[发明专利]双轴向拉伸/压缩模式扫描电镜下力学测试装置

说明书

 

技术领域

    本发明涉及机电类的材料性能测试仪器，特别涉及一种双轴向拉伸/压缩模式扫描电镜下力学测试装置。

背景技术

双轴向拉伸作为材料力学性能测试的重要手段，主要采用两个方向同时施加载荷的方法对有较大泊松比和各向异性的非均匀材料进行测试，一般要求测试中有多种测量模式可供选择，如双轴定拉力比、定伸长比、定蠕变比和定松弛比等模式，并可结合载荷/位移传感器和相关算法，获取弹性模量、屈服强度、抗拉强度、泊松比等重要力学参数。其中，弹性模量、屈服强度、抗拉强度等参数均可通过单轴拉伸等实验方法测定。此外，泊松现象是指材料沿载荷方向产生伸长(或缩短)变形的同时，在垂直于载荷的方向会产生缩短(或伸长)变形，垂直方向上的应变与载荷方向上的应变之比称为材料的泊松比。

目前，双轴向拉伸的材料力学性能测试仪器没有相关的国家标准，国际上也处于草案修订阶段。已有的双轴向拉伸试验机主要用于平面织物或者涂层复合材料的双轴向力学性能测试，亦有针对岩土等建筑或地质材料所进行测试的相关报道，缺乏对特征尺寸毫米或者厘米级以上三维宏观金属材料、高分子材料等的相关研究，且此类仪器多通过步进电机带动滚珠丝杠结合直线轴承或导轨组件实现的双轴向拉伸，被测试件宽度与夹头协调对应。与此同时，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。因此，一些现有双轴向拉伸仪器通常配备有连续变倍的长焦距光学镜头和反射光源、透射光源，可对被测材料的组织纹理结构的形态及其变化进行观测，且被测材料的应变值亦往往通过光学方法标定测量。此类仪器往往因其较大的结构尺寸限制，无法内置于扫描电子显微镜的真空腔体内，因此受限于光学显微成像系统的成像原理及放大倍率，无法深入揭示材料的微观变形、损伤机制。此外，由于材料尺寸效应的存在，微构件与宏观试件的力学性能迥然不同，因此开展特征尺寸毫米级以上宏观试件的力学测试，更符合各类材料实际工况下服役性能测试的要求。

综上所述，扫描电镜下双轴拉伸/压缩材料力学性能测试装置尚属萌芽状态，具体表现为：从在结构上，此类仪器多通过驱动、传动的串联布局，往往造成整机结构尺寸较大，且在一定程度上削弱系统刚度；从观测手段上看，因受限于扫描电子显微镜的真空腔体积限制，此类仪器尚无法实现与扫描电镜的结构兼容，且与扫描电镜的真空兼容性及电磁兼容性尚无法确定。同时，光学显微镜因其成像原理的问题，存在着明显的放大倍率不足的缺点，原子力显微镜则具有成像速度过慢的缺点，两种观测方法均难以深入研究载荷变化对材料力学行为和损伤机制的影响规律。相比这类常用仪器，扫描电镜拥有成像高度高，放大倍率高，成像效果清晰等优点。

因此，设计一种体积小巧、结构紧凑，测试精度高，且能与电子显微镜实现兼容使用的双轴向拉伸/压缩模式材料力学性能测试装置可为原位力学测试领域提供新的研究手段，即可对材料在双轴向载荷作用下的微观力学行为及变形损伤机制进行深入研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双轴向拉伸/压缩模式扫描电镜下力学测试装置，解决了现有技术存在的上述问题。本发明是一种可与Zeiss EVO 18型扫描电子显微镜兼容使用的双轴向拉伸/压缩模式扫描电镜下力学测试装置，属材料力学性能测试类仪器。基于由高精度伺服电机、三级大减速比减速机构、小导程滚珠丝杠螺母副及导轨机构组成的精密驱动单元及精密传动单元，该测试装置可以极低速的准静态模式实现载荷的精密施加，同时通过四路载荷/位移信号的同步精密采集并结合以载荷、位移及变形信号作为反馈量的闭环控制策略，该测试装置亦可开展涵盖单轴拉伸/压缩模式、双轴等速/变速同步拉伸/压缩模式、双轴等速/变速异步拉伸/压缩模式等多种类型的材料力学性能测试模式，且各轴驱动、传动及检测单元独立，互不干涉，即各轴加载次序及应变速率可控。此外，该测试装置结构紧凑、精巧，亦可安装于光学显微成像系统或X射线衍射仪的载物平台上，可在上述多类仪器的观测下开展二维或三维宏观试件的原位力学测试，对双轴应力作用下各类材料的各向异性力学性能与损伤机制相关性进行深入研究。因双轴可独立驱动，且双轴载荷/位移信号的检测独立，可以进行协调控制，即拉伸过程中动态控制各轴的应力/应变比，故亦属于复合试验机类。该装置可广泛用于金属材料、薄膜材料、高分子材料等的各项异性力学性能分析。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：