一种微观视场下双侧动力原位微扭转材料力学性能测试仪

摘要

一种微观视场下双侧动力原位微扭转材料力学性能测试仪，包括基座、直流伺服电机、变速箱、弹性联轴器、主轴、夹具，其特征在于变速箱有左、右两个双侧贯通输出轴，基座上相对设置左右两个主轴，两个主轴的轴线在同一直线上，两主轴由前段向后依次设置有夹具、扭矩传感器、法兰盘、读数头连接架、圆光栅读数头、圆光栅尺，主轴的后端通过传动装置与输出轴连接获得扭矩。本发明结构紧凑，体积小巧，角应变速率可控，操作方便，与成像仪器具有良好的使用兼容性，可对材料的微观变形、损伤和断裂过程进行全程全面原位监测，为揭示材料在微纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供了新型测试手段和方法。

说明书

技术领域

本发明涉及材料试验和检测仪器，特别是一种微观视场下双侧动力原位微扭转材料力学性能测试仪。 

背景技术

扭转实验是材料机械性能试验的基本试验方法之一。通过扭转试验可以测定脆性材料和塑性材料的强度和塑性，以评价材料的性能。传统的扭转试验机，其测试结果均以实施载荷后的变化量作为测试依据，而不能实时监测载荷实施中材料微变、损伤直至破坏的动态过程。为探索和揭示固态材料在扭转等载荷下宏-微观跨尺度的动态变形行为，国内外少数机构正致力于开发和研制结合电子显微学技术、激光共聚焦显微成像技术、X射线衍射技术等微观成像手段，用于在接近服役条件下测定固态材料动态、微观力学性能的原位测试技术。该测试技术不仅能测定材料的各种力学参数，并且可以对材料在实验过程中的微观变形和损伤过程进行实时、在线观测，将图像学定性分析与数据定量分析相结合，以更新的视野和测试角度揭示出外界载荷作用下材料变形损伤的过程，发现更为新颖的现象和规律。 

目前，已经研制出的原位扭转试验仪器多采用单侧动力，即被测试件的一端固定，另一端施加扭矩。这样，使用成像仪器观察的区域也会产生扭转，因此，在测试过程中，所观察的区域会不断从视野中消失，给实验的在线观测带来了诸多的不便；其次，由于原位测试仪器整体体积的限制，仪器所配置的夹具不可能太大，这就给试件的夹持精度带来了影响，目前所研制的原位扭转测试仪器上的夹具，大多只考虑试件的夹持紧固度，而对试件的位置精确度鲜有考虑或考虑不周；再者，针对特征尺寸毫米级以上宏观材料的扭转测试，主要是借助商业化的扭转试验机进行的非原位测试，并未涉及到扫描电镜等成像仪器使用环境下的原位测试。且表现出设备较为昂贵，测试内容乏善可陈的特点，极大制约了研究的深入与发展。特别随着航空、航天技术和材料科学与军事科学的发展，经典的宏观材料力学性能试验仪器设备所测试的材料参数和性能己经不能完全表征材料在更小尺度和极限条件服役的性能特性，需要引入更加直观、精确的测试、观察和分析手段，以此对材料的力学行为和破坏机制进行有效分析和深入研究。 

发明内容

为解决上述问题，本发明型提供一种微观视场下双侧动力原位微扭转材料力学性能测试仪，以实现对材料的微观变形、损伤和断裂过程进行全程全面原位监测，从而深入揭示材料在微纳米尺度下的力学特性和损伤机制。 

一种微观视场下双侧动力原位微扭转材料力学性能测试仪，主要由精密双侧加载、精密信号检测及控制、精密夹持及附属三部分组成，所述精密双侧加载由直流伺服电机1、变速箱2、两个弹性联轴器4和两个两级较大减速比二次包络型蜗轮蜗杆副组成，所述直流伺服电机1固定在变速箱2上，所述变速箱2固定于基座27上，直流伺服电机1通过变速箱2中的一级齿轮传动，将动力和运动由双侧贯通变速箱输出轴3分别向两侧输出，并分别通过弹性联轴器4与固定在基座27两端的二次包络型蜗轮蜗杆副连接，所述二次包络型蜗轮蜗杆副与通过主轴轴承座12固定在基座27上的主轴26后端连接，两个主轴26相对布置，其轴线在同一直线上并且与变速箱输出轴3平行，两主轴26由前端向后依次设置有夹具18、法兰盘16、读数头连接架15、圆光栅读数头14和圆光栅尺13，其中一侧主轴26上的夹具18与法兰盘16之间还装有扭矩传感器17。 

所述精密信号检测及控制由精密扭矩传感器17、圆光栅尺13及圆光栅读数头14及与直流伺服电机1同步运动的高线数光电编码器组成，所述精密扭矩传感器17将一侧主轴26与夹具18固接在一起，圆光栅尺13通过紧固螺栓固定在两侧主轴26上，随主轴26同步旋转，圆光栅读数头14通过读数头连接架15安装于基座27上，并与两侧圆光栅尺13相对，圆光栅尺13及圆光栅读数头14为两侧各一对，高线数光电编码器安装于直流伺服电机1的尾端，随直流伺服电机1主轴26同步运转。 

所述二次包络型蜗轮蜗杆副由高速蜗轮蜗杆和低速蜗轮蜗杆组成，所述两个弹性联轴器4的一端分别通过高速蜗杆轴5与高速蜗杆9连接，低速涡轮11安装在主轴26的后端； 

所述两对低速蜗轮蜗杆均为右旋，而一侧高速蜗轮蜗杆为右旋，另一侧高速蜗轮蜗杆为左旋，以实现两侧主轴的同步反向旋转。 

所述精密夹持由安装在主轴26前端的夹具组成，一侧夹具18通过夹具连接端29与扭矩传感器17一侧连接端相连，并通过螺栓固定，另一侧夹具18通过配合定位与法兰盘16的一侧相连，并通过螺栓固定； 

所述夹具由上压板32和下压板35组成，所述上压板32与下压板35由夹紧螺栓28连接，上压板32前端有定位槽，定位槽内有一个定位片33、定位片33下端有正三角形开口，定位片33中间有条形定位孔，上压板32前端与定位孔对应处有螺孔，螺孔内有一个定位片螺栓34将定位片33固定在上压板32前端，上压板32上端面有一个下压弹簧板31，弹簧板31前端压在定位片33上，弹簧板31后端通过弹簧板螺栓30安装在上压板32上。 

本发明的有益效果在于：采用双侧动力同步反向扭转，使试样的破坏区域更易限定于 相反应力的剪切区域，且达到最终破坏的扭转角度更小，便于在微观视场的有限视野下对试样的破坏过程和失效机制进行观察、分析和检测。同时，采用新型配套夹具，使试件轴心与仪器主轴更易对心，测试过程更稳定，测试结果更准确。与现有技术相比，本发明结构紧凑，体积小巧，角应变速率可控，操作方便，与高速摄像机、扫描电子显微镜、光学显微镜、原子力显微镜、拉曼光谱仪等成像仪器具有良好的使用兼容性，可对材料的微观变形、损伤和断裂过程进行全程全面原位监测，为揭示材料在微纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供了新型测试手段和方法。 

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。 

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。 

图2为本发明的夹具的结构示意图。 

图3为本发明的变速箱的结构示意图。 

图例：1、直流伺服电机；2、变速箱；3、变速箱输出轴；4、弹性联轴器；5、高速蜗杆轴；6、高速蜗杆轴轴承；7、高速蜗杆轴轴承座；8、高速蜗轮；9、高速蜗杆；10、低速蜗杆；11、低速蜗轮；12、主轴轴承座；13、圆光栅尺；14、圆光栅读数头；15、读数头连接架；16、法兰盘；17、扭矩传感器；18、夹具；19、试件；22、主轴轴承；23、低速蜗杆轴轴承；24、低速蜗杆轴轴承座；25、低速蜗杆轴；26、主轴；27、基座；28、夹紧螺栓；29夹具连接端；30、弹簧板螺栓；31、弹簧板；32、上压板；33、定位片；34、定位片螺栓；35、下压板；36、变速箱箱体；37、从动齿轮；38、电动机输出轴；39、主动齿轮。 

具体实施方式

本发明包括基座、直流伺服电机、变速箱、弹性联轴器、主轴、夹具，其特征在于变速箱有左、右两个双侧贯通输出轴，基座上相对设置左右两个主轴，两个主轴的轴线在同一直线上，两主轴由前段向后依次设置有夹具、扭矩传感器、法兰盘、读数头连接架、圆光栅读数头、圆光栅尺，主轴的后端通过传动装置与输出轴连接获得扭矩。进一步的技术方案是所说的传动装置是由高速涡轮蜗杆和低速涡轮蜗杆组成的涡轮蜗杆副，高速蜗杆与弹性联轴器连接，低速涡轮安装在主轴的后端。夹具由上压板、下压板组成，上压板与下压板由夹紧螺栓连接，上压板前端有定位槽，定位槽内有一个定位片、定位片下端有正三角形开口，定位片中间有条形定位孔，上压板前端与定位孔对应处有螺孔，螺孔内有一个定位片螺栓可将定位片固定在上压板前端，上压板上端面有一个下压弹簧板，弹簧板前端可压在定位片上，弹簧板后端通过弹簧板螺栓安装在上压板上。 

直流伺服电机可提供高分辨率扭矩及角位移输出，蜗轮蜗杆副可提供较大减速比，即可 对直流伺服电机输出的动力进行较大程度减速、增矩，最终提供超低速准静态的加载方式。扭矩传感器、圆光栅尺及与直流伺服电机同步运动的高线数光电编码器组成精密信号检测及控制系统，该精密扭矩传感器与一侧夹具连接，精密圆光栅尺与圆光栅基座套接。本发明用于测试较小尺寸的材料，工作时安装在一个测试平台上，测试过程中精密扭距传感器对被测试件的扭矩进行检测，同时试件的扭转变形量由两侧精密圆光栅尺拾取后相加获得，本发明获得的三路信号通过模数转换并进行必要的信号调理后送入一个测试平台的计算机中，被测试件在载荷作用下材料的变形损伤情况由测试平台的成像仪器进行动态监测，并可同时记录图像，结合上位机调试软件亦可实时获取表征材料力学性能的扭矩—角位移曲线、应力—应变曲线、切变模量及抗扭强度等重要力学参数。将图像学定性分析与数据定量分析相结合，可对被测试件的力学行为和破坏机制进行有效分析，更加深入地揭示材料的力学性能。 

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。 

参阅附图1所示，直流伺服电机1通过变速箱2固定在基座27上，变速箱2右侧输出轴3通过弹性联轴器4与两级较大减速比二次包络型蜗轮蜗杆副连接，该两级较大减速比二次包络型蜗轮蜗杆副由高速蜗轮蜗杆8、9、低速蜗轮蜗杆11、10构成，高速蜗杆9与弹性联轴器4连接，低速涡轮11安装在右侧主轴26的一端，圆光栅尺13通过圆光栅基座固定在主轴26上，圆光栅读数头14通过读数头连接架15固定在基座27上，扭矩传感器17与一侧夹具I18连接，高线数光电编码器安装于直流伺服电机1的尾端，随电动主轴同步运转，并与圆光栅尺13、圆光栅读数头14、扭矩传感器17组成精密信号检测及控制系统。夹具由上压板32、下压板35组成，上压板32与下压板35由夹紧螺栓28连接，上压板32前端有定位槽，定位槽内有一个定位片33、定位片33下端有正三角形开口，定位片33中间有条形定位孔，上压板32前端与定位孔对应处有螺孔，螺孔内有一个定位片螺栓34可将定位片33固定在上压板32前端，上压板32上端面有一个下压弹簧板31，弹簧板31前端可压在定位片33上，弹簧板31后端通过弹簧板螺栓30安装在上压板32上。本实施例测试仪器的主体尺寸为：250mm×125mm×50mm。 

参见图1至图3，本发明的一种微观视场下双侧动力高精度原位微扭转材料力学性能测试仪器，主要包括精密双侧加载、精密信号检测及控制、精密夹持及附属等部分。 

所述的精密双侧加载包括直流伺服电机1、变速箱2、弹性联轴器4及两级较大减速比二次包络型蜗轮蜗杆副，该两级较大减速比二次包络型蜗轮蜗杆副由高速蜗轮蜗杆8、9、低速蜗轮蜗杆11、10构成；该直流伺服电机1通过变速箱2固定在测试装置基座27上，变速箱输出轴3通过弹性联轴器4与高速蜗杆轴5连接；该直流伺服电机1可提供高分辨率扭矩及角位移输出，两侧分别具有两级较大减速比二次包络型蜗轮蜗杆副可提供2500：1的较大减速比，即可对直流伺服电机1输出的动力进行较大程度减速、增矩，最终提供超 低速准静态的加载方式；直流伺服电机1通过给定脉冲驱动方式可提供具有高分辨率的扭矩动力输出及角位移输出，经由变速箱2、变速箱输出轴3、弹性联轴器4、两级减速比分别为1:50的二次包络型蜗轮蜗杆副进行较大程度减速、增矩的运动及动力传递，最终实现低于0.001r/min的超低速准静态的加载能力； 

所述精密信号检测及控制由扭矩传感器17、圆光栅尺13及与直流伺服电机1同步运动的高线数光电编码器组成，该扭矩传感器17与一侧夹具18连接，圆光栅尺13与圆光栅基座套接；精密信号检测及控制可为测试装置提供包括变形角速率、扭矩加载速率、编码器标定角位移速率在内的三种模拟或数字量作为直流伺服电机1的脉冲/方向闭环控制模式的反馈信号源，即测试平台可实现恒角变形速率、恒扭矩加载速率及恒编码标定角位移速率三种加载/卸载方式； 

所述精密夹持由被测试件19、夹紧螺栓28、夹具连接端29、弹簧板螺栓30、弹簧板31、夹具上压板32、定位片33、定位片螺栓34、夹具下压板35组成；两侧夹具体下压板分别与夹具连接法兰盘21及扭距传感器17连接，被测试件19先由定位片33进行定位，然后由夹紧螺栓通过上下压板进行夹紧，以实现试件19与仪器两侧主轴的轴心重合。 

本发明在具体的测试过程中，首先，被测试件19在进行扭转测试前，需采用车削加工方法试制出特定棒状试件，再通过线切割方式将夹持部分试制出用于夹持的特定对称平面，并利用小型外圆抛光机对试件进行抛光处理得到以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，然后将被测试件19装夹在两侧夹具体上、下压板中，先由两侧定位片进行精准定位，以确保试件轴心与两主轴轴心重合，之后拧紧两侧压板夹紧螺栓28完成被测试件19的装夹过程。接着，通过调整两侧读数头调整螺钉以确定圆光栅尺13和圆光栅读数头14的相对位置。然后，将成像仪器的镜头对准被测试件19的中部，调节仪器使成像清晰精确。然后，给定扭转测试的恒角变形或扭矩控制方式，以脉冲输出的方式驱动，开始测试过程，即通过测试算法程序设定测试条件和参数，在时序脉冲控制信号作用下直流伺服电机1输出精确角位移，经过变速箱2输出轴双侧输出，分别通过两侧两级较大减速比二次包络型蜗轮蜗杆副的减速、增距最终实现对被测试件19的超低速准静态双侧同步加载，测试过程中扭距传感器17对被测试件19的扭矩M进行检测；同时试件的扭转变形量h由两侧圆光栅尺拾取后相加获得，三路信号通过模数转换并进行必要的信号调理后送入计算机。在测试的整个过程中，被测试件19在载荷作用下材料的变形损伤情况由成像仪器进行动态监测，并可同时记录图像，结合上位机调试软件亦可实时获取表征材料力学性能的扭矩—角位移曲线、应力—应变曲线、切变模量及抗扭强度等重要力学参数。将图像学定性分析与数据定量分析相结合，可对被测试件的力学行为和破坏机制进行有效分析，更加深入地揭示材料的力学性能。