剪切—扭转复合加载模式材料微观力学性能原位测试平台的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种剪切—扭转复合加载模式材料微观力学性能原位测试平台，属于精密科学仪器领域。由精密剪切加载驱动单元、精密扭转加载驱动单元、力学和变形信号检测单元、试件夹持单元等部分组成，可分别进行纯剪切和纯扭转的单一载荷作用材料微观力学性能测试，还可以进行剪切—扭转复合加载模式的材料微观力学性能测试。优点在于：功能多样、结构紧凑轻巧，具有驱动、加载、检测和多项材料微观性能动态测试的功能，与商业化主流的扫描电子显微镜、光学显微镜（金相显微镜）、X射线衍射仪等仪器良好的兼容性，可结合这类材料性能测试表征仪器动态研究不同类型载荷作用情况下材料的微观组织结构与变形损伤机制的相关性规律。
【专利说明】剪切一扭转复合加载模式材料微观力学性能原位测试平台
【技术领域】
[0001]本实用新型属于精密科学仪器类，特别涉及一种剪切一扭转复合加载模式材料微观力学性能原位测试平台。可作为纯剪切或纯扭转的单一载荷作用材料微观力学性能测试平台独立使用，亦可实现在给定剪切应力水平下的扭转载荷作用材料微观力学性能测试或给定扭转力矩状态下的剪切载荷作用材料微观力学性能测试，即复合载荷加载模式的材料微观力学性能测试。此外，该平台可在扫描电子显微镜、光学显微镜(金相显微镜)、X射线衍射仪等仪器的原位监测下进行包括原位剪切载荷加载模式的材料微观力学性能测试、原位扭转载荷加载模式的材料微观力学性能测试、原位剪切一扭转复合加载模式的材料微观力学性能测试，从而实现对被测材料的微观力学行为和变性损伤过程进行实时观察。同时，通过对驱动单元的闭环控制，力学和变形信号检测单元对剪切加载驱动单元的剪切压力、直线位移信号的采集及力学和变形信号检测单元对扭转加载驱动单元的扭矩、角位移信号的采集，也可拟合被测材料在剪切一扭转复合作用下的应力应变历程，为复合载荷加载模式下材料的微观力学性能测试提供了方法。
【背景技术】
[0002]原位纳米力学测试是指在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、原子力显微镜或光学显微镜等仪器对载荷作用下材料发生的微观变形损伤进行全程动态监测的一种力学测试技术。该技术深入的揭示了各类材料及其制品的微观力学行为、损伤机理及其材料性能与所受载荷间的相关性规律。目前，为了测量材料及其制品的弹性模量、硬度、断裂极限、切变模量等重要参数，基于纳米力学测试，提出了多种测试方法，如拉伸/压缩法、剪切法、扭转法、弯曲法和纳米压痕法等。但是，在实际工况下，材料及其制品受到的载荷形式往往是非单一模式的，如拉伸/压缩一弯曲复合载荷模式、拉伸/压缩一扭转复合载荷模式、剪切一扭转复合模式等。相对单一模式，复合载荷模式下工作的材料及构件的受力情况、变形、破坏失效的原因也更复杂。因此，采用针对单一载荷形式的力学测试方法难以准确表达实际工况下材料及构件的受载形式，即无法对复合载荷作用下材料的力学性能做出准确评价。
[0003]因此，为了对材料及其制品在复合载荷模式作用下的力学性能及变性损伤机制做出准确评价，实现对不同单一载荷模式的解析，同时，实现对两种或多种载荷模式独立加载或依次加载，发明了多种载荷复合模式的原位测试平台，如显微镜下拉压弯复合载荷模式材料力学性能测试装置等。
[0004]本剪切一扭转复合加载模式材料微观力学性能原位测试平台，作为能够直观反映材料力学性能的有效评价手之一，可直接获取如切变模量等重要力学参数，基于剪切、扭转两种单一载荷形式的复合载荷加载模式亦在实际工况中较为普遍，且常是导致材料及其制品失效破坏的原因之一。微观尺度下对试件材料进行原位微观力学性能测试过程中，通过扫描电子显微镜等成像仪器可对载荷作用下试件发生的微观变形、损伤、失效破坏的过程进行全程动态监测。通过这种力学测试手段，可以揭示出外载荷作用下，材料变形损伤的规律，且可避免因为微构件的尺寸效应等问题带来的困扰，这将更有利于研究材料及其制品在服役状态下的真实微观力学行为与变形损伤机制。
[0005]综上所述，设计一种可用于显微镜下纯剪切载荷加载模式、纯扭转载荷加载模式以及剪切一扭转复合加载模式的材料微观力学性能原位测试的测试平台十分必要。
【发明内容】
[0006]本实用新型的目的在于设计一种剪切一扭转复合加载模式材料微观力学性能原位测试平台，可以实现纯剪切载荷加载模式、纯扭转载荷加载模式、以及基于以上两种载荷模式的剪切一扭转复合加载模式的材料微观力学性能原位测试，其中复合载荷加载模式下，试件的受力状况更接近实际工况下材料的复杂受力情况。本测试平台结构小、质量轻，可借助扫描电子显微镜、光学显微镜(金相显微镜)、X射线衍射仪等成像系统，对上述测试过程进行实时观察，如对材料的裂纹萌生、裂纹扩展和材料的失效断裂过程进行原位监测，进而对材料在单一载荷模式及复合载荷模式加载作用下的微观力学行为、变形损伤机制进行深入研究。同时，通过对驱动单元的闭环控制及载荷/位移信号的采集，亦可拟合材料在复合载荷加载模式作用下的应力应变历程，为复合载荷加载模式的材料微观力学性能原位测试提供了方法。
[0007]本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现:
[0008]剪切一扭转复合加载模式材料微观力学性能原位测试平台，包括精密剪切加载驱动单元、精密扭转加载驱动单元、力学和变形信号检测单元、试件夹持单元等，精密剪切加载驱动单元和精密扭转加载驱动单元通过螺栓固定在测试平台基座I上，保证精密剪切加载驱动单元终端输出的直线移动方向与精密扭转加载驱动单元终端输出的旋转运动的轴线相垂直；试件夹持单元配合精密扭转加载驱动单元实现对试件的固定、夹紧和施加扭矩，力学和变形信号检测单元的各个元器件分布在精密剪切加载驱动单元、精密扭转加载驱动单元中，以实现各自的功能。其中，精密剪切加载驱动单元、精密扭转加载驱动单元的运动时序可控，且分别独立驱动；即测试平台可分别进行纯剪切和纯扭转的单一载荷作用材料微观力学性能测试，特别是可以进行剪切一扭转复合加载模式的材料微观力学性能测试。
[0009]所述精密剪切加载驱动单元是:安装了编码器I 14的直流伺服电机I 15与由减速器16、同步带18、同步带轮I 20、及精密双向滚珠丝杠7所构成的传动单元I相连，直流伺服电机I 15以脉冲/换向方式输出精密角位移及可控扭矩，通过与直流伺服电机I 15相连接的减速器I 16、同步带18、同步带轮I 20及精密双向滚珠丝杠7等组成的传动单元I将直流伺服电机I 15提供的旋转运动转换成直线运动，直流伺服电机I 15通过法兰架I 17与测试平台基座I相连；精密双向滚珠丝杠7通过丝杠固定基座1、II 3、21与测试平台基座I相连；
[0010]所述精密扭转加载驱动单元是:安装了编码器II 35的直流伺服电机II 34与由减速器II 33、蜗轮30、蜗杆31构成的传动单元II相连接，直流伺服电机II 34以脉冲/换向方式输出精密角位移及可控扭矩，通过与直流伺服电机34相连接的减速器II 33、蜗杆31、蜗轮30等组成的传动单元II将直流伺服电机II 34提供的旋转运动传递给夹具体II 27，直流伺服电机II 34通过法兰架II 32与测试平台基座I相连，所述蜗杆31与减速器II 33螺钉连接，涡轮30与夹具体II 27螺钉连接，夹具体II 27通过轴承I 29、支承座I 28与测试平台基座I相连。
[0011]所述力学和变形信号检测单元由压力传感器1、II 2、23和扭矩传感器11组成的力学信号检测单元，由光栅角位移传感器25、直线位移传感器44组成的位移信号检测单元，及编码器1、11 14、35组成，分别用以检测复合载荷测试中被测试件受到的载荷——剪切力、扭矩，以及试件产生的变形量——剪切深度和扭转角度；所述压力传感器II 23的一端与压力传感器基座I 24连接，另一端与压头II 22连接；压力传感器I 2的一端与压力传感器基座II 36连接，另一端与压头I 6连接；扭矩传感器11的一端与扭矩传感器基座12连接，另一端与试件夹持单元的夹具体I 10连接；直线位移传感器44的两端分别连接到滑动导轨I 5上的丝杠螺母支架1、II 4、19上；光栅角位移传感器25直接与试件8相连；所述编码器I 14与直流伺服电机I 15的转子同轴连接，编码器II 35与直流伺服电机II 34的转子同轴连接。采用光栅角位移传感器(25)测量的角位移值来换算得到试件有效长度内的旋转角度。
[0012]所述压力传感器1、II 2、23及编码器I 14可分别通过载荷模拟信号及编码器标定变形数字信号为直流伺服电机I 15提供精密脉冲/方向闭环控制模式的反馈源；扭矩传感器11及编码器II 35可分别通过载荷模拟信号及编码器标定变形数字信号为直流伺服电机II 34提供精密脉冲/方向闭环控制模式的反馈源。
[0013]所述的夹持单元由夹具体II 27、支承座II 50、支承座III 52和夹具体I 10组成，其中支承座II 50与测试平台基座I通过内六角螺栓刚性连接，支承座III 52通过内六角螺栓与滑动基座55连接；夹具体1、II 10,27与试件8之间通过螺钉定位、夹紧及传递扭矩。夹具体I 10通过螺栓与扭矩传感器11相连，通过两对螺钉对试件8进行固定、夹紧，该夹具体仅能沿试件轴向方向移动，无法进行转动，通过支承座III 52固定在滑动基座55上；夹具体II 27也是通过两对螺钉对试件8进行固定、夹紧的，并通过其转动对试件施加扭矩，通过轴承I 29、轴承座I 28与测试平台基座I相连。滑动导轨II 13为滑动基座55提供支撑与导向的作用，保证在进行扭转测试的过程中，滑动基座55带动包括扭矩传感器基座12和夹具体I 10等沿试件轴向自动进行调整，以适应测试过程中，试件在该方向尺寸的变化。
[0014]所述的减速器I 16及精密滚珠丝杠7通过键分别与同步带轮1、II 48、20连接。
[0015]所述的精密剪切加载驱动单元的旋转调节旋钮1、II 9、26分别与压力传感器基座I1、I 36、24连接，所述压力传感器基座I1、I 36、24分别与导轨V、IV 58、46滑动连接，精密剪切加载驱动单元通过旋转调节旋钮1、11 9、26，可使压力传感器基座I1、I 36、24分别沿着导轨V、IV58、46移动，从而对连接在压力传感器基座I1、I 36、24上的两个剪切压头1、II 6、22的剪切位置进行调整。
[0016]所述的精密双向滚珠丝杠7设有两段导程相同、旋向相反的小导程滚道，以确保在剪切测试过程中，与丝杠螺母连接的丝杠螺母基座1、II 4、19分别带动剪切压头1、II 6、22以相同的速度相向运动。同时，导轨滑块I 42等通过燕尾槽型机构紧贴于精密导轨轨道上，并分别与滚珠丝杠螺母基座1、II 4、19刚性相连，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。
[0017]本实用新型所述的测试平台主体尺寸为235mmX185.5mmX82.5mm，可安装于扫描
电子显微镜、光学显微镜(金相显微镜)、X射线衍射仪等仪器上，即与主流高分辨率显微成像组件均具有良好的结构兼容性。[0018]本实用新型的有益效果在于:与现有技术相比，本实用新型可同时实现剪切、扭转两种载荷加载模式独立加载或依次加载，不但可以实现对剪切和扭转单一载荷加载模式的解析，还能够就材料及其制品在剪切一扭转复合加载模式作用下的微观力学性能及变性损伤机制做出准确评价。测试材料范围广，测试内容丰富，包括金属材料、陶瓷、非晶合金以及骨骼等生物材料均在可测范围之内。同时本测试平台结构小、质量轻，能够借助如扫面电子显微镜、光学显微镜(金相显微镜)、X射线衍射仪等成像仪器，对被测材料的微观组织结构、微观力学行为和变性损伤过程进行实时观察，实现原位测试。此外，载荷传感器、光栅角位移传感器和编码器等测量、控制元器件的结合，可以实现对该原位测试平台的精确闭环控制。综上所述，本实用新型不但具有良好的应用、开发前景，而且对原位测试技术及装置的发展有着重要意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本实用新型的整体外观结构示意图；
[0020]图2为本实用新型的精密剪切加载驱动单元结构示意图；
[0021]图3为本实用新型的精密扭转加载驱动单元结构示意图；
[0022]图4为本实用新型的精密剪切加载驱动单元的向视图；
[0023]图5为本实用新型的试件夹持单元夹持试件时的结构示意图。
[0024]图中:1、测试平台基座；2、压力传感器I ;3、丝杠固定基座I ;4、丝杠螺母支架I ;5、滑动导轨I ;6、压头I ;7、精密双向滚珠丝杠；8、试件；9、调节旋钮I ;10、夹具体
I;11、扭矩传感器；12、扭矩传感器基座；13、滑动导轨II ;14、编码器I ;15、直流伺服电机I ;16、减速器I ;17、法兰架I ;18、同步带；19、丝杠螺母支架II ;20、同步带轮I ;21、丝杠固定基座II ;22、压头II ;23、压力传感器II ;24、压力传感器基座I ;25、光栅角位移传感器；26、调节旋钮II ;27、夹具体II ;28、支承座I ;29、轴承I ;30、蜗轮；31、蜗杆；32、法兰架II ;33、减速器II ;34、直流伺服电机II ;35、编码器II ;36、压力传感器基座II ;37、轴承
II;38、精密丝杠螺母；39、旋钮座I ;40、轴承III ;41、弹簧；42、滑块I ;43、旋钮座II ;44、直线位移传感器；45、滑动导轨111;46、滑动导轨IV;47、滑块II ;48、同步带轮II ;49、滑动导轨VI ;50、支承座II ;51、轴承V ;52、支承座III ;53、轴承VI ;54、滑块III ;55、滑动基座；56、滑块IV ;57、滑块V ;58、滑动导轨V。
【具体实施方式】
[0025]下面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】。
[0026]参见图1至图5，发明的剪切一扭转复合加载模式材料微观力学性能原位测试平台，包括精密剪切加载驱动单元、精密扭转加载驱动单元、力学和变形信号检测单元、试件夹持单元，精密剪切加载驱动单元和精密扭转加载驱动单元通过螺栓固定在测试平台基座I上，保证精密剪切加载驱动单元终端输出的直线移动方向与精密扭转加载驱动单元终端输出的旋转运动的轴线相垂直；试件夹持单元配合精密扭转加载驱动单元实现对试件的固定、夹紧和施加扭矩，力学和变形信号检测单元的各个元器件分布在精密剪切加载驱动单元、精密扭转加载驱动单元中，以实现各自的功能。其中，精密剪切加载驱动单元、精密扭转加载驱动单元的运动时序可控，且分别独立驱动；即测试平台可分别进行纯剪切和纯扭转的单一载荷作用材料微观力学性能测试，特别是可以进行剪切一扭转复合加载模式的材料微观力学性能测试。
[0027]所述精密剪切加载驱动单元是:直流伺服电机I 15安装编码器I 14后，与减速器
I16、同步带18、同步带轮I 20及精密双向滚珠丝杠7构成的传动单元相连接,直流伺服电机I 15以脉冲/换向方式输出精密角位移及可控扭矩，通过与直流伺服电机I 15相连的减速器I 16、同步带18、同步带轮I 20及精密双向滚珠丝杠7等组成的传动单元将直流伺服电机I 15提供的旋转运动转换成直线运动，直流伺服电机I 15通过法兰架I 17与测试平台基座I相连；精密滚珠丝杠7两端分别通过轴承II >11137,40,丝杠固定基座1、II 3、21与测试平台基座I相连。精密丝杠螺母38与滚珠丝杠7 —起形成滚珠丝杠螺母副，精密丝杠螺母38安装于丝杠螺母支架I 4上。
[0028]所述精密扭转加载驱动单元是:直流伺服电机II 34安装编码器II 35后，与减速器
II33、蜗杆31、蜗轮30所构成的传动单元II相连，直流伺服电机II 34以脉冲/换向方式输出精密角位移及可控扭矩，通过与直流伺服电机II 34相连接的减速器II 33、蜗杆31、蜗轮30等组成的传动单元II将直流伺服电机II 34提供的旋转运动传递给夹具体II 27，直流伺服电机II 34通过法兰架II 32与测试平台基座I相连；所述蜗杆31与减速器II 33螺钉连接，涡轮30与夹具体II 27螺钉连接，夹具体II 27通过轴承I 29、支承座I 28与测试平台基座I相连。
[0029]所述力学和变形信号检测单元包括压力传感器1、II 2、23、扭矩传感器11组成的力学信号检测单元，光栅角位移传感器25、直线位移传感器44组成的变形信号检测单元，以及编码器1、II 14、35。压力传感器1、II 2、23用以检测纯剪切载荷加载模式和剪切一扭转复合加载模式的材料微观力学性能测试中被测试件8所受的剪切应力，扭矩传感器11用以检测纯扭转载荷加载模式和剪切一扭转复合加载模式的材料微观力学性能测试中被测试件8所受的扭矩，光栅角位移传感器25用以检测纯扭转载荷加载模式和剪切一扭转复合加载模式的材料微观力学性能测试中被测试件8的扭转角度，直线位移传感器44用以检测纯剪切载荷加载模式和剪切一扭转复合加载模式的材料微观力学性能测试中剪切压头的剪切深度。同时，压力传感器1、11 2、23、直线位移传感器44和编码器14通过模拟信号与数字信号的转换，从而对直流伺服电机I 15实现精确闭环控制；扭矩传感器11、光栅角位移传感器25和编码器II 35通过模拟信号与数字信号的转换，为直流伺服电机II 34提供精密脉冲/方向闭环控制模式的反馈源；压力传感器II 23的一端与压力传感器基座I 24连接，另一端与剪切压头II 22连接；压力传感器I 2的一端与压力传感器基座II 36连接，另一端与剪切压头I 6连接；扭矩传感器11的一端与扭矩传感器基座12连接，另一端与试件夹持单元的夹具体I 10连接；直线位移传感器44的两端分别连接到滑动导轨I 5、滑动导轨III 45上与两个精密丝杠螺母对应的丝杠螺母支架1、II 4、19上；光栅角位移传感器25直接与试件8相连。所述编码器I 14与直流伺服电机I 15的转子同轴连接，编码器II 35与直流伺服电机II 34的转子同轴连接。
[0030]所述的夹持单元由夹具体II 27、支承座II 50、支承座III 52和夹具体I 10组成，其中支承座II 50与测试平台基座I通过内六角螺栓刚性连接，支承座III 52通过内六角螺栓与滑动基座55连接；夹具体1、II 10,27与试件8之间通过螺钉定位、夹紧及传递扭矩。夹具体I 10通过螺栓与扭矩传感器11相连，通过两对螺钉对试件8进行固定、夹紧，该夹具体仅能沿试件轴向方向移动，无法进行转动，通过支承座III 52固定在滑动基座55上；夹具体II 27也是通过两对螺钉对试件8进行固定、夹紧的，并通过其转动对试件施加扭矩，通过轴承1、轴承V、轴承VI 29、51、53和支承座1、II JII 28,50,52与测试平台基座I相连。滑动导轨II 13为滑动基座55提供支撑与导向的作用，保证在进行扭转测试的过程中，滑动基座55带动包括扭矩传感器基座12和夹具体I 10等沿试件轴向自动进行调整，以适应测试过程中，试件在该方向尺寸的变化。
[0031]所述的精密剪切加载驱动单元由同步带传动实现运动及动力传递,其中同步带轮
I1、I 20,48通过键分别与精密双向滚珠丝杠7和减速器I 16的输出轴相连接。
[0032]所述的精密双向滚珠丝杠7设有两段导程相同、旋向相反的小导程滚道，又由于压头1、11 6、22，压力传感器1、11 2、23，传感器基座I1、I 36、24等零件或元器件完全对称，使得在精密双向滚珠丝杠7工作时，压头1、11 6、22以相同的速率相向运动，即测试过程中剪切位置保持不变，以确保在剪切测试过程中，与丝杠螺母连接的丝杠螺母支架1、
II4、19分别带动压头1、II 6、22以相同的速度相向运动。同时，滑块I 42等通过燕尾槽型机构紧贴于精密导轨轨道上，并分别与滚珠丝杠螺母支架1、11 4、19刚性相连，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。
[0033]所述的剪切一扭转复合加载模式材料微观力学性能原位测试平台中，旋转调节旋钮1、II 9、26，可以通过固定在压力传感器基座I1、I 36、24上的旋钮座I1、I 43、39使压力传感器基座I1、I 36、24分别通过滑块乂、11 57、47沿着滑动导轨V、IV58、46水平运动，带动剪切压头22和6沿着试件轴向运动，从而调整剪切压头1、II 6、22的切入位置，压力传感器基座下各有两个同弹簧41 一样的弹簧，用来保证调整旋转调节旋钮后的压力传感器基座的稳定性。
[0034]所述的剪切一扭转复合加载模式材料微观力学性能原位测试平台中，精密扭转加载驱动单元和精密扭转加载驱动单元分别由直流伺服电机I1、I 34、15驱动，这两个单元的运动时序可控且相互独立，因此该测试平台可以分别实现纯剪切载荷加载模式、纯扭转载荷加载模式以及剪切一扭转复合加载模式的材料微观力学性能原位测试。
[0035]所述的夹具体I 10通过扭矩传感器11与扭矩传感器基座12相连，扭矩传感器基座12和支承座III 52共同连接到滑动基座55，该滑动基座通过内六角螺母与滑块II1、IV 54、56等刚性相连，在精密扭转测试的过程中，该滑动基座55通过滑动导轨I1、VI 13、49上的滑块水平移动，以适应试件轴向尺寸的变化。
[0036]所述的测试平台主体尺寸为235mmX 185.5mmX82.5mm,可安装扫描电子显微镜、光学显微镜(金相显微镜)、X射线衍射仪等仪器上，即与主流高分辨率显微成像组件均具有良好的结构兼容性，因此，可以对上述三种模式的力学性能原位测试进行在线实时观察，进而对材料在单一载荷加载模式以及复合载荷加载模式作用下的微观力学行为和变形损伤机制进行深入研究。
[0037]参见图1至图5，发明的剪切一扭转复合加载模式材料微观力学性能原位测试平台中，安装试件前，需要对夹具体1、11 10、27进行复位操作，要求复位后用于固定、夹紧的螺钉水平分布，以便于后续操作的进行。在实施测试前，需要对用于纯剪切载荷加载模式测试和剪切一扭转复合加载模式测试的压力传感器1、II 2,23,以及用于纯扭转载荷加载模式测试和剪切一扭转复合加载模式测试的扭矩传感器11进行标定测试，同时利用激光测微仪对在一定载荷作用下传感器的弹性变形值进行测试，便于对扭转载荷加载模式测试及剪切一扭转复合加载模式测试下试件的变形量进行计算。
[0038]对于剪切一扭转复合加载模式的材料微观力学性能测试，根据两种载荷的加载顺序不同，可分为如下三种模式:模式一为在剪切测试的同时，进行扭转测试；模式二为在扭转测试完成以后，再进行剪切测试，即实现在已有扭转应力状态下的剪切测试；另一个模式为在剪切测试完成以后，再进行扭转测试，即实现在已有剪切应力状态下的扭转测试。
[0039]由于需要对测试进行实时观察，因此为了为便于显微成像系统对被测试件8的观测及图像采集，需要对试件部分表面进行研磨过其他方式的表面处理，以获得较高的表面精度。也可以通过化学腐蚀等工艺得到试件的金相等显微形貌，以便对测试过程进行观察及对结果进行分析。
[0040]对于上述的三种测试模式，模式一的测试过程可以分析如下:给定编码器II 35标定速率作为被测试件8的恒应变速率，此应变速率范围为0.5um/s至50um/s，或以扭矩传感器11提供的模拟量信号作为反馈源提供的恒载荷速率，在脉冲信号的控制下直流伺服电机II 34输出精确角位移，通过减速器II 33、蜗杆31和蜗轮30的减速增扭，将电机输出的旋转运动传递到夹具体II 27上，同时，扭矩传感器11及编码器II 35对扭矩T进行检测及夹具体II 27的转速进行同步拾取。在扭转载荷加载模式测试的任意应力水平下，以脉冲方式驱动直线电机I 15输出精密直线位移，进行独立的剪切测试，直至显微成像组件观测到初始裂纹源及其萌生或失效破坏现象。同时，如前所述，通过对在一定载荷作用下传感器的弹性变形值进行的标定测试，亦可较为准确的间接计算出试件在剪切及扭转作用下的应变值。另外两个模式的测试过程与此类似。
[0041]在测试的整个过程中，被测试件的裂纹萌生、扩展及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，结合调试软件亦可实时获取表征材料力学性能的工程应力应变曲线及抗弯强度、抗拉强度等重要力学参数。
[0042]以上所述仅为本实用新型的优选实例，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有多种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种剪切一扭转复合加载模式材料微观力学性能原位测试平台，其特征在于:包括精密剪切加载驱动单元、精密扭转加载驱动单元、力学和变形信号检测单元、试件夹持单元，精密剪切加载驱动单元和精密扭转加载驱动单元通过螺栓固定在测试平台基座(1)上，保证精密剪切加载驱动单元终端输出的直线移动方向与精密扭转加载驱动单元终端输出的旋转运动的轴线相垂直；试件夹持单元配合精密扭转加载驱动单元实现对试件的固定、夹紧和施加扭矩，力学和变形信号检测单元的各个元器件分布在精密剪切加载驱动单元、精密扭转加载驱动单元中，以实现各自的功能；其中，精密剪切加载驱动单元、精密扭转加载驱动单元的运动时序可控，且分别独立驱动；即测试平台可分别进行纯剪切和纯扭转的单一载荷作用材料微观力学性能测试，可以进行剪切一扭转复合加载模式的材料微观力学性能测试。
2.根据权利要求1所述的剪切一扭转复合加载模式材料微观力学性能原位测试平台，其特征在于:所述 的精密剪切加载驱动单元是:直流伺服电机I (15)安装编码器I (14)后，与减速器I (16)、同步带(18)、同步带轮I (20)及精密双向滚珠丝杠(7)构成的传动单元I相连，直流伺服电机I (15)通过法兰架I (17)与测试平台基座(1)相连；精密双向滚珠丝杠(7)通过丝杠固定基座1、II (3、21)与测试平台基座(1)相连。
3.根据权利要求1所述的剪切一扭转复合加载模式材料微观力学性能原位测试平台，其特征在于:所述精密扭转加载驱动单元是:直流伺服电机II (34)安装编码器II (35)后，与减速器II (33)、蜗杆(31)、蜗轮(30)所构成的传动单元II相连，直流伺服电机II (34)通过法兰架II (32)与测试平台基座(1)相连，所述蜗杆(31)与减速器II (33)通过螺钉连接，涡轮(30)与夹具体II (27)通过螺钉连接，夹具体II (27)通过轴承I (29)、支承座I (28)与测试平台基座(1)相连。
4.根据权利要求1所述的剪切一扭转复合加载模式材料微观力学性能原位测试平台，其特征在于:所述力学和变形信号检测单元由压力传感器1、II (2,23)和扭矩传感器(11)组成的载荷信号检测单元，光栅角位移传感器(25)、直线位移传感器(44)组成的位移信号检测单元，编码器1、11 (14,35)组成，压力传感器II (23)的一端与压力传感器基座I (24)连接，另一端与剪切压头II (22)连接；压力传感器I (2)的一端与压力传感器基座II (36)连接，另一端与剪切压头I (6)连接；扭矩传感器(11)的一端与扭矩传感器基座(12)连接，另一端与试件夹持单元的夹具体I (10)连接；直线位移传感器(44)的两端分别连接到滑动导轨I (5)上的丝杠螺母支架1、II (4,19)上；光栅角位移传感器(25)直接与试件(8)相连；所述编码器I (14)与直流伺服电机I (15)的转子同轴连接，编码器II (35)与直流伺服电机II (34)的转子同轴连接。
5.根据权利要求1所述的剪切一扭转复合加载模式材料微观力学性能原位测试平台，其特征在于:所述试件夹持单元的夹具体I (10)通过螺栓与扭矩传感器(11)相连；夹具体II (27)通过轴承I (29)、轴承座I (28)与测试平台基座(1)相连，所述夹具体1、11 (10、27)与被测试件(8)间通过螺钉固定、夹紧和传递扭矩。
6.根据权利要求2所述的剪切一扭转复合加载模式材料微观力学性能原位测试平台，其特征在于:所述的精密剪切加载驱动单元的旋转调节旋钮1、II (9,26)分别与压力传感器基座I1、I (36、24)连接，所述压力传感器基座I1、I (36、24)分别与导轨V、IV (58、46)滑动连接，精密剪切加载驱动单元通过旋转调节旋钮1、II (9、26)，可使压力传感器基座I1、I (36、24)分别沿着导轨V、IV(58、46)移动，从而对连接在压力传感器基座I1、I (36、24)上的两个剪切压头1、II (6,22)的剪切位置进行调整；减速器I (16)及精密滚珠丝杠(7)通过键分别与同步带轮I1、I (48、20)连接；精密双向滚珠丝杠(7)设有两段旋向相反的小导程滚道。
7.根据权利要求3所述的剪切一扭转复合加载模式材料微观力学性能原位测试平台，其特征在于:所述的蜗杆(31)和减速器II (33)之间、涡轮(30)和夹具体II (27)之间均通过螺钉连接。
8.根据权利要求4所述的剪切一扭转复合加载模式材料微观力学性能原位测试平台，其特征在于:采用光栅角位移传感器(25)测量的角位移值来换算得到试件有效长度内的旋转角度。
9.根据权利要求1至9中任意一项所述的剪切一扭转复合加载模式材料微观力学性能原位测试平台，其特征在于:所述的剪切一扭转复合加载模式材料微观力学性能原位测试平台主体尺寸为235mmX 185.5mmX82.5mm。
【文档编号】G01N3/00GK203551372SQ201320641301
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年10月17日 优先权日:2013年10月17日
【发明者】赵宏伟, 高景, 刘阳, 董晓龙, 韩磊, 刘宏达, 鲁帅, 佟达, 李烁, 杨倚寒 申请人:吉林大学