[发明专利]基于拉伸/压缩模式的扫描电镜下原位高频疲劳材料力学测试平台

说明书

技术领域

    本发明涉及机电类，特别涉及一种基于拉伸/压缩模式的扫描电镜下原位高频疲劳材料力学测试平台。其与扫描电子显微镜、原子力显微镜、拉曼光谱仪及光学显微镜等具有良好的兼容性，结合上述成像仪器，在给定应力或应变水平下开展对材料在疲劳应力作用下的的微观变形、损伤和破坏过程进行在线观测，可以实现对载荷/位移信号的采集、记录与控制，为揭示材料在微纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供了测试方法。

背景技术

    原位微纳米力学测试技术是指在微纳米尺度下对试件材料进行力学性能测试过程中，通过电子显微镜、原子力显微镜和或光学显微镜等成像仪器对载荷作用下材料发生的微观变形、损伤直至失效破坏的过程进行全程动态监测的一种力学测试技术。通过原位力学测试手段势必可以揭示出外界载荷作用下材料变形损伤的规律，发现更为新颖的现象和规律，就较大尺寸试件所开展的有关测试将更有利于研究材料及其制品服役状态下的真实力学行为与变形损伤机制。

疲劳现象可以解释为材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。材料或构件在交变应力作用下引起的破坏与静载荷作用下的破坏性质完全不同。承受交变应力用作的构件在工作应力远低于材料的强度极限的情况下，经历一定的工作时间后也可能发生突然断裂。在交变应力作用下，由于构件外形和材料内部质地不均匀、有疵点，致使构件某些局部区域应力达到屈服极限，在交变应力的作用下，在此局部区域将逐渐形成细小的微观裂纹，而裂纹尖端严重的应力集中又进一步导致裂纹在交变应力作用下不断向内部扩展，最终使得材料或构件发生断裂破坏。

商业化疲劳试验机用于提供试样或构件承受周期或随机变化的应力或应变，以测定在特定循环基数下的持久极限和疲劳寿命等指标。疲劳试验按照试验环境可以分为：室温/高温/低温疲劳试验、热疲劳试验、腐蚀疲劳试验及接触疲劳试验等；按照试件的加载方式可以分为：拉压疲劳试验、弯曲疲劳试验、扭转疲劳试验及复合盈利疲劳试验等；按照应力循环的类型可以分为：等幅疲劳试验、变频疲劳试验及随机疲劳试验等。

目前，针对可用于扫描电镜下的原位疲劳测试相关仪器的研究尚处萌芽状态，具体表现在：（1）从测试手段和方法上来说，主要借助商业化的疲劳试验机进行的非原位疲劳测试，且疲劳试验机价格昂贵，工作噪音较大，调试复杂，测试内容单一，对结构紧凑，体积小巧的基于拉伸模式的原位疲劳测试装置鲜有提及。（2）受到扫描电子显微镜的腔体空间的限制，目前的多数都集中在以微/纳机电系统工艺为基础，对纳米以及薄膜材料等极微小结构的单纯原位纳米测试上，缺少对宏观尺寸（薄膜材料或三维试件）的跨尺度原位纳米力学测试，因尺寸效应的存在，对微构件的研究制约了对较大尺寸元件的力学性能的评价；（3）从测试频率上看，目前的原位疲劳试验机一般都仅能提供50Hz以下的低周疲劳测试，与材料及其制品的实际工况不符，也限制了相关研究的深入与发展。

因此，设计一种测试精度高，结构紧凑，测试频率较高，并能够与电子显微镜等成像系统兼容使用的基于拉伸模式的原位高频疲劳材料力学测试平台已十分必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于拉伸/压缩模式的扫描电镜下原位高频疲劳材料力学测试平台，解决了现在技术存在的上述问题。本发明可在扫描电镜等观测仪器的动态监测下开展在任意给定应力或应变水平下的原位高频测试，并开展室温下等幅或变频疲劳试验，测试频率可控。相对于传动疲劳试验机的离位测试，本发明可在扫描电镜等成像仪器的动态监测下开展拉伸/压缩模式下的原位疲劳试验并可同步进行载荷/位移信号的精密检测与闭环控制。测试装置与Zeiss EVO 18型扫描电子显微镜具有良好的兼容性，亦可与各类具有腔体或载物台结构的成像系统兼容使用，如原子力显微镜、拉曼光谱仪、X射线衍射仪及光学显微镜等。可通过原位疲劳测试获得材料的持久极限等重要力学参数，对材料的裂纹萌生、扩展和材料失效断裂过程进行原位监测，为揭示材料在微纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供了测试方法。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

基于拉伸/压缩模式的扫描电镜下原位高频疲劳材料力学测试平台，包括精密加载单元、精密运动转换单元、载荷/位移信号采集及控制单元、高频驱动单元及试件夹持及连接单元；

所述的精密加载单元是：直流伺服电机1通过电机法兰架2与测试平台基座22连接，通过精密脉冲/方向控制方式提供给定角速度及动态扭矩输出；