弯曲预载荷微纳米压痕力学性能测试方法与装置

摘要

本发明涉及一种弯曲预载荷微纳米压痕力学性能测试方法与装置，其测试装置集成了弯曲模块和微纳米压痕模块，弯曲模块和压痕模块均由驱动单元、传动单元、执行单元、信号检测及控制单元构成，其中压痕模块能够完成金刚石压头的精准定位以及宏观换点动作，其测试方法为：首先驱动弯曲模块伺服电机带动弯曲压头压入试件，实现弯曲预加载，保持试件弯曲加载下，由高精度自动滑台寻找合适的压痕位置，最后控制精密压电驱动平台完成弯曲预载荷压痕试验，试验过程中由完整的控制系统对试验进行实时监测，同时对载荷/位移以及电机信号进行采集和处理，生成相应的力学性能曲线，本发明为揭示材料在复合载荷作用下的力学行为提供了新的测试方法。

说明书

技术领域

本发明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

本发明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方法与装置，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。

所述的夹持模块由夹具支架11、夹具主体10、夹具压紧块9以及被测试件20组成。夹具支架11固定在大理石底板19上，夹具主体，试件以及夹紧块依次配合，为了防止试件在弯曲力和压痕力作用下窜动，影响试验结果因此设计了凹槽式结构的夹具主体10。既可以使试件精确定位，又可以减小误差。

所述的弯曲加载单元的精密力传感器6与弯曲压头7安装在连接件Ⅱ5上并通过锁紧螺母锁紧。精密位移传感器24为接触式LVDT位移传感器，其主体的支架与连接件Ⅱ5刚性连接，精密位移传感器通过位移传感器支架25上方的两个对称分布的螺栓进行锁紧。前段接触探头与固定在弯曲加载单元底板27上的位移传感器L型顶板26预紧接触。顶板与探头接触处设有有位移传感器同轴光滑凹槽，用于保证精密位移传感器24的线性度。当连接件Ⅱ带动位移传感器支架25移动时精密位移传感器就会检测到相应的位移距离。

所述的弯曲预载荷微纳米压痕力学性能测试装置，其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，夹具处于中心位置，放置在成像装置的中心区域，以便原位观测。

本测试装置的有益效果在于：实际工况下，许多构件并非仅承受单一载荷作用，其受力状态往往是多种载荷共同作用或不同单一载荷的按次序加载作用，而这种载荷状态下构件的力学行为与单一载荷作用时迥然不同。本装置设计的弯曲预载荷微纳米压痕力学性能测试装置集成了弯曲和压痕两个测试平台，即可单独完成弯曲、压痕两个测试功能，又可进行复合测试，结构紧凑，布局合理，测试精度高，信号检测单元中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，利用LABVIEW软件自动拟合生成载荷作用下的应力应变曲线。集成成像设备后可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。

附图说明

图1为本装置的整体外观结构示意图。

图2为本装置的主视示意图。

图3为本装置的左视示意图。

图4为本装置的俯视示意图。

图5、6为本装置的夹具结构示意图。

图7为本装置的XY轴精密自动滑台示意图。

图8为本装置的压痕单元爆炸图。

图中：1、涡轮Ⅰ2、蜗杆Ⅰ3、电机支撑座4、直流伺服电机5、连接件Ⅱ6、精密力传感器Ⅰ7、弯曲压头8、导轨Ⅰ9、夹具压紧块10、夹具体11、夹具支撑座12、金刚石压头13、压杆14、精密力传感器Ⅱ15、压痕精密力传感器支撑板16、压电驱动平台17、XY轴精密自动滑台18、连接件Ⅰ19、大理石底板20、试件21、单向滚珠丝杠22、精密导轨Ⅱ23、滑块24、位移传感器25、位移传感器支架26、L型顶板27、弯曲加载单元底板28、滚珠丝杠支撑座29、蜗杆轴承30、蜗杆轴承支座31、蜗杆Ⅱ32、涡轮Ⅱ33、锁紧螺母34、丝杠螺母。

具体实施方案

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7，一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Ⅱ5紧凑连接，连接件Ⅱ5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6安装在连接件Ⅱ5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Ⅱ5上。当电机经过调速带动滚珠丝杠运动时，连接件Ⅱ5和位移传感器支架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实现，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。平台与大理石地板19刚性连接，滑台通过压电驱动平台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14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。整个压痕加载单元固定在大理石底板19上。

所述的夹持模块由夹具支架11、夹具主体10、夹具压紧块9以及被测试件20组成。夹具支架11固定在大理石底板19上，夹具主体，试件以及夹紧块依次配合，为了防止试件在弯曲和压痕力作用下窜动，影响试验结果因此设计了凹槽式结构的夹具主体10。既可以使试件精确定位，又可以减小误差。

所述的弯曲加载单元的精密力传感器6与弯曲压头7安装在连接件Ⅱ5上并通过锁紧螺母锁紧。精密位移传感器24为接触式LVDT位移传感器，其主体的支架与连接件Ⅱ5刚性连接，精密位移传感器24通过位移传感器支架25上方的两个对称分布的螺栓进行锁紧。前段接触探头与固定在弯曲加载单元底板27上的位移传感器L型顶板26预紧接触。顶板与探头接触处设有有位移传感器同轴光滑凹槽，用于保证精密位移传感器24的线性度。当连接件Ⅱ5带动位移传感器支架25移动时精密位移传感器24就会检测到相应的位移距离。

所述的弯曲预载荷微纳米压痕力学性能测试装置分为弯曲加载单元和压痕加载单元两部分同轴与夹具对称安装，采用大理石底板面和螺纹孔定位，夹具处于中心位置，并且能放置在成像装置的中心区域，以便原位观测。

所述的弯曲预载荷微纳米压痕力学性能测试装置主体尺寸为160mmX85mmX80mm。为了和现有主流的显微成像设备载物台兼容。

参见图1至图7，本发明涉及弯曲预载荷微纳米压痕力学性能测试装置,属于原位力学性能测试领域。为揭示材料在微观尺度下的力学行为提供了新的测试方法，并可以与金相显微镜等当前显微成像设备的载物平台相互兼容。其中涉及到的元器件和具体型号是:直流伺服电机4（型号为maxonEC-max系列，代号283858）、接触式精密位移传感器24（SDVH8B-8A-V2-C8P）、精密力传感器6（CF40602-150kg）、XY轴精密自动滑台17（PMG413-L05AL-E）。精密自动滑台直线度和重复定位精度好，内置原点传感器、限位传感器，可以自动检测和反馈位移信号。

本测试装置在具体试验过程中，首先使用CAD画出被测试件20的二维图形，通过线切割得到相应尺寸的试件，然后抛光处理得到表面光滑的试件用于实验，试件经过处理后更有助于在显微成像设备下观察清晰地变形损伤过程，试件安装在带有凹槽的夹具体10上，然后用带有凸槽的夹紧块9通过紧固螺钉夹紧，利用水平仪来校准试件准确位置。精密位移传感器24安装在支撑架25上，精密位移传感器通过支架上方的两个对称分布的紧固螺钉锁紧，前段接触探头与固定在弯曲加载单元底板27上的位移传感器L型顶板26预紧接触。顶板与探头接触处设有有位移传感器同轴光滑凹槽，用于保证精密位移传感器24的线性度，精密力传感器6与弯曲压头7安装在连接件Ⅱ5上并通过锁紧螺母锁紧，在弯曲加载单元中直流伺服电机4由电机驱动器控制，通过改变电压调整电机输出的角位移和角速度，经过两级蜗轮蜗杆的调速将旋转运动转换为精密单向滚珠丝杠21的直线往复运动，从而对试件加载。在压痕加载单元中XY轴精密自动滑台，配有五相步进电机高分辨率马达，将脉冲信号转换为角位移，通过脉冲的频率来改变电机的速率，精密自动滑台直线度和重复定位精度好，内置原点传感器、限位传感器，可以自动检测和反馈位移信号，XY轴精密自动平台17宏观驱动压痕加载单元整体，使压头沿X轴接近试件，当力传感器产生示数，证明压头已经接触试件，此时XY轴精密自动平台沿X轴退回微小距离，再通过Y轴横向微动，换点后通过精密压电驱动平台16驱动压头实现压痕测试，同时内部压电机构能够测量0.05纳米分辨率的位移，即完成压痕测试。压痕精密力传感器14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。测试时将装置放到扫描电子显微镜等成像设备的载物台上，使试件中心至于观测设备镜头中心区，观测完毕后取出装置，更换试件。

在测试过程中主要检测力和位移信号，这两路信号通过放大器输送到信号采集卡中，在经过模数转换将信号输入计算机，利用LABVIEW绘制应力应变曲线图，从而获取材料力学性能中弹性模量，应力极限等重要的力学参数，材料微缺陷，裂纹扩展，到最后的断裂过程能够通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、Raman光谱仪、原子力显微镜（AFM）或金相显微镜等在线监测，为微观尺度下的力学行为提供了新的测试方法。