[发明专利]扫描电子显微镜中原位静-动态疲劳力学性能测试仪器

说明书

本发明涉及一种扫描电子显微镜中原位静‑动态疲劳力学性能测试仪器，属于科学仪器与材料测试技术领域。包括驱动单元、支撑单元、夹持单元、测量单元及加热单元；支撑单元，支撑夹持单元，与扫描电子显微镜的移动平台连接；驱动单元包括准静态力学载荷加载机构和动态疲劳载荷加载机构两部分，构建静‑动态力学载荷耦合的加载环境；测量单元测量样品的静‑动态力学载荷和位移；加热单元固定在支撑单元上。优点在于：可以实现对材料进行原位高温、高应力的静‑动态疲劳测试，还可集成拉伸、压缩、三点弯、四点弯、剪切等多种静态载荷模式，实现对材料力学性能试验的稳定、连续、准确的控制和表面变形及失效行为监测。

技术领域

本发明涉及科学仪器与材料测试技术领域，特别涉及一种扫描电子显微镜中原位静-动态疲劳力学性能测试仪器，与扫描电子显微镜具有良好的兼容性，能够对材料的微观变形、疲劳裂纹扩展过程进行在线观测，为揭示材料在纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供了新的测试方法。

背景技术

随着航空航天、微电子等高技术产业的迅猛发展，工业界对材料的性能又提出了新的要求，因此，探究材料在温度场、静-动态机械载荷场多场耦合条件下的力学性能演化机制显得尤为重要。然而在传统的材料性能研究模式中，力学性能测试与显微结构研究独立进行，无法将材料微观组织变化的机理与材料宏观力学性能有效结合，综合表征材料的性能。

扫描电子显微镜是材料微观组织结构测试的重要工具，可以对宏观到微观，甚至纳米尺度的材料进行微结构跨尺度测量，是揭示材料微观组织结构的重要手段。同时扫描电子显微镜还可以配置电子背散射衍射仪（EBSD）和X-射线能量色散谱仪（EDS），可以在一次实验过程中获取被测试样的微区形貌、微区成分以及晶体取向等关键信息。基于上述优势，美国MTI、英国Deben和德国Kamra-Weiss等公司均发展了以扫描电子显微镜为主要应用平台的原位疲劳试验机。这些仪器虽然能够配合扫描电子显微镜进行材料微观性能测试，但是由于扫描电子显微镜内部空间和传统实验手段的限制，存在以下不足：

（1）从驱动方式上来看，现有的原位疲劳试验机驱动方式大多是电机和液压驱动两种方式，其中电机驱动一般加载较为平稳，可以提供较大的载荷，但是只能实现低周疲劳加载，试验周期长，效率低下。液压驱动的疲劳试验机可以实现高频加载，但是液压驱动单元尺寸过大，且液压油在真空环境下的密封难以处理，需要对扫描电子显微镜专门改造，成本昂贵，通用性较差。

（2）从功能结构上来看，现有疲劳试验机只能提供单一载荷下的疲劳实验，如预拉伸载荷下的疲劳实验，无法与三点弯、剪切、压缩等不同载荷进行兼容使用。同时部分原位疲劳试验机由于结构受限，无法兼容热场，现有研究表明，材料的力学性能通常会随着其所在的温度场和应力场的复合作用发生改变。

发明内容

本发明的目的在于提供一种扫描电子显微镜中原位静-动态疲劳力学性能测试仪器，解决了现有技术存在的上述问题。本发明结构紧凑，易和商业化的扫描电子显微镜集成，在扫描电子显微镜的动态监测下可开展任意给定应力或应变水平下的原位动态疲劳测试，并可开展高温环境下等幅或变频疲劳试验，测试频率、温度可控。同时本发明还可以通过更换不同的夹具，实现一台仪器多种载荷（拉伸、压缩、三点弯曲）下的疲劳测试，功能拓展性强。

本发明实现了在扫描电镜内在线原位监测材料疲劳实验过程中微观结构变化和损伤失效行为，可以实现对材料进行原位高温、高应力的静-动态疲劳测试，还可集成拉伸、压缩、三点弯、四点弯、剪切等多种静态载荷模式，实现对材料力学性能试验的稳定、连续、准确的控制和表面变形及失效行为监测。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：