[发明专利]拉伸‑剪切预载荷原位压痕测试装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及精密科学仪器领域，特别涉及一种拉伸-剪切预载荷原位压痕测试装置及方法。

背景技术

一直以来，在材料力学测试的诸多力学性能参数中，弹性模量、屈服极限、强度极限、伸长率和切变模量等参数是最主要的测试对象，针对上述材料的性能参数有很多种测试方法，如拉伸/压缩法、弯曲法、扭转法、鼓膜法和纳米压痕法等。但是如上所述的诸多方法都是针对单一载荷，即单次试验仅能得出材料的单一性能参数，且每种测试方法都需要特定的实验仪器进行试验，十分繁琐。

另外，现有的测试仪器由于仅能进行单一力学性能的测试，无法对两种及以上的受力情况进行复合试验，这样无法得知材料在复合载荷过程中各种因素相互影响下材料的力学性能与单一载荷过程中单一因素影响下的力学性能是否会发生改变。并且仅有单一力学性能的测试对试验结果的适用性是不利的，由于材料在真实服役条件下大多数情况还是承受复合载荷的，所以当我们利用在单一载荷情况下得出的材料性能数据对真实服役条件下的材料进行校核计算时，不一定是准确的。例如，材料有可能在承受剪切的情况下其弹性模量的降低，或材料在承受拉伸的情况下其表面硬度的降低都会影响其校核的准确性。

目前还没有比较成熟的集拉伸、剪切以及压痕为一体的多载荷试验仪器，并且传统拉剪仪器也仅有特定的角度可以进行试验。该三种载荷集成的主要困难主要体现在如下几个方面：1.如何能够实现试件自由改变角度的锁紧；2.如何能够在自由改变角度的情况下保证装置锁紧的可靠性性、快速性以及准确性；3.由于拉剪复合装置已经具有足够的复杂性，如何能够在不影响功能的情况下尽量简化压痕模块。

综上所述，一套能够集拉伸、剪切及压痕为一体的多载荷材料力学测试仪器对于材料力学性能测试具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种拉伸-剪切预载荷原位压痕测试装置，解决了现有技术存在的上述问题，尤其解决了多载荷同时作用于材料情况下不同载荷对材料力学性能的影响问题。能够集拉伸、剪切及压痕为一体的材料力学测试装置，能够实现拉伸、剪切压痕的共同负载；能够实现自由改变试件夹持角度；采用悬臂结构大大简化压痕模块装置；采用两级压电叠堆进行压痕的位移控制，分别实现粗调与细调。本发明测试精度高，能够实现测量和数据分析的自动化。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

拉伸-剪切预载荷原位压痕测试装置，包括机械传动模块，任意角度拉伸剪切复合加载模块、悬臂压痕模块以及测量模块，其中机械传动模块带动任意角度拉伸剪切复合加载模块、悬臂压痕模块以及测量模块进行运动，测量模块对任意角度拉伸剪切复合加载模块以及悬臂压痕模块的变化进行测量；

所述机械传动模块是：一级蜗轮23与一级蜗杆22相互配合，二级蜗轮26与二级蜗杆28相互配合，二级蜗杆28通过二级蜗杆支撑架a27、二级蜗杆支撑架b30、辅助支撑架25连接在主机架11上；由于二级蜗轮探出过长，通过辅助支撑架25增加其刚度；直流伺服电机19通过减速机20固定在电机底座21上；将旋转运动转化为直线运动的滚珠丝杠13两端分别通过轴承座a12、轴承座b29安装在主机架11上，与滚珠丝杠13配套的螺母副固定在移动平台a9、移动平台b33上，分别带动移动平台a9、移动平台b33从而实现直线运动；

所述任意角度拉伸剪切复合加载模块包括：移动平台a、b9、33、用以确定试件夹持角度的90度标尺a、b8、31、夹持单元，所述90度标尺a、b8、31分别设置在移动平台a、b9、33上，所述夹持单元是压块a6和承载块a34分别通过螺钉将试件的两端压紧在压块b7和承载块b32上，两夹持单元通过螺钉与移动平台下方的辅助压板38相连，通过旋紧螺钉夹持单元会向辅助压板靠近，两者将分别压紧在移动平台的两侧，进而实现试件夹紧；

所述悬臂压痕模块是：压痕调板42固定在主机架11侧面，调节悬臂压痕模块的整体高度，一经调整不再改变；悬臂梁1通过螺钉固定在立柱3上，悬臂梁1内有两个串联的柔性凹槽，以易于实现竖直方向上的位移加载；压电叠堆37与顶块36固连，另一方向顶在悬臂梁1处，以易于实现竖直方向上的位移加载；

所述测量模块是：编码器18安装在机械传动模块的直流伺服电机19上；LVDT直线位移传感器16通过LVDT固定块17固定在移动平台b33上，LVDT挡块15固定在移动平台a9上且与LVDT直线位移传感器16相配合；拉压/拉伸传感器10安装在主机架11上用以测量试件所承受的拉力；挡板2固连于电容位移传感器4上，并与拉压/压痕传感器35不接触，留有一定间距，用于测量两者之间距离。