[实用新型]弯曲预载荷微纳米压痕力学性能测试装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及原位力学性能测试领域，特别涉及一种弯曲预载荷微纳米压痕力学性能测试装置和一种测试方法。本装置集成了弯曲加载单元和微纳米压痕加载单元两部分，可进行弯曲预载荷模式下的微纳米压痕复合测试试验，此装置可与当前主流的光学显微成像设备兼容，对材料在弯曲、压痕或者两种载荷复合作用下的微观变形、损伤与断裂过程进行在线实时监测，为揭示材料微观变形行为和损伤机制提供了崭新的测试方法。

背景技术

材料性能测试领域，随着材料科学新技术的革新，精密和超精密加工技术的发展，在微/纳米尺度检验甚至观测材料的力学特性逐渐走进材料研究者们的视线，发展迅速，具有广阔的前景。传统的材料力学测试手段已经在过去几年发展的很成熟，但是已不能够满足日益发展的新技术，原位力学测试技术的提出突破性地使研究材料的微观变形损伤机理与载荷作用的相关性成为现实。

目前国外对原位力学测试技术的研究比较早，在国内的研究机构和人员比较少，而且一般都是研究单一载荷作用下材料力学性能，主要依靠拉伸、弯曲、扭转、疲劳等单一模块进行测试。实际工况下许多构件的受载形式并非单一载荷，而是多种载荷形式的共同作用，材料在复合载荷作用下的损伤、失效行为与单一载荷作用下的行为迥然不同，因此复合载荷模式的原位力学测试对深入研究材料性能演变、失效破坏机制具有重要意义。

该系统旨在革新传统的单一材料测试方法，丰富现有材料力学测试方法。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种弯曲预载荷微纳米压痕力学性能测试装置，解决了现有技术存在的上述问题，本装置集成了弯曲加载单元和压痕加载单元两部分，相对于传统的弯曲和压痕试验测试仪，既可以单独加载，也可以实现复合加载，两个模块紧凑安装在一块大理石底板上，每个模块均由驱动模块、信号采集模块、运动执行及转换模块，夹持及连接模块构成。并且能够集成扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、Raman光谱仪、原子力显微镜（AFM）或金相显微镜等对载荷作用下材料的组织结构演化进行高分辨率动态监测，并在线观察宏观试件在复合载荷作用下的微观变形和损伤破坏过程，其中电机、精密力传感器和精密位移传感器的信号通过采集卡输送到计算机上，实时的绘制应力应变曲线图并对材料的损伤过程进行在线监测。

本测试装置的上述目的通过以下技术方案实现：

一种弯曲预载荷微纳米压痕力学性能测试方法与装置,集成了弯曲加载单元和微纳米压痕加载单元两部分,弯曲加载模块和微纳米压痕加载模块分别通过螺栓连接固定在大理石底板两侧，弯曲加载压头和压痕加载压头两部分同轴并与夹具对称安装，可以进行弯曲预载荷微纳米压痕复合加载模式下的原位力学性能测试试验，该测试装置为揭示材料在复合载荷作用下的力学行为提供了崭新的测试手段。

所述的弯曲加载单元的驱动模块由精密直流伺服电机4通过电机法兰3与弯曲模块底板27连接构成。电机输出转速采用两级蜗轮蜗杆调速，运动执行与转换模块由一级涡轮1，一级蜗杆2，二级涡轮32，二级蜗杆31构成，一级涡轮和二级蜗杆通过蜗杆轴承29，蜗杆轴承支座30与弯曲加载单元底板27相连，精密单向滚珠丝杠21通过丝杠螺母34与连接件Ⅱ紧凑连接，而连接件Ⅱ的往复运动通过精密的导轨滑块23安装在精密的导轨22上实现，二级涡轮32、精密单向滚珠丝杠21与滚珠丝杠支撑座28之间分别通过紧固螺钉和锁紧螺母固定，确保传动平稳。弯曲加载单元的精密力传感器Ⅰ6安装在连接件Ⅱ上，弯曲压头7通过螺纹连接在精密力传感器上。精密位移传感器24与位移传感器支架25相配合一同安装在连接件Ⅱ上。当电机经过调速带动滚珠丝杠运动时，连接件Ⅱ与位移传感器支架25产生相对位移，整个弯曲加载单元底板27与大理石底板19固定连接。

所述的压痕加载单元的驱动模块主要由配有五相步进电机高分辨率马达的XY轴精密自动滑台17和精密压电驱动平台16构成，滑台通过精密压电驱动平台16和连接件Ⅰ18与压痕精密力传感器支撑板15固连。压痕精密力传感器Ⅱ14固定在支撑板上并且通过压杆13与压痕金刚石压头12螺纹连接，用于检测压力。其中XY轴精密自动滑台17用于宏观驱动整体以及横向换点工作，精密压电驱动平台16实现微观驱动金刚石压头12使其精准压入并自动检测位移，整个压痕加载单元固定在大理石底板19上。