[发明专利]一种材料力学性能测试装置

说明书

【技术领域】

本发明涉及材料力学实验设备，尤其是一种可在显微镜下实现双轴拉伸及弯曲复合载荷模式的材料力学性能测试装置。

【背景技术】

在实际工况下，材料及其制品往往受到多种载荷的复合作用，单一载荷的力学测试装置难以准确测试出实际工况下材料及其制品的受载形式，即无法对复合载荷作用下材料的力学性能做出准确评价。

现有研究中，复合载荷模式的加载主要是将试件与拉伸轴线互成角度的不规则装夹来实现的，驱动源输出的加载力主要是轴向拉伸力，通过不同轴或不等高的拉伸模式使材料内部出现拉弯组合或压剪组合等复合载荷测试的形式。上述测试方法难以实现对不同单一载荷模式的解析。同时，两种或多种载荷模式无法独立加载，或依次加载，也无法就材料及其制品在复合载荷作用下的力学性能及变形损伤机制做出准确评价。

拉伸及三点弯曲力学测试作为最能直观反映材料力学性能的有效评价手段，可直接获取如弹性模量、屈服强度、抗弯及抗拉强度等重要力学参数，基于这两种单一载荷形式的复合载荷测试模式在实际工况中较为普遍，也是导致材料及其制品失效破坏的主要原因。微观尺度下对试件材料进行力学性能测试过程中，通过显微镜等成像仪器可对试件在载荷作用下观察试件发生的微观变形、损伤直至失效破坏的过程，并可以进行全程动态监测。通过这种力学测试手段，可以揭示出外界载荷作用下材料变形损伤的规律，可避免因为微构件的尺寸效应等问题带来的困扰，将更有利于研究材料及其制品使用状态下的真实微观力学行为与变形损伤机制。

与此同时，在已有的可用于原位观测的复合载荷测试装置及研究中，主要是针对低维材料等微尺度构件的测试，需要借助扫描电镜等成像系统及聚焦离子束等复杂方法完成微器件的夹持，且主要是基于MEMS微机电系统等复杂工艺实现；如果是针对碳纳米管、线或带等有预制缺口的薄膜材料的微尺度构件进行测试，则需要借助基板材料来实现试样的合成和生长，且往往需要腐蚀和沉积等复杂工艺方法，且因用于附着薄膜材料的基板往往为硬脆性材料，夹持困难，因此对此类材料的力学测试多见于单轴压缩测试，该测试方法较为单一。

针对特征尺寸为厘米级以上的三维试件的复合载荷测试，未涉及借助成像仪器的原位观测，则无法深入地开展复合载荷与材料的微观力学行为及变性损伤过程的结合性研究。

因此，需要设计一种可在显微镜下实现双轴拉伸及弯曲复合载荷模式的材料力学性能测试装置。本发明即针对现有技术的不足研究而提出。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题是提供一种材料力学性能测试装置，在工作平台上沿X轴和Y轴方向上设有相互垂直的滑轨，在滑轨上设有沿X轴和/或Y轴方向拉伸试件的第一拉伸座和第二拉伸座，夹持装置设在第一拉伸座和第二拉伸座之间，在夹持装置下方设有用于向试件沿Z向施加弯曲载荷的顶压机构，通过控制拉伸载荷驱动装置向试件施加拉伸载荷，控制弯曲载荷驱动装置则向试件施加弯曲载荷，对试件实现双轴拉伸及弯曲复合载荷模式的材料力学性能测试，同时也可以进行纯拉伸测试、纯三点弯曲测试，双轴拉伸及三点弯曲载荷可独立加载或依次加载，结合光学显微成像系统，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，进而研究者方便对试件在复合载荷作用下的微观力学行为和变形损伤机制进行深入研究，具有结构紧凑、复合程度高特点。

为解决上述技术问题，本发明一种材料力学性能测试装置，包括工作平台，所述工作平台上沿X轴和Y轴方向上设有相互垂直的滑轨，所述滑轨上设有沿X轴和/或Y轴方向拉伸试件的第一拉伸座和第二拉伸座，所述工作平台上设有用于驱动第一拉伸座和第二拉伸座相向或者背向运动的拉伸载荷驱动装置，第一拉伸座和第二拉伸座之间连接有用于夹紧试件的夹持装置，所述夹持装置下方设有用于向试件施加弯曲载荷的顶压机构，所述工作平台上设有用于驱动顶压机构沿Z轴方向上下运动的弯曲载荷驱动装置。

所述第一拉伸座和第二拉伸座与滑轨之间设有连接滑块，所述拉伸载荷驱动装置包括固定连接在工作平台背面的拉伸载荷驱动伺服电机，所述拉伸载荷驱动伺服电机输出端连接有拉伸载荷二级蜗轮蜗杆减速器，所述拉伸载荷二级蜗轮蜗杆减速器输出端连接有用于传动使第一拉伸座和第二拉伸座相向或者背向运动的拉伸载荷丝杠副，所述拉伸载荷丝杠副两端分别设有旋向相反的第一导程滚道和第二导程滚道，所述第一导程滚道和第二导程滚道分别配合连接有第一丝母副和第二丝母副，所述第一丝母副和第二丝母副分别与第一拉伸座和第二拉伸座连接。