[发明专利]基于可调式拉伸-弯曲预载荷的原位纳米压痕测试仪

说明书

技术领域

    本发明涉及机电一体化精密科学仪器领域，特别涉及一种基于可调式拉伸-弯曲预载荷的原位纳米压痕测试仪。

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。在诸多纳米力学测试的范畴中，弹性模量、屈服强度、抗拉强度、弯曲强度、弯曲模量、硬度、切变模量等参数是材料力学特性测试中的最主要的研究对象，针对这些力学量产生了多种测试方法，如拉伸/压缩法、三点弯曲法、纳米压痕法等，通过最直接表征材料力学性能的拉伸弯曲压痕模式的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。

目前，原位微纳米压痕拉弯复合测试尚处萌芽状态，具体表现在：（1）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；（2）从测试手段和方法上来说，主要借助商业化的仪器进行单一的拉伸或弯曲测试，表现出设备费用昂贵，加载方式单一，测试内容乏善可陈的特点，对结构紧凑，体积小巧，预加载荷多样的压痕拉弯复合加载的原位测试装置鲜有提及，极大制约了研究的深入与发展。（3）从观测手段上看，因受限于扫描电子显微镜的使用条件，针对宏观试件，多局限于光学显微镜及原子力显微镜下的原位测试，光学显微镜存在着明显的放大倍率不足的问题，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。

而实际工况下所有零部件在运行过程中以及产品在使用过程中，都在某种程度上承受着来自不同方向不同形式的复合力作用，选用材料的主要依据是它的使用性能、工艺性能和经济性，其中使用性能是首先需要满足的，特别是有针对性的材料力学性能往往是材料设计和使用所追求的主要目标。了解材料在实际工况中的力学性能以及影响材料力学性能的各种因素，是所有测试项目中最重要的内容之一。

因此，设计一种体积小巧、结构紧凑，测试精度高，能够利用电子显微镜等成像系统在线监测宏观试件在拉弯预载荷作用下的微观变形和损伤过程，基于准静态拉弯载荷加载，能够更好地模拟实际工况下材料受力状态，同时对材料进行原位纳米压痕测试并实时观测测试结果的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可调式拉伸-弯曲预载荷的原位纳米压痕测试仪，解决了现有技术存在的上述问题。本发明可独立使用，测试材料力学性能参数以及在不同拉伸-弯曲预加载荷条件下的硬度、弹性模量等力学参数的变化情况。特别是本仪器结构紧凑微小，可与扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、激光共聚焦显微镜、金相显微镜、拉曼光谱仪、超景深显微成像系统以及其它光学显微镜等材料性能测试仪器兼容使用，结合这些材料性能测试仪器，可动态监测载荷作用下材料的微观变形行为、损伤机制及其与载荷作用和材料性能间的相关性规律，揭示材料宏观力学行为与载荷作用导致的微观组织结构变化、性能弱化的规律；本发明可实现对载荷/位移信号的同步采集与控制。相对于传统力学测试试验机的单一离位测试，本发明可实现在高分辨率显微成像系统下针对特征尺寸厘米级以上宏观试件的原位拉弯压痕复合测试及观测，同时解决了现有的原位测试研究中大多针对纳米管、线及薄膜材料的局限。测试平台可实现“超低速准静态”的痕拉弯复合模式加载，各载荷/位移信号的同步采集和精密闭环控制，并可实现与Hitachi TM-1000型扫描电镜及各类具有腔体及载物台结构的成像仪器兼容使用。可通过原位痕拉弯复合测试获得材料的弹性模量、屈服强度、抗拉强度、弯曲强度和硬度等力学参数，对材料的微观变形、损伤和断裂过程进行原位监测，为揭示材料在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：