基于双轴拉伸载荷下的原位压痕力学测试装置的制作方法

本实用新型属于力学精密测试仪器技术领域，具体涉及一种基于双轴拉伸载荷下的原位压痕力学测试装置。

背景技术：

原位纳米力学测试技术是指对材料在纳米尺度下进行力学性能测试，并利用电子显微镜、原子力显微镜、光学显微镜等成像仪器针对材料发生载荷作用下发生的响应微观变形、损伤直至失效破坏现象进行全程动态监测的一种力学测试技术。在原位纳米力学性能测试领域内，硬度、弹性模量、屈服强度、抗拉强度、疲劳强度等参数是材料力学特性测试中的最主要的几个材料性能表征参数，出现了许多测试手段与方法，如拉伸/压缩法、三点弯曲法、纳米压痕法等。

目前，针对原位纳米力学测试技术相关仪器的研制尚不成熟；现有的原位纳米力学试验装置载荷单一，无法对材料在复合载荷作用下进行相关力学性能测试，从而不能模拟工件在真实服役状态下的实际状况。另外，现有的技术中，存在基于拉压、疲劳复合载荷模式下的原位压痕力学测试装置以及拉伸-剪切预载荷原位压痕测试装置，尚未见有基于双轴拉伸下的原位压痕力学测试装置。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提出一种基于双轴拉伸载荷下的原位压痕力学测试装置，解决现有技术存在的载荷单一、无法实现双轴拉伸下的原位压痕测试的问题。

为实现上述目的，本实用新型的基于双轴拉伸载荷下的原位压痕力学测试装置包括：

基座；

设置在基座上的两组结构相同的拉伸单元，两组拉伸单元分别沿X轴方向和Y轴方向设置，两组拉伸单元的夹持机构夹紧被测试的十字试件的四个端部，对试件进行X轴和Y轴方向的双向拉伸；

设置在基座上的压痕加载单元，所述压痕加载单元包括压痕台、金刚石压头、压力传感器、压痕滑块、压痕导轨副、丝杠螺母副、Z向压痕位移传感器、动力传动单元、压痕驱动电机、电机座和压痕支座；所述压痕驱动电机通过电机座固定在所述压痕支座上，所述压痕支座固定在基座上，所述压痕驱动电机输出轴和所述动力传动单元输入端连接，所述动力传动单元输出端通过丝杠螺母副带动所述压痕滑块上下运动，所述压痕滑块和固定在所述压痕支座上的压痕导轨副滑动配合，所述压痕滑块下端面和压力传感器连接，压力传感器的另一端和所述金刚石压头固定连接，所述压痕台固定在所述基座上，所述压痕台和所述金刚石压头相对应，所述Z向压痕位移传感器安装在所述压痕滑块的侧壁上；

分别和每组拉伸单元连接的位移检测单元，检测每组拉伸单元拉伸的位移；

以及控制系统，所述控制系统控制所述拉伸单元和压痕加载单元运动。

所述拉伸单元包括设置在基座下表面的传递机构和设置在基座上表面的夹持机构；

所述传递机构包括拉伸驱动单元、双向丝杠、丝杠固定座、螺母、螺母座、拉伸滑块和拉伸导轨副；所述拉伸驱动单元和所述双向丝杠的一端连接，驱动所述双向丝杠转动，所述双向丝杠的两端通过所述丝杠固定座和所述基座连接，所述双向丝杠的两端分别和一个螺母形成丝杠螺母副，每个螺母通过一个螺母座和一个拉伸滑块固定连接，每个所述拉伸滑块和分别通过一个拉伸导轨副和基座滑动配合；

所述夹持机构连接块、夹具体、压块和拉力传感器；两个所述连接块分别和传递机构中的拉伸滑块固定连接，两个夹具体的一端分别和两个连接块相对设置的两个面固定连接，所述两个夹具体的另一端分别设置有一个定位凹槽，所述夹具体设置有定位凹槽的一端上端面和一个压块通过螺钉连接；任意一侧的连接块与夹具体之间设置有一个拉力传感器。

所述拉伸驱动单元包括拉伸蜗轮A、拉伸蜗杆A、拉伸蜗轮B、拉伸蜗杆B和拉伸驱动电机；所述拉伸驱动电机的输出轴和所述拉伸蜗杆B同轴固定连接，所述拉伸蜗杆B和拉伸蜗轮B配合，所述拉伸蜗轮B和所述拉伸蜗杆A同轴固 定连接，所述拉伸蜗杆A和所述拉伸蜗轮A配合，所述拉伸蜗轮A和所述双向丝杠的一端固定连接。

所述压痕加载单元中的动力传动单元包括压痕蜗轮A、压痕蜗杆A、蜗轮蜗杆座、压痕蜗轮B和压痕蜗杆B；所述压痕驱动电机的输出轴和所述压痕蜗杆B同轴连接，所述压痕蜗杆B和所述压痕蜗轮B配合，所述压痕蜗轮B和所述压痕蜗杆A同轴连接，所述压痕蜗杆A和所述压痕蜗轮A配合，所述压痕蜗轮A和所述丝杠螺母副中的丝杠同轴固定连接。

所述位移检测单元包括位移挡块、拉伸位移传感器和固定座，所述拉伸位移传感器通过固定座固定在所述基座上，所述位移挡块一端和拉伸单元的一个端部固定连接，另一端和所述拉伸位移传感器接触。

所述拉伸位移传感器和对应的拉伸单元轴线平行。

本实用新型的有益效果为：本实用新型的基于双轴拉伸载荷下的原位压痕力学测试装置通过两组沿X轴和Y轴方向设置的拉伸单元对试件进行双轴拉伸，进而实现真实状态下的拉伸模拟，在双轴拉伸状态下对试件进行原位压痕力学测试，拉伸驱动单元和压痕过程中的动力传动单元均采用二级蜗轮蜗杆传动，实现准静态加载；拉伸单元利用双向丝杠的等力反向的传递特点，使试件中心基本保持不变，结合高分辨率的成像系统可进行材料的原位力学性能观测。压痕加载单元布置于试件正上方，竖直压入试件，由压痕驱动电机带动丝杆螺母副产生直线进给，传动环节中的二级蜗轮蜗杆减速器可实现精密压入驱动，可进行跨尺度原位压痕力学测试。具有结构紧凑、体积小、响应迅速、精度高、成本低等优点。

附图说明

图1为本实用新型的基于双轴拉伸载荷下的原位压痕力学测试装置整体结构示意图；

图2为本实用新型的基于双轴拉伸载荷下的原位压痕力学测试装置底部结构示意图；

图3为本实用新型的基于双轴拉伸载荷下的原位压痕力学测试装置中压痕加载单元结构示意图；

图4为本实用新型的基于双轴拉伸载荷下的原位压痕力学测试装置中传递机构示意图；

图5为本实用新型的基于双轴拉伸载荷下的原位压痕力学测试装置中夹持机构示意图；

其中：1、基座，2、位移挡块，3、拉伸位移传感器，4、固定座，5、拉伸导轨副，6、拉伸滑块，7、连接块，8、拉力传感器，9、夹具体，10、压块，11、Z向压痕位移传感器，12、压痕滑块，13、压痕蜗轮A，14、压痕蜗杆A，15、丝杠螺母副，16、蜗轮蜗杆座，17、压力传感器，18、压痕蜗轮B，19、压痕蜗杆B，20、电机座，21、压痕驱动电机，22、压痕导轨副，23、压痕支座，24、金刚石压头，25、压痕台，26、试件，27、拉伸蜗轮A，28、拉伸蜗杆A，29、丝杠固定座，30、拉伸蜗轮B，31、拉伸蜗杆B，32、螺母座，33、螺母，34、拉伸驱动电机，35、双向丝杠。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方式作进一步说明。

参见附图1、附图2和附图3，本实用新型的基于双轴拉伸载荷下的原位压痕力学测试装置包括：

基座1；

设置在基座1上的两组结构相同的拉伸单元，两组拉伸单元分别沿X轴方向和Y轴方向设置，两组拉伸单元的夹持机构夹紧被测试的十字试件26的四个端部，对试件26进行X轴和Y轴方向的双向拉伸；

设置在基座1上的压痕加载单元，所述压痕加载单元包括压痕台25、金刚石压头24、压力传感器17、压痕滑块12、压痕导轨副22、丝杠螺母副15、Z向压痕位移传感器11、动力传动单元、压痕驱动电机21、电机座20和压痕支座23；所述压痕驱动电机21通过电机座20固定在所述压痕支座23上，所述压痕支座23固定在基座1上，所述压痕驱动电机21输出轴和所述动力传动单元输入端连接，所述动力传动单元输出端通过丝杠螺母副15带动所述压痕滑块12上下运动，所述压痕滑块12和固定在所述压痕支座23上的压痕导轨副22滑动配合，所述压痕滑块12下端面和压力传感器17连接，压力传感器17的另一端 和所述金刚石压头24固定连接，所述压痕台25固定在所述基座1上，所述压痕台25和所述金刚石压头24相对应，所述Z向压痕位移传感器11安装在所述压痕滑块12的侧壁上；所述动力传动单元包括压痕蜗轮A13、压痕蜗杆A14、蜗轮蜗杆座16、压痕蜗轮B18和压痕蜗杆B19；所述压痕驱动电机21的输出轴和所述压痕蜗杆B19同轴连接，所述压痕蜗杆B19和所述压痕蜗轮B18配合，所述压痕蜗轮B和所述压痕蜗杆A14同轴连接，所述压痕蜗杆A14和所述压痕蜗轮A13配合，所述压痕蜗轮A13和所述丝杠螺母副15中的丝杠同轴固定连接；

分别和每组拉伸单元连接的位移检测单元，检测每组拉伸单元拉伸的位移；

以及控制系统，所述控制系统控制所述拉伸单元和压痕加载单元运动。

所述拉伸单元包括设置在基座1下表面的传递机构和设置在基座1上表面的夹持机构；

参见附图4，所述传递机构包括拉伸驱动单元、双向丝杠35、丝杠固定座29、螺母33、螺母座32、拉伸滑块6和拉伸导轨副5；所述拉伸驱动单元和所述双向丝杠35的一端连接，驱动所述双向丝杠35转动，所述双向丝杠35的两端通过所述丝杠固定座29和所述基座1连接，所述双向丝杠35的两端分别和一个螺母33形成丝杠螺母副，每个螺母33通过一个螺母座32和一个拉伸滑块6固定连接，每个所述拉伸滑块6和分别通过一个拉伸导轨副5和基座1滑动配合；

参见附图5，所述夹持机构连接块7、夹具体9、压块10和拉力传感器8；两个所述连接块7分别和传递机构中的拉伸滑块6固定连接，两个夹具体9的一端分别和两个连接块7相对设置的两个面固定连接，所述两个夹具体9的另一端分别设置有一个定位凹槽，所述夹具体9设置有定位凹槽的一端上端面和一个压块10通过螺钉连接；任意一侧的连接块7与夹具体9之间设置有一个拉力传感器8。

所述拉伸驱动单元包括拉伸蜗轮A27、拉伸蜗杆A28、拉伸蜗轮B30、拉伸蜗杆B31和拉伸驱动电机34；所述拉伸驱动电机34的输出轴和所述拉伸蜗杆B31同轴固定连接，所述拉伸蜗杆B31和拉伸蜗轮B30配合，所述拉伸蜗轮B30 和所述拉伸蜗杆A28同轴固定连接，所述拉伸蜗杆A28和所述拉伸蜗轮A27配合，所述拉伸蜗轮A27和所述双向丝杠35的一端固定连接。

所述位移检测单元包括位移挡块2、拉伸位移传感器3和固定座4，所述拉伸位移传感器3通过固定座4固定在所述基座1上，所述位移挡块2一端和拉伸单元的一个端部固定连接，另一端和所述拉伸位移传感器3接触。

所述拉伸位移传感器3和对应的拉伸单元轴线平行。