[实用新型]基于拉压、疲劳复合载荷模式下的原位压痕力学测试装置

说明书

技术领域

    本实用新型涉及原位纳米力学性能测试领域，特别涉及精密测试仪器领域，尤指一种基于拉压、疲劳复合载荷模式下的原位压痕力学测试装置，可以在不同拉伸/压缩、疲劳复合载荷预加应力作用下进行材料样品的原位压痕测试。

背景技术

原位纳米力学测试技术是指对材料在纳米尺度下进行力学性能测试，并利用电子显微镜、原子力显微镜、光学显微镜等成像仪器针对材料发生载荷作用下发生的响应微观变形、损伤直至失效破坏现象进行全程动态监测的一种力学测试技术。在原位纳米力学性能测试领域内，硬度、弹性模量、屈服强度、抗拉强度、疲劳强度等参数是材料力学特性测试中的最主要的几个材料性能表征参数，响应的发展了许多测试手段与方法，如拉伸/压缩法、三点弯曲法、纳米压痕法等。通过基于拉压、疲劳复合载荷模式下的原位压痕力学测试手段势必可以发现外界复杂载荷作用下材料更为新颖的现象，揭示出响应变形损伤的规律。而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在接近真实服役状态下的力学行为与变形损伤机制。

目前，针对原位纳米力学测试技术相关仪器的研制尚不成熟，还处于萌芽状态，具体表现如下：1.现有的原位纳米力学试验装置载荷单一，无法对材料在复合载荷作用下进行相关力学性能测试，从而不能模拟工件在真实服役状态下的实际状况。2.现有的原位压痕材料试验机，只是在工件自由应力状态下进行压痕试验，而针对工件在残留预应力下的现象则鲜有涉及。亟待改进。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于拉压、疲劳复合载荷模式下的原位压痕力学测试装置，解决了现有技术存在的上述问题。其结构紧凑、体积小、响应迅速、精度高、成本低，且可以在不同拉伸/压缩、疲劳复合载荷应力作用下进行材料的原位压痕测试。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

基于拉压、疲劳复合载荷模式下的原位压痕力学测试装置，包括精密驱动单元、拉压、疲劳复合载荷单元、压痕载荷单元、精密传感检测单元，所述精密驱动单元由直流伺服电机1、蜗杆3和蜗轮4组成，直流伺服电机1由电机座2支撑，而电机座2通过螺钉Ⅲ35固定在基座32一侧，其输出轴与蜗杆3固连，带动蜗轮4转动，大减速比传动，可实现准静态加载；

所述拉压、疲劳复合载荷单元包括拉压载荷模块、疲劳载荷模块，可进行拉压或疲劳的单独加载，亦或是拉压、疲劳复合加载，所述的拉压载荷模块由拉伸台Ⅰ、Ⅱ9、15、双向滚珠丝杠10、滚珠丝杠支撑座5、滚珠直线导轨Ⅰ14组成，其中双向滚珠丝杠10通过滚珠丝杠支撑座5支撑，而滚珠丝杠支撑座5通过螺钉Ⅳ36与基座32固定，将蜗轮3的旋转运动转化为拉伸台Ⅰ、Ⅱ9、15相对的直线运动，而夹具Ⅰ、Ⅱ11、13分别通过螺钉Ⅰ33、螺钉Ⅷ40固定在拉伸台Ⅰ、Ⅱ9、15上，进而对试件12进行相对的拉伸/压缩加载，其试件12中心可基本保持不变；所述疲劳载荷模块由疲劳压电叠堆6、疲劳柔性铰链7和预紧螺钉Ⅰ8组成，疲劳压电叠堆6嵌入疲劳柔性铰链7内部，并通过预紧螺钉Ⅰ8进行叠堆的预紧，疲劳柔性铰链7一端通过螺钉Ⅰ33与夹具Ⅰ11相连，一端通过螺钉Ⅱ34固定于拉伸台Ⅰ9上；

所述压痕载荷单元由丝杠步进电机30、电机座Ⅱ31、梯形螺母28、压痕台27、压痕压电叠堆25、压痕柔性铰链23、预紧螺钉Ⅱ43和滚珠直线导轨Ⅱ29组成，其中丝杠步进电机30带动梯形螺母28移动，进而带动压痕台27在滚珠直线导轨Ⅱ29上直线移动，进行压入过程的宏观粗调整，压痕柔性铰链23通过螺钉Ⅹ42与压痕台27固定，压痕压电叠堆25嵌入压痕柔性铰链23之中，并通过预紧螺钉Ⅱ43进行预紧，进行精密的压入驱动；

所述精密传感检测单元包括直线位移传感器16、力传感器Ⅰ、Ⅱ20、22、光栅读数头24、光栅26，其中直线位移传感器16通过螺钉Ⅵ38固定在拉伸台Ⅱ15上，其伸缩端与拉伸台Ⅰ9固连；力传感器Ⅰ20一侧通过力传感器固定板18、螺钉Ⅴ37与拉伸台Ⅱ15连接，另一侧通过夹板17与夹具Ⅱ13连接，夹板17通过螺钉Ⅶ39固定在拉伸台Ⅱ15之上；力传感器Ⅱ22与金刚石压头19通过压头套筒21连接，固定在压痕柔性铰链23前端；光栅26贴于压痕柔性铰链23一侧，相应的光栅读数头24则通过螺钉Ⅸ41与基座32直接固定。

所述的精密驱动单元采用直流伺服电机1作为动力源，经过蜗轮4蜗杆3实现大减速比减速增扭，进行拉伸/压缩载荷的准静态加载。