三點(diǎn)、四點(diǎn)彎曲作用下材料微觀力學(xué)性能的原位測試儀器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種三點(diǎn)、四點(diǎn)彎曲作用下材料微觀力學(xué)性能的原位測試儀器，屬于材料微觀力學(xué)性能測試【技術(shù)領(lǐng)域】。屬于集機(jī)電一體化的材料微觀力學(xué)性能精密測試儀器。直流伺服電機(jī)與渦輪、蝸桿相連，通過二級渦輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)減速增扭后帶動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng)，結(jié)合基座的支撐后絲杠帶動(dòng)精密滑塊，實(shí)現(xiàn)彎頭移動(dòng)，結(jié)合試件樣品的支撐單元共同作用，從而實(shí)現(xiàn)三點(diǎn)彎曲、四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)。優(yōu)點(diǎn)在于：體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、動(dòng)態(tài)特性好、能耗低。傳感器直接安裝在儀器基座上，充分保證了測試精度；同時(shí)兩邊彎頭跨距可以調(diào)節(jié)，三點(diǎn)彎曲壓頭和四點(diǎn)彎曲壓頭拆卸方便，互換簡潔，采用豎直結(jié)構(gòu)布局，有利于保證儀器與商業(yè)化材料性能表征儀器裝備的載物臺(tái)結(jié)構(gòu)兼容。
【專利說明】三點(diǎn)、四點(diǎn)彎曲作用下材料微觀力學(xué)性能的原位測試儀器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及材料微觀力學(xué)性能測試【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及材料微觀力學(xué)性能原位測試【技術(shù)領(lǐng)域】，尤指一種三點(diǎn)、四點(diǎn)彎曲作用下材料微觀力學(xué)性能的原位測試儀器。其以在對樣品進(jìn)行三點(diǎn)彎曲或四點(diǎn)彎曲加載的同時(shí)，借助電鏡等顯微成像儀器(如掃描電子顯微鏡SEM、raman光譜儀、X射線衍射儀、金相顯微鏡和光學(xué)顯微鏡等)對加載過程中樣品的微觀變形，損傷以及斷裂過程開展原位監(jiān)測，屬于高端制造裝備與材料試驗(yàn)機(jī)【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]任何機(jī)械零件或工具，在使用過程中，往往要受到各種形式外力的作用，如起重機(jī)上的鋼索，受到懸掛物拉力的作用，柴油機(jī)上的連桿，在傳遞動(dòng)力時(shí)，不僅受到拉力的作用，而且還受到?jīng)_擊力的作用，軸類零件要受到彎矩、扭力的作用等等。這就要求金屬材料必須具有一種承受機(jī)械載荷而不超過許可變形或不破壞的能力，這種能力就是材料的力學(xué)性能，而要了解材料的力學(xué)性能以及影響材料力學(xué)性能的各種因素，就必須結(jié)合材料的失效形式，通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來了解材料各方面的力學(xué)性能。主要的幾種金屬材料力學(xué)性能試驗(yàn)包括拉伸試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)、沖擊韌度試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)等。其中彎曲試驗(yàn)則是應(yīng)用最廣泛的力學(xué)性能試驗(yàn)方法之一。傳統(tǒng)的三點(diǎn)彎曲、四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)一般是在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的，試驗(yàn)時(shí)將標(biāo)準(zhǔn)試樣放在一定跨距的支座上，然后在標(biāo)準(zhǔn)試樣上加載進(jìn)行彎曲，由于三點(diǎn)彎曲、四點(diǎn)彎曲加載比較符合實(shí)際生產(chǎn)中結(jié)構(gòu)件以及功能件的實(shí)際工作情況，所以常在彎曲試驗(yàn)中被采用。這種三點(diǎn)彎曲、四點(diǎn)彎曲測試裝置體積大，屬于“非原位”三點(diǎn)彎曲、四點(diǎn)彎曲測試領(lǐng)域，即在測試的動(dòng)態(tài)過程中，不能借助于掃描電子顯微鏡、拉曼光譜儀、激光共聚焦顯微鏡、超景深顯微鏡等顯微成像組件對被測試件在三點(diǎn)彎曲、四點(diǎn)彎曲加載工況下，開展原位實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測。
[0003]而原位力學(xué)性能測試是指在微、納米尺度下對試件材料進(jìn)行力學(xué)性能測試，通過電子顯微鏡等觀測儀器對載荷作用下材料發(fā)生的微觀變形損傷進(jìn)行全程動(dòng)態(tài)監(jiān)測的一種力學(xué)測試技術(shù)。該技術(shù)深入的揭示了各類材料及其制品的微觀力學(xué)行為、損傷機(jī)理及其與載荷作用和材料性能間的相關(guān)性規(guī)律。在諸多納米力學(xué)測試的范疇中，彈性模量、硬度、斷裂極限等參數(shù)是微構(gòu)件力學(xué)特性測試中的最主要的測試對象，針對這些力學(xué)屬性產(chǎn)生了多種測試方法，如拉伸/壓縮法，扭轉(zhuǎn)法、彎曲法、納米壓痕法和鼓膜法等，其中原位彎曲測試能夠反映構(gòu)件材料的彎曲強(qiáng)度特性，并能最直觀的測量材料彈性模量、屈服極限和斷裂強(qiáng)度等重要力學(xué)參數(shù)。
[0004]當(dāng)前原位微納米三點(diǎn)彎曲、四點(diǎn)彎曲測試的研究尚處萌芽階段，具體表現(xiàn)在:受到原子力顯微鏡(AFM)、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡(TEM)等的腔體空間的限制，多數(shù)研究集中在微、納米尺度材料和結(jié)構(gòu)上，如納米管、納米線以及薄膜材料等極微小結(jié)構(gòu)的單純原位納米彎曲測試上，缺少對宏觀尺寸的跨尺度原位納米力學(xué)測試的深入研究，從而嚴(yán)重阻礙了微小結(jié)構(gòu)材料的微觀力學(xué)行為和損傷機(jī)制新現(xiàn)象、新規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，從測試手段和方法上來說，借助商業(yè)化的納米壓痕儀進(jìn)行的原位納米壓痕測試和借助商業(yè)化的原為納米拉伸儀進(jìn)行的原位拉伸測試，兩種方法均存在設(shè)備費(fèi)用昂貴，測試方法單一。對結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧，精度高，測試試件多樣化的三點(diǎn)彎曲、四點(diǎn)彎曲原位測試裝置鮮有提及，極大制約了研究的深入與發(fā)展。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種三點(diǎn)、四點(diǎn)彎曲作用下材料微觀力學(xué)性能的原位測試儀器，解決了現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備在材料的機(jī)械性能測試和在此過程中觀察試件微觀形態(tài)變化是獨(dú)立的、分離的問題，以及現(xiàn)有測試設(shè)備體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、費(fèi)用昂貴及兼容性差等問題，通過不同的載荷加載方式對材料試件進(jìn)行材料微觀力學(xué)性能測試，進(jìn)而提供一種三點(diǎn)彎曲、四點(diǎn)彎曲作用下材料微觀力學(xué)性能的原位測試儀器，可以借助于掃描電子顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡、超景深顯微鏡等高倍數(shù)的顯微成像組件，在獲取準(zhǔn)確的載荷-撓度曲線的同時(shí)，能夠原位實(shí)時(shí)監(jiān)測被測試件在三點(diǎn)彎曲、四點(diǎn)彎曲工況下的微觀變形、損傷、裂紋的萌生、擴(kuò)展路徑等微觀力學(xué)。
[0006]本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
三點(diǎn)、四點(diǎn)彎曲作用下材料微觀力學(xué)性能的原位測試儀器，直流伺服電機(jī)I通過電機(jī)支座19安裝在底座12上，蝸桿a2固定在直流伺服電機(jī)I上，渦輪a3和蝸桿b6分別安裝在軸5上，軸5兩端固定在支架4上，渦輪b7安裝在絲杠16上，絲杠16通過連接板a8與滑動(dòng)基座9相連，連接板blO與彎頭a、bll、15分別安裝在滑動(dòng)基座9上，滑動(dòng)基座9兩邊安裝在精密滑塊18上，精密滑塊18安裝在導(dǎo)軌17上；直流伺服電機(jī)I通過渦輪a、b3、7和蝸桿a、b2、6減速增扭后驅(qū)動(dòng)絲杠16，絲杠16通過連接板a8帶動(dòng)滑動(dòng)基座9，由精密滑塊18在導(dǎo)軌17上滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)連接板blO、彎頭all及彎頭bl5的運(yùn)動(dòng)，完成二點(diǎn)彎曲、四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)。
[0007]所述的底座12上安裝有精密力傳感器14，壓頭13安裝在精密力傳感器14上。精密力傳感器14直接安裝在底座12上，與傳統(tǒng)安裝方法相比，無中間傳動(dòng)部分，不會(huì)受到絲杠間隙和剛度變形的影響，測試精度得到很大的提高，充分保證了測試精度。
[0008]所述的彎頭all與彎頭bl5間的跨距可調(diào)，可以對不同尺寸的試件進(jìn)行測試。
[0009]所述的三點(diǎn)、四點(diǎn)彎曲作用下材料微觀力學(xué)性能的原位測試儀器總體尺寸為%mmX YOmmX 120mm。
[0010]本發(fā)明采用立式布局，結(jié)構(gòu)緊湊，總體尺寸小，采用自行設(shè)計(jì)的滑動(dòng)基座9，免去很多連接件等中間環(huán)節(jié)，減少摩擦，提高精度?？梢耘c各種電子顯微鏡真空腔體的載物平臺(tái)相互兼容，并且能夠精確的觀測到三點(diǎn)彎曲、四點(diǎn)彎曲平面的實(shí)時(shí)變形。采用二級渦輪、蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)減速增扭，使測試儀器運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)效率更高。三點(diǎn)彎曲和四點(diǎn)彎曲壓頭通過螺紋連接安裝在測試儀器上面，因此拆卸方便，互換簡潔。整體結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小，可置于掃描電子顯微鏡真空腔內(nèi)、Raman光譜儀載物臺(tái)、XRD載物臺(tái)以及常規(guī)金相顯微鏡或光學(xué)顯微鏡載物臺(tái)上，結(jié)合這些材料性能表征儀器，對載荷作用下材料的微觀力學(xué)行為、損傷機(jī)制以及微觀組織結(jié)構(gòu)的演化進(jìn)行動(dòng)態(tài)原位監(jiān)測。
[0011]本發(fā)明的有益效果在于:體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，功能可靠，安裝方便，便于操作的力學(xué)性能測試儀器，適用于超景深顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡、Raman光譜儀、XRD以及常規(guī)金相顯微鏡或光學(xué)顯微鏡等顯微成像組件的原位三點(diǎn)彎曲、四點(diǎn)彎曲測試裝置，結(jié)合這些材料性能表征儀器，對載荷作用下材料的微觀力學(xué)行為、損傷機(jī)制以及微觀組織結(jié)構(gòu)的演化進(jìn)行動(dòng)態(tài)原位監(jiān)測，本發(fā)明綜合現(xiàn)有的原位力學(xué)性能測試平臺(tái)，采用了簡便可行的更換壓頭方法解決普通測試平臺(tái)只能進(jìn)行三點(diǎn)彎曲或者四點(diǎn)彎曲的問題，采用了壓頭通過傳感器，直接緊固在底座上的方法解決傳動(dòng)鏈過多、測量結(jié)果不精確的問題，采用了可移動(dòng)的彎頭和豎直的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決普通測試平臺(tái)難以對被測試件的正面和側(cè)邊同時(shí)進(jìn)行原位觀測的難題，采用二級渦輪、蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)減速增扭，使整體布局更加合理，傳動(dòng)效率得到提高。
[0012]綜上，本發(fā)明對豐富原位微納米力學(xué)性能測試內(nèi)容和促進(jìn)材料力學(xué)性能測試技術(shù)及裝備的發(fā)展，具有重要的理論指導(dǎo)意義和良好的應(yīng)用開發(fā)前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]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。
[0014]圖1為本發(fā)明的軸側(cè)示意圖；
圖2為本發(fā)明的主視示意圖；
圖3為本發(fā)明的電機(jī)驅(qū)動(dòng)渦輪蝸桿軸測視圖；
圖4為本發(fā)明的三點(diǎn)彎曲結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為本發(fā)明的四點(diǎn)彎曲結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖中:1、直流伺服電機(jī);2、蝸桿a ;3、渦輪a ;4、支架；5、軸;6、蝸桿b ;7、渦輪b ;8、連接板a ;9、滑動(dòng)基座；10、連接板b ;11、彎頭a ;12、底座；13、壓頭；14、精密力傳感器；15、彎頭b ;16、絲杠；17、導(dǎo)軌；18、精密滑塊；19、電機(jī)支座。

【具體實(shí)施方式】
[0016]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】。
[0017]參見圖1至圖3所示，本發(fā)明的三點(diǎn)、四點(diǎn)彎曲作用下材料微觀力學(xué)性能的原位測試儀器，包括精密驅(qū)動(dòng)單元、傳動(dòng)和執(zhí)行單元、信號控制和檢測單元、連接和支撐單元，具體結(jié)構(gòu)是:直流伺服電機(jī)I與電機(jī)支座19通過螺栓安裝在底座12上，蝸桿a2固定在直流伺服電機(jī)I上，渦輪a3和蝸桿b6分別安裝在軸5上，軸5兩端固定在支架4上，渦輪b7通過螺釘安裝在絲杠16上，絲杠16與連接板a8通過螺釘與滑動(dòng)基座9相連，連接板blO與彎頭a、bll、15通過螺釘安裝在滑動(dòng)基座9上，滑動(dòng)基座9兩邊通過螺釘安裝在精密滑塊18上，精密滑塊18通過螺釘安裝在導(dǎo)軌17上。直流伺服電機(jī)I通電，通過渦輪a、b3、7和蝸桿a、b2、6減速增扭后驅(qū)動(dòng)絲杠16，絲杠16通過連接板a8帶動(dòng)滑動(dòng)基座9，由精密滑塊18在導(dǎo)軌17上來回滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)連接板blO、彎頭alI及彎頭bl5的運(yùn)動(dòng)，完成二點(diǎn)彎曲、四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)。
[0018]參見圖1及圖2所示，精密力傳感器14通過螺紋連接安裝在底座12上，壓頭13通過螺紋連接緊固在精密力傳感器14上，精密力傳感器14直接安裝在底座12上，與傳統(tǒng)安裝方法相比，無中間傳動(dòng)部分，不會(huì)受到絲杠間隙和剛度變形的影響，測試精度能夠得到很大的提高，充分保證了測試精度。
[0019]參見圖1及圖2所示，彎頭all與彎頭bl5的跨距可以通過滑動(dòng)彎頭調(diào)整，可以對不同尺寸的試件進(jìn)行測試。
[0020]參見圖1及圖2所示，所述的三點(diǎn)、四點(diǎn)彎曲作用下材料微觀力學(xué)性能的原位測試儀器采用立式結(jié)構(gòu)，總體尺寸小95mmX70mmX 120mm，采用自行設(shè)計(jì)的滑動(dòng)基座9，免去很多連接件等中間環(huán)節(jié)，減少摩擦，提高精度。
[0021]參見圖1及圖2所示，所述的三點(diǎn)、四點(diǎn)彎曲作用下材料微觀力學(xué)性能的原位測試儀器可以與各種電子顯微鏡真空腔體的載物平臺(tái)相互兼容，并且能夠精確的觀測到三點(diǎn)彎曲、四點(diǎn)彎曲平面的實(shí)時(shí)變形。
[0022]參見圖1至圖3所示，所述的三點(diǎn)、四點(diǎn)彎曲作用下材料微觀力學(xué)性能的原位測試儀器，采用二級渦輪、蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)減速增扭，使測試儀器運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)效率更高。
[0023]參見圖4及圖5所示，所述的三點(diǎn)、四點(diǎn)彎曲作用下材料微觀力學(xué)性能的原位測試儀器的三點(diǎn)彎曲、四點(diǎn)彎曲壓頭通過螺紋連接安裝在測試儀器上，壓頭拆卸方便，互換簡潔。
[0024]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】
1.一種三點(diǎn)、四點(diǎn)彎曲作用下材料微觀力學(xué)性能的原位測試儀器，其特征在于:直流伺服電機(jī)(1)通過電機(jī)支座(19)安裝在底座(12 )上，蝸桿3 (2 )固定在直流伺服電機(jī)(1)上，渦輪3 (3)和蝸桿6 (6)分別安裝在軸(5)上，軸(5)兩端固定在支架(4)上，渦輪6

(8)與滑動(dòng)基座(9)相連，連接板 6 (10)與彎頭1 13 (1115)分別安裝在滑動(dòng)基座(9)上，滑動(dòng)基座(9)兩邊安裝在精密滑塊(18)上，精密滑塊(18)安裝在導(dǎo)軌(17)上；直流伺服電機(jī)(1)通過渦輪(3.7)和蝸桿1 6(2,6)減速增扭后驅(qū)動(dòng)絲杠(16)，絲杠(16)通過連接板3(8)帶動(dòng)滑動(dòng)基座(9),由精密滑塊(18)在導(dǎo)軌(17)上滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)連接板6 (川)、彎頭3 (11)及彎頭6 (15)的運(yùn)動(dòng)，完成三點(diǎn)彎曲、四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三點(diǎn)、四點(diǎn)彎曲作用下材料微觀力學(xué)性能的原位測試儀器，其特征在于:所述的底座(12)上安裝有精密力傳感器(14),壓頭(13)安裝在精密力傳感器(14)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三點(diǎn)、四點(diǎn)彎曲作用下材料微觀力學(xué)性能的原位測試儀器，其特征在于:所述的彎頭3 (11)與彎頭6 (15)間的跨距可調(diào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的三點(diǎn)、四點(diǎn)彎曲作用下材料微觀力學(xué)性能的原位測試儀器，其特征在于:所述的三點(diǎn)、四點(diǎn)彎曲作用下材料微觀力學(xué)性能的原位測試儀器總體尺寸為120臟。
【文檔編號】G01N3/06GK104359769SQ201410628789
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月11日
【發(fā)明者】趙宏偉, 侯鵬亮, 付海雙, 徐修權(quán), 呼詠, 鄒青, 張富, 金明俊, 李聰, 李檸 申請人:吉林大學(xué)