专利名称：基于准静态加载的扫描电镜下原位拉伸/压缩材料力学测试平台的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及机电类，特别涉及一种基于准静态加载的扫描电镜下原位拉伸/ 压缩材料力学测试平台。本实用新型与扫描电子显微镜SEM、原子力显微镜AFM、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，对材料的微观变形、损伤和破坏过程进行在线观测，可以实现对载荷/位移信号的采集与控制，为揭示材料在纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供了测试方法。
背景技术：
弹性模量、屈服强度、抗拉强度、硬度、切变模量等参数是材料力学特性测试中的最主要的研究对象，在多种测试方法中，相对于纳米压痕法、三点弯曲法等，拉伸/压缩测试方法通过最直接表征材料力学性能的力学测试手段。扫描电镜下的原位拉伸测试技术作为原位微纳米力学测试的重要手段，是指在对试件材料进行拉伸测试过程中，通过引入光学显微镜、电子显微镜等仪器对拉伸过程中材料组织及结构发生的微观变形、损伤失效的过程进行在线观测的一种技术，这种测试技术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。目前，原位微纳米米拉伸/压缩测试手段尚有待万倍，具体表现为(1)从测试仪器上来说，主要借助商业化的拉伸仪进行的原位拉伸测试，且表现出设备费用昂贵，并只能与特定型号的成型设备兼容使用，测试方法单一，，对结构紧凑，体积小巧并能与主流成像仪器均能兼容使用的原位测试装置鲜有提及，极大制约了研究的深入与发展。(2)受各种成像仪器的腔体的空间限制，如扫描电子显微镜的腔体空间的限制，光学显微镜的焦距限制， 目前的多数都集中在以微机电系统工艺为基础，对薄膜材料以及纳米管、线等极微小结构的力学测试上，缺少对宏观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)从观测手段上看，因受限于扫描电子显微镜的真空使用条件，针对宏观试件，多局限于光学显微镜及原子力显微镜下的原位拉伸测试，光学显微镜存在着明显的放大倍率不足的问题，原子力显微镜则具有成像速度过慢的缺点，两种观测方法均难以深入研究载荷变化对材料力学行为和损伤机制的影响规律。因此，设计一种体积小巧、结构紧凑，测试精度高，能够利用电子显微镜等成像系统在线监测宏观试件在载荷作用下的微观变形和损伤过程的基于准静态加载的拉伸/压缩力学测试平台已十分必要。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种基于准静态加载的扫描电镜下原位拉伸/压缩材料力学测试平台，解决了现有技术存在的上述问题。相对于传统拉伸试验机的离位测试，本实用新型可实现高分辨率显微成像系统下针对特征尺寸厘米级以上宏观试件的原位观测，同时解决了现有的原位拉伸研究中大多针对纳米管、线及薄膜材料的局限，由于试件尺寸与力学测试和原位观测的尺度跨越很大，即可避免已有研究中因尺度效应等因素带来的问题。测试平台可实现“超低速准静态”的拉伸/压缩模式加载，载荷/位移信号的同步采集和精密闭环控制，并可实现与Hitachi TM-1000型扫描电镜及各类具有腔体及载物台结构的成像仪器兼容使用。可通过原位拉伸/压缩测试获得材料的弹性模量、屈服强度和抗拉强度等力学参数，对材料的微观变形、损伤和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。本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现基于准静态加载的扫描电镜下原位拉伸/压缩材料力学测试平台，包括精密驱动单元、精密传动单元、载荷/位移信号检测及控制单元以及夹持及连接单元；所述的精密驱动单元是精密直流伺服电机1通过电机法兰盘2与测试平台基座 14连接，并可通过脉冲/方向控制方式提供具有微小分辨率的扭矩动力输出及角位移输出；所述的精密传动单元包括弹性联轴器3、由一级蜗杆、一级蜗轮、二级蜗轮、二级蜗杆5、6、8、30构成的两级二次包络型蜗轮蜗杆副及由滚珠丝杠螺母支架I、精密双向滚珠丝杠、滚珠丝杠螺母支架II 17、23、31构成的精密双向滚珠丝杠螺母副，精密直流伺服电机 1通过弹性联轴器3与两级二次包络型蜗轮蜗杆副相连，该两级二次包络型蜗轮蜗杆副与精密双向滚珠丝杠螺母副通过二级蜗轮(8)相连接；精密传动单元可将精密直流伺服电机 1提供的输出扭矩经弹性联轴器3及两级二次包络型蜗轮蜗杆副实现大程度的减速、增矩目的，并最终通过精密双向滚珠丝杠螺母副将旋转运动转换为精密直线往复运动；所述一、 二级蜗杆5、30分别通过蜗杆轴承10及一、二级蜗杆轴承座4J6与测试平台基座14连接， 精密双向滚珠丝杠螺母副通过丝杠固定支撑座25定位，滚珠丝杠螺母支架I、II 17,31通过精密导轨滑块I、II 13、15及精密导轨轨道16导向；所述的载荷/位移信号检测及控制单元由精密拉压力传感器19、精密接触式位移传感器9及高线数光电编码器20组成，精密拉压力传感器(19)固定安装于力传感器基座 (18 )上，精密接触式位移传感器(9 )与位移传感器基座(11)套接，高线数光电编码器(20 ) 与精密直流伺服电机(1)同轴连接；载荷/位移信号检测及控制单元可提供包括变形速率、 载荷速率、编码器标定位移速率在内的三种模拟或数字量作为精密直流伺服电机1的脉冲 /方向闭环控制模式的反馈信号源，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；所述的夹持及支撑单元包括试件夹具体支撑架I、II 7、21、试件压板I、II 27、 29、试件观、丝杠固定支撑座25、位移传感器基座11、力传感器基座18以及轴承10组成，试件观通过试件压板I、II 27、四及带有滚花结构的试件夹具体支撑架I、II 7、21以压紧方
式夹持。本实用新型中，所述的精密双向滚珠丝杠23设有两段旋向相异的小导程滚道，即可确保在拉伸或压缩测试过程中，滚珠丝杠螺母支架I、II 17,31可实现同步的反向运动， 从而保证试件观的几何中心位置始终处于成像区域的最中央，便于观测及图像记录。所述的精密接触式位移传感器9的基体部分安装于与试件夹具体支撑架I 7刚性连接的位移传感器基座11内，并通过螺纹紧固，前端探头部分与试件夹具体支撑架II 21的 L形连接板弹性接触，即精密接触式位移传感器9实际检测到的变形为试件夹具体支撑架 KII 7、11之间的相对变形；精密拉压力传感器19两端设有轴颈为M5的外螺纹，分别与力传感器基座18和试件夹具体支撑架II 21刚性连接，该精密接触式位移传感器9及精密拉压力传感器19均与试件观共面安装，且受载方向与试件观受拉伸/压缩方向相同。所述的精密导轨滑块I、II 13、15分别与滚珠丝杠螺母支架I、II 17,31刚性连接， 并且通过燕尾槽型机构紧贴于精密导轨轨道16，对精密双向滚珠丝杠螺母副所输出的往复运动起到精密导向作用。所述的试件夹具体支撑架I、II 7、21及试件压板I、II 27,29与试件观的接触面均采用线切割方式加工为滚花状结构，可提高试件夹持的可靠性，具体的方法是在两个侧面分别加工成锯齿状结构。所述的试件夹具体支撑架II 21与力传感器基座18均设有半圆形的凹槽，并在凹槽中内嵌钢球22，通过钢球22减小其接触过程中的传动摩擦。本实用新型所述的测试平台主体尺寸约为105mmX 34mmX 88mm，与Hitachi TM-1000型扫描电子显微镜具有良好的结构兼容性、真空兼容性及电磁兼容性，亦可与其他主流商业化扫描电子显微镜、X射线衍射仪、原子力显微镜及光学显微镜等兼容使用。测试平台可安装于Hitachi TM-1000扫描电子显微镜真空腔体的载物台上，可在其呈现系统的的原位监测下进行基于准静态加载的拉伸/压缩模式的材料力学性能测试， 即可对材料的微观变形、损伤和破坏过程进行在线观测，可以实现对载荷/位移信号的采集与控制，可测试材料在纳米尺度下的力学特性和损伤机制。本实用新型的有益效果在于与现有技术相比，本实用新型体积小巧，结构紧凑， 测试精度高，可提供的测试内容丰富、变形/位移/载荷速率可控，可安装于各种主流电子显微镜真空腔体的载物平台上，亦可与原子力显微镜、拉曼光谱仪、X射线衍射仪、光学显微镜等成像设备兼容使用，应用范围广泛。可以对各种特征尺寸厘米级以上的三维试件进行跨尺度原位力学测试，并可实现连续、间歇等多种加载方式，对材料及其制品在载荷在下的微观变形进行动态观测，以揭示材料在纳米尺度下的力学行为和损伤机制。并通过载荷/ 位移信号的同步检测，结合相关算法，亦可自动拟合生成载荷作用下的应力应变曲线。综上所述，本实用新型对丰富原位微纳米力学测试内容和促进材料力学性能测试技术及装备具有重要的理论意义和良好的应用开发前途。
图1为本实用新型的整体外观结构示意图；图2为本实用新型的右视示意图；图3为本实用新型的主视示意图；图4为本实用新型的左视示意图；图5为本实用新型的俯视示意图；图6、图7、图8为本实用新型的夹具体的结构示意图。图中1、精密直流伺服电机；2、电机法兰盘；3、弹性联轴器；4、一级蜗杆轴承座；5、一级蜗杆；6、一级蜗轮；7、试件夹具体支撑架I ； 8、二级蜗轮；9、精密接触式位移传感器；10、蜗杆轴承；11、位移传感器基座；12、二级蜗杆轴承座基座；13、 精密导轨滑块I; 14、测试平台基座；15、精密导轨滑块II; 16、精密导轨轨道；17、 滚珠丝杠螺母支架I ； 18、力传感器基座；19、精密拉压力传感器；20、高线数光电编码器；21、试件夹具体支撑架II ； 22、钢球；23、精密双向滚珠丝杠；24、位移传感器紧固螺钉；25、丝杠固定支撑座；26、二级蜗杆轴承座；27、试件压板I; 28、试件；29、试件压板 II; 30、二级蜗杆；31、滚珠丝杠螺母支架II。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其具体实施方式
。参见图1至图8，本实用新型的基于准静态加载的扫描电镜下原位拉伸/压缩材料力学测试平台，包括精密驱动单元、精密传动单元、载荷/位移信号检测及控制单元以及夹持及连接单元；所述的精密驱动单元是精密直流伺服电机1通过电机法兰盘2与测试平台基座 14连接，并可通过脉冲/方向控制方式提供具有微小分辨率的扭矩动力输出及角位移输出；所述的精密传动单元包括弹性联轴器3、由一级蜗杆、一级蜗轮、二级蜗轮、二级蜗杆5、6、8、30构成的两级二次包络型蜗轮蜗杆副及由滚珠丝杠螺母支架I、精密双向滚珠丝杠、滚珠丝杠螺母支架II 17、23、31构成的精密双向滚珠丝杠螺母副，精密直流伺服电机 1通过弹性联轴器3与两级二次包络型蜗轮蜗杆副相连，该两级二次包络型蜗轮蜗杆副与精密双向滚珠丝杠螺母副通过二级蜗轮(8)相连接；精密传动单元可将精密直流伺服电机 1提供的输出扭矩经弹性联轴器3及两级二次包络型蜗轮蜗杆副实现大程度的减速、增矩目的，并最终通过精密双向滚珠丝杠螺母副将旋转运动转换为精密直线往复运动；所述一、 二级蜗杆5、30分别通过蜗杆轴承10及一、二级蜗杆轴承座4、26与测试平台基座14连接， 精密双向滚珠丝杠螺母副通过丝杠固定支撑座25定位，滚珠丝杠螺母支架I、II 17,31通过精密导轨滑块I、II 13、15及精密导轨轨道16导向；所述的载荷/位移信号检测及控制单元由精密拉压力传感器19、精密接触式位移传感器9及高线数光电编码器20组成，精密拉压力传感器(19)固定安装于力传感器基座 (18 )上，精密接触式位移传感器(9 )与位移传感器基座(11)套接，高线数光电编码器(20 ) 与精密直流伺服电机(1)同轴连接；载荷/位移信号检测及控制单元可提供包括变形速率、 载荷速率、编码器标定位移速率在内的三种模拟或数字量作为精密直流伺服电机1的脉冲 /方向闭环控制模式的反馈信号源，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；所述的夹持及支撑单元包括试件夹具体支撑架I、II 7、21、试件压板I、II 27、 29、试件观、丝杠固定支撑座25、位移传感器基座11、力传感器基座18以及轴承10组成，试件观通过试件压板I、II 27、四及带有滚花结构的试件夹具体支撑架I、II 7、21以压紧方
式夹持。本实用新型中，所述的精密双向滚珠丝杠23设有两段旋向相异的小导程滚道，即可确保在拉伸或压缩测试过程中，滚珠丝杠螺母支架I、II 17,31可实现同步的反向运动， 从而保证试件观的几何中心位置始终处于成像区域的最中央，便于观测及图像记录。所述的精密接触式位移传感器9的基体部分安装于与试件夹具体支撑架I 7刚性连接的位移传感器基座11内，并通过螺纹紧固，前端探头部分与试件夹具体支撑架II 21的 L形连接板弹性接触并通过位移传感器紧固螺钉M预紧，即精密接触式位移传感器9实际检测到的变形为试件夹具体支撑架I、11 7、11之间的相对变形；精密拉压力传感器19两端设有轴颈为M5的外螺纹，分别与力传感器基座18和试件夹具体支撑架II 21刚性连接，该精密接触式位移传感器9及精密拉压力传感器19均与试件观共面安装，且受载方向与试件观受拉伸/压缩方向相同。所述的精密导轨滑块I、II 13、15分别与滚珠丝杠螺母支架I、II 17,31刚性连接， 并且通过燕尾槽型机构紧贴于精密导轨轨道16，对精密双向滚珠丝杠螺母副所输出的往复运动起到精密导向作用。如附图6至图8所示，所述的试件夹具体支撑架I、II 7、21及试件压板I、II 27、 29与试件观的接触面均采用线切割方式加工为滚花状结构，可提高试件夹持的可靠性，具体的方法是在两个侧面分别加工成锯齿状结构。如附图3所示，所述的试件夹具体支撑架II 21与力传感器基座18均设有半圆形的凹槽，并在凹槽中内嵌钢球22，通过钢球22减小其接触过程中的传动摩擦。本实用新型所述的测试平台主体尺寸约为105mmX 34mmX 88mm，与Hitachi TM-1000型扫描电子显微镜具有良好的结构兼容性、真空兼容性及电磁兼容性，亦可与其他主流商业化扫描电子显微镜、X射线衍射仪、原子力显微镜及光学显微镜等兼容使用。测试平台可安装于Hitachi TM-1000扫描电子显微镜真空腔体的载物台上，可在其呈现系统的的原位监测下进行基于准静态加载的拉伸/压缩模式的材料力学性能测试， 即可对材料的微观变形、损伤和破坏过程进行在线观测，可以实现对载荷/位移信号的采集与控制，可测试材料在纳米尺度下的力学特性和损伤机制。参见图1至图8，本实用新型所涉及的基于准静态加载的扫描电镜下原位拉伸/压缩材料力学测试平台，是根据Hitachi TM-1000型扫描电镜的真空腔体尺寸和成像条件所设计的，该装置主体部分的整体尺寸为105mmX88mmX34mm，同时可安装于各种主流扫描电子显微镜和其他显微成像系统的腔体内或载物台上，实现与主流成像仪器的兼容使用。其中涉及到的元器件和具体型号为精密接触式位移传感器9型号可为WYM-I型、精密拉压力传感器19型号可为TEST-304型，用以同步检测拉伸/压缩过程中的位移/载荷信号， 可针对精密直流伺服电机1的脉冲/方向控制模式提供包括变形速率控制、力速率控制、 位移速率控制在内的三种数字/模拟反馈信号源。精密直流伺服电机1的型号可为Maxon RE-MAX22 25W型，被测试件观长度范围为416mm，最小宽度为1mm，高线数光电编码器20 的型号可为HEDL9140-1000，结合Accelnet型伺位置控制单元对精密直流伺服电机1进行精确的角位移控制，从而保证测试过程中试件28的应变速率可调并输出给定扭矩值。本实用新型在具体的测试过程中，首先，被测试件观在进行拉伸/压缩测试前，需采用线切割加工方法试制处带有应力薄弱区域或预知缺口的标准试件，并通过单面抛光处理得到可用于高分辨率显微成像监测的较好表面光洁度，或通过化学腐蚀等工艺得到金相等显微形貌，然后将试件观装夹在用于试件夹具体支撑架I、II 7、21和试件压板I、II 27、 29之间，试件观夹持部分的宽度与试件压板I、II 7、21上螺纹孔内切线的间距相同，进一步，通过调整夹具的位置及利用水平仪和千分表的检测来保证试件观测试过程中的共面性和准确位置。精密接触式位移传感器9的基体部分安装于与试件夹具体支撑架I 7刚性连接的位移传感器基座11内，并通过螺纹紧固，前端探头部分与试件夹具体支撑架II 21的 L形连接板弹性接触，即精密接触式位移传感器9所实际检测到的变形为试件夹具体支撑架I、II 7、21之间的相对变形。精密拉压力传感器19两端为轴颈为M5的外螺纹，分别与力传感器基座18和试件夹具体支撑架II 21刚性连接，两种传感器均于试件观共面安装，且受载方向与试件观受拉伸/压缩方向相同。然后，关闭扫描电子显微镜真空腔密闭挡板并通过扫描电镜自身的载物平台在XOY平面内拟定测试点的准确位置。然后，给定拉伸/压缩测试的变形或载荷控制方式，以脉冲输出的方式驱动精密直流伺服电机1开始测试过程， 即通过测试算法程序设定测试条件和参数，在时序脉冲控制信号作用下精密直流伺服电机 1输出精确角位移，通过两级二次包络型蜗轮蜗杆副的减速、增距及精密双向滚珠丝杠螺母副的运动转换最终实现对试件观的超低速准静态加载，测试过程中精密拉压力传感器19 对拉伸压缩轴向的载荷F进行检测；同时试件的变形量h由精密接触式位移传感器9同步拾取，两路信号通过模数转换并进行必要的信号调理后送入计算机。在测试的整个过程中， 被测试件观在载荷作用下材料的变形损伤情况由高放大倍率的扫描电子显微镜成像系统进行动态监测，并可同时记录图像，结合上位机调试软件亦可实时获取表征材料力学性能的应力-应变曲线、弹性模量、屈服强度及抗拉强度等重要力学参数。
权利要求1.一种基于准静态加载的扫描电镜下原位拉伸/压缩材料力学测试平台，其特征在于包括精密驱动单元、精密传动单元、载荷/位移信号检测及控制单元以及夹持及连接单元；所述的精密驱动单元是精密直流伺服电机(1)通过电机法兰盘(2)与测试平台基座 (14)连接；所述的精密传动单元包括弹性联轴器(3)、由一级蜗杆、一级蜗轮、二级蜗轮、二级蜗杆 (5、6、8、30)构成的两级二次包络型蜗轮蜗杆副及由滚珠丝杠螺母支架I、精密双向滚珠丝杠、滚珠丝杠螺母支架II (17、23、31)构成的精密双向滚珠丝杠螺母副，精密直流伺服电机 (1)通过弹性联轴器(3 )与两级二次包络型蜗轮蜗杆副相连，该两级二次包络型蜗轮蜗杆副与精密双向滚珠丝杠螺母副通过二级蜗轮(8)相连接；一、二级蜗杆(5、30)分别通过蜗杆轴承(10)及一、二级蜗杆轴承座(4、26)与测试平台基座(14)连接，精密双向滚珠丝杠螺母副通过丝杠固定支撑座(25)定位，滚珠丝杠螺母支架I、II (17、31)通过精密导轨滑块I、 II (13、15)及精密导轨轨道(16)导向；所述的载荷/位移信号检测及控制单元由精密拉压力传感器(19)、精密接触式位移传感器(9)及高线数光电编码器(20)组成，精密拉压力传感器(19)固定安装于力传感器基座 (18 )上，精密接触式位移传感器(9 )与位移传感器基座(11)套接，高线数光电编码器(20 ) 与精密直流伺服电机(1)同轴连接；所述的夹持及支撑单元包括试件夹具体支撑架I、II (7、21)、试件压板I、II (27、 四)、试件(28)、丝杠固定支撑座(25)、位移传感器基座(11)、力传感器基座(18)以及轴承 (10)组成，试件(28)通过试件压板I、II (27、29)及带有滚花结构的试件夹具体支撑架I、 IK7.21)以压紧方式夹持。
2.根据权利要求1所述的基于准静态加载的扫描电镜下原位拉伸/压缩材料力学测试平台，其特征在于所述的精密双向滚珠丝杠(23)设有两段旋向相异的小导程滚道，在测试过程中试件(28)的几何中心位置始终处于成像区域的最中央。
3.根据权利要求1所述的基于准静态加载的扫描电镜下原位拉伸/压缩材料力学测试平台，其特征在于所述的精密接触式位移传感器(9)的基体部分安装于与试件夹具体支撑架I (7)刚性连接的位移传感器基座(11)内，并通过螺纹紧固，前端探头部分与试件夹具体支撑架II (21)的L形连接板弹性接触，精密拉压力传感器(19)两端分别设有外螺纹， 分别与力传感器基座(18)和试件夹具体支撑架II (21)刚性连接，该精密接触式位移传感器(9)及精密拉压力传感器(19)均与试件(28)共面安装，且受载方向与试件(28)受拉伸 /压缩方向相同。
4.根据权利要求1所述的基于准静态加载的扫描电镜下原位拉伸/压缩材料力学测试平台，其特征在于所述的精密导轨滑块I、II (13、15)分别与滚珠丝杠螺母支架I、II (17、 31)刚性连接，并且通过燕尾槽型机构紧贴于精密导轨轨道(16)。
5.根据权利要求1所述的基于准静态加载的扫描电镜下原位拉伸/压缩材料力学测试平台，其特征在于所述的试件夹具体支撑架I、II (7、21)及试件压板I、II (27,29)与试件(28)的接触面均为滚花状结构。
6.根据权利要求1所述的基于准静态加载的扫描电镜下原位拉伸/压缩材料力学测试平台，其特征在于所述的试件夹具体支撑架II (21)与力传感器基座(18)均设有半圆形的凹槽，并在凹槽中内嵌钢球(22)。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的基于准静态加载的扫描电镜下原位拉伸/压缩材料力学测试平台，其特征在于所述的测试平台主体尺寸为105mmX34mmX88mm，可安装于Hitachi TM-1000型扫描电子显微镜等仪器的腔体内。
专利摘要本实用新型涉及一种基于准静态加载的扫描电镜下原位拉伸/压缩材料力学测试平台，属于机电类。测试平台可实现“超低速准静态”的拉伸/压缩模式加载，及载荷/位移信号的同步采集和精密闭环控制，并可实现与HitachiTM-1000型扫描电子显微镜及各类具有腔体及载物台结构的成像仪器兼容使用。本实用新型由精密驱动单元、精密传动单元、载荷/位移信号检测及控制单元以及夹持及连接单元组成。本实用新型体积小巧，结构紧凑，应变速率可控，与各类主流扫描电子显微镜、原子力显微镜、拉曼光谱仪、X射线衍射仪以及光学显微镜等成像仪器具有良好的结构兼容性、真空兼容性及电磁兼容性。
文档编号G01N3/06GK202256050SQ20112038303
公开日2012年5月30日 申请日期2011年10月11日 优先权日2011年10月11日
发明者万顺光, 李秦超, 王开厅, 胡晓利, 赵宏伟, 马志超, 黄虎 申请人:吉林大学