[发明专利]拉伸-弯曲复合载荷原位纳米压痕测试装置及方法

说明书

本发明涉及一种拉伸‑弯曲复合载荷原位纳米压痕测试装置及方法，属于精密科学仪器与材料力学试验机领域。测试装置总体结构为十字分布，由拉伸加载模块、弯曲加载模块和压痕加载模块三部分组成，拉伸加载模块置于中间，弯曲加载模块和压痕加载模块分布于拉伸模块的两侧；拉伸加载模块、弯曲加载模块和压痕加载模块均由驱动组件、传动组件、执行组件、位移信号和力信号精密检测组件组成；所述拉伸加载模块、弯曲加载模块和压痕加载模块的加载力线处在同一平面。可实现对载荷/位移信号的同步采集，对伺服驱动系统的闭环控制。本装置结构小巧，可以与主流光学显微镜兼容，实现对特征尺寸在毫米级以上的宏观试件的多载荷原位测试。

技术领域

本发明涉及精密科学仪器与材料力学试验机领域，特别涉及一种集精密驱动、检测为一体的拉伸-弯曲复合载荷原位纳米压痕测试装置及方法。本发明属于小型测试仪器，能够与显微成像设备兼容，实现对材料测试过程中的原位观测，为材料的宏观力学性能测试、微观变形损伤机制的探究提供有效的测试方法。

背景技术

传统的材料测试方法主要有拉伸、弯曲、扭转、剪切、冲击、疲劳等测试方法，利用这些方法及其对应的理论可以测量材料的弹性模量、强度极限、疲劳极限、硬度等力学参量。随着材料制备技术的发展，新型材料的结构尺寸越来越小(例如薄膜镀层材料)，传统的测试方法难以准确测量其力学性能，纳米压痕测试方法因运而生。1961年，Stillwell和Tabor最早提出了用压头压入材料的弹性回复来检测材料的力学性能的方法。1992年，Oliver和Pharr改进了压痕卸载曲线的处理方法，完善了压痕理论体系，奠定了纳米压痕技术的基础。

根据是否有显微成像设备在线实时监测所测试材料的变形损伤情况，纳米测试分为原位纳米测试和离位纳米测试，目前大多数纳米力学研究处于离位测试阶段。A.M.Minor等人曾指出了离位测试的不足：由于无法利用显微成像设备对试件进行原位监测，材料的变形损伤机制与载荷作用和材料性能参数之间的规律难以研究。以微/纳机电系统为原理的原位测试技术工艺复杂，且应用范围存在局限，无法对宏观尺寸(特征尺寸毫米级以上)的三维试件进行测试。

目前对于材料力学性能测试的研究多停留在单一载荷上，材料的力学性能参数都是在理想化的条件下测试出来的，然而材料及其制品在实际工况中的受力情况比较复杂，力学性能的表现与单一载荷的情况往往不同，单一载荷的力学性能测试无法准确评价复合载荷下材料的力学性能。清华大学教授温诗铸指出：当前对于材料的变形损伤机制缺乏深入的研究，而这又是微小元件设计制造环节迫切需要的。单一载荷测试显然无法研究材料的变形损伤机制与多种形式载荷之间的规律。

发明内容

本发明的目的在于提供一种拉伸-弯曲复合载荷原位纳米压痕测试装置及方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明在测试过程中通过特定的加载单元为被测试件材料施加确定的拉伸-弯曲预加载荷，使被测试件材料受到特定的拉伸、弯曲、拉伸-弯曲预应力，在这种情况下，再对被测材料样品进行原位纳米压痕测试，以测定在相应预应力状态下材料的压痕响应、硬度以及弹性模量等基本力学性能参数的动态变化情况及其与预加载荷和材料性能间的相关性规律，较好的模拟材料及其制品在实际工况下的应力水平。基于该原理和方法的装置集成了拉伸、弯曲、纳米压痕三个加载模块，亦可实现拉伸、弯曲、纳米压痕三种载荷的单独加载测试，以及拉伸-弯曲复合加载测试。本发明可实现对载荷/位移信号的同步采集，对伺服驱动系统的闭环控制。本发明针对特征尺寸毫米级以上三维试件所研制，在保证刚度和精度的前提下，实现了体积小、结构紧凑的特点。可置于光学显微镜下对试件进行在线实时监测，观察材料的裂纹萌生、扩展和材料失效断裂过程，进而对材料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。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：