拉伸疲劳‑四点弯曲疲劳原位力学测试装置的制作方法

本实用新型涉及机电一体化精密科学仪器领域,特别涉及一种基于拉伸疲劳-四点弯曲疲劳原位力学测试装置。

背景技术：

金属疲劳是材料科学的一个重要组成部分，已日益显示出它在提高产品质量和工程应用中的重要作用。受商业化试验机限制实验周期较长、耗费较大，且材料试件疲劳断裂微观结构都是在疲劳实验结束后采用扫描显微镜等成像设备进行研究分析的，不能实现材料试件受多种载荷应力作用下材料微观形貌实时观测，对材料疲劳力学性能研究有一定的局限性。

疲劳试验机按测试试样的加载方式可分为：拉－压疲劳试验机、弯曲疲劳试验机、扭转疲劳试验机、复合应力疲劳试验机等。实际工程中的板、壳结构部件所承受的大多是多种载荷同时作用，如拉伸一弯曲复合载荷模式、弯曲一疲劳复合载荷模式、拉伸一扭转复合载荷模式等,因此,解析复合载荷模式作用下的材料的力学性能及其变性损伤机制对材料学的发展具有不可忽视的现实意义。同时四点弯曲疲劳试验是用于测量材料弯曲疲劳性能的一种试验方法。

因此设计开发一种集拉伸/压缩、四点弯曲、拉伸疲劳、四点弯曲疲劳多种载荷加载模式于一体的跨尺度原位材料力学测试平台,对实时原位监测材料的微观力学行为和变性损伤机制具有十分重要的意义。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种拉伸疲劳-四点弯曲疲劳原位力学测试装置,解决了现有技术存在的上述问题。可集成拉伸测试、四点弯曲测试、疲劳测试及基于上述两种单一载荷形式的复合载荷测试，即可给定拉伸应力下的四点弯曲测试、给定四点弯曲应力下的拉伸测试、给定拉伸应力下的四点弯曲疲劳测试或给定四点弯曲应力状态下的拉伸疲劳测试,还可以同时进行拉伸疲劳、四点弯曲疲劳复合加载测试。此外本实用新型测试装置结构小巧，可在多种显微镜下开展上述测试，对材料的微观变形、损伤和断裂过程进行原位监测。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

一种拉伸疲劳-四点弯曲疲劳原位力学测试装置，包括四点弯曲预载荷加载单元、四点弯曲疲劳加载单元、拉伸预载荷加载单元、拉伸疲劳加载单元以及上位机；

所述的四点弯曲预载荷加载单元包括：直流伺服电机Ⅰ、电机法兰盘Ⅰ、单向滚珠丝杠Ⅱ以及位移传感器Ⅱ，其中，直流伺服电机Ⅰ通过电机法兰盘Ⅰ与测试平台基座相连，直流伺服电机Ⅰ的输出轴依次经由第一减速增扭单元实现减速、增扭后与单向滚珠丝杠Ⅱ的丝杠转动副连接，单向滚珠丝杠Ⅱ上的螺母移动副上固定连接弯曲模块支撑座,测试平台基座上设有用于测量弯曲模块支撑座位移量的位移传感器Ⅱ，弯曲模块支撑座上刚性固定所述四点弯曲疲劳加载单元；

所述四点弯曲疲劳加载单元包括：压电叠堆I、柔性铰链Ⅰ、力传感器Ⅰ和四点弯曲压头；其中，压电叠堆I安装于柔性铰链Ⅰ的凹槽内,通过预紧螺钉进行预紧，四点弯曲压头经由力传感器Ⅰ安装于柔性铰链Ⅰ的输出端处，柔性铰链Ⅰ刚性固定在弯曲模块支撑座上；

所述拉伸预载荷加载单元包括：直流伺服电机Ⅱ、电机法兰盘Ⅱ、精密双向滚珠丝杠、拉伸夹持台I、拉伸夹持台II、夹具Ⅰ以及力传感器Ⅱ，其中，直流伺服电机Ⅱ通过电机法兰盘Ⅱ安装在测试平台基座上，通过第二减速增扭单元实现减速、增扭后与精密双向滚珠丝杠的丝杠转动副连接，精密双向滚珠丝杠上两个螺母移动副中的一个连接拉伸夹持台I，另一个连接拉伸夹持台II，夹具Ⅰ通过拉伸夹持台Ⅰ和拉伸夹持台Ⅱ安装在与测试平台基座固连的直线导轨滑块Ⅱ上；在夹具Ⅰ的端部安装有用于检测测试试件所受拉力的力传感器Ⅱ，夹具Ⅰ下方设置有随时监测拉伸量的位移传感器Ⅱ；

所述拉伸疲劳加载单元包括：柔性铰链Ⅱ、压电叠堆Ⅱ、夹具Ⅱ以及位移传感器Ⅱ,所述压电叠堆Ⅱ安装在柔性铰链Ⅱ内,柔性铰链Ⅱ固定端通过螺钉固定在拉伸夹持台Ⅰ上,柔性铰链Ⅱ的活动端与夹具Ⅱ相连,夹具Ⅱ通过拉伸夹持台Ⅰ、拉伸夹持台Ⅱ安装在与测试平台基座固连的直线导轨滑块Ⅱ上；

所述上位机分别与直流伺服电机Ⅰ、位移传感器Ⅱ、压电叠堆I、力传感器Ⅰ、直流伺服电机Ⅱ、力传感器Ⅱ、接触式位移传感器Ⅱ、以及压电叠堆Ⅱ控制连接。

所述第一减速增扭单元包括传动连接的蜗轮Ⅰ和蜗杆Ⅰ；所述第二减速增扭单元包括传动连接的蜗轮Ⅱ和蜗杆Ⅱ。

所述测试平台基座上设有位移传感器支座Ⅰ，弯曲模块支撑座的侧部固定连接有L形挡板；所述位移传感器Ⅱ安装在位移传感器支座Ⅰ上,用来测量L型挡板的位移量，进而得出四点弯曲压头的位移量。

所述的夹具I、夹具Ⅱ均通过旋紧螺钉对试件进行夹紧；所述试件上加工有与旋紧螺钉相配合实现试件定位的U型槽，然后在试件的上部依次放置防滑垫层、上压板，最后通过内六角螺栓实现对试件的压紧。

本实用新型的有益效果在于:

第一、本实用新型装置体积小巧,结构紧凑,可安装于各种主流电子显微镜真空腔体的载物平台上。

第二、通过对试件一方向上施加拉伸载荷同时另一个方向上施加弯曲载荷,使试件的中心在一个平面上存在两个相互垂直的加载力,同时在拉伸载荷的基础上还可以对试件的拉伸端施加疲劳载荷,在弯曲载荷的基础上在试件的弯曲方向施加疲劳载荷,用于研究不同载荷形式及载荷大小情况下材料的微观力学性能。此外,拉伸载荷方向和弯曲载荷方向各使用一个压电叠堆进行疲劳加载,即拉伸方向和弯曲方向的疲劳加载相互独立,使疲劳加载方案选择多样性，可开展拉伸试验、四点弯曲试验、拉伸和四点弯曲耦合加载试验、拉伸和拉压疲劳耦合试验、四点弯曲和弯曲疲劳耦合加载试验、拉伸－拉压疲劳－四点弯曲耦合加载试验、拉伸－四点弯曲－弯曲疲劳及拉伸－拉压疲劳－四点弯曲－弯曲疲劳耦合加载试验。

第三、可以在各类成像仪器的观测下对试件进行原位拉伸、四点弯曲、疲劳单一以及复合力学测试，对材料的微观变形和损伤过程进行原位观察，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。

第四、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。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解,构成本申请的一部分,本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型,并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为本实用新型装置的整体外观结构示意图；

图2是本实用新型装置的的俯视图；

图3是本实用新型装置的的右视图；

图4是本实用新型装置的的主视图；

图5是本实用新型装置的四点弯曲疲劳单元结构示意图；

图6是本实用新型装置试件夹持单元部分结构示意图；

图7是本实用新型装置试件夹持单元完整结构示意图；

图中：1.直流伺服电机Ⅰ；2.电机法兰盘Ⅰ；3.弹性联轴器Ⅰ；4.轴承支座Ⅰ；5.蜗轮Ⅰ；6.蜗杆Ⅰ；7.固定座Ⅰ；8.位移传感器支座Ⅰ；9.位移传感器Ⅰ；10.柔性铰链Ⅱ；11.压电叠堆Ⅱ；12.直流伺服电机Ⅱ；13.电机法兰盘Ⅱ；14.弹性联轴器Ⅱ；15.轴承支座Ⅱ；16.蜗轮Ⅱ；17.蜗杆Ⅱ；18.固定座Ⅱ；19.位移传感器Ⅱ；20直线导轨滑块Ⅱ；21.拉伸夹持台Ⅰ；22.直线导轨滑块Ⅰ；23.弯曲模块底座；24.柔性铰链Ⅰ；25.压电叠堆Ⅰ；26力传感器Ⅰ.27.连接块；28.四点弯曲压头；29.试件；30.夹具Ⅰ；31.力传感器Ⅱ；32.拉伸夹持台Ⅱ；33.测试平台基座；34.弯曲模块支撑座；35.夹具Ⅱ；36.单向滚珠丝杠Ⅱ；37.L型挡板；38.旋紧螺钉。

具体实施方式

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。

参见图1至图6所示,本实用新型的拉伸疲劳-四点弯曲疲劳原位力学测试装置，包括四点弯曲预载荷加载与检测单元、四点弯曲疲劳加载单元、拉伸预载荷加载与检测单元、拉伸疲劳加载单元。

所述的四点弯曲预载荷加载单元是：直流伺服电机Ⅰ1通过电机法兰盘Ⅰ2与测试平台基座33相连，经由蜗轮Ⅰ5、蜗杆Ⅰ6实现减速、增扭，带动单向滚珠丝杠Ⅱ36将旋转运动转换为弯曲模块支撑座34的直线往复运动,最终实现四点弯曲测试压头28对被测试样29的准静态加载。所述位移传感器Ⅱ19安装在位移传感器支座Ⅰ8上,用来测量L型挡板37的位移量，进而得出四点弯曲压头28的位移量。

参见图5所示，本实用新型所述的四点弯曲疲劳加载单元由压电叠堆I 25、柔性铰链Ⅰ24、力传感器Ⅰ26和四点弯曲压头28组成；其中压电叠堆I 25安装于柔性铰链Ⅰ24的凹槽内,通过预紧螺钉进行预紧，压头28经由力传感器Ⅰ26安装于柔性铰链Ⅰ24的输出端处，整个弯曲疲劳单元与弯曲模块支撑座34刚性固定，在实现弯曲疲劳的过程中,通过压电叠堆I 25驱动柔性铰链Ⅰ24带动力传感器Ⅰ26和四点弯曲压头28输出微小交变位移,完成弯曲载荷下的低频疲劳加载。

所述的拉伸预载荷加载单元是：直流伺服电机Ⅱ12通过电机法兰盘Ⅱ13安装在测试平台基座33上，通过蜗轮Ⅱ16蜗杆Ⅱ17减速增扭，驱动精密双向滚珠丝杠并将丝杠的旋转运动转化为拉伸夹持台I、11(21、32)的直线运动，实现对试件29拉伸加载。在夹具夹具Ⅰ30端安装有力传感器Ⅱ31，用于检测测试试件所受的拉力。通过安装在夹具下方的接触式位移传感器Ⅱ19，可以随时监测拉伸的位移。

所述的拉伸疲劳加载单元包括：柔性铰链Ⅱ10、压电叠堆Ⅱ11、夹具Ⅱ35以及位移传感器Ⅱ19,所述压电叠堆Ⅱ11安装在柔性铰链Ⅱ10内,柔性铰链Ⅱ10固定端通过螺钉固定在拉伸夹持台Ⅰ21上,柔性铰链Ⅱ10的活动端与夹具Ⅱ35相连,夹具Ⅰ、Ⅱ30、35通过拉伸夹持台Ⅰ、Ⅱ21、32安装在与测试平台基座33固连的直线导轨滑块Ⅱ20上。在实现拉伸疲劳的过程中,通过压电叠堆Ⅱ11驱使柔性铰链Ⅱ10实现试件29拉伸方向中低频往复运动,实现疲劳加载。

所述的四点弯曲预载荷加载与检测单元采用四点弯曲压头28，可对材料开展两端固支四点弯曲测试和两端自由四点弯曲力学性能测试。

参见图6所示，本实用新型所述的夹具I30、夹具Ⅱ35上均通过旋紧螺钉38对试件29进行夹紧；所述试件29上加工有U型槽与旋紧螺钉38相配合实现试件的定位，然后在试件29上依次放置防滑垫层、上压板，通过拧紧内六角螺栓实现对试件29的压紧，以保证夹持的可靠性。

本实用新型测试装置将拉伸疲劳和四点弯曲疲劳单元集成到一起，可开展拉伸疲劳试验、四点弯曲疲劳试验、拉伸-四点弯曲测试试验，拉伸疲劳-四点弯曲疲劳测试试验。测试装置整体尺寸为247×240×104mm，可置于显微镜组件下进行原位观测。

本实用新型单一载荷加载模式具体实现过程如下:纯拉伸、纯弯曲加载模式:直流伺服电机经由蜗轮蜗杆带动滚珠丝杠将旋转运动转为拉伸夹持台Ⅰ21、拉伸夹持台Ⅱ32、弯曲模块支撑座34的直线运动，实现对试件的准静态加载。

拉伸疲劳测试过程：通过上位机控制拉伸测试单元对被测试件施加预期的拉应力以后，进行保载，然后通过上位机对压电叠堆Ⅱ11输入持续具有一定频率的交变电压，驱动柔性铰链Ⅱ10实现对被测试件29拉伸方向的低频往复运动。当达到上位机输入的拉伸疲劳次数自动停止，从而实现拉伸疲劳加载。

弯曲疲劳测试过程：通过上位机控制拉伸测试单元对被测试件施加预期的拉应力停止并保载；或者是通过上位机控制四点弯曲测试单元对被测试件施加预期的弯曲挠度后停止并保载。通过上位机给压电叠堆I 25输入具有一定频率持续交变电压,使其驱动柔性铰链24带动力传感器Ⅰ26和压头28做高频低幅的往复运动,对被测试件29施加弯曲疲劳，当达到上位机输入的弯曲疲劳的次数自动停止，实现弯曲疲劳的加载。

实现拉伸疲劳-四点弯曲疲劳复合的过程,只须将上述拉伸过程与弯曲过程结合起来,通过上位机控制软件控制其所需的加载时序,即可完成拉弯复合载荷下的测试过程。

根据实验目的需要,选择合适的测量方法,即纯拉伸测试、纯四点弯曲测试、拉伸-疲劳测试、四点弯曲-疲劳测试、拉伸-四点弯曲复合载荷测试、拉伸疲劳-四点弯曲疲劳测试，并在试件被拉伸/弯曲的基础上进行,即试件预有一定变形或一定载荷条件下进行中低频拉伸/弯曲测试。

具体地：

使用所述拉伸疲劳-四点弯曲疲劳原位力学测试装置进行纯拉伸加载方法，直流伺服电机Ⅱ12经由蜗轮Ⅱ16、蜗杆Ⅱ17带动精密双向滚珠丝杠将旋转运动转为拉伸夹持台Ⅰ21和拉伸夹持台Ⅱ32的直线运动，进而带动安装在拉伸夹持台上的夹具Ⅰ30和夹具Ⅱ35，实现对试件29的准静态拉伸加载。

使用所述拉伸疲劳-四点弯曲疲劳原位力学测试装置进行拉伸和拉压疲劳耦合加载方法，在拉伸载荷加载基础上，通过压电叠堆Ⅱ11通入持续的交变电压，驱使柔性铰链Ⅱ10实现试件29拉伸方向中低频往复运动,实现拉伸和拉压疲劳加载。

使用所述拉伸疲劳-四点弯曲疲劳原位力学测试装置进行纯四点弯曲的加载方法，直流伺服电机Ⅰ1经由蜗轮Ⅰ5、蜗杆Ⅰ6带动单向滚珠丝杠Ⅱ36将旋转运动转为弯曲模块支撑座34的直线运动，进而带动安装在弯曲模块支撑座34上的四点弯曲压头28，实现对试件29的准静态弯曲加载。

使用所述拉伸疲劳-四点弯曲疲劳原位力学测试装置进行四点弯曲和弯曲疲劳耦合加载方法，在纯四点弯曲载荷加载基础上，通过压电叠堆I 25在信号驱动电压的驱动下驱动柔性铰链Ⅰ24带动力传感器Ⅰ26和四点弯曲压头28输出微小交变位移,完成弯曲载荷下的低频疲劳加载。

使用所述拉伸疲劳-四点弯曲疲劳原位力学测试装置进行拉伸-四点弯曲耦合加载方法，其特征在于，通过上位机控制软件同时驱动直流伺服电机Ⅱ12和直流伺服电机Ⅰ1带动安装在拉伸夹持台上的夹具Ⅰ30和夹具Ⅱ35和安装在弯曲模块支撑座34上的四点弯曲压头28，实现对试件29的拉伸-四点弯曲耦合加载。

使用所述拉伸疲劳-四点弯曲疲劳原位力学测试装置进行拉伸-四点弯曲-弯曲疲劳耦合加载方法，通过上位机控制软件驱动直流伺服电机Ⅱ12和直流伺服电机Ⅰ1，带动拉伸夹具Ⅰ30、Ⅱ(35)和四点弯曲压头28，同时压电叠堆I 25在信号驱动电压的驱动下输出微小交变位移，带动弯曲压头28做微小位移，实现拉伸-四点弯曲疲劳加载。

使用所述拉伸疲劳-四点弯曲疲劳原位力学测试装置进行拉伸-拉压疲劳-四点弯曲耦合加载方法，通过上位机控制软件驱动直流伺服电机Ⅱ12和直流伺服电机Ⅰ1，带动拉伸夹具Ⅰ30、Ⅱ35和四点弯曲压头28，同时压电叠堆Ⅱ11在信号驱动电压的驱动下输出微小交变位移，带动夹具Ⅱ35做微小位移，实现拉伸疲劳-四点弯曲加载。

使用所述拉伸疲劳-四点弯曲疲劳原位力学测试装置进行拉伸-拉压疲劳-四点弯曲-弯曲疲劳耦合加载方法，通过上位机控制软件驱动直流伺服电机Ⅱ12和直流伺服电机Ⅰ1，带动拉伸夹具Ⅰ30、Ⅱ35和四点弯曲压头28，同时压电叠堆Ⅱ11和压电叠堆I 25在信号驱动电压的驱动下输出微小交变位移，带动夹具Ⅱ35和四点弯曲压头28做微小位移，实现拉伸疲劳-四点弯曲疲劳加载。

因此以所实用新型的测试装置所进行的测试研究主要分析的是材料弹性模量E、屈服强度δ_s、断后延伸率A等力学性能参数。其中,

拉伸弹性模量

屈服强度

断后延伸率

两端自由四点弯曲弹性模量

两端固支四点弯曲弹性模量

其中，σ为材料的应力,ε为材料的应变,F_eL为下屈服点对应的材料载荷，S₀为材料截面积F_b为所施加的弯曲载荷，l_s为外支撑端跨距，l为支撑端与压头的距离，m为两压头的距离,f为试件中心处的挠度，I为转动惯量。

在测试的整个过程中,为了实时监测被测试件在拉伸/弯曲及交变载荷作用下的裂纹萌生、扩展、变形损伤情况,并可同时记录图像，测试前需要将试件进行研磨抛光、金相腐蚀处理,将测试装置置于光学显微镜下进行动态监测,实现在拉伸、四点弯曲、拉伸-四点弯曲耦合加载、拉伸-疲劳耦合加载、拉伸-疲劳-四点弯曲耦合加载、拉伸-四点弯曲-疲劳耦合加载及拉伸-疲劳-四点弯曲-疲劳耦合加载模式下，对被测试材料表面微观形貌的变化、裂纹的萌生、裂纹的扩展及损伤失效过程的演变进行原位观测。结合上位机调试软件亦可实时获取表征材料力学性能加载持久极限、弹性模量等重要力学性能指标。

以上所述仅为本发实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡对本实用新型所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。