本发明专利技术涉及一种压电致动型材料疲劳力学性能测试装置，属于精密驱动领域。由压电驱动单元、试件夹持单元、压电叠堆预紧单元及信号检测单元组成。通过四组对称式安装的压电叠堆实现较大行程的载荷/位移输出，该装置可与具有真空腔体的主流扫描电子显微镜以及具有开放式载物平台的拉曼光谱仪、X射线衍射仪及各类光学显微成像系统结合使用，可在该类观测仪器的观测下开展给定恒定频率或扫频下的恒应变或变应变疲劳测试。优点在于：体积小巧，结构紧凑，测试精度高，刚度高、兼容性好、应变值及测试频率可调，通过开展针对微小尺寸试件的拉伸模式的原位疲劳测试，可对各类材料在循环载荷作用下的破坏机制及性能演变规律进行深入研究。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及精密驱动领域，特别涉及原位微纳米力学测试领域，尤指一种压电致动型材料疲劳力学性能测试装置。可与主流显微观测设备(如扫描电子显微镜、X射线衍射仪、拉曼光谱仪、3D高景深显微镜及光学显微镜等)兼容使用，开展在高驱动频率下拉伸/压缩模式的原位疲劳测试，为揭示材料在微纳米尺度下的疲劳损伤及断裂机制提供了测试方法。
技术介绍
材料或构件在受重复或交变载荷作用时，虽然材料或构件所受载荷幅值远小于其抗拉强度或屈服强度，甚至小于弹性载荷，但经反复的变形累积，最终发生断裂破坏通常是由于疲劳载荷所致。据统计，在各类机械零件的失效案例中，大约80%以上是由疲劳破坏引起的。随着大容量、大功率、高速度、高效率试验装置的出现，那些承受往复或震动载荷的工作条件更加苛刻，疲劳失效的问题更加突出，针对疲劳试验的测试装置和疲劳失效的相关研究中，早期的工作主要集中在疲劳破坏的宏观规律方面，而对疲劳微观机理的研究，由于受到试验手段的限制，大多通过金相显微镜，对材料试样表面在交变载荷下的滑移或断口等问题进行研究。20世纪50年代以后，各类电子显微镜及其他观测类仪器的出现和不断完善，大大促进了疲劳微观机理的研究。位错理论的发展则对疲劳裂纹萌生与扩展的微观研究提供了理论依据。原位微观疲劳力学测试技术可以概述为借助扫描电子显微镜、X射线衍射仪、拉曼光谱仪、3D高景深显微镜及光学显微镜等成像仪器对被测材料在拉伸/压缩或弯曲模式的疲劳载荷作用下微观裂纹萌生、扩展、损伤失效过程、性能演变规律等进行动态监测的技术，因低周疲劳条件下，由于外加载荷多半高过弹性极限，因此，材料的疲劳寿命多小于IO4次，交变载荷的频率可适宜观测仪器对可能萌生初始裂纹的表面进行实时的在线观测；在高周疲劳条件下，外加循环应力低于材料的屈服强度，甚至低于弹性极限，材料处于弹性变形范围，应力应变关系基本符合胡克定律，因此，观测仪器无法对裂纹萌生及扩展进行实时的观测，只适宜在一定循环周期的间隔下，暂停疲劳载荷作用，从而实现“准原位疲劳测试”。传统的疲劳试验通常是在由电液伺服装置或步进电机组成的不同类型的疲劳试验机上进行的，如拉伸/压缩疲劳试验、扭转疲劳试验、拉扭疲劳试验以及弯曲疲劳试验，其中弯曲疲劳试验还可以分成平面弯曲和旋转弯曲疲劳试验两类。电液伺服疲劳试验机为目前最常使用的疲劳试验机，主要由液压泵站、各种液压阀、力和位移传感器、工作油缸、各种试样夹具(如三点弯曲、拉伸压缩等)以及控制软件等构成。能够反映电液伺服疲劳试验机技术水平的主要为高精度力、位移传感器，控制精度与控制范围，液压元器件和频率发生器(最低频率10_5Hz以及最高频率1000Hz以上)。随着结构件的疲劳寿命极限提高到IO9次以上，超长疲劳寿命试验机亟待发展。除此之外，还存在一些特殊条件下的疲劳行为的测试装置，如工程实际中有一大类机器零件是在滚动接触条件下工作的，如滚动轴承、齿轮、蜗轮、凸轮、轧辊等。在循环接触应力作用下，这些零件的表面很容易出现接触疲劳的破坏现象，如点蚀、剥离等。在原位观测方面，相比于其他用于观测试件表面形貌的仪器，扫描电子显微镜具有成像倍率高，扫描速度快，受景深影响小等优势，而光学显微镜受其原理的影响，难以获取成像倍率超过1000倍的清晰图像，原子力显微镜则存在扫描时间过长的问题。但扫描电子显微镜下的疲劳测试仪器研发面临着诸多问题(1)因扫描电子显微镜的密闭腔体内为真空环境，需将测试装置的信号采集处理单元以及上位机控制单元等通过在真空腔体的密封挡板处打孔的方式外接出密闭腔体外，并在对接接口处做严格的密封处理，因此，需要解决测试装置与扫描电子显微镜的真空兼容性问题。(2)因电子枪激发高能电子束一般需要至少IOKV以上的高压，因此电子束轰击部位处于高强电磁场作用下，测试装置与扫描电子显微镜的电磁兼容性问题亦需要解决。(3)现有商业化扫描电子显微镜的真空腔体均有限，且成像工作距离要求严格，如Hitachi TM-1000型号的扫描电镜的真空腔体为直径140mm的圆周，其成像工作距离范围是I. 5mm至3. 5mm,较大腔体的扫描电镜,如Zeiss Evo 18型扫描电镜的真空腔体尺寸为直径360_的圆周，其最大工作距离为15_，因此，测试装置与扫描电镜的结构兼容性亦需要解决。 目前，针对特征尺寸毫米级以上三维宏观试件，大多数材料疲劳力学性能测试装置均依赖电液伺服或电机实现驱动加载，且存在结构较大或响应频率不足等问题，如以电机实现驱动加载的疲劳测试装置，因其传动链在换向过程中的机械惯性和冲击，难以实现高频测试。针对纳米管及薄膜材料等微尺度构件的疲劳测试，往往需要借助微机电系统工艺结合掩膜、腐蚀、沉积等化学处理方法进行材料制备，工艺复杂，且存在效应的问题，测试结果与工程实际的宏观材料存在迥异差异，因此，设计一种体积小巧，测试精度高，响应速度快，且能与扫描电镜等多种成像仪器实现结构兼容、真空兼容和电磁兼容的疲劳测试装置是十分必要的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种压电致动型材料疲劳力学性能测试装置，解决了现有技术存在的上述问题。其具有体积小巧、结构紧凑、测试精度高及刚度高等特点，相比现有电液伺服或电机驱动型疲劳测试装置，本专利技术利用四组对称式安装的压电叠堆实现较大行程的载荷/位移输出，可对被测材料的疲劳极限、持久极限、S-N曲线、磁滞回线等进行定量测定，本专利技术由压电驱动单元、试件夹持单元、压电叠堆预紧单元及信号检测单元组成。本专利技术通过应变控制中嵌入前馈反馈综合控制方法，可提升系统响应速度，提高控制精度，并实现压电驱动单元及信号检测单元的协同工作。在此基础上，基于其小型化的总体结构，该装置可与具有真空腔体的主流扫描电子显微镜以及具有开放式载物平台的拉曼光谱仪、X射线衍射仪及各类光学显微成像系统结合使用，开展给定恒定频率或扫频下的恒应变或变应变疲劳测试，亦可对疲劳裂纹萌生及扩展现象进行在线观测，为揭示材料在微尺度下的疲劳力学性能与变形损伤的相关性提供了测试方法。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现 压电致动型材料疲劳力学性能测试装置，包括压电驱动单元、试件夹持单元、压电叠堆预紧单元及信号检测单元，其中，压电驱动单元中的压电叠堆2与压电叠堆预紧单元中的弧形滑动楔块I 7及弧形滑动楔块II 11始终保持面接触，试件夹持单元中的夹具体4通过螺纹连接方式与信号检测单元中的轮辐式拉压力传感器3保持刚性连接，且检测单元中的直线电位器13及轮辐式拉压力传感器3均与压电驱动单元中的框架14亦通过螺纹连接方式保持刚性连接； 所述压电驱动单元包括四组共面且平行对称安装的压电叠堆2、框架14及圆弧过渡型柔性铰链1，其中四组压电叠堆2并联排布，并同时在压电驱动电源的等幅等频电压信号驱动下输出同步的响应位移，四组圆弧过渡型柔性铰链I与框架14实为一体，框架14通过框架紧固螺钉17与固定基座10刚性连接； 所述试件夹持单元包括夹具体4、试件夹紧螺钉5、压板6及被测试件15，其中夹具体4及压板6通过等宽的凸台及凹槽结构实现对等宽的被测试件15的对中性限位，所述凸台及凹槽具有密集型锯齿结构，可提高被测试件15夹持的稳定性，试件夹紧螺钉5用于将压板6紧固在夹具体4上并提供可靠的夹持力； 所述压电叠堆预紧单元包括弧形本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种压电致动型材料疲劳力学性能测试装置，其特征在于：包括压电驱动单元、试件夹持单元、压电叠堆预紧单元及信号检测单元，其中，压电驱动单元中的压电叠堆（2）与压电叠堆预紧单元中的弧形滑动楔块Ⅰ（7）及弧形滑动楔块Ⅱ（11）始终保持面接触，试件夹持单元中的夹具体（4）通过螺纹连接方式与信号检测单元中的轮辐式拉压力传感器（3）保持刚性连接，且检测单元中的直线电位器（13）及轮辐式拉压力传感器（3）均与压电驱动单元中的框架（14）亦通过螺纹连接方式保持刚性连接；所述压电驱动单元包括四组共面且平行对称安装的压电叠堆（2）、框架（14）及圆弧过渡型柔性铰链（1），其中四组压电叠堆（2）并联排布，并同时在压电驱动电源的等幅等频电压信号驱动下输出同步的响应位移，四组圆弧过渡型柔性铰链（1）与框架（14）实为一体，框架（14）通过框架紧固螺钉(17)与固定基座（10）刚性连接；所述试件夹持单元包括夹具体（4）、试件夹紧螺钉（5）、压板（6）及被测试件（15），其中夹具体（4）及压板（6）通过等宽的凸台及凹槽结构实现对等宽的被测试件（15）的对中性限位，所述凸台及凹槽具有密集型锯齿结构，可提高被测试件（15）夹持的稳定性，试件夹紧螺钉（5）用于将压板（6）紧固在夹具体（4）上并提供可靠的夹持力；所述压电叠堆预紧单元包括弧形滑动楔块Ⅰ（7）、固定楔块（8）、楔块预紧螺钉（9）、弧形滑动楔块Ⅱ（11）及固定楔块紧固螺钉（16），其中固定楔块（8）通过固定楔块紧固螺钉（16）与固定基座（10）刚性连接，预紧力由楔块预紧螺钉（9）提供，并且楔块预紧螺钉（9）可沿被测试件（15）拉伸/压缩方向移动实现对压电叠堆（2）进行正向预紧和反向自锁；所述信号检测单元包括轮辐式拉压力传感器（3）、电位器固定螺钉（12）及直线电位器（13），其中轮辐式拉压力传感器（3）分别与夹具体（4）及框架（14）刚性连接，直线电位器（13）的固定基体部分通过电位器固定螺钉（12）与框架（14）紧固连接，并整体沉附于框架（14）底部的凹槽内，前部回弹式推杆与夹具体（4）底部保持弹性接触。...
【技术特征摘要】
1.一种压电致动型材料疲劳力学性能测试装置，其特征在于包括压电驱动单元、试件夹持单元、压电叠堆预紧单元及信号检测单元，其中，压电驱动单元中的压电叠堆(2)与压电叠堆预紧单元中的弧形滑动楔块I (7)及弧形滑动楔块II (11)始终保持面接触，试件夹持单元中的夹具体(4)通过螺纹连接方式与信号检测单元中的轮辐式拉压力传感器(3)保持刚性连接，且检测单元中的直线电位器(13)及轮辐式拉压力传感器(3)均与压电驱动单元中的框架(14)亦通过螺纹连接方式保持刚性连接；所述压电驱动单元包括四组共面且平行对称安装的压电叠堆(2)、框架(14)及圆弧过渡型柔性铰链(1)，其中四组压电叠堆(2)并联排布，并同时在压电驱动电源的等幅等频电压信号驱动下输出同步的响应位移，四组圆弧过渡型柔性铰链(I)与框架(14)实为一体，框架(14)通过框架紧固螺钉(17)与固定基座(10)刚性连接；所述试件夹持单元包括夹具体(4)、试件夹紧螺钉(5)、压板(6)及被测试件(15)，其中夹具体(4)及压板(6)通过等宽的凸台及凹槽结构实现对等宽的被测试件(15)的对中性限位，所述凸台及凹槽具有密集型锯齿结构，可提高被测试件(15)夹持的稳定性，试件夹紧螺钉(5)用于将压板(6)紧固在夹具体(4)上并提供可靠的夹持力；所述压电叠堆预紧单元包括弧形滑动楔块I (7)、固定楔块(8)、楔块预紧螺钉(9)、弧形滑动楔块II (11)及固定楔块紧固螺钉(16)，其中固定楔块(8)通过固定楔块紧固螺钉(16)与固定基座(10)刚性连接，预紧力由楔块预紧螺钉(9)提供，并且楔块预紧螺钉(9)可沿被测试件(15)拉伸/压缩方向移动实现对压电叠堆(2)进行正向预紧和反向自锁；所述信号检测单元包括轮辐式拉压力传感器(3)、电位器固定螺钉(12)及直线电位器(13)，其中轮辐式拉压力传感器(3)分别与夹具体(4)及框架(14)刚性...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵宏伟，马志超，王开厅，胡晓利，程虹丙，鲁帅，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
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