材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统及其测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及精密科学仪器领域，特别涉及一种材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳 测试系统及其测试方法。可作为单轴拉伸、双轴拉伸、单周拉伸-疲劳、双轴拉伸-疲劳材 料微观力学性能测试平台使用，其中作为双轴拉伸-疲劳材料微观力学性能测试还可以实 现双轴同频疲劳和双轴非同频疲劳等测试。且该系统可在部分光学显微镜下进行上述的各 种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形损伤过程进行实时 观察。同时，通过减速器和大减速比的蜗轮蜗杆实现了拉伸过程中的准静态加载技术；通 过力学和变形信号检测单元对测试过程中试件承受的拉伸力、试件的拉伸变形等信号的采 集，可以拟合被测材料在相应载荷作用下的应力应变历程，能够以此分析材料的微观力学 性能；通过处理软件对力学和变形信号检测单元采集的力和变形信号进行分析处理，还可 以对测试系统实现闭环控制。
【背景技术】
[0002] 在对材料进行力学性能测试的过程中，通过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，能够更深入地揭示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。
[0003] 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 微纳米力学测试，提出了多种测试方法，其中，有关拉伸的测试方法主要包括单轴拉伸、单 轴拉伸-疲劳、双轴拉伸等。然而，实际情况下，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-弯曲复合载荷模式、拉伸/压缩-疲劳复合载荷模式、剪切-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。
[0004] 此外，实际工程中的板、壳结构部件所承受的大多是双向载荷，包括单晶金属、混 凝土以及部分具有各向异性的复合材料，只是研宄其单轴承受拉伸载荷下的力学性能，并 不客观。因此，开发双轴拉伸-疲劳测试系统，对研宄双向拉伸及疲劳载荷下材料的力学性 能及材料的变形损伤机制具有重要意义。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统及其测 试方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明可以分别实现单轴拉伸力学测试、双轴拉 伸力学测试、单轴拉伸-疲劳力学测试、双轴拉伸-疲劳力学测试，其中针对双轴拉伸-疲 劳力学测试，本系统还可以实现双轴同频疲劳加载和双轴非同频疲劳加载等模式，所述的 双轴拉伸-疲劳材料微观力学性能测试系统还可以与部分光学显微镜兼容，对材料微观力 学性能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破坏过程进 行原位监测；此外，通过力学和变形信号检测单元对测试过程中试件承受的拉伸力、试件的 拉伸变形等信号的采集，可以拟合被测材料在相应载荷作用下的应力应变历程，进而对材 料在双轴拉伸-疲劳载荷作用下的微观力学行为、变形损伤机制进行深入研宄。
[0006] 本发明的上述目的通过以下技术方案实现： 材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统及其测试方法，包括精密加载-传动单元、 疲劳单元、力学和变形信号检测单元、试件夹持单元等；其中，精密加载-传动单元通过螺 钉固定在底板5上，疲劳单元通过两个对称的导轨I a32、滑块I a31和导轨I b36、滑块 I b35安装在精密加载-传动单元上，疲劳单元通过四个相同的连杆17分别与试件夹持单 元相连，力学和变形信号检测单元安装在试件夹持单元上。
[0007] 所述的精密加载-传动单元提供测试系统的预加载力和用于调整试件夹持单元 的位置所需要的力，由直流电机1提供动力，经过减速器2、蜗轮25、蜗杆24带动双向滚珠 丝杠11转动；所述的直流电机1的输出轴经过联轴器3与蜗杆轴48相连，蜗轮25安装在 双向滚珠丝杠11上，蜗轮25、蜗杆24起到降速增扭的作用；所述的双向滚珠丝杠11通过 导轨II a9、滑块II a8、滑块II 29和导轨II b 12、滑块II b 13、滑块II 49e及丝杠支撑座28定 固在底板5上，双向滚珠丝杠11上安装了两个相同的丝杠螺母I、II 10、50,分别与两个相 同的螺母座I、II 14、30相连；所述的螺母座I、II 14、30分为上下两部分，通过螺钉连接， 以此降低安装难度；所述的螺母座I、II 14、30上分别安装了导轨I a32、滑块I a31和导 轨I b36、滑块I b35,两个滑块I a、b31、35均安装在下支撑板34上，支撑柱33与上支撑 板44通过螺钉相连，上支撑板44固定连接柔性铰链15 ;所述的丝杠螺母I、II 10、50,螺母 座1、11 14、30,导轨I a、b32、36和滑块I a、b31、35均为对称布置；所述的导轨I a、b32、 36与水平面成20°夹角，因此，当滑块a、b I 31、35分别沿着导轨I a、b32、36运动时，会 带动支撑柱33上下运动而保持其水平位置不变。
[0008] 所述的疲劳单元包括柔性铰链15、四个相同的压电叠堆16以及四个相同的连杆 17,其中柔性铰链15为对称结构，通过螺钉安装在下支撑板上44 ;所述的四个相同的压电 叠堆16分别安装在柔性铰链15内，并通过铜片预紧；所述的连杆17 -端通过销轴I 42与 柔性铰链15相连，另一端通过销轴II 45与传感器固定座19相连，传感器固定座19通过螺 钉安装在滑块IV 38上。
[0009] 所述的力学和变形信号检测单元包括四个相同的拉力传感器21和两个位移传感 器I、II 41、18,拉力传感器21通过螺纹连接于夹具体I 43和传感器固定座19之间；位移 传感器II 18安装在两个相对的夹具体I、II 43、51之间，位移传感器I 41和位移传感器 II 18垂直布置；试件40承受的拉力和与其对应的拉力传感器的轴线在一条直线上。
[0010] 所述的试件夹持单元由四个夹具体I 43和与之一一对应的压板39组成，试件安 放在夹具体I 43与压板39之间，夹具体I 43和压板39之间通过螺钉连接，并通过旋紧螺 钉对试件40进行夹紧；所述的夹具体I 43安装在滑块IV 38上，滑块II c20和滑块IV 38安 装在同一个导轨III a37上；导轨III b、c、d52、53、54与导轨III a37相同；所述的夹具体I 43 和压板39上加工有滚花，以保证夹持的可靠性。
[0011] 本发明的测试系统可以在光学显微镜的动态监测下进行材料微观力学性能原位 测试。根据原位观测目的不同，可以选择光学显微镜来监测试件在载荷作用下裂纹的萌生、 扩展、至断裂过程；可以选择拉曼光谱仪对试件表面进行微区检测，进行拉伸/疲劳载荷作 用下材料的相结构研宄、晶粒及晶界变化、裂纹萌生等；也可以选择X射线衍射仪对试件进 行物相分析、确定晶粒度和应力分布、研宄材料的特殊性质与其原子排布、晶相变化间的关 系等；部分观测设备可以配合使用，如光学显微镜和拉曼光谱仪等。
[0012] 所述的导轨Ilia、b37、52安装在顶板I 22上，导轨III c、d53、54安装在顶板II 23 上，立柱6通过螺纹与顶板II 23和底板5连接；顶板I 22的连接方式与顶板II 23的连接 方式相同；立柱6将顶板II 23受到的拉力传导到底板5上。
[0013] 所述的四个相同的压电叠堆16,其中同一个拉伸轴向上的两个压电叠堆输出一 致，以保持试件的十字中心在测试过程中位置固定。
[0014] 试件的四个拉伸-