[发明专利]剪切—扭转复合加载模式的材料微观力学性能原位测试平台

说明书

技术领域

本发明属于精密科学仪器类，特别涉及一种剪切—扭转复合加载模式的材料微观力学性能原位测试平台。可作为纯剪切或纯扭转的单一载荷作用材料微观力学性能测试平台独立使用，亦可实现在给定剪切应力水平下的扭转载荷作用材料微观力学性能测试或给定扭转力矩状态下的剪切载荷作用材料微观力学性能测试，即复合载荷加载模式的材料微观力学性能测试。此外，该平台可在扫描电子显微镜、光学显微镜（金相显微镜）、X射线衍射仪等仪器的原位监测下进行包括原位剪切载荷加载模式的材料微观力学性能测试、原位扭转载荷加载模式的材料微观力学性能测试、原位剪切—扭转复合加载模式的材料微观力学性能测试，从而实现对被测材料的微观力学行为和变性损伤过程进行实时观察。同时，通过对驱动单元的闭环控制，力学和变形信号检测单元对剪切加载驱动单元的剪切压力、直线位移信号的采集及力学和变形信号检测单元对扭转加载驱动单元的扭矩、角位移信号的采集，也可拟合被测材料在剪切—扭转复合作用下的应力应变历程，为复合载荷加载模式下材料的微观力学性能测试提供了方法。

背景技术

原位纳米力学测试是指在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、原子力显微镜或光学显微镜等仪器对载荷作用下材料发生的微观变形损伤进行全程动态监测的一种力学测试技术。该技术深入的揭示了各类材料及其制品的微观力学行为、损伤机理及其材料性能与所受载荷间的相关性规律。目前，为了测量材料及其制品的弹性模量、硬度、断裂极限、切变模量等重要参数，基于纳米力学测试，提出了多种测试方法，如拉伸/压缩法、剪切法、扭转法、弯曲法和纳米压痕法等。但是，在实际工况下，材料及其制品受到的载荷形式往往是非单一模式的，如拉伸/压缩—弯曲复合载荷模式、拉伸/压缩—扭转复合载荷模式、剪切—扭转复合模式等。相对单一模式，复合载荷模式下工作的材料及构件的受力情况、变形、破坏失效的原因也更复杂。因此，采用针对单一载荷形式的力学测试方法难以准确表达实际工况下材料及构件的受载形式，即无法对复合载荷作用下材料的力学性能做出准确评价。

因此，为了对材料及其制品在复合载荷模式作用下的力学性能及变性损伤机制做出准确评价，实现对不同单一载荷模式的解析，同时，实现对两种或多种载荷模式独立加载或依次加载，发明了多种载荷复合模式的原位测试平台，如显微镜下拉压弯复合载荷模式材料力学性能测试装置等。

本剪切—扭转复合加载模式的材料微观力学性能原位测试平台，作为能够直观反映材料力学性能的有效评价手之一，可直接获取如切变模量等重要力学参数，基于剪切、扭转两种单一载荷形式的复合载荷加载模式亦在实际工况中较为普遍，且常是导致材料及其制品失效破坏的原因之一。微观尺度下对试件材料进行原位微观力学性能测试过程中，通过扫描电子显微镜等成像仪器可对载荷作用下试件发生的微观变形、损伤、失效破坏的过程进行全程动态监测。通过这种力学测试手段，可以揭示出外载荷作用下，材料变形损伤的规律，且可避免因为微构件的尺寸效应等问题带来的困扰，这将更有利于研究材料及其制品在服役状态下的真实微观力学行为与变形损伤机制。

综上所述，设计一种可用于显微镜下纯剪切载荷加载模式、纯扭转载荷加载模式以及剪切—扭转复合加载模式的材料微观力学性能原位测试的测试平台十分必要。

发明内容

本发明的目的在于设计一种剪切—扭转复合加载模式的材料微观力学性能原位测试平台，可以实现纯剪切载荷加载模式、纯扭转载荷加载模式、以及基于以上两种载荷模式的剪切—扭转复合加载模式的材料微观力学性能原位测试，其中复合载荷加载模式下，试件的受力状况更接近实际工况下材料的复杂受力情况。本测试平台结构小、质量轻，可借助扫描电子显微镜、光学显微镜（金相显微镜）、X射线衍射仪等成像系统，对上述测试过程进行实时观察，如对材料的裂纹萌生、裂纹扩展和材料的失效断裂过程进行原位监测，进而对材料在单一载荷模式及复合载荷模式加载作用下的微观力学行为、变形损伤机制进行深入研究。同时，通过对驱动单元的闭环控制及载荷/位移信号的采集，亦可拟合材料在复合载荷加载模式作用下的应力应变历程，为复合载荷加载模式的材料微观力学性能原位测试提供了方法。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：