本发明专利技术涉及一种基于拉伸/压缩模式的扫描电镜下原位高频疲劳材料力学测试平台，属于机电类。包括精密加载单元、精密运动转换单元、载荷/位移信号采集及控制单元、高频驱动单元及试件夹持及连接单元。本发明专利技术结构紧凑、测试精度高、应变速率及测试频率可控，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基于拉伸/压缩模式的原位高频测试，对材料在疲劳应力下的微观变形、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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及机电类，特别涉及一种基于拉伸/压缩模式的扫描电镜下原位高频疲劳材料力学测试平台。其与扫描电子显微镜、原子力显微镜、拉曼光谱仪及光学显微镜等具有良好的兼容性，结合上述成像仪器，在给定应力或应变水平下开展对材料在疲劳应力作用下的的微观变形、损伤和破坏过程进行在线观测，可以实现对载荷/位移信号的采集、记录与控制，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测试方法。
技术介绍
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。通过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。疲劳现象可以解释为材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。 材料或构件在交变应力作用下引起的破坏与静载荷作用下的破坏性质完全不同。承受交变应力用作的构件在工作应力远低于材料的强度极限的情况下，经历一定的工作时间后也可能发生突然断裂。在交变应力作用下，由于构件外形和材料内部质地不均勻、有疵点，致使构件某些局部区域应力达到屈服极限，在交变应力的作用下，在此局部区域将逐渐形成细小的微观裂纹，而裂纹尖端严重的应力集中又进一步导致裂纹在交变应力作用下不断向内部扩展，最终使得材料或构件发生断裂破坏。商业化疲劳试验机用于提供试样或构件承受周期或随机变化的应力或应变，以测定在特定循环基数下的持久极限和疲劳寿命等指标。疲劳试验按照试验环境可以分为室温/高温/低温疲劳试验、热疲劳试验、腐蚀疲劳试验及接触疲劳试验等；按照试件的加载方式可以分为拉压疲劳试验、弯曲疲劳试验、扭转疲劳试验及复合盈利疲劳试验等；按照应力循环的类型可以分为等幅疲劳试验、变频疲劳试验及随机疲劳试验等。目前，针对可用于扫描电镜下的原位疲劳测试相关仪器的研究尚处萌芽状态，具体表现在(1)从测试手段和方法上来说，主要借助商业化的疲劳试验机进行的非原位疲劳测试，且疲劳试验机价格昂贵，工作噪音较大，调试复杂，测试内容单一，对结构紧凑，体积小巧的基于拉伸模式的原位疲劳测试装置鲜有提及。(2)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单纯原位纳米测试上，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；(3)从测试频率上看，目前的原位疲劳试验机一般都仅能提供50Hz以下的低周疲劳测试，与材料及其制品的实际工况不符，也限制了相关研究的深入与发展。因此，设计一种测试精度高，结构紧凑，测试频率较高，并能够与电子显微镜等成像系统兼容使用的基于拉伸模式的原位高频疲劳材料力学测试平台已十分必要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于拉伸/压缩模式的扫描电镜下原位高频疲劳材料力学测试平台，解决了现在技术存在的上述问题。本专利技术可在扫描电镜等观测仪器的动态监测下开展在任意给定应力或应变水平下的原位高频测试，并开展室温下等幅或变频疲劳试验，测试频率可控。相对于传动疲劳试验机的离位测试，本专利技术可在扫描电镜等成像仪器的动态监测下开展拉伸/压缩模式下的原位疲劳试验并可同步进行载荷/位移信号的精密检测与闭环控制。测试装置与Zeiss EVO 18型扫描电子显微镜具有良好的兼容性，亦可与各类具有腔体或载物台结构的成像系统兼容使用，如原子力显微镜、拉曼光谱仪、X射线衍射仪及光学显微镜等。可通过原位疲劳测试获得材料的持久极限等重要力学参数，对材料的裂纹萌生、扩展和材料失效断裂过程进行原位监测，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测试方法。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现基于拉伸/压缩模式的扫描电镜下原位高频疲劳材料力学测试平台，包括精密加载单元、精密运动转换单元、载荷/位移信号采集及控制单元、高频驱动单元及试件夹持及连接单元；所述的精密加载单元是直流伺服电机1通过电机法兰架2与测试平台基座22连接， 通过精密脉冲/方向控制方式提供给定角速度及动态扭矩输出；所述的精密运动转换单元是通过直齿轮壳体3内的主、从动直齿轮25、29构成的一级直齿轮传动副、由蜗杆、蜗轮4、5构成的二级蜗轮蜗杆传动副将直流伺服电机1输出的具有微小分辨率的扭矩动力及角位移输出进行一定程度的减速、增距；最终通过由滚珠丝杠螺母支架I、滚珠丝杠螺母支架II、精密双向滚珠丝杠16、20、27构成的精密双向滚珠丝杠螺母副将旋转运动转换成精密往复直线运动；主、从动直齿轮25、29分别通过平键26与直流伺服电机1及蜗杆4连接，该蜗杆4通过蜗杆轴承32及蜗杆轴承座23与测试平台基座22 连接，由滚珠丝杠螺母支架I、II、精密双向滚珠丝杠16、20、27构成的精密双向滚珠丝杠螺母副通过丝杠固定支撑座6定位，滚珠丝杠螺母支架I、11、(16、20)的往复运动通过连接在精密导轨轨道(19)上的导轨滑块I、II (17、21)进行导向；所述的载荷/位移信号采集及控制单元由精密拉压力传感器14、精密接触式位移传感器18及高线数光电编码器24组成，该高线数光电编码器24与直流伺服电机1连接，精密接触式位移传感器18穿过精密柔性铰链7并通过位移传感器紧固螺钉30固定，精密拉压力传感器14与力传感器基座15固定连接；直流伺服电机1的脉冲/方向闭环控制模式的反馈信号源由变形速率、载荷速率两种模拟量及编码器标定位移速率数字量提供，即测试平台可实现恒变形速率、恒载荷速率及恒位移速率三种加载/卸载方式为高频测试提供精确的应力及应变参考量；所述的高频驱动单元由精密柔性铰链7、压电叠堆8组成，其中压电叠堆8安装于精密柔性铰链7的方形槽内，且与被测试件11共面、轴线设置；精密柔性铰链7)特殊结构可以保证在给定拉应力作用下，压电叠堆8始终处于受压状态，精密柔性铰链7通过铰链连接螺钉9与滚珠丝杠螺母支架II 20刚性连接；所述的试件夹持及连接单元由被测试件11、试件夹具体支撑架13、夹具体压板I、 II 10、12、力传感器基座15、丝杠固定支撑座6及测试平台基座22组成，被测试件11通过带有锯齿结构的夹具体压板I、II 10、12、精密柔性铰链7、试件夹具体支撑架13以压紧方式完成夹持。所述的精密柔性铰链7可以保证被测试件11在受拉应力作用时，安装于精密柔性铰链7的方形槽内的压电叠堆8始终处于受压状态，即可保证在给定应力水平下压电叠堆 8具有一定的位移及载荷输出能力，压电叠堆8与被测试件11共面、轴线布置，亦可保证试件11受单轴疲劳应力作用；精密柔性铰链7通过铰链连接螺钉9与滚珠丝杠螺母支架II 20 刚性连接的方式同时可保证按照一定的比例系数将压电叠堆8输出的精密往复位移进行传递至铰链前端用于夹持被测试件11的锯齿形结构处。所述的接触式位移传感器18的基体部分安装于与滚珠丝杠螺母支架II 20刚性连接的精密柔性铰链7的本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种基于拉伸／压缩模式的扫描电镜下原位高频疲劳材料力学测试平台，其特征在于：包括精密加载单元、精密运动转换单元、载荷／位移信号采集及控制单元、高频驱动单元及试件夹持及连接单元；所述的精密加载单元是：直流伺服电机（１）通过电机法兰架（２）与测试平台基座（２２）连接；所述的精密运动转换单元是：主、从动直齿轮（２５、２９）分别通过平键（２６）与直流伺服电机（１）及蜗杆（４）连接，该蜗杆（４）通过蜗杆轴承（３２）及蜗杆轴承座（２３）与测试平台基座（２２）连接，由滚珠丝杠螺母支架Ⅰ、Ⅱ、精密双向滚珠丝杠（１６、２０、２７）构成的精密双向滚珠丝杠螺母副通过丝杠固定支撑座（６）定位，滚珠丝杠螺母支架Ⅰ、Ⅱ、（１６、２０）的往复运动通过连接在精密导轨轨道（１９）上的导轨滑块Ｉ、ＩＩ（１７、２１）进行导向；所述的载荷／位移信号采集及控制单元由精密拉压力传感器（１４）、精密接触式位移传感器（１８）及高线数光电编码器（２４）组成，该高线数光电编码器（２４）与直流伺服电机（１）连接，精密接触式位移传感器（１８）穿过精密柔性铰链（７）并通过位移传感器紧固螺钉（３０）固定，精密拉压力传感器（１４）与力传感器基座（１５）固定连接；所述的高频驱动单元由精密柔性铰链（７）、压电叠堆（８）组成，其中压电叠堆（８）安装于精密柔性铰链（７）的方形槽内，且与被测试件（１１）共面、轴线设置；精密柔性铰链（７）通过铰链连接螺钉（９）与滚珠丝杠螺母支架Ⅱ（２０）刚性连接；所述的试件夹持及连接单元由被测试件（１１）、试件夹具体支撑架（１３）、夹具体压板Ⅰ、Ⅱ（１０、１２）、力传感器基座（１５）、丝杠固定支撑座（６）及测试平台基座（２２）组成，被测试件（１１）通过带有锯齿结构的夹具体压板Ⅰ、Ⅱ（１０、１２）、精密柔性铰链（７）、试件夹具体支撑架（１３）以压紧方式完成夹持。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：赵宏伟，马志超，李秦超，王开厅，胡晓利，黄虎，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：82
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