拉伸-扭转复合载荷材料微观力学性能原位测试仪

摘要

本发明涉及一种拉伸-扭转复合载荷材料微观力学性能原位测试仪，属于精密仪器领域。由基座，拉伸、扭转加载单元，试件夹持单元，位移和载荷力精密检测单元等组成。扭矩加载单元通过精密电机带动两级蜗轮、蜗杆传动机构将扭矩载荷施加在运动夹具的一端，进而将扭矩载荷加载到被测试件样品上，固定夹具端安装在精密导轨滑块上。在被动夹具一端安装有精密拉扭传感器，用于检测测试工件承受的拉力和扭矩。通过电机编码器检测拉伸变形和扭转角度。本发明具有结构紧凑、精巧，体积微小，重量轻的特点，可实现微纳米精度的拉伸-扭转复合载荷模式材料微观力学性能原位测试，为接近服役条件下材料变形损伤机制的分析研究提供了新颖的测试手段。

说明书

技术领域

    本发明涉及精密仪器领域，特别涉及一种拉伸-扭转复合载荷材料微观力学性能原位测试仪。可在多种材料性能表征仪器（扫描电子显微镜、光学显微镜、Raman光谱仪、X射线衍射仪等）动态监测下对试件材料载荷作用下的变形损伤机制和微观组织结构变化规律进行动态原位监测。本发明在钢铁冶金、有色金属、半导体材料、先进金属、国防军工和航空航天等领域具有良好的应用前景。

背景技术

    材料微观力学性能原位测试技术是近年来发展起来的前沿技术，受到各国政府和研究机构的高度关注。微拉伸扭转力学测试技术具有可以在各类成像仪器的观测下对试件进行原位拉伸、扭转以及复合测试和对材料的微观变形和损伤过程进行原位观察的诸多优势。相比于传统力学测试技术，微纳米拉伸扭转力学测试技术目前只被少数的研究人员所掌握和使用，主要原因是该项技术需要在满足高的测试精度的同时，保证测试仪器的小型化以及与原位监测设备的兼容性。目前微纳米扭转力学测试主要集中在透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）中开展，两者都具有非常有限的工作腔体，并且需要保证测试装置与工作腔体的电磁兼容性和真空兼容性，正是这些原因限制了微纳米拉伸扭转力学测试技术的快速发展。总体来看，研究高精度、大测试范围、低成本的微纳米拉伸扭转复合力学测试装置依然是具有挑战性的工作，同时也是一项紧迫性的工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种拉伸-扭转复合载荷材料微观力学性能原位测试仪，解决了现有技术存在的上述问题，本发明为实现体积小、结构精巧的可用于精密材料微纳米拉伸扭转单一以及复合力学性能测试的装置提供一种可用方案。借助本发明提供的测试装置，可以实现测试装置与电镜工作腔体的电磁兼容性和真空兼容性，促进原位微纳米拉伸扭转力学测试技术的发展。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

拉伸-扭转复合载荷材料微观力学性能原位测试仪，包括扭矩加载机构、试件夹持机构、拉伸加载机构，所述扭矩加载机构安装在基座1和上支座3上，其中上支座3通过基座支架a、b、c2、39、40固定安装在基座1上，通过两级蜗轮蜗杆减速、换向，将扭矩加载在测试工件；试件夹持机构包含两个试件夹具18和四个调整块20，调整块20安装在试件夹具18里面，调整试件19夹持的位置；拉伸加载机构安装在基座1和上支座3上面，通过两级蜗轮蜗杆减速以及换向，将扭矩施加在丝杠26上，丝杠(26)将旋转运动转化为直线运动，驱动丝杠螺母25直线运动，然后带动拉扭传感器21和试件夹具18进行拉伸运动。

所述的扭矩加载机构包括精密驱动电机a4、电机法兰a5、联轴器a6、蜗杆a8、蜗轮a10、蜗杆b13、蜗轮b14，所述精密驱动电机a4安装在电机法兰a5上，电机法兰a5用螺钉安装在基座1上，其输出轴与蜗杆轴a11通过联轴器4连接；蜗杆a8用螺钉固定安装在蜗杆轴a11，然后通过两个轴承支座a7和两个标准轴承安装在基座1上，并与蜗轮a10形成第一级减速和换向；同理通过蜗杆b13和蜗轮b14形成第二级减速和换向；两级减速和换向，第一级采用较小的减速比，第二级采用较大减速比，以提高扭矩加载的精度，减小扭矩加载机构结构尺寸。扭矩通过蜗轮轴a15传输到试件夹具18上；蜗轮轴a15通过轴承支座c17安装在上支座上3，轴承支座c17内部安装有轴承41，还安装有固定轴承41的轴承端盖16和轴承挡圈42。

所述的试件夹持机构包括轴承端盖16、轴承支座c17、两个试件夹具18及调整块20，左侧的试件夹具18与第二级减速输出轴连接，即蜗轮轴a15，两者通过精密轴承、轴承支座c17以及轴承端盖16和螺钉安装在上支座3上；右侧的试件夹具18直接与拉伸加载机构的精密拉扭传感器21连接。

所述的拉伸加载机构包括精密拉扭传感器21、螺母连接套22、支撑板23、精密导轨滑块24、丝杠螺母25、丝杠26以及两级蜗轮蜗杆减速机构，所述精密拉扭传感器21的左端通过螺钉与右侧的试件夹具18连接，精密拉扭传感器21的右端通过螺钉与螺母连接套22安装在一起，螺母连接套22安装在丝杠螺母25上, 丝杠螺母25和丝杠26构成的丝杠螺母副通过丝杠支撑座27安装在上支座3上，支撑板23分别连接螺母连接套22和导轨滑块24，由丝杠螺母25带动支撑板23实现直线运动，导轨滑块24固定安装在支撑块43上，丝杠螺母副由右侧的两级蜗轮蜗杆减速驱动，其传动方式和左侧的扭转加载传动一样。

所述的精密驱动电机a4上安装编码器测量扭转的角度，通过减速比的换算来得到实际转过的角度；安装在基座1上的精密驱动电机b37上安装编码器测量拉伸的位移，换算之后即得到拉伸的位移。

所述的拉伸-扭转复合载荷材料微观力学性能原位测试仪可置于扫描电镜腔体中，与电镜具有很好的兼容性。

本发明的有益效果在于：体积小结构紧凑，扭转加载力以及拉伸行程大，可置于扫描电镜腔体中，与电镜具有很好的兼容性。可以在各类成像仪器的观测下对试件进行原位拉伸扭转单一以及复合力学测试，对材料的微观变形和损伤过程进行原位观察，并可采集载荷/位移信号，从而揭示材料在微纳米尺度下的力学特性和损伤机理，推动新材料新工艺、材料科学、超精密加工、固体力学等技术的发展。

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为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的主视结构示意图；

图3为本发明的俯视结构示意图；

图4为本发明的右视结构示意图；

图5为本发明的剖视结构示意图。

图中：1.基座，2.基座支架a，3.上支座，4. 精密驱动电机a，5.电机法兰a，6.联轴器a，7.轴承支座a，8.蜗杆a，9.蜗杆轴b，10.蜗轮a，11.蜗杆轴a，12.轴承支座b，13.蜗杆b，14. 蜗轮b，15.蜗轮轴a，16. 轴承端盖，17.轴承支座c，18.试件夹具，19.试件，20.调整块，21.精密拉扭传感器，22.螺母连接套，23.支撑板，24.精密导轨滑块，25.丝杠螺母，26.丝杠，27.丝杠支撑座，28.蜗轮c，29.蜗杆c，30.轴承支座d，31.蜗轮d，32.蜗杆轴c，33.轴承支座e，34.蜗杆d，35.联轴器b，36.电机法兰b，37. 精密驱动电机b，38.蜗杆轴d，39.基座支架b，40.基座支架c，41.轴承，42.轴承挡圈，43.支撑块，44.螺母。

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5所示，本发明的拉伸-扭转复合载荷材料微观力学性能原位测试仪，包括扭矩加载机构、试件夹持机构、拉伸加载机构，所述扭矩加载机构安装在基座1和上支座3上，其中上支座3通过基座支架a、b、c2、39、40固定安装在基座1上，通过两级蜗轮蜗杆减速、换向，将扭矩加载在测试工件；试件夹持机构包含两个试件夹具18和四个调整块20，调整块20安装在试件夹具18里面，调整试件19夹持的位置；拉伸加载机构安装在基座1和上支座3上面，通过两级蜗轮蜗杆减速以及换向，将扭矩施加在丝杠26上，丝杠(26)将旋转运动转化为直线运动，驱动丝杠螺母25直线运动，然后带动拉扭传感器21和试件夹具18进行拉伸运动。

所述的扭矩加载机构包括精密驱动电机a4、电机法兰a5、联轴器a6、蜗杆a8、蜗轮a10、蜗杆b13、蜗轮b14，所述精密驱动电机a4安装在电机法兰a5上，电机法兰a5用螺钉安装在基座1上，其输出轴与蜗杆轴a11通过联轴器4连接；蜗杆a8用螺钉固定安装在蜗杆轴a11，然后通过两个轴承支座a7和两个标准轴承安装在基座1上，并与蜗轮a10形成第一级减速和换向；同理通过蜗杆b13和蜗轮b14形成第二级减速和换向；两级减速和换向，第一级采用较小的减速比，第二级采用较大减速比，以提高扭矩加载的精度，减小扭矩加载机构结构尺寸。扭矩通过蜗轮轴a15传输到试件夹具18上；蜗轮轴a15通过轴承支座c17安装在上支座上3，轴承支座c17内部安装有轴承41，还安装有固定轴承41的轴承端盖16和轴承挡圈42。

所述的试件夹持机构包括轴承端盖16、轴承支座c17、两个试件夹具18及调整块20，左侧的试件夹具18与第二级减速输出轴连接，即蜗轮轴a15，两者通过精密轴承、轴承支座c17以及轴承端盖16和螺钉安装在上支座3上；右侧的试件夹具18直接与拉伸加载机构的精密拉扭传感器21连接。

所述的拉伸加载机构包括精密拉扭传感器21、螺母连接套22、支撑板23、精密导轨滑块24、丝杠螺母25、丝杠26以及两级蜗轮蜗杆减速机构，所述精密拉扭传感器21的左端通过螺钉与右侧的试件夹具18连接，精密拉扭传感器21的右端通过螺钉与螺母连接套22安装在一起，螺母连接套22安装在丝杠螺母25上, 丝杠螺母25和丝杠26构成的丝杠螺母副通过丝杠支撑座27安装在上支座3上，支撑板23分别连接螺母连接套22和导轨滑块24，由丝杠螺母25带动支撑板23实现直线运动，导轨滑块24固定安装在支撑块43上，丝杠螺母副由右侧的两级蜗轮蜗杆减速驱动，其传动方式和左侧的扭转加载传动一样。

所述的精密驱动电机a4上安装编码器测量扭转的角度，通过减速比的换算来得到实际转过的角度；精密驱动电机b37上安装编码器测量拉伸的位移，换算之后即得到拉伸的位移，精密驱动电机b37通过电机法兰b36安装在基座1上。

所述的拉伸-扭转复合载荷材料微观力学性能原位测试仪可置于扫描电镜腔体中，与电镜具有很好的兼容性。

本发明中，扭矩的加载通过精密驱动电机a4和蜗轮蜗杆传动链来实现，具体的实施方式为，由通过电机法兰a5固定安装在基座1上的精密驱动电机a4连接联轴器a6驱动蜗杆a8和蜗轮a10以及蜗杆b13和蜗轮b14，经过蜗轮蜗杆的换向，减速以及增加扭矩，其中蜗杆轴a11通过两个轴承支座a7安装在基座1上，蜗杆轴b9通过两个轴承支座b12安装在基座1上，蜗轮b14将扭矩传递给试件夹具18，蜗轮轴a15通过轴承支座c17安装在上支座上3，轴承支座c17内部安装有轴承41，还安装有固定轴承41的轴承端盖16和轴承挡圈42，其中上支座3安装通过基座支架a2、基座支架b39、基座支架c40固定安装在基座1上，在实施过程中，通过精密驱动电机a4的驱动对试件19进行精密稳定的加载。在实施过程中，通过精密驱动电机a4上的编码器对扭转角度进行检测。

试件夹持机构的运动分为两种：一种是左侧的试件夹具18的主动扭矩加载运动，一种是右侧的试件夹具18和精密拉扭传感器21的转动和沿试件轴线方向的直线运动，由右侧的拉伸加载机构驱动。具体实施方式为，蜗轮b14将扭矩传递给左侧的试件夹具18并通过左侧调整块20加载于试件一端，实现左侧的试件夹具18的主动扭矩加载运动。扭矩通过试件19传递给右侧的试件夹具18和调整块20，使右侧的试件夹具18产生微小的变形转动。试件19在扭转载荷作用下轴向性能会发生变化，并导致轴向尺寸的变化，从而带动右侧的试件夹具18在精密导轨滑块24上产生直线运动，其中精密导轨滑块24通过支撑块43安装在上支座3上。

拉伸加载机构可以主动使右侧的试件夹具18实现沿导轨滑块24的直线运动，实现拉伸位移的加载，其具体实施方式为：由安装在基座1上的精密驱动电机b37通过联轴器b35驱动蜗杆d34和蜗轮d31以及蜗杆c29和蜗轮c28，其中蜗杆轴c32和蜗杆轴d38分别通过两个轴承支座d30和轴承支座e33安装在基座1上，经过蜗轮蜗杆的换向，减速以及增加扭矩，蜗轮c28将扭矩传递给丝杠26，丝杠26通过丝杠螺母副将旋转运动变换为沿导轨滑块24的直线运动，丝杠螺母25带动连接在其上面的螺母连接套22、支撑板23、精密拉扭传感器21以及右侧的试件夹具18实现拉伸的加载，其中丝杠螺母副通过丝杠支撑座27和螺母44固定安装在上支座3上。在实施过程中，通过电机b37上的编码器对拉伸位移进行检测。

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。