加載單元、拉伸疲勞加載單元以及上位機；

所述的四點彎曲預載荷加載單元包括：直流伺服電機Ⅰ、電機法蘭盤Ⅰ、單向滾珠絲杠Ⅱ以及位移傳感器Ⅱ，其中，直流伺服電機Ⅰ通過電機法蘭盤Ⅰ與測試平臺基座相連，直流伺服電機Ⅰ的輸出軸依次經由第一減速增扭單元實現減速、增扭后與單向滾珠絲杠Ⅱ的絲杠轉動副連接，單向滾珠絲杠Ⅱ上的螺母移動副上固定連接彎曲模塊支撐座,測試平臺基座上設有用于測量彎曲模塊支撐座位移量的位移傳感器Ⅱ，彎曲模塊支撐座上剛性固定所述四點彎曲疲勞加載單元；

所述四點彎曲疲勞加載單元包括：壓電疊堆I、柔性鉸鏈Ⅰ、力傳感器Ⅰ和四點彎曲壓頭；其中，壓電疊堆I安裝于柔性鉸鏈Ⅰ的凹槽內,通過預緊螺釘進行預緊，四點彎曲壓頭經由力傳感器Ⅰ安裝于柔性鉸鏈Ⅰ的輸出端處，柔性鉸鏈Ⅰ剛性固定在彎曲模塊支撐座上；

所述拉伸預載荷加載單元包括：直流伺服電機Ⅱ、電機法蘭盤Ⅱ、精密雙向滾珠絲杠、拉伸夾持臺I、拉伸夾持臺II、夾具Ⅰ以及力傳感器Ⅱ，其中，直流伺服電機Ⅱ通過電機法蘭盤Ⅱ安裝在測試平臺基座上，通過第二減速增扭單元實現減速、增扭后與精密雙向滾珠絲杠的絲杠轉動副連接，精密雙向滾珠絲杠上兩個螺母移動副中的一個連接拉伸夾持臺I，另一個連接拉伸夾持臺II，夾具Ⅰ通過拉伸夾持臺Ⅰ和拉伸夾持臺Ⅱ安裝在與測試平臺基座固連的直線導軌滑塊Ⅱ上；在夾具Ⅰ的端部安裝有用于檢測測試試件所受拉力的力傳感器Ⅱ，夾具Ⅰ下方設置有隨時監測拉伸量的位移傳感器Ⅱ；

所述拉伸疲勞加載單元包括：柔性鉸鏈Ⅱ、壓電疊堆Ⅱ、夾具Ⅱ以及位移傳感器Ⅱ,所述壓電疊堆Ⅱ安裝在柔性鉸鏈Ⅱ內,柔性鉸鏈Ⅱ固定端通過螺釘固定在拉伸夾持臺Ⅰ上,柔性鉸鏈Ⅱ的活動端與夾具Ⅱ相連,夾具Ⅱ通過拉伸夾持臺Ⅰ、拉伸夾持臺Ⅱ安裝在與測試平臺基座固連的直線導軌滑塊Ⅱ上；

所述上位機分別與直流伺服電機Ⅰ、位移傳感器Ⅱ、壓電疊堆I、力傳感器Ⅰ、直流伺服電機Ⅱ、力傳感器Ⅱ、接觸式位移傳感器Ⅱ、以及壓電疊堆Ⅱ控制連接。

所述第一減速增扭單元包括傳動連接的蝸輪Ⅰ和蝸桿Ⅰ；所述第二減速增扭單元包括傳動連接的蝸輪Ⅱ和蝸桿Ⅱ。

所述測試平臺基座上設有位移傳感器支座Ⅰ，彎曲模塊支撐座的側部固定連接有L形擋板；所述位移傳感器Ⅱ安裝在位移傳感器支座Ⅰ上,用來測量L型擋板的位移量，進而得出四點彎曲壓頭的位移量。

所述的夾具I、夾具Ⅱ均通過旋緊螺釘對試件進行夾緊；所述試件上加工有與旋緊螺釘相配合實現試件定位的U型槽，然后在試件的上部依次放置防滑墊層、上壓板，最后通過內六角螺栓實現對試件的壓緊。

本實用新型的有益效果在于:

第一、本實用新型裝置體積小巧,結構緊湊,可安裝于各種主流電子顯微鏡真空腔體的載物平臺上。

第二、通過對試件一方向上施加拉伸載荷同時另一個方向上施加彎曲載荷,使試件的中心在一個平面上存在兩個相互垂直的加載力,同時在拉伸載荷的基礎上還可以對試件的拉伸端施加疲勞載荷,在彎曲載荷的基礎上在試件的彎曲方向施加疲勞載荷,用于研究不同載荷形式及載荷大小情況下材料的微觀力學性能。此外,拉伸載荷方向和彎曲載荷方向各使用一個壓電疊堆進行疲勞加載,即拉伸方向和彎曲方向的疲勞加載相互獨立,使疲勞加載方案選擇多樣性，可開展拉伸試驗、四點彎曲試驗、拉伸和四點彎曲耦合加載試驗、拉伸和拉壓疲勞耦合試驗、四點彎曲和彎曲疲勞耦合加載試驗、拉伸－拉壓疲勞－四點彎曲耦合加載試驗、拉伸－四點彎曲－彎曲疲勞及拉伸－拉壓疲勞－四點彎曲－彎曲疲勞耦合加載試驗。

第三、可以在各類成像儀器的觀測下對試件進行原位拉伸、四點彎曲、疲勞單一以及復合力學測試，對材料的微觀變形和損傷過程進行原位觀察，并通過載荷/位移信號的同步檢測,結合相關算法,亦可自動擬合生成載荷作用下的應力應變曲線。

第四、本實用新型對豐富原位微納米力學測試內容和促進材料力學性能測試技術及裝備具有重要的理論意義和良好的應用開發前途。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解,構成本申請的一部分,本實用新型的示意性實例及其說明用于解釋本實用新型,并不構成對本實用新型的不當限定。

圖1為本實用新型裝置的整體外觀結構示意圖；

圖2是本實用新型裝置的的俯視圖；

圖3是本實用新型裝置的的右視圖；

圖4是本實用新型裝置的的主視圖；

圖5是本實用新型裝置的四點彎曲疲勞單元結構示意圖；

圖6是本實用新型裝置試件夾持單元部分結構示意圖；

圖7是本實用新型裝置試件夾持單元完整結構示意圖；

圖中：1.直流伺服電機Ⅰ；2.電機法蘭盤Ⅰ；3.彈性聯軸器Ⅰ；4.軸承支座Ⅰ；5.蝸輪Ⅰ；6.蝸桿Ⅰ；7.固定座Ⅰ；8.位移傳感器支座Ⅰ；9.位移傳感器Ⅰ；10.柔性鉸鏈Ⅱ；11.壓電疊堆Ⅱ；12.直流伺服電機Ⅱ；13.電機法蘭盤Ⅱ；14.彈性聯軸器Ⅱ；15.軸承支座Ⅱ；16.蝸輪Ⅱ；17.蝸桿Ⅱ；18.固定座Ⅱ；19.位移傳感器Ⅱ；20直線導軌滑塊Ⅱ；21.拉伸夾持臺Ⅰ；22.直線導軌滑塊Ⅰ；23.彎曲模塊底座；24.柔性鉸鏈Ⅰ；25.壓電疊堆Ⅰ；26力傳感器Ⅰ.27.連接塊；28.四點彎曲壓頭；29.試件；30.夾具Ⅰ；31.力傳感器Ⅱ；32.拉伸夾持臺Ⅱ；33.測試平臺基座；34.彎曲模塊支撐座；35.夾具Ⅱ；36.單向滾珠絲杠Ⅱ；37.L型擋板；38.旋緊螺釘。

具體實施方式

下面結合附圖進一步說明本實用新型的詳細內容及其具體實施方式。

參見圖1至圖6所示,本實用新型的拉伸疲勞-四點彎曲疲勞原位力學測試裝置，包括四點彎曲預載荷加載與檢測單元、四點彎曲疲勞加載單元、拉伸預載荷加載與檢測單元、拉伸疲勞加載單元。

所述的四點彎曲預載荷加載單元是：直流伺服電機Ⅰ1通過電機法蘭盤Ⅰ2與測試平臺基座33相連，經由蝸輪Ⅰ5、蝸桿Ⅰ6實現減速、增扭，帶動單向滾珠絲杠Ⅱ36將旋轉運動轉換為彎曲模塊支撐座34的直線往復運動,最終實現四點彎曲測試壓頭28對被測試樣29的準靜態加載。所述位移傳感器Ⅱ19安裝在位移傳感器支座Ⅰ8上,用來測量L型擋板37的位移量，進而得出四點彎曲壓頭28的位移量。

參見圖5所示，本實用新型所述的四點彎曲疲勞加載單元由壓電疊堆I 25、柔性鉸鏈Ⅰ24、力傳感器Ⅰ26和四點彎曲壓頭28組成；其中壓電疊堆I 25安裝于柔性鉸鏈Ⅰ24的凹槽內,通過預緊螺釘進行預緊，壓頭28經由力傳感器Ⅰ26安裝于柔性鉸鏈Ⅰ24的輸出端處，整個彎曲疲勞單元與彎曲模塊支撐座34剛性固定，在實現彎曲疲勞的過程中,通過壓電疊堆I 25驅動柔性鉸鏈Ⅰ24帶動力傳感器Ⅰ26和四點彎曲壓頭28輸出微小交變位移,完成彎曲載荷下的低頻疲勞加載。

所述的拉伸預載荷加載單元是：直流伺服電機Ⅱ12通過電機法蘭盤Ⅱ13安裝在測試平臺基座33上，通過蝸輪Ⅱ16蝸桿Ⅱ17減速增扭，驅動精密雙向滾珠絲杠并將絲杠的旋轉運動轉化為拉伸夾持臺I、11(21、32)的直線運動，實現對試件29拉伸加載。在夾具夾具Ⅰ30端安裝有力傳感器Ⅱ31，用于檢測測試試件所受的拉力。通過安裝在夾具下方的接觸式位移傳感器Ⅱ19，可以隨時監測拉伸的位移。

所述的拉伸疲勞加載單元包括：柔性鉸鏈Ⅱ10、壓電疊堆Ⅱ11、夾具Ⅱ35以及位移傳感器Ⅱ19,所述壓電疊堆Ⅱ11安裝在柔性鉸鏈Ⅱ10內,柔性鉸鏈Ⅱ10固定端通過螺釘固定在拉伸夾持臺Ⅰ21上,柔性鉸鏈Ⅱ10的活動端與夾具Ⅱ35相連,夾具Ⅰ、Ⅱ30、35通過拉伸夾持臺Ⅰ、Ⅱ21、32安裝在與測試平臺基座33固連的直線導軌滑塊Ⅱ20上。在實現拉伸疲勞的過程中,通過壓電疊堆Ⅱ11驅使柔性鉸鏈Ⅱ10實現試件29拉伸方向中低頻往復運動,實現疲勞加載。

所述的四點彎曲預載荷加載與檢測單元采用四點彎曲壓頭28，可對材料開展兩端固支四點彎曲測試和兩端自由四點彎曲力學性能測試。

參見圖6所示，本實用新型所述的夾具I30、夾具Ⅱ35上均通過旋緊螺釘38對試件29進行夾緊；所述試件29上加工有U型槽與旋緊螺釘38相配合實現試件的定位，然后在試件29上依次放置防滑墊層、上壓板，通過擰緊內六角螺栓實現對試件29的壓緊，以保證夾持的可靠性。

本實用新型測試裝置將拉伸疲勞和四點彎曲疲勞單元集成到一起，可開展拉伸疲勞試驗、四點彎曲疲勞試驗、拉伸-四點彎曲測試試驗，拉伸疲勞-四點彎曲疲勞測試試驗。測試裝置整體尺寸為247×240×104mm，可置于顯微鏡組件下進行原位觀測。

本實用新型單一載荷加載模式具體實現過程如下:純拉伸、純彎曲加載模式:直流伺服電機經由蝸輪蝸桿帶動滾珠絲杠將旋轉運動轉為拉伸夾持臺Ⅰ21、拉伸夾持臺Ⅱ32、彎曲模塊支撐座34的直線運動，實現對試件的準靜態加載。

拉伸疲勞測試過程：通過上位機控制拉伸測試單元對被測試件施加預期的拉應力以后，進行保載，然后通過上位機對壓電疊堆Ⅱ11輸入持續具有一定頻率的交變電壓，驅動柔性鉸鏈Ⅱ10實現對被測試件29拉伸方向的低頻往復運動。當達到上位機輸入的拉伸疲勞次數自動停止，從而實現拉伸疲勞加載。

彎曲疲勞測試過程：通過上位機控制拉伸測試單元對被測試件施加預期的拉應力停止并保載；或者是通過上位機控制四點彎曲測試單元對被測試件施加預期的彎曲撓度后停止并保載。通過上位機給壓電疊堆I 25輸入具有一定頻率持續交變電壓,使其驅動柔性鉸鏈24帶動力傳感器Ⅰ26和壓頭28做高頻低幅的往復運動,對被測試件29施加彎曲疲勞，當達到上位機輸入的彎曲疲勞的次數自動停止，實現彎曲疲勞的加載。

實現拉伸疲勞-四點彎曲疲勞復合的過程,只須將上述拉伸過程與彎曲過程結合起來,通過上位機控制軟件控制其所需的加載時序,即可完成拉彎復合載荷下的測試過程。

根據實驗目的需要,選擇合適的測量方法,即純拉伸測試、純四點彎曲測試、拉伸-疲勞測試、四點彎曲-疲勞測試、拉伸-四點彎曲復合載荷測試、拉伸疲勞-四點彎曲疲勞測試，并在試件被拉伸/彎曲的基礎上進行,即試件預有一定變形或一定載荷條件下進行中低頻拉伸/彎曲測試。

具體地：

使用所述拉伸疲勞-四點彎曲疲勞原位力學測試裝置進行純拉伸加載方法，直流伺服電機Ⅱ12經由蝸輪Ⅱ16、蝸桿Ⅱ17帶動精密雙向滾珠絲杠將旋轉運動轉為拉伸夾持臺Ⅰ21和拉伸夾持臺Ⅱ32的直線運動，進而帶動安裝在拉伸夾持臺上的夾具Ⅰ30和夾具Ⅱ35，實現對試件29的準靜態拉伸加載。

使用所述拉伸疲勞-四點彎曲疲勞原位力學測試裝置進行拉伸和拉壓疲勞耦合加載方法，在拉伸載荷加載基礎上，通過壓電疊堆Ⅱ11通入持續的交變電壓，驅使柔性鉸鏈Ⅱ10實現試件29拉伸方向中低頻往復運動,實現拉伸和拉壓疲勞加載。

使用所述拉伸疲勞-四點彎曲疲勞原位力學測試裝置進行純四點彎曲的加載方法，直流伺服電機Ⅰ1經由蝸輪Ⅰ5、蝸桿Ⅰ6帶動單向滾珠絲杠Ⅱ36將旋轉運動轉為彎曲模塊支撐座34的直線運動，進而帶動安裝在彎曲模塊支撐座34上的四點彎曲壓頭28，實現對試件29的準靜態彎曲加載。

使用所述拉伸疲勞-四點彎曲疲勞原位力學測試裝置進行四點彎曲和彎曲疲勞耦合加載方法，在純四點彎曲載荷加載基礎上，通過壓電疊堆I 25在信號驅動電壓的驅動下驅動柔性鉸鏈Ⅰ24帶動力傳感器Ⅰ26和四點彎曲壓頭28輸出微小交變位移,完成彎曲載荷下的低頻疲勞加載。

使用所述拉伸疲勞-四點彎曲疲勞原位力學測試裝置進行拉伸-四點彎曲耦合加載方法，其特征在于，通過上位機控制軟件同時驅動直流伺服電機Ⅱ12和直流伺服電機Ⅰ1帶動安裝在拉伸夾持臺上的夾具Ⅰ30和夾具Ⅱ35和安裝在彎曲模塊支撐座34上的四點彎曲壓頭28，實現對試件29的拉伸-四點彎曲耦合加載。

使用所述拉伸疲勞-四點彎曲疲勞原位力學測試裝置進行拉伸-四點彎曲-彎曲疲勞耦合加載方法，通過上位機控制軟件驅動直流伺服電機Ⅱ12和直流伺服電機Ⅰ1，帶動拉伸夾具Ⅰ30、Ⅱ(35)和四點彎曲壓頭28，同時壓電疊堆I 25在信號驅動電壓的驅動下輸出微小交變位移，帶動彎曲壓頭28做微小位移，實現拉伸-四點彎曲疲勞加載。

使用所述拉伸疲勞-四點彎曲疲勞原位力學測試裝置進行拉伸-拉壓疲勞-四點彎曲耦合加載方法，通過上位機控制軟件驅動直流伺服電機Ⅱ12和直流伺服電機Ⅰ1，帶動拉伸夾具Ⅰ30、Ⅱ35和四點彎曲壓頭28，同時壓電疊堆Ⅱ11在信號驅動電壓的驅動下輸出微小交變位移，帶動夾具Ⅱ35做微小位移，實現拉伸疲勞-四點彎曲加載。

使用所述拉伸疲勞-四點彎曲疲勞原位力學測試裝置進行拉伸-拉壓疲勞-四點彎曲-彎曲疲勞耦合加載方法，通過上位機控制軟件驅動直流伺服電機Ⅱ12和直流伺服電機Ⅰ1，帶動拉伸夾具Ⅰ30、Ⅱ35和四點彎曲壓頭28，同時壓電疊堆Ⅱ11和壓電疊堆I 25在信號驅動電壓的驅動下輸出微小交變位移，帶動夾具Ⅱ35和四點彎曲壓頭28做微小位移，實現拉伸疲勞-四點彎曲疲勞加載。

因此以所實用新型的測試裝置所進行的測試研究主要分析的是材料彈性模量E、屈服強度δ_s、斷后延伸率A等力學性能參數。其中,

拉伸彈性模量

屈服強度

斷后延伸率

兩端自由四點彎曲彈性模量

兩端固支四點彎曲彈性模量

其中，σ為材料的應力,ε為材料的應變,F_eL為下屈服點對應的材料載荷，S₀為材料截面積F_b為所施加的彎曲載荷，l_s為外支撐端跨距，l為支撐端與壓頭的距離，m為兩壓頭的距離,f為試件中心處的撓度，I為轉動慣量。

在測試的整個過程中,為了實時監測被測試件在拉伸/彎曲及交變載荷作用下的裂紋萌生、擴展、變形損傷情況,并可同時記錄圖像，測試前需要將試件進行研磨拋光、金相腐蝕處理,將測試裝置置于光學顯微鏡下進行動態監測,實現在拉伸、四點彎曲、拉伸-四點彎曲耦合加載、拉伸-疲勞耦合加載、拉伸-疲勞-四點彎曲耦合加載、拉伸-四點彎曲-疲勞耦合加載及拉伸-疲勞-四點彎曲-疲勞耦合加載模式下，對被測試材料表面微觀形貌的變化、裂紋的萌生、裂紋的擴展及損傷失效過程的演變進行原位觀測。結合上位機調試軟件亦可實時獲取表征材料力學性能加載持久極限、彈性模量等重要力學性能指標。

以上所述僅為本發實用新型的優選實例而已，并不用于限制本實用新型，對于本領域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡對本實用新型所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。