多載荷多物理場耦合材料微觀性能原位測試試驗(yàn)的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種多載荷多物理場耦合材料微觀性能原位測試試驗(yàn)機(jī)，屬于材料力學(xué)性能測試【技術(shù)領(lǐng)域】。包括有微/納精度的驅(qū)動/傳動模塊、“機(jī)-電-熱-磁”加載模塊、控制模塊，并集成了高景深3D顯微成像鏡頭和拉曼光譜儀、可視化原位監(jiān)測模塊，能夠動態(tài)監(jiān)控加載過程中材料的變形行為、損傷機(jī)制與性能演變規(guī)律。優(yōu)點(diǎn)在于：整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省空間布局。其中“拉伸/壓縮-扭轉(zhuǎn)-彎曲-壓痕”四種形式的載荷既可以單獨(dú)加載，也可以實(shí)現(xiàn)兩種或兩種以上的載荷進(jìn)行組合式加載，結(jié)合熱-電-磁等外加物理場可以最大限度的模擬材料構(gòu)件的真實(shí)工況下，為接近服役條件下材料微觀力學(xué)性能測試提供有效的手段和方法。
【專利說明】多載荷多物理場耦合材料微觀性能原位測試試驗(yàn)機(jī)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及材料性能測試領(lǐng)域，特別涉及一種多載荷多物理場耦合材料微觀性能 原位測試試驗(yàn)機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]基于標(biāo)準(zhǔn)試樣的常規(guī)拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)測試技術(shù)已經(jīng)相對成熟，可以在滿足材料強(qiáng) 度和疲勞特性等宏觀力學(xué)性能測試的需求的同時(shí)，能夠?qū)我惠d荷下的樣件進(jìn)行微觀力學(xué) 性能的分析。但其測試原理多為離位測試，不能對測試過程中試件的微觀組織形貌進(jìn)行實(shí) 時(shí)動態(tài)的觀察，因此很難將材料微觀組織變化的內(nèi)在機(jī)理與材料宏觀力學(xué)性能有效地結(jié)合 起來綜合分析材料的性能。特別是材料在實(shí)際工況下，往往是多載荷作用下工作，材料的各 種力學(xué)性能已經(jīng)不能以單一載荷測試下的性能進(jìn)行評定。
[0003]而現(xiàn)有研究中，復(fù)合載荷模式的加載主要是通過將被測試件與拉伸/壓縮軸線互 成角度的不規(guī)則裝夾來實(shí)現(xiàn)。將驅(qū)動源輸出的加載軸向力通過不同軸或不等高的拉伸/壓 縮裝夾方式，使材料內(nèi)部出現(xiàn)拉彎組合或壓剪組合等復(fù)合載荷測試形式。這種復(fù)合的形式 相對單一，不能夠有效地控制載荷的加載時(shí)間，也就無法模擬實(shí)際工況下載荷的作用情況， 無法就材料及其制品在復(fù)合載荷作用下的力學(xué)性能及變性損傷機(jī)制做出準(zhǔn)確評價(jià)，限制了 材料試驗(yàn)機(jī)的普及應(yīng)用。
[0004]同時(shí)，隨著社會的發(fā)展，具有優(yōu)良的力學(xué)性能的功能材料已經(jīng)逐漸被人們所使用。 這就使得對電-熱-磁等多種物理場作用下的力學(xué)性能的分析的需求迫切。而現(xiàn)有商業(yè)化 的試驗(yàn)機(jī)很難滿足上述多場耦合下材料性能測試過程的模擬與檢測，因此開發(fā)一種能夠基 于多種載荷多物理場耦合環(huán)境下的材料力學(xué)性能測試試驗(yàn)機(jī)已成為新型材料試驗(yàn)機(jī)的發(fā)
展趨勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種多載荷多物理場耦合材料微觀性能原位測試試驗(yàn)機(jī)， 解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題。是對材料在多載荷多物理場下微觀力學(xué)性能實(shí)時(shí)觀測 分析的試驗(yàn)機(jī)，對功能材料的測試分析亦適用。本發(fā)明可以對樣件施加“拉伸/壓縮-扭 轉(zhuǎn)-彎曲-壓痕”四種形式載荷中的單一載荷，也可以在選擇性地加載溫度場、電場和磁場 的同時(shí)施加其中兩種或兩種以上的復(fù)合載荷，尤其針對鐵磁、熱磁、半導(dǎo)體等功能性材料在 溫度場、電場和磁場與應(yīng)力場相耦合的情況下的力學(xué)性能測試，并且可以結(jié)合三維動態(tài)成 像平臺可以對測試過程進(jìn)行動態(tài)實(shí)時(shí)觀測與性能分析。為研究接近服役條件下材料的微觀 組織形貌和宏觀力學(xué)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系以及裂紋的擴(kuò)展規(guī)律提供有效地測試手段。
[0006]本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
多載荷多物理場耦合材料微觀性能原位測試試驗(yàn)機(jī)，包括拉/壓模塊1、扭轉(zhuǎn)模塊2、壓 痕模塊3、原位觀測模塊4、三點(diǎn)彎曲模塊5、熱磁加載模塊6、框架支撐模塊8和夾持模塊9， 該試驗(yàn)機(jī)整體采用臥式非對稱結(jié)構(gòu)布置，單側(cè)布置拉/扭傳感器7和拉扭模塊傳感器；所述壓痕模塊3和原位觀測模塊4集成于同一升降臺；三點(diǎn)彎曲模塊5和熱磁加載模塊6集成 于同一升降臺；拉/壓模塊1、扭轉(zhuǎn)模塊2安裝于框架支撐模塊8上；可以實(shí)現(xiàn)“拉伸/壓 縮一扭轉(zhuǎn)-彎曲-壓痕”四種形式載荷的加載、“溫度場、電場、磁場”三種物理場的加載條 件下研究功能材料在“機(jī)-電-熱-磁”多載荷多物理場耦合條件下的微觀力學(xué)性能以及 原位測試。
[0007]所述的拉/壓模塊I采用單側(cè)拉伸結(jié)構(gòu)，由電機(jī)通過導(dǎo)軌直接帶動位于拉伸模塊 I上的扭轉(zhuǎn)模塊2，降低了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。
[0008]所述的扭轉(zhuǎn)模塊2通過齒輪在齒形帶30的旋轉(zhuǎn)刻度值來確定扭轉(zhuǎn)模塊2的進(jìn)給 量，采用滾珠花鍵來將軸向拉/壓運(yùn)動與扭轉(zhuǎn)運(yùn)動獨(dú)立開來，使得拉/壓模塊I和扭轉(zhuǎn)模塊 2相互獨(dú)立。
[0009]所述的原位觀測模塊4安裝于可上下升降的鏡頭支架42上，并且可由微調(diào)連接塊 44和微調(diào)傳動箱45調(diào)節(jié)原位觀測模塊4在水平面內(nèi)的自由度，滿足實(shí)時(shí)動態(tài)觀測需求。
[0010]所述的三點(diǎn)彎曲模塊5通過升降移動支架52下安裝的絲杠導(dǎo)軌64，使得上層三點(diǎn) 彎曲模塊可相對于框架支撐模塊8整體浮動，實(shí)現(xiàn)內(nèi)力型三點(diǎn)彎曲。
[0011]所述的熱磁加載模塊6采用試件直接通電的方式施加電場，采用永磁體直接回路 法施加磁場，采用半導(dǎo)體制冷和光照輻射相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)溫度場的施加。
[0012]所述的三點(diǎn)彎曲模塊5和熱磁加載模塊6固定于同一可升降的支架上,并且該支 架可以沿試驗(yàn)機(jī)橫向方向移動，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)加載模塊的切換。
[0013]所述的壓痕模塊3通過負(fù)載傳感器75和微進(jìn)機(jī)構(gòu)84精確地確定壓痕位置與壓痕 位移。
[0014]所述的原位觀測模塊4和壓痕模塊3固定于可沿試驗(yàn)機(jī)縱向方向移動的升降平臺 上，可方便的實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)單原間的切換以及各自模塊相對于樣件位置的粗調(diào)。
[0015]所述的框架支撐模塊8采用大理石臺面27，可有效地保證試驗(yàn)機(jī)表面的平度，該 大理石臺面27與氣浮隔振臺92固定，有效地降低了外界因素對試驗(yàn)測試時(shí)的影響。
[0016]本發(fā)明基于“機(jī)-電-熱-磁”多物理場耦合原理，其機(jī)械加載部分可實(shí)現(xiàn)“拉伸 /壓縮-扭轉(zhuǎn)-彎曲-壓痕”四種形式載荷的施加，可根據(jù)試驗(yàn)的實(shí)際要求高效地將四種外 加場進(jìn)行組合，完成多物理場下的測試需求。
[0017]本發(fā)明的有益效果在于:
1、可實(shí)現(xiàn)“拉伸/壓縮-扭轉(zhuǎn)-彎曲-壓痕”四種形式載荷的施加，可根據(jù)試驗(yàn)的實(shí)際 要求高效地將“機(jī)-電-熱-磁”四種外加場進(jìn)行組合，完成多載荷多物理場下的測試需求， 也可對其中的兩種或兩種以上的載荷組合加載，可以真實(shí)地模擬真實(shí)工況下材料微觀力學(xué) 性能。
[0018]2、在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊、功能齊全。
[0019]3、在試驗(yàn)機(jī)的主體框架中集成了三維動態(tài)觀測平臺，通過觀高景深3D成像等顯 微成像鏡頭和拉曼光譜儀，可以實(shí)時(shí)動態(tài)的對試樣的微觀組織形貌，對于研究材料的微觀 組織形貌和宏觀力學(xué)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系提供有有效地測試手段。
[0020]4、可為各類金屬材料、半導(dǎo)體材料、功能材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝備制造、壽命預(yù)測和 可靠性評估提供新方法，研究工作具有十分重要的科學(xué)意義和很高的經(jīng)濟(jì)效益。【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本發(fā) 明的示意性實(shí)例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。
[0022]圖1為本發(fā)明總體俯視圖；
圖2為本發(fā)明集成拉伸模塊的整體示意圖；
圖3為本發(fā)明扭轉(zhuǎn)模塊的整體示意圖；
圖4為本發(fā)明原位觀測模塊的整體示意圖；
圖5為本發(fā)明三點(diǎn)彎曲模塊示意圖；
圖6為本發(fā)明熱磁模塊的示意圖；
圖7為本發(fā)明壓痕模塊的示意圖；
圖8為本發(fā)明壓痕模塊和原位觀測模塊的位置示意圖；
圖9為本發(fā)明框架支撐模塊示意圖。
[0023]圖中:1-拉/壓模塊；2_扭轉(zhuǎn)模塊；3_壓痕模塊；4_原位觀測模塊；5_三點(diǎn)彎曲 模塊；6_熱磁加載模塊；7_框架支撐模塊；9_夾持模塊；10_拉伸伺服電機(jī)；11_減速器； 12-內(nèi)六角螺栓I ;13_螺母I ;14_軸套I ;15_絲杠螺母座III ；16-絲杠螺母座IV ；17-絲 杠；18-基座I ;19_內(nèi)六角螺釘I ;20_絲杠螺母I ;21_推力軸承；22-導(dǎo)軌滑塊I ;23_導(dǎo) 軌I ;24_內(nèi)六角螺釘II ;25_電機(jī)座I ;26_內(nèi)六角螺釘III ;27_大理石臺面；28_固定板； 29-固定擋板；30_齒形帶；31_上齒輪；32_鍵I ;33_張緊機(jī)構(gòu)；34_下齒輪；35_鍵II ； 36-外花鍵軸；37_內(nèi)花鍵軸；38_鏡頭基座；39_微調(diào)手輪；40_鏡身；41_鏡頭；42_鏡頭 支架；43_螺栓；44_連接塊；45-微調(diào)傳動箱；46_導(dǎo)軌；47_定位板；48_頭部定位塊I ; 49-彎曲頭；50-頭部定位塊II ;51_導(dǎo)軌滑塊I ;52_升降移動支架；53-彎曲模塊基座； 54-移動絲杠座I ;55_伺服電機(jī)；56-移動支撐架I ;57_移動模塊基座I ;58_絲杠螺母 I ;59_絲杠I ;60_移動絲杠座II ;61_絲杠II ;62_導(dǎo)軌滑塊II ;63_支撐塊；64-升降支 座；65_絲杠螺母座I ;66_絲杠螺母座II ;67_頂梁磁頭；68_連接塊；69_夾緊塊；70_支撐 塊；71_熱磁基座架；72_調(diào)節(jié)螺母；73_調(diào)節(jié)螺桿；74_柔性鉸鏈；75_負(fù)載傳感器；76_壓 痕頭；77_頭部固定器；78_連接桿；79_遮擋板；80_安裝桿；81_調(diào)整支架；82_內(nèi)六角螺 栓II ；83-螺母II ；84-微進(jìn)機(jī)構(gòu)；85_壓板；86_基座II ;87_連接板；88_蓋板；89_壓痕殼 體；90_內(nèi)六角螺釘IV ;91_側(cè)板；92_氣浮隔振臺。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容及其【具體實(shí)施方式】。
[0025]參見圖1至圖9所示，本發(fā)明的多載荷多物理場耦合材料微觀性能原位測試試驗(yàn) 機(jī)，包括拉/壓模塊1、扭轉(zhuǎn)模塊2、壓痕模塊3、原位觀測模塊4、三點(diǎn)彎曲模塊5、熱磁加載 模塊6、框架支撐模塊8和夾持模塊9，該試驗(yàn)機(jī)整體采用臥式非對稱結(jié)構(gòu)布置，單側(cè)布置拉 /扭傳感器7和拉扭模塊傳感器；所述壓痕模塊3和原位觀測模塊4集成于同一升降臺；三 點(diǎn)彎曲模塊5和熱磁加載模塊6集成于同一升降臺；拉/壓模塊1、扭轉(zhuǎn)模塊2安裝于框架 支撐模塊8上；可以實(shí)現(xiàn)“拉伸/壓縮一扭轉(zhuǎn)-彎曲-壓痕”四種形式載荷的加載、“溫度 場、電場、磁場”三種物理場的加載條件下研究功能材料在“機(jī)-電-熱-磁”多載荷多物 理場耦合條件下的微觀力學(xué)性能以及原位測試。[0026]參見圖2所示，本發(fā)明的拉/壓模塊I采用非對稱結(jié)構(gòu)，主要由拉伸伺服電機(jī)10、 減速器11、內(nèi)六角螺栓I 12、螺母I 13、軸套I 14、絲杠螺母座III 15、絲杠螺母座IV 16、絲 杠17、基座I 18、內(nèi)六角螺釘I 19、絲杠螺母I 20、推力軸承21、導(dǎo)軌滑塊I 22、導(dǎo)軌I 23、 內(nèi)六角螺釘II 24、電機(jī)座I 25、內(nèi)六角螺釘III 26組成。導(dǎo)軌I 23和電機(jī)座I 25為該模塊 的固定部分，通過螺栓與大理石臺27固定，電機(jī)座I 25上安裝有絲杠螺母座III 15，拉伸伺 服電機(jī)10和減速器11組裝后通過內(nèi)六角螺栓I 12與電機(jī)座I 25固定，減速器軸與絲杠螺 母座III15之間選擇軸套I 14連接，由此就可以將拉伸伺服電機(jī)10主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞給 絲杠17，由絲杠17帶動基座I 18沿導(dǎo)軌I 23的直線運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)了沿試驗(yàn)機(jī)縱向方向 的拉伸/壓縮功能。拉伸運(yùn)動端由伺服電機(jī)10驅(qū)動絲杠15運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動導(dǎo)軌滑塊22運(yùn)動， 對所夾持的樣件施加拉伸/壓縮載荷。另一端固定端安裝有拉扭傳感器7，該拉扭傳感器7 由空氣軸承支撐，可有效消除輕浮力的干擾。
[0027]參見圖3所示，本發(fā)明的扭轉(zhuǎn)模塊2主要由固定板28、固定擋板29、齒形帶30、上 齒輪31、鍵I 32、張緊機(jī)構(gòu)33、下齒輪34、鍵II 35、外花鍵軸36、內(nèi)花鍵軸37組成。扭轉(zhuǎn)模 塊伺服電機(jī)通過鍵I 32與上齒輪31連接，齒形帶30用于傳遞上齒輪31和下齒輪34之間 的扭轉(zhuǎn)力，下齒輪34通過外花鍵軸36、內(nèi)花鍵軸37實(shí)現(xiàn)與拉/壓模塊I主軸的連接，既可 以實(shí)現(xiàn)拉/壓、扭轉(zhuǎn)力的傳遞與復(fù)合，整個(gè)模塊安裝固定于固定板28和固定擋板29上，其 中張緊機(jī)構(gòu)33用于防止齒形帶30松弛。扭轉(zhuǎn)模塊2通過齒輪在齒形帶30上的旋轉(zhuǎn)刻度 值來確定扭轉(zhuǎn)模塊的進(jìn)給量，采用滾珠花鍵來將軸向拉/壓運(yùn)動與扭轉(zhuǎn)運(yùn)動獨(dú)立開來，使 得拉/壓模塊I和扭轉(zhuǎn)模塊2相互獨(dú)立。扭轉(zhuǎn)力采用樣件兩側(cè)同時(shí)加載的方式，以保證觀 測點(diǎn)的固定。
[0028]參見圖7及圖8所示，本發(fā)明的壓痕模塊3主要由柔性鉸鏈74、負(fù)載傳感器75、壓 痕頭76、頭部固定器77、連接桿78、遮擋板79、安裝桿80、調(diào)整支架81、內(nèi)六角螺栓II 82、 螺母II 83、微進(jìn)機(jī)構(gòu)84、壓板85、基座II 86、連接板87、蓋板88、壓痕殼體89、內(nèi)六角螺釘 IV 90、側(cè)板91組成。壓痕頭76通過頭部固定器77、遮擋板79和連接桿78連接到負(fù)載傳 感器75，負(fù)載傳感器75與柔性鉸鏈74連接，這部分組成了壓痕模塊的前端壓痕工作單元， 安裝桿80和調(diào)整支架81通過內(nèi)六角螺栓II 82和螺母II 83連接后，與微進(jìn)機(jī)構(gòu)84固定， 由微進(jìn)機(jī)構(gòu)84帶動壓板85，實(shí)現(xiàn)壓痕頭76的壓痕精確進(jìn)給功能。整個(gè)模塊下端設(shè)計(jì)粗略 進(jìn)給單元，包括連接板87、蓋板88、壓痕殼體89、內(nèi)六角螺釘IV 90和側(cè)板91。壓痕模塊3 與原位觀測模塊4共用同一個(gè)兩自由度升降支架，有效地進(jìn)行壓痕模塊3與原位觀測模塊 4位置的切換，以及粗略定位，負(fù)載傳感器75和微進(jìn)機(jī)構(gòu)84精確地確定壓痕位置與壓痕位 移量。
[0029]參見圖4及圖8所示，本發(fā)明的原位觀測模塊4主要由鏡頭基座38、微調(diào)手輪39、 鏡身40、鏡頭41、鏡頭支架42、螺栓43、微調(diào)連接塊44、微調(diào)傳動箱45、導(dǎo)軌46組成。鏡身 40、鏡頭41和鏡頭支架42是組成件，通過螺栓43與微調(diào)連接塊44連接，可實(shí)現(xiàn)鏡頭41沿 樣件軸向方向的精確進(jìn)給運(yùn)動。微調(diào)連接塊44與微調(diào)傳動箱45固定，通過微調(diào)手輪39的 調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)微調(diào)傳動箱45上的滑塊沿導(dǎo)軌46方向的運(yùn)動，由此實(shí)現(xiàn)鏡頭41沿樣件徑向的 進(jìn)給運(yùn)動。原位觀測模塊4通過鏡頭基座38粗調(diào)移動位置，通過微調(diào)連接塊44和微調(diào)傳 動箱45進(jìn)行精確定位觀測點(diǎn)。
[0030]參見圖5所示，本發(fā)明的三點(diǎn)彎曲模塊5主要由定位板47、頭部定位塊I 48、彎曲頭49、頭部定位塊II 50、導(dǎo)軌滑塊I 51、升降移動支架52、彎曲模炔基座53、移動絲杠座 I 54、伺服電機(jī)55、移動支撐架I 56、移動模炔基座I 57、絲杠螺母I 58、絲杠I 59、移動絲杠座II 60、絲杠II 61、導(dǎo)軌滑塊II 62、支撐塊63、升降支座64、絲杠螺母座I 65、絲杠螺母座II 66組成。彎曲頭49的固定2而安裝于頭部定位塊I 48固定，彎曲頭49運(yùn)動2而安裝于頭部定位塊II 50，部定位塊II 50上的導(dǎo)軌滑塊I 51可沿彎曲模炔基座53上的導(dǎo)軌直線運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)彎曲頭49運(yùn)動端沿樣件徑向的進(jìn)給運(yùn)動。定位板47與升降移動支架52連接， 實(shí)現(xiàn)整個(gè)彎曲模塊的升降功能，升降支座64與移動絲杠座I 54連接，由伺服電機(jī)55驅(qū)動移動支撐架I 56實(shí)現(xiàn)彎曲模塊的粗略進(jìn)給功能。三點(diǎn)彎曲模塊5通過升降移動支架52下安裝的絲杠導(dǎo)軌64，使得上層三點(diǎn)彎曲模塊可相對于框架支撐模塊8整體浮動，再由伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)內(nèi)力型三點(diǎn)彎曲。
[0031]參見圖6所示，本發(fā)明的熱磁加載模塊6主要由頂梁磁頭67、連接塊68、夾緊塊 69、支撐塊70、熱磁基座架71、調(diào)節(jié)螺母72、調(diào)節(jié)螺桿73組成。連接塊68用于連接頂梁磁頭67和支撐塊70，夾緊塊69與支撐塊70固定，由連接于夾緊塊69的調(diào)節(jié)螺母72和調(diào)節(jié)螺桿73來調(diào)節(jié)對樣件的夾持力。熱磁基座架71與定位板47固定。該熱磁加載模塊6采用永磁體直接回路法施加磁場，通過調(diào)節(jié)螺桿73調(diào)節(jié)永磁體與軟鐵形成的磁回路的相對位置來實(shí)現(xiàn)不同磁場強(qiáng)度的加載。溫度場的實(shí)現(xiàn)則是通過半導(dǎo)體帕爾貼片對試件進(jìn)行制冷， 將帕爾貼片通以規(guī)定方向的直流電，由于帕爾貼效應(yīng)帕爾貼片制冷側(cè)會吸收大量的熱量， 使得試件的溫度降低達(dá)到制冷的效果。采用兩根對稱的發(fā)光體發(fā)出紅外光，光線經(jīng)兩個(gè)弧形反射面反射后聚焦于試件中心一點(diǎn)，使該區(qū)域溫度迅速提升，經(jīng)過一段時(shí)間的內(nèi)部熱量傳導(dǎo)整個(gè)試件會達(dá)到測試要求的溫度。
[0032]三點(diǎn)彎曲模塊5和熱磁加載模塊6固定于同一可升降的支架上，并且該支架可以沿試驗(yàn)機(jī)橫向方向移動，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)加載模塊的切換。
[0033]本發(fā)明主要用能材料之拉伸/壓縮、三點(diǎn)彎曲、壓痕、扭轉(zhuǎn)的多載荷加載模式下， 以及耦合熱、磁物理場的條件下功能材料微觀力學(xué)性能的原位監(jiān)測測試。本發(fā)明集成有微/ 納精度的驅(qū)動/傳動模塊、“機(jī)-電-熱-磁”加載模塊、控制模塊，并集成了高景深3D顯微成像鏡頭和拉曼光譜儀、可視化原位監(jiān)測模塊，能夠動態(tài)監(jiān)控加載過程中材料的變形行為、 損傷機(jī)制與性能演變規(guī)律。
[0034]本發(fā)明中的三點(diǎn)彎曲模塊和熱磁加載模塊采用互換式布局，壓痕單元和觀測單元均可根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求進(jìn)行快速替換，有效地節(jié)省了空間布局，實(shí)現(xiàn)整機(jī)結(jié)構(gòu)的緊湊性。其中 “拉伸/壓縮--扭轉(zhuǎn)-彎曲-壓痕”四種形式的載荷既可以單獨(dú)加載，也可以實(shí)現(xiàn)兩種或兩種以上的載荷進(jìn)行組合式加載，結(jié)合熱-電-磁等外加物理場可以最大限度的模擬材料構(gòu)件的真實(shí)工況下，為接近服役條件下材料微觀力學(xué)性能測試提供有效的手段和方法。
`[0035]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡對本發(fā)明所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等， 均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種多載荷多物理場耦合材料微觀性能原位測試試驗(yàn)機(jī)，其特征在于:包括拉/壓 模塊(I)、扭轉(zhuǎn)模塊(2 )、壓痕模塊(3 )、原位觀測模塊(4)、三點(diǎn)彎曲模塊(5 )、熱磁加載模塊(6)、框架支撐模塊(8)和夾持模塊(9)，該試驗(yàn)機(jī)整體采用臥式非對稱結(jié)構(gòu)布置，單側(cè)布置 拉/扭傳感器(7)和拉扭模塊傳感器；所述壓痕模塊(3)和原位觀測模塊(4)集成于同一升 降臺；三點(diǎn)彎曲模塊(5)和熱磁加載模塊(6)集成于同一升降臺；拉/壓模塊(I)、扭轉(zhuǎn)模塊 (2 )安裝于框架支撐模塊(8 )上；可以實(shí)現(xiàn)“拉伸/壓縮一扭轉(zhuǎn)-彎曲-壓痕”四種形式載荷 的加載、“溫度場、電場、磁場”三種物理場的加載條件下研究功能材料在“機(jī)-電-熱-磁” 多載荷多物理場耦合條件下的微觀力學(xué)性能以及原位測試。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀性能原位測試試驗(yàn)機(jī),其特征 在于:所述的拉/壓模塊(I)采用單側(cè)拉伸結(jié)構(gòu)，由電機(jī)通過導(dǎo)軌直接帶動位于拉伸模塊(I)上的扭轉(zhuǎn)模塊(2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀性能原位測試試驗(yàn)機(jī),其特征 在于:所述的扭轉(zhuǎn)模塊(2)通過齒輪在齒形帶(30)的旋轉(zhuǎn)刻度值來確定扭轉(zhuǎn)模塊(2)的進(jìn) 給量，采用滾珠花鍵來將軸向拉/壓運(yùn)動與扭轉(zhuǎn)運(yùn)動獨(dú)立開來，使得拉/壓模塊(I)和扭轉(zhuǎn) 模塊(2)相互獨(dú)立。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀性能原位測試試驗(yàn)機(jī)，其特 征在于:所述的原位觀測模塊(4)安裝于可上下升降的鏡頭支架(42)上，并且可由連接塊(44)和微調(diào)傳動箱(45)調(diào)節(jié)原位觀測模塊(4)在水平面內(nèi)的自由度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀性能原位測試試驗(yàn)機(jī),其特征 在于:所述的三點(diǎn)彎曲模塊(5)通過升降移動支架(52)下安裝的絲杠導(dǎo)軌(64)，使得上層 三點(diǎn)彎曲模塊可相對于框架支撐模塊(8)整體浮動，實(shí)現(xiàn)內(nèi)力型三點(diǎn)彎曲。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀性能原位測試試驗(yàn)機(jī),其特征 在于:所述的熱磁加載模塊(6)采用試件直接通電的方式施加電場，采用永磁體直接回路 法施加磁場，采用半導(dǎo)體制冷和光照輻射相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)溫度場的施加。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的多載荷多物理場耦合材料微觀性能原位測試試驗(yàn)機(jī)，其 特征在于:所述的三點(diǎn)彎曲模塊(5)和熱磁加載模塊(6)固定于同一可升降的支架上,并且 該支架可以沿試驗(yàn)機(jī)橫向方向移動，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)加載模塊的切換。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀性能原位測試試驗(yàn)機(jī),其特征 在于:所述的壓痕模塊(3)通過負(fù)載傳感器(75)和微進(jìn)機(jī)構(gòu)(84)精確地確定壓痕位置與壓 痕位移。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的多載荷多物理場耦合材料微觀性能原位測試試驗(yàn)機(jī)，其 特征在于:所述的原位觀測模塊(4)和壓痕模塊(3)固定于可沿試驗(yàn)機(jī)縱向方向移動的升 降平臺上，可方便的實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)單原間的切換以及各自模塊相對于樣件位置的粗調(diào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多載荷多物理場耦合材料微觀性能原位測試試驗(yàn)機(jī),其特 征在于:所述的框架支撐模塊(8)采用大理石臺面(27)，可有效地保證試驗(yàn)機(jī)表面的平度， 該大理石臺面(27)與氣浮隔振臺(92)固定，有效地降低了外界因素對試驗(yàn)測試時(shí)的影響。
【文檔編號】G01N3/40GK103499483SQ201310444252
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月26日
【發(fā)明者】趙宏偉, 任露泉, 李聰, 曲涵, 張永利, 緱旭, 佟達(dá), 唐可洪, 范尊強(qiáng), 朱仲偉, 高景, 程虹柄, 林增宇, 張富, 鄒青, 徐麗霞 申請人:吉林大學(xué)