基于可调式拉伸-弯曲预载荷的原位纳米压痕测试仪

摘要

本发明涉及一种基于可调式拉伸-弯曲预载荷的原位纳米压痕测试仪，属于机电一体化精密科学仪器领域。包括原位纳米压痕测试模块、拉伸预载荷加载模块和弯曲预载荷加载模块，所述原位纳米压痕测试模块由精密位移/力加载单元和载荷/位移信号检测单元组成；拉伸预载荷加载模块由精密驱动单元A、精密传动单元A、载荷/位移信号检测及控制单元A以及夹持单元A组成；弯曲预载荷加载模块由精密驱动单元B、精密传动单元B、载荷/位移信号检测及控制单元B组成；优点在于：体积小巧，结构紧凑，测试精度高，可提供的测试内容丰富、变形/位移/载荷速率可控，可安装于各种主流电子显微镜真空腔体的载物平台上，与成像设备兼容使用，应用范围广。

说明书

技术领域

    本发明涉及机电一体化精密科学仪器领域，特别涉及一种基于可调式拉伸-弯曲预载荷的原位纳米压痕测试仪。

背景技术

原位微纳米力学测试技术是指在微纳米尺度下对试件材料进行力学性能测试过程中，通过电子显微镜、原子力显微镜和或光学显微镜等成像仪器对载荷作用下材料发生的微观变形、损伤直至失效破坏的过程进行全程动态监测的一种力学测试技术。在诸多纳米力学测试的范畴中，弹性模量、屈服强度、抗拉强度、弯曲强度、弯曲模量、硬度、切变模量等参数是材料力学特性测试中的最主要的研究对象，针对这些力学量产生了多种测试方法，如拉伸/压缩法、三点弯曲法、纳米压痕法等，通过最直接表征材料力学性能的拉伸弯曲压痕模式的原位力学测试手段势必可以揭示出外界载荷作用下材料变形损伤的规律，发现更为新颖的现象和规律，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服役状态下的真实力学行为与变形损伤机制。

目前，原位微纳米压痕拉弯复合测试尚处萌芽状态，具体表现在：（1）受到扫描电子显微镜的腔体空间的限制，目前的多数都集中在以微/纳机电系统工艺为基础，对纳米以及薄膜材料等极微小结构的测试上，缺少对宏观尺寸（薄膜材料或三维试件）的跨尺度原位纳米力学测试，因尺寸效应的存在，对微构件的研究制约了对较大尺寸元件的力学性能的评价；（2）从测试手段和方法上来说，主要借助商业化的仪器进行单一的拉伸或弯曲测试，表现出设备费用昂贵，加载方式单一，测试内容乏善可陈的特点，对结构紧凑，体积小巧，预加载荷多样的压痕拉弯复合加载的原位测试装置鲜有提及，极大制约了研究的深入与发展。（3）从观测手段上看，因受限于扫描电子显微镜的使用条件，针对宏观试件，多局限于光学显微镜及原子力显微镜下的原位测试，光学显微镜存在着明显的放大倍率不足的问题，原子力显微镜则具有成像速度过慢的缺点，两种观测方法均难以深入研究载荷变化对材料力学行为和损伤机制的影响规律。

而实际工况下所有零部件在运行过程中以及产品在使用过程中，都在某种程度上承受着来自不同方向不同形式的复合力作用，选用材料的主要依据是它的使用性能、工艺性能和经济性，其中使用性能是首先需要满足的，特别是有针对性的材料力学性能往往是材料设计和使用所追求的主要目标。了解材料在实际工况中的力学性能以及影响材料力学性能的各种因素，是所有测试项目中最重要的内容之一。

因此，设计一种体积小巧、结构紧凑，测试精度高，能够利用电子显微镜等成像系统在线监测宏观试件在拉弯预载荷作用下的微观变形和损伤过程，基于准静态拉弯载荷加载，能够更好地模拟实际工况下材料受力状态，同时对材料进行原位纳米压痕测试并实时观测测试结果的力学测试平台已十分必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于可调式拉伸-弯曲预载荷的原位纳米压痕测试仪，解决了现有技术存在的上述问题。本发明可独立使用，测试材料力学性能参数以及在不同拉伸-弯曲预加载荷条件下的硬度、弹性模量等力学参数的变化情况。特别是本仪器结构紧凑微小，可与扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、激光共聚焦显微镜、金相显微镜、拉曼光谱仪、超景深显微成像系统以及其它光学显微镜等材料性能测试仪器兼容使用，结合这些材料性能测试仪器，可动态监测载荷作用下材料的微观变形行为、损伤机制及其与载荷作用和材料性能间的相关性规律，揭示材料宏观力学行为与载荷作用导致的微观组织结构变化、性能弱化的规律；本发明可实现对载荷/位移信号的同步采集与控制。相对于传统力学测试试验机的单一离位测试，本发明可实现在高分辨率显微成像系统下针对特征尺寸厘米级以上宏观试件的原位拉弯压痕复合测试及观测，同时解决了现有的原位测试研究中大多针对纳米管、线及薄膜材料的局限。测试平台可实现“超低速准静态”的痕拉弯复合模式加载，各载荷/位移信号的同步采集和精密闭环控制，并可实现与Hitachi TM-1000型扫描电镜及各类具有腔体及载物台结构的成像仪器兼容使用。可通过原位痕拉弯复合测试获得材料的弹性模量、屈服强度、抗拉强度、弯曲强度和硬度等力学参数，对材料的微观变形、损伤和断裂过程进行原位监测，为揭示材料在纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供了测试方法。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

基于可调式拉伸-弯曲预载荷的原位纳米压痕测试仪，包括原位纳米压痕测试模块、拉伸预载荷加载模块和弯曲预载荷加载模块，所述原位纳米压痕测试模块由精密位移/力加载单元和载荷/位移信号检测单元组成；拉伸预载荷加载模块由精密驱动单元A、精密传动单元A、载荷/位移信号检测及控制单元A以及夹持单元A组成；弯曲预载荷加载模块由精密驱动单元B、精密传动单元B、载荷/位移信号检测及控制单元B组成；各子单元组成各个模块，并最终由三个模块组成整机。

所述原位纳米压痕测试模块下精密位移/力加载单元包括高精度XZ方向位移平台13、压电叠堆10、U型转接A11、高精密压力传感器9、高精度位移传感器B15和金刚石压头夹持杆8，L型固定板14螺栓固定于上安装板B6，高精度XZ方向位移平台13不动端底部连接L型固定板14垂直侧；压痕总装板12以螺栓连接于高精度XZ方向位移平台13可动滑台；从上到下，压电叠堆10顶部接触压痕总装板12突出横梁下，其下部接触 U型转接A11两侧突出上部，U型转接A11上凸部分下部又接触高精密压力传感器9上部，最后高精密压力传感器9下部接触金刚石压头夹持杆8，金刚石压头夹持杆8一端螺栓固定连接在压痕总装板12下部凹槽内；高精度位移传感器B15上端接触压痕总装板12突出横梁，下端接触金刚石压头夹持杆8；

如此，精密二维位移平台13通过手动调节可实现精密的压头二维宏观位置调整。精密压电叠堆10可通过脉冲控制方式提供精密的力输出和极小的位移输出，压电叠堆10的输出位移和力通过U型转接A11传递给高精密压力传感器9，高精密压力传感器9下压 金刚石压头夹持杆8并带动前端压头，实现纳米压痕压入试样测试。

所述原位纳米压痕测试模块下载荷/位移信号检测单元包括高精密压力传感器9、金刚石压头夹持杆8、高精度位移传感器B15，高精密压力传感器9、压电叠堆10、U型转接A11串联，又与高精度位移传感器B15并联，高精密压力传感器9、压电叠堆10、U型转接A11及高精度位移传感器B15被压痕总装板12与金刚石压头夹持杆8夹在中间；如此，金刚石压头夹持杆8上的压头压入力经过该力放大杆放大，传递给精密压力传感器9来实现压入力信号检测；金刚石压头夹持杆8变形的同时将变形传递给高精度位移传感器B15，可得出金刚石压头的压入深度，实现微位移信号检测。

所述的拉伸预载荷加载模块下精密驱动单元A指的是直流伺服电机组件A36通过支撑座与下总装板2连接,电机输出轴通过联轴器连接蜗杆；编码器连驱动器，电机驱动器直接连接计算机，通过软件控制电机，实现动力初始输出；如此，通过传动机构实现对被测试件的拉伸载荷模式下的准静态加载，并可通过脉冲/方向控制方式提供具有微小分辨率的扭矩动力输出及角位移输出；

所述的拉伸预载荷加载模块下精密传动单元A包括换向齿轮组40、蜗轮蜗杆组件B39、丝杠导轨组件B42、双向推力杆35、双向拉伸下推力杆43、滑动导轨组件C33、轴承座B34，直流伺服电机组件A36输出轴连接换向齿轮组40的蜗杆轴，换向齿轮组40蜗轮固定在蜗轮蜗杆组件B39蜗杆轴中间，蜗轮蜗杆组件B39两蜗轮固定在丝杠导轨组件B42丝杠轴端；丝杠导轨组件B42通过丝杠固定座螺栓固定在下总装板2上；其丝杠螺母连接丝杠螺母连接座B38，杠螺母连接座B38上端固定双导轨同步连接41，双导轨同步连接41上面两侧固定轴承座C37；两个内部轴承分别连接小轴，小轴另一端连接双向拉伸下推力杆43和双向拉伸上推力杆35后端，双向拉伸上推力杆35、双向拉伸下推力杆43前端通过轴系结构连接轴承座B34双滑块；轴承座B34通过螺钉连接固定在滑动导轨组件C33的滑块上；而轴承座B34同时又与其上面的加持单元螺钉固定连接；

如此，可将直流伺服电机组件A36提供的输出扭矩经换向齿轮组40及蜗轮蜗杆组件B39实现大程度的减速、增扭目的，并最终通过剪刀式二力杆推动机构，即滑动导轨组件C33、轴承座B34、双向推力杆35、U型连接B44将旋转运动转换为精密直线往复运动，实现对被测试件的拉伸载荷模式下的准静态加载，剪刀型双向拉伸机构利用三角形力放大原理保证拉伸力的同时实现材料式样的双向拉伸，保证了观测区域在观测视野的对中性。

所述的拉伸预载荷加载模块下载荷/位移信号检测及控制单元A由高精密拉力传感器17、高精度位移传感器7组成，左夹具安装板18螺钉连接高精密拉力传感器17，高精密拉力传感器17另一端又固定在拉力传感器转接板19上；高精度位移传感器7主体固定在右夹具安装板5上，高精度位移传感器7的探头与左夹具安装板18连接；如此，可实时精确记录试样材料拉伸时的受力和变形量，同时可提供包括变形速率、载荷速率在内的模拟或数字量作为直流伺服电机组件A36的脉冲/方向闭环控制模式的反馈信号源，即可实现恒变形速率、恒载荷速率及恒位移速率三种加载/卸载方式；

所述的拉伸预载荷加载模块下夹持单元A包括夹具上盖16、试样夹持片组31、拉力传感器转接板19、压头与导轨连接台21、丝杠固定座A24、轴承座C37、丝杠螺母连接座B38，右夹具安装板5与拉力传感器转接板19分别与双侧轴承座B34固定，右夹具安装板5与拉力传感器转接板19分别固定在滑动导轨组件B30两个滑块上，滑动导轨组件B30导轨固定在上安装板A4上；滑动导轨组件B30、滑动导轨组件C33滑块运动方向一致；左夹具安装板18通过螺钉连接高精密拉力传感器17，高精密拉力传感器17另一端固定在拉力传感器转接板19上；试样夹持片组31与夹具上盖16安装在右夹具安装板5和左夹具安装板18靠机器中心线一端；夹具上盖16下面有锯齿形凹槽；如此，试件就通过夹具上盖16、夹持片组31压紧方式定位夹持。

所述的弯曲预载荷加载模块下精密驱动单元B指的是直流伺服电机组件B45通过支撑座朝上螺栓固定在下总装板2下；电机输出轴通过联轴器连接蜗杆；编码器连驱动器，电机驱动器直接连接计算机，通过软件控制电机，实现动力初始输出。如此，通过传动机构实现对被测试件的弯曲载荷模式下的准静态加载，并可通过脉冲控制方式提供具有微小分辨率的扭矩动力输出及角位移输出；

所述的弯曲预载荷加载模块下精密传动单元B包括轴承座A25、蜗轮蜗杆组件A26、丝杠固定座A24、丝杠导轨组件A27、丝杠螺母连接座A23、高精密压力传感器22、U型连接B44、压头与导轨连接台21、滑动导轨组件A29、三点弯曲测试压头20，直流伺服电机组件B45输出轴通过联轴器连接换蜗轮蜗杆组件A26，蜗轮蜗杆组件A26二级蜗轮固定在丝杠导轨组件A27丝杠轴端；丝杠导轨组件A27通过丝杠固定座A24固定在下总装板2上；其丝杠螺母通过转接件连接丝杠螺母连接座A23，丝杠螺母连接座A23后部凸起接触高精密压力传感器22尾部，高精密压力传感器22前部接触 U型连接B44U型凹槽底部，U型连接B44两侧固在压头与导轨连接台21凸台两侧；导轨连接台21底部连接滑动导轨组件A29滑块；三点弯曲测试压头20通过螺钉固定在压头与导轨连接台21上平面。

如此，可将直流伺服电机组件B45提供的输出转速和扭矩通过蜗轮蜗杆组件A26实现两级大幅减速、增扭目的，并通过丝杠导轨组件A27将旋转运动转换为精密直线往复运动，最终通过推进丝杠螺母连接座A23直接将力作用在高精密压力传感器22后端，高精密压力传感器22前段固定在 U型连接B44上，力又通过 U型连接B44推动固定着三点弯曲测试压头20的压头与导轨连接台21，最终带动三点弯曲测试压头20实现对被测试样的弯曲载荷模式下的准静态加载。

所述的弯曲预载荷加载模块下弯曲载荷/位移信号检测单元B由高精密压力传感器22与直流伺服电机组件B45组成，丝杠导轨组件A27的丝杠螺母通过转接件与丝杠螺母连接座A23螺栓连接，丝杠螺母连接座A23后部凸起接触高精密压力传感器22尾部，高精密压力传感器22前部接触 U型连接B44U型凹槽底部，U型连接B44的两侧通过螺钉紧固在压头与导轨连接台21的凸台两侧。

如此，力必经高精密压力传感器22传导，可实时精确记录试样材料弯曲时的受力。通过计算驱动程序记录直流伺服电机组件B45转动次数，并按传动比推算出材料弯曲变形量。同时可提供包括变形速率、载荷速率在内的模拟或数字量作为 直流伺服电机组件B45脉冲/方向闭环控制模式的反馈信号源即可实现恒变形速率、恒载荷速率及恒位移速率三种加载/卸载方式。

所述的直流伺服电机组件A36在时序信号作用下连续输出精确的位移，通过传动机构的多级减速实现对被测试件的拉伸载荷模式下的准静态加载，传动机构由换向齿轮组40、蜗轮蜗杆组件B39、丝杠导轨组件B42、轴承座C37、双向拉伸上推力杆35、双向拉伸下推力杆43、轴承座B34、横向支撑板32构成；剪刀式二力杆推动机构滑动导轨组件C33、轴承座B34、双向拉伸上推力杆35、双向拉伸下推力杆43实现拉伸载荷加载，在实现双向拉伸时，试样中心对中性好，从而保证试件的几何中心位置始终处于成像区域的最中央，便于观测及图像记录，同时利用三角形力放大原理，还能实现高比例到超高比例的力放大准静态加载。

通过直流伺服电机组件B45结合弯曲部分的蜗轮蜗杆组件A26、丝杠导轨组件A27的减速传导，将力先加载到丝杠螺母连接座A23上，该丝杠螺母连接座A23又直接将力作用在高精密压力传感器22后端，高精密压力传感器22前段固定在U型连接B44上，力又通过U型连接B44推动固定着三点弯曲测试压头20的压头与导轨连接台21，最终实现弯曲载荷的加载。这样的压力传感器内置结构节省了空间，为将仪器置入扫描电子显微镜提供了方便。

采用立体三层紧凑布置所有结构部件，充分利用空间，下总装板2通过扫描电镜连接组件1以机械连接方式安装于扫描电镜五轴工作平台上；下总装板2下部为第一层，弯曲部分的动力源组件轴承座A25、蜗轮蜗杆组件A26、直流伺服电机组件B45，拉伸部分动力源组件电机驱动器28、直流伺服电机组件A 36、换向齿轮组40安装固定在第一层；总装底板2上部与上安装板A4上安装板B6间为第二层，拉伸部分力传动部件横向支撑板32、滑动导轨组件C 33、轴承座B34、双向拉伸上推力杆35、轴承座C37、丝杠螺母连接座B38、蜗轮蜗杆组件B 39、双导轨同步连接41、丝杠导轨组件B42、双向拉伸下推力杆43，弯曲加载部分力传动组件压头与导轨连接台21、高精密压力传感器22、丝杠螺母连接座A23、丝杠固定座A24、蜗轮蜗杆组件A26、丝杠导轨组件A 27全部集中安装于第二层；上安装板A4与上安装板B6上部为第三层，包括纳米压痕测试机构全部组件金刚石压头夹持杆8、高精密压力传感器9、压电叠堆10、U型转接A11、压痕总装板12、高精度XZ方向位移平台13、L型固定板14、高精度位移传感器B15，拉伸加载终端-夹持机构与拉伸力/位移测试组件夹具上盖16、高精密拉力传感器17、左夹具安装板18、拉力传感器转接板19、滑动导轨组件B30、试样夹持片组31以及三点弯曲里加载压头20全部安装在第三层。立体三层结构最大化节约空间同时增加了整体刚度。

在进行原位纳米压痕测试时，当给压电叠堆10电信号后，其将通过推动U型转接A11来推动高精密压力传感器9压金刚石压头夹持杆8，最终实现压头压入式样测试，并且力通过杠杆原理放大传给高精密压力传感器9，这样可以更加精确的获得压力变化数据，使测试结果更加准确。

拉伸/弯曲两个测试模块的组合，上安装板A上固定有滑动导轨组件B30，同时拉伸测试终端；右夹具安装板5与左夹具安装板18也固定在水平布置的固定在滑动导轨组件B30滑块上，滑动方向与弯曲加载力方向垂直，对拉伸终端有效地卸载了弯曲载荷，提高了弯曲载荷加载的精度，保证拉伸与弯曲载荷加载互不干扰，同时增加了整体刚度。

高精度位移传感器7与高精密拉力传感器17、试样夹持片组31、夹具上盖16之间在加载方向上总体采用并联方式布置，可充分保证测试平台的结构微小型化，并有效提高测试平台的整体刚度。

    本发明的有益效果在于：与现有技术相比，本发明体积小巧，结构紧凑，测试精度高，可提供的测试内容丰富、变形/位移/载荷速率可控，可安装于各种主流电子显微镜真空腔体的载物平台上，亦可与原子力显微镜、拉曼光谱仪、X射线衍射仪、光学显微镜等成像设备兼容使用，应用范围广泛。可以对各种特征尺寸厘米级以上的三维试件进行跨尺度原位力学测试，提供了拉伸与弯曲两种预加载载荷模式的同时可对材料进行高精度的原为纳米压痕测试，根据弹性接触理论计算得到材料在不同拉伸阶段或者弯曲阶段的硬度、弹性模量等力学参数，实现了材料拉伸或者弯曲测试中材料表面实时力学性能检测和试样表面力学性能分布检测，并可实现连续、间歇等多种加载方式，对材料及其制品在载荷在下的微观变形进行动态观测，以揭示材料在纳米尺度下加载了拉弯复合载荷时的力学行为和损伤机制。并通过载荷/位移信号的同步检测，结合相关算法，亦可自动拟合生成载荷作用下的应力应变曲线。综上所述，本发明对丰富原位纳米力学测试内容和促进材料力学性能测试技术及装备具有重要的理论意义和良好的应用开发前途。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图 1为本发明的整体外观示意图；

图 2为本发明的整体外观俯视图；

图 3为本发明的整体结构右视图；

图 4为本发明的夹具爆炸示意图；

图 5为本发明的夹具部分俯视图；

图 6为本发明的三点弯曲压头推进机构轴测图

图 7为本发明的三点弯曲压头推进机构爆炸图

图 8为本发明的双向拉伸机构内部组件轴测图；

图 9为本发明的纳米压痕测试机构爆炸示意图。

图中：1.扫描电镜连接组件；2.下总装板；3.支撑台；4.上安装板A；5. 右夹具安装板；6. 上安装板B；7.高精度位移传感器A；8.金刚石压头夹持杆；9.高精密压力传感器；10.压电叠堆；11. U型转接A；12.压痕总装板；13.高精度XZ方向位移平台；14.L型固定板；15.高精度位移传感器B；16.夹具上盖；17.高精密拉力传感器；18. 左夹具安装板；19.拉力传感器转接板；20.三点弯曲测试压头；21.压头与导轨连接台；22.高精密压力传感器；23. 丝杠螺母连接座A；24.丝杠固定座A；25.轴承座A；26.蜗轮蜗杆组件A；27.丝杠导轨组件A；28.电机驱动器；29.滑动导轨组件A；30.滑动导轨组件B；31.试样夹持片组；32.横向支撑板；33. 滑动导轨组件C；34.轴承座B；35. 双向拉伸上推力杆；36.直流伺服电机组件A；37.轴承座C；38. 丝杠螺母连接座B；39.蜗轮蜗杆组件B；40.换向齿轮组；41.双导轨同步连接；42.丝杠导轨组件B； 43.双向拉伸下推力杆；44. U型连接B；45. 直流伺服电机组件B。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图9所示，本发明的基于可调式拉伸-弯曲预载荷的原位纳米压痕测试仪包括原位纳米压痕测试模块、拉伸预载荷加载模块和弯曲预载荷加载模块三部分组成；其中纳米压痕测试模块由精密位移/力加载单元和载荷/位移信号检测单元组成；拉伸预载荷加载模块由精密驱动单元、精密传动单元、载荷/位移信号检测及控制单元以及夹持单元组成；弯曲预载荷加载模块由精密驱动单元、精密传动单元、载荷/位移信号检测及控制单元组成。各子单元组成各个模块，并最终由三个模块组成整机。

本发明中所说的原位纳米压痕测试模块下精密位移/力加载单元包括高精度XZ方向位移平台13、压电叠堆10、U型转接A11、高精密压力传感器9、高精度位移传感器B15、金刚石压头夹持杆8，L型固定板14通过四个紧固螺栓固定在上安装板B6上，高精度XZ方向位移平台13的不动端底部则通过螺栓连接固定在 L型固定板14垂直于安装板B6一侧。压痕总装板12又以螺栓连接固定于高精度XZ方向位移平台13可动滑台上；按从上到下顺序，压电叠堆10顶部接触压痕总装板12突出横梁下，其下部接触 U型转接A11两侧突出上部，U型转接A11中间上凸部分下部又接触高精密压力传感器9上部，最后高精密压力传感器9下部接触金刚石压头夹持杆8，金刚石压头夹持杆8一端通过螺栓连接固定在 压痕总装板12下部凹槽内；高精度位移传感器B15则与高精密压力传感器9、压电叠堆10、U型转接A 11组成的力传递与检测机构并联，上端接触压痕总装板12突出横梁，下端接触金刚石压头夹持杆8。高精密压力传感器9、压电叠堆10、U型转接A 11、高精度位移传感器B 15就这样被压痕总装板12与金刚石压头夹持杆8夹在中间。纳米金刚石压头通过螺栓夹紧结构加持在 金刚石压头夹持杆8另一端。

如此，精密二维位移平台13通过手动调节可实现精密的压头二维宏观位置调整，精密压电叠堆10可通过脉冲控制方式提供精密的力输出和极小的位移输出，压电叠堆10的输出位移和力通过U型转接A11传递给高精密压力传感器9，并通过金刚石压头夹持杆8带动压头，实现纳米压痕压入式样测试。

本发明中所说的原位纳米压痕测试模块下载荷/位移信号检测单元包括高精密压力传感器9、金刚石压头夹持杆8、高精度位移传感器B15，高精密压力传感器9、压电叠堆10、U型转接A11串联，又与高精度位移传感器B15并联平行，如此，金刚石压头夹持杆8上的压头压入力经过该力放大杆放大，传递给精密压力传感器9来实现压入力信号检测；金刚石压头夹持杆8变形的同时将变形传递给高精度位移传感器B15，可得出金刚石压头的压入深度，实现微位移信号检测。

本发明中所说的拉伸预载荷加载模块下精密驱动单元A指的是直流伺服电机组件A36自身带编码器和空心杯行星齿轮减速器，减速器一端通过螺栓连接固定在电机支撑座上，电机支撑座又通过螺栓连接朝上固定在下总装板2下面；电机输出轴通过联轴器连接蜗杆；编码器连驱动器，电机驱动器直接连接计算机，通过软件控制电机，实现动力初始输出。如此，通过传动机构实现对被测试件的拉伸载荷模式下的准静态加载，并可通过脉冲/方向控制方式提供具有微小分辨率的扭矩动力输出及角位移输出。

本发明中所说的拉伸预载荷加载模块下精密传动单元A包括换向齿轮组40、蜗轮蜗杆组件B39、丝杠导轨组件B42、双向推力杆35、双向拉伸下推力杆43、滑动导轨组件C33、轴承座B34，直流伺服电机组件A36输出轴通过联轴器连接换向齿轮组40的蜗杆轴，可实现一级减速换向齿轮组40的蜗轮通过定位销固定在二级减速的 蜗轮蜗杆组件B39蜗杆轴中间位置，二级减速的蜗轮蜗杆组件B39两个蜗轮通过定位销分别固定在丝杠导轨组件B42两个丝杠轴端。丝杠导轨组件B42中选用的是支撑端FK系列法兰支承座，末端锁紧螺母防丝杠螺母脱落。丝杠导轨组件B42FK支承座通过螺栓连接固定在丝杠固定座，而丝杠固定座又通过两组螺栓固定在下总装板2上面，这样实现丝杠导轨在下总装板2的固定。丝杠导轨组件B42丝杠螺母通过螺栓连接丝杠螺母连接座B38。通过螺钉连接，丝杠螺母连接座B38上端固定双导轨同步连接41，41上面两侧固定轴承座C37。通过两个内部轴承分别连接两个小轴，两个小轴另一端又分别紧配合连接双向拉伸下推力杆43和双向拉伸上推力杆35后端，35、43前端也通过同样的轴、轴承结构活动连接在轴承座B34双滑块中间。轴承座B34通过螺钉连接固定在滑动导轨组件C33的滑块上，滑动导轨组件C33又通过螺钉固定在横向支撑板32一侧，横向支撑板32最终螺钉固定连接在下总装板2上面。而轴承座B34同时又与其上面的加持单元螺钉固定连接。

如此，可将直流伺服电机组件A36提供的输出扭矩经换向齿轮组40及蜗轮蜗杆组件B39实现大程度的减速、增扭目的，并最终通过丝杠导轨组件B42与剪刀式二力杆推动机构滑动导轨组件C33、轴承座B34、双向拉伸上推力杆35、双向拉伸下推力杆43将旋转运动转换为精密直线往复运动，实现对被测试件的拉伸载荷模式下的准静态加载，剪刀型双向拉伸机构利用三角形力放大原理保证拉伸力的同时实现材料式样的双向拉伸，保证了观测区域在观测视野的对中性。

本发明中所说的拉伸预载荷加载模块下载荷/位移信号检测及控制单元A由高精密拉力传感器17、高精度位移传感器7组成。左夹具安装板18通过螺钉连接高精密拉力传感器17，17另一端又固定在拉力传感器转接板19上。高精度位移传感器7主体通过螺钉连接固定在右夹具安装板5上，高精度位移传感器7的探头通过一个L型小伸长板连接左夹具安装板18。如此，可实时精确记录试样材料拉伸时的受力和变形量，同时可提供包括变形速率、载荷速率在内的模拟或数字量作为 直流伺服电机组件A36的脉冲/方向闭环控制模式的反馈信号源，即可实现恒变形速率、恒载荷速率及恒位移速率三种加载/卸载方式。

本发明中所说的拉伸预载荷加载模块下夹持单元A包括夹具上盖16、试样夹持片组31、拉力传感器转接板19、压头与导轨连接台21、丝杠固定座A24、轴承座C37、丝杠螺母连接座B38。轴承座B34上面加工有螺纹孔，右夹具安装板5与拉力传感器转接板19通过螺钉分别与双侧轴承座B34固定连接。右夹具安装板5与拉力传感器转接板19又分别通过螺钉连接固定在滑动导轨组件B30的两个滑块上，滑动导轨组件B30通过螺钉固定在上安装板A4上，上安装板A 4通过支撑台3与下总装板2固定连接。这样右夹具安装板5、拉力传感器转接板19就通过横向和竖向两个平面的滑块的固定保证位置和刚度，滑动导轨组件B 30、滑动导轨组件C 33所有滑块运动方向一致。左夹具安装板18通过螺纹连接高精密拉力传感器17，高精密拉力传感器17另一端又固定在拉力传感器转接板19上。试样夹持片组31与夹具上盖16安装在右夹具安装板5和左夹具安装板18靠机器中心线端。试件两端装卡在试样夹持片组31凹槽中，上面是夹具上盖16，通过螺栓组固定、压紧。夹具上盖16下面有锯齿形凹槽，压紧后保证试件左右不会错动。如此，试件就通过试样 夹具上盖16、夹持片组31压紧方式定位夹持。

本发明中所说的弯曲预载荷加载模块下精密驱动单元B指的是直流伺服电机组件B45自身带编码器和空心杯行星齿轮减速器，减速器一端通过螺栓连接固定在支撑座上，电机支撑座又通过螺栓连接朝上固定在 下总装板2下面；电机输出轴通过联轴器连接蜗杆；编码器连驱动器，电机驱动器直接连接计算机，通过软件控制电机，实现动力初始输出。如此，通过传动机构实现对被测试件的弯曲载荷模式下的准静态加载，并可通过脉冲控制方式提供具有微小分辨率的扭矩动力输出及角位移输出。

本发明中所说的弯曲预载荷加载模块下精密传动单元B包括轴承座A25、蜗轮蜗杆组件A26、丝杠固定座A24、丝杠导轨组件A27、丝杠螺母连接座A23、高精密压力传感器22、U型连接B44、压头与导轨连接台21、滑动导轨组件A29、三点弯曲测试压头20。直流伺服电机组件B45输出轴通过联轴器连接蜗轮蜗杆组件A26的第一级蜗轮蜗杆的蜗杆轴，蜗轮蜗杆组件A26一级蜗轮蜗杆组的蜗轮通过定位销固定在二级减速的蜗轮蜗杆组蜗杆轴上，该蜗杆轴通过两个轴承座A25安装在下总装板2上，二级减速的蜗轮蜗杆组件蜗轮通过定位销固定在 丝杠导轨组件A27丝杠轴端。丝杠导轨组件A27中选用的是支撑端端FK系列法兰支承座，末端锁紧螺母防丝杠螺母脱落。丝杠导轨组件A27FK支承座通过螺栓连接固定在丝杠固定座A24，而丝杠固定座A24又通过两组螺栓固定在下总装板2上面，这样实现丝杠导轨在下总装板2的固定。丝杠导轨组件A27的丝杠螺母通过转接件与丝杠螺母连接座A23螺栓连接，丝杠螺母连接座A23后部凸起正好接触 高精密压力传感器22尾部，高精密压力传感器22前部接触 U型连接B44U型凹槽底部，U型连接B44的两侧通过螺钉紧固在压头与导轨连接台21的凸台两侧。压头与导轨连接台21底部通过螺钉固定在 滑动导轨组件A29的两个滑块上，滑动导轨组件A29通过螺钉紧固在 下总装板2上。三点弯曲测试压头20通过螺钉固定在 压头与导轨连接台21上部。

如此，可将直流伺服电机组件B45提供的输出转速和扭矩通过蜗轮蜗杆组件A26实现两级大幅减速、增扭目的，并通过丝杠导轨组件A27将旋转运动转换为精密直线往复运动，最终通过推进丝杠螺母连接座A23直接将力作用在高精密压力传感器22后端，高精密压力传感器22前段固定在 U型连接B44上，力又通过 U型连接B44推动固定着 三点弯曲测试压头20的 压头与导轨连接台21，最终带动三点弯曲测试压头20实现对被测试件的弯曲载荷模式下的准静态加载。

本发明中所说的弯曲预载荷加载模块下弯曲载荷/位移信号检测单元B由高精密压力传感器22与直流伺服电机组件B45组成。丝杠导轨组件A27的丝杠螺母通过转接件与丝杠螺母连接座A23螺栓连接，丝杠螺母连接座A23后部凸起正好接触 高精密压力传感器22尾部，高精密压力传感器22前部接触 U型连接B44U型凹槽底部，U型连接B44的两侧通过螺钉紧固在压头与导轨连接台21的凸台两侧。如此，力必经高精密压力传感器22传导，可实时精确记录试样材料弯曲时的受力。通过计算驱动程序记录直流伺服电机组件B45转动次数，并按传动比推算出材料弯曲变形量，同时可提供包括变形速率、载荷速率在内的模拟或数字量作为 直流伺服电机组件B45脉冲/方向闭环控制模式的反馈信号源即可实现恒变形速率、恒载荷速率及恒位移速率三种加载/卸载方式。

本发明中所说的基于可调式拉伸-弯曲预载荷的原位纳米压痕测试仪在时序信号作用下，直流伺服电机组件A36连续输出精确的位移，通过传动机构换向齿轮组40、蜗轮蜗杆组件B39、丝杠导轨组件B42、轴承座C37、双向拉伸上推力杆35、双向拉伸下推力杆43、轴承座B34、横向支撑板32的多级减速实现对被测试件的拉伸载荷模式下的准静态加载。剪刀式二力杆推动机构滑动导轨组件C33、轴承座B34、双向拉伸上推力杆35、U型连接B 44实现拉伸载荷加载，在实现双向拉伸时，试样中心对中性好，从而保证试件的几何中心位置始终处于成像区域的最中央，便于观测及图像记录，同时利用三角形力放大原理，还能实现高比例到超高比例的力放大准静态加载。

本发明中所说的基于可调式拉伸-弯曲预载荷的原位纳米压痕测试仪通过 直流伺服电机组件B45结合弯曲部分的蜗轮蜗杆组件A26、丝杠导轨组件A27的减速传导，将力先加载到 丝杠螺母连接座A23上，该丝杠螺母连接座A23又直接将力作用在 高精密压力传感器22后端，高精密压力传感器22前段固定在 U型连接B44上，力又通过U型连接B44推动固定着三点弯曲测试压头20的压头与导轨连接台21，最终实现弯曲载荷的加载。这样的压力传感器内置结构节省了空间，为将仪器置入扫描电子显微镜提供了方便。

本发明中所说的基于可调式拉伸-弯曲预载荷的原位纳米压痕测试仪总装整体采用立体三层紧凑布置。所有结构部件，充分利用空间，下总装板2通过扫描电镜连接组件1以机械连接方式安装于扫描电镜五轴工作平台上；下总装板2下部为第一层，弯曲部分的动力源组件轴承座A25、蜗轮蜗杆组件A26、直流伺服电机组件B45，拉伸部分动力源组件电机驱动器28、直流伺服电机组件A 36、换向齿轮组40安装固定在第一层；总装底板2上部与上安装板A4上安装板B6间为第二层，拉伸部分力传动部件横向支撑板32、滑动导轨组件C 33、轴承座B34、双向拉伸上推力杆35、轴承座C37、丝杠螺母连接座B38、蜗轮蜗杆组件B 39、双导轨同步连接41、丝杠导轨组件B42、双向拉伸下推力杆43，弯曲加载部分力传动组件压头与导轨连接台21、高精密压力传感器22、丝杠螺母连接座A23、丝杠固定座A24、蜗轮蜗杆组件A26、丝杠导轨组件A 27全部集中安装于第二层；上安装板A4与上安装板B6上部为第三层，包括纳米压痕测试机构全部组件金刚石压头夹持杆8、高精密压力传感器9、压电叠堆10、U型转接A11、压痕总装板12、高精度XZ方向位移平台13、L型固定板14、高精度位移传感器B15，拉伸加载终端-夹持机构与拉伸力/位移测试组件夹具上盖16、高精密拉力传感器17、左夹具安装板18、拉力传感器转接板19、滑动导轨组件B30、试样夹持片组31以及三点弯曲里加载压头20全部安装在第三层。立体三层结构最大化节约空间同时增加了整体刚度。

本发明中所说的基于可调式拉伸-弯曲预载荷的原位纳米压痕测试仪纳米压痕模块，在进行原位纳米压痕测试时，当给压电叠堆10电信号后，其将通过推动U型转接A11来推动高精密压力传感器9压金刚石压头夹持杆8，最终实现压头压入式样测试，并且力通过杠杆原理放大传给高精密压力传感器9，这样可以更加精确的获得压力变化数据，使测试结果更加准确。

本发明中所说的基于可调式拉伸-弯曲预载荷的原位纳米压痕测试仪的拉伸/弯曲两个测试模块的组合，上安装板A上固定有滑动导轨组件B30，同时拉伸测试终端，右夹具安装板5与左夹具安装板18也固定在水平布置的固定在滑动导轨组件B30滑块上，滑动方向与弯曲加载力方向垂直，对拉伸终端有效地卸载了弯曲载荷，提高了弯曲载荷加载的精度，保证拉伸与弯曲载荷加载互不干扰，同时增加了整体刚度。

本发明中所说的试样加持装置上盖16、试样夹持片31与试件的接触面均采用线切割方式加工成滚花状结构，可提高试件夹持的可靠性。具体的方法是在两个侧面分别加工成锯齿状结构。

本发明中所说的基于可调式拉伸-弯曲预载荷的原位纳米压痕测试仪，高精度位移传感器7与高精密拉力传感器17、试样夹持片组31、夹具上盖16 之间在加载方向上总体采用并联方式布置，可充分保证测试平台的结构微小型化，并有效提高测试平台的整体刚度。

本发明在具体的测试过程中，分为四个实施步骤：一、装卡试件、安装仪器；二、拉伸-弯曲载荷预加载；三、原位纳米压痕测试；四、扫描电镜原位观测并记录数据。被测试件在进行压痕拉弯复合测试前，需采用线切割加工方法试制处带有应力薄弱区域或预知缺口的标准试件，并通过单面抛光处理得到可用于高分辨率显微成像监测的较好表面光洁度，或通过化学腐蚀等工艺得到金相等显微形貌。

结合图1、图4、图5，第一步：装卡试件、安装仪器。测试中基于可调式拉伸-弯曲预载荷的原位纳米压痕测试仪下总装板2通过楔形 扫描电镜连接组件1以机械连接方式安装固定于扫描电镜五轴工作平台上，仪器这时候与水平面保持一个39°的仰角，方便扫描电镜对式样表面成像。之后，将被测试件安放于 试样夹持片组31的槽状结构处实现式样垂直轴方向的定位，之后加盖 夹具上盖16并用螺钉拧紧固定，利用夹具上盖16下部的锯齿形凹槽实现轴向夹持及定位。利用水平仪或千分表调整夹持机构以保证试件的位置准确。通过调整压痕测试模块与弯曲预载荷加载模块的双轴定位机构，使金刚石压头夹持杆8上的金刚石压头与三点弯曲测试压头20处于被测试件的正上方或正前方并保持大致合理间距。在此基础上，细微调整高精度XZ方向位移平台13使金刚石压头位于合适的位置，保持压入前的最佳距离。最后通过电镜系统调整五轴工作平台的位姿得到最佳观测角度，即校准被测试件的拟定测试点的位置后，关闭扫描电镜真空腔密封舱门。打开扫描电镜电源，通过调整扫描电镜的工作距离以及金刚石压头或弯曲压头的Z向位置，完成对被测试件的成像倍率以及观测区域的调整。

结合图2、图6、图7，第二步：弯曲载荷预加载。机械结构方面：通过计算机控制电机驱动器，电机驱动器输出的时序信号作用下，直流伺服电机组件B45输出力与位移，传递给弯曲部分 蜗轮蜗杆组件A26与丝杠导轨组件A27，实现两级减速力放大传导。丝杠导轨组件A27又将转动角位移转化为直线位移，力传递给丝杠螺母连接座A23，丝杠螺母连接座A23又直接将力作用在高精密压力传感器22后端，高精密压力传感器22前段固定在U型连接B44上，力这样又通过U型连接B44推动固定着 三点弯曲测试压头20的压头与导轨连接台21，三点弯曲测试压头20垂直于试件长度方向加载力，大减速比准静态加载弯曲力，最终实现三点弯曲压头20对试样的弯曲载荷的加载。

检测控制方面：高精密压力传感器22与直流伺服电机组件B45组成弯曲预载荷加载模块下弯曲载荷/位移信号检测单元，高精密压力传感器22可实时精确记录试样材料弯曲时的受力。通过计算驱动程序记录直流伺服电机组件B45转动次数，并按传动比推算出材料弯曲变形量，同时可提供包括变形速率、载荷速率在内的模拟或数字量作为 直流伺服电机组件B45脉冲/方向闭环控制模式的反馈信号源即可实现恒变形速率、恒载荷速率及恒位移速率三种加载/卸载方式；

结合图2、图3、图8，第二步：拉伸载荷预加载。机械结构方面：通过计算机控制电机驱动器，电机驱动器输出的时序信号作用下，直流伺服电机组件A36连续输出精确的位移，通过拉伸载荷预加载模块下传动单元换向齿轮组40、蜗轮蜗杆组件B39、丝杠导轨组件B42、双向推力杆35、双向拉伸下推力杆43、滑动导轨组件C33、轴承座B 34的多级减速实现对被测试件的拉伸载荷模式下的准静态加载。这个过程中，精密直流伺服电机36自带的行星杯减速器进行第一级减速，力与角位移传递到 蜗轮蜗杆组39与 丝杠导轨组件B42进行第二级减速同时将角位移转化为直线位移，而新型剪刀型双向推力杆双向拉伸上推力杆35、向拉伸下推力杆43通过三角形力放大原理，将纵向推力转化为横向的双向拉力，保证了观测区域在观测视野的对中性。实现了双向拉伸的同时还对力进行了放大，三级减速真正保证了拉伸力的双向准静态加载；

检测控制方面：高精密拉力传感器17、高精度位移传感器7组成拉伸预载荷加载模块下载荷/位移信号检测及控制单元，可实时精确记录试样材料拉伸时的受力和变形量，同时可提供包括变形速率、载荷速率在内的模拟或数字量作为 直流伺服电机组件A36的脉冲/方向闭环控制模式的反馈信号源，即可实现恒变形速率、恒载荷速率及恒位移速率三种加载/卸载方式；

结合图3、图9，第三步，原位纳米压痕测试。进行原位纳米压痕测试时，细微调整高精度XZ方向位移平台13使金刚石压头位于合适的位置，保持压入前的最佳距离。通过程序界面设定原位力学测试的加载力或位移等参数，由PC机向多通道伺服驱动控制器以及压电驱动电源发出指令。当给压电叠堆10电信号后，压电叠堆10将通过推动U型转接A11将力和位移传递给高精密压力传感器9，推动精密压力传感器9压金刚石压头夹持杆8，金刚石压头装卡杆8的一端是线切割柔性铰链，固定在压痕总装板12上，金刚石压头夹持杆8受到高精密压力传感器9的下压力后，前端的金刚石压头下压，最终实现压头压入式样测试。纳米压痕测试的压入力通过杠杆原理放大传给高精密压力传感器9，可以更加精确的获得压力变化数据。金刚石压头夹持杆8变形的同时将变形传递给高精度位移传感器B15，可得出金刚石压头的压入深度，实现微位移信号检测。

第四步，通过扫描电镜原位观测并记录数据。通过高分辨率的力传感器和位移传感器实现对 压头压入载荷和压入深度信号的拾取，通过采集软件将数据采集并处理得到压入 载荷-深度关系曲线，根据弹性接触理论计算得到材料在不同拉伸阶段或者弯曲 阶段的硬度、弹性模量等力学参数，实现了材料拉伸或者弯曲测试中材料表面实 时力学性能检测和试样表面力学性能分布检测。结合精密检测、初始接触探测、控制单元与算法程序，也可保证拉伸/压缩载荷预加载测试模块、弯曲载荷预加载测试模块与纳米压痕测试模块的加载时序任意选择。

在原位观测中，先在扫描电镜较低放大倍率下对试件变形区域进行扫描，找到试件变形损伤薄弱区域后，提高放大倍率对测试中材料的变形损伤进行原位观测。原位测试中传感器对拉伸模式外部载荷F进行实时检测，试件变形量由精密位移传感器通过同步拾取两个试件夹持机构间的相对位移。在此基础上，多路信号通过模数转换并经必要信号调理后送入计算机。通过算法程序即可实时获取表征材料力学性能的应力-应变曲线、弹性模量、硬度和屈服强度等力学参数。

本发明涉及的基于可调式拉伸-弯曲预载荷的原位纳米压痕测试仪，属机电一体化类仪器范畴。测试平台结合传统的针对特征尺寸厘米级以上的三维宏观试件，可实现对材料的拉伸-弯曲预载荷下的原位纳米压痕测试，并可实现与Hitachi TM-1000型扫描电子显微镜及各类具有腔体及载物台结构的成像仪器兼容使用。通过高集成度的小型拉伸-弯曲预载荷加载装置实现材料动态拉伸弯曲的同时，利用压电原理驱动金刚石压头实现纳米级压痕测试，通过高分辨率的力传感器和位移传感器实现对压头压入载荷和压入深度信号的拾取，通过采集软件将数据采集并处理得到压入载荷-深度关系曲线，根据弹性接触理论计算得到材料在不同拉伸阶段或者弯曲阶段的硬度、弹性模量等力学参数，实现了材料拉伸或者弯曲测试中材料表面实时力学性能检测和试样表面力学性能分布检测。结合精密检测、初始接触探测、控制单元与算法程序，也可保证拉伸/压缩载荷预加载测试模块、弯曲载荷预加载测试模块与纳米压痕测试模块的加载时序任意选择。本发明体积小巧，结构紧凑，应变速率可控，与各类主流扫描电子显微镜、原子力显微镜、拉曼光谱仪、X射线衍射仪以及光学显微镜等成像仪器具有良好的结构兼容性、真空兼容性及电磁兼容性。可在各类成像仪器的观测下开展针对特征尺寸厘米级以上三维试件的跨尺度材料拉伸-弯曲预载荷下原位纳米压痕测试，对材料在复合拉-弯预载荷作用下的微观变形、损伤与断裂过程进行在线监测，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。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。