拉伸-剪切预载荷原位压痕测试装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及精密科学仪器领域，特别涉及一种拉伸-剪切预载荷原位压痕测试装 置及方法。
【背景技术】
[0002] -直以来，在材料力学测试的诸多力学性能参数中，弹性模量、屈服极限、强度极 限、伸长率和切变模量等参数是最主要的测试对象，针对上述材料的性能参数有很多种测 试方法，如拉伸/压缩法、弯曲法、扭转法、鼓膜法和纳米压痕法等。但是如上所述的诸多方 法都是针对单一载荷，即单次试验仅能得出材料的单一性能参数，且每种测试方法都需要 特定的实验仪器进行试验，十分繁琐。
[0003] 另外，现有的测试仪器由于仅能进行单一力学性能的测试，无法对两种及以上的 受力情况进行复合试验，这样无法得知材料在复合载荷过程中各种因素相互影响下材料的 力学性能与单一载荷过程中单一因素影响下的力学性能是否会发生改变。并且仅有单一力 学性能的测试对试验结果的适用性是不利的，由于材料在真实服役条件下大多数情况还是 承受复合载荷的，所以当我们利用在单一载荷情况下得出的材料性能数据对真实服役条件 下的材料进行校核计算时，不一定是准确的。例如，材料有可能在承受剪切的情况下其弹性 模量的降低，或材料在承受拉伸的情况下其表面硬度的降低都会影响其校核的准确性。
[0004] 目前还没有比较成熟的集拉伸、剪切以及压痕为一体的多载荷试验仪器，并且传 统拉剪仪器也仅有特定的角度可以进行试验。该三种载荷集成的主要困难主要体现在如下 几个方面：1.如何能够实现试件自由改变角度的锁紧；2.如何能够在自由改变角度的情况 下保证装置锁紧的可靠性性、快速性以及准确性；3.由于拉剪复合装置已经具有足够的复 杂性，如何能够在不影响功能的情况下尽量简化压痕模块。
[0005] 综上所述，一套能够集拉伸、剪切及压痕为一体的多载荷材料力学测试仪器对于 材料力学性能测试具有重要意义。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种拉伸-剪切预载荷原位压痕测试装置，解决了现有技 术存在的上述问题，尤其解决了多载荷同时作用于材料情况下不同载荷对材料力学性能的 影响问题。能够集拉伸、剪切及压痕为一体的材料力学测试装置，能够实现拉伸、剪切压痕 的共同负载；能够实现自由改变试件夹持角度；采用悬臂结构大大简化压痕模块装置；采 用两级压电叠堆进行压痕的位移控制，分别实现粗调与细调。本发明测试精度高，能够实现 测量和数据分析的自动化。
[0007] 本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
[0008] 拉伸-剪切预载荷原位压痕测试装置，包括机械传动模块，任意角度拉伸剪切复 合加载模块、悬臂压痕模块以及测量模块，其中机械传动模块带动任意角度拉伸剪切复合 加载模块、悬臂压痕模块以及测量模块进行运动，测量模块对任意角度拉伸剪切复合加载 模块以及悬臂压痕模块的变化进行测量；
[0009] 所述机械传动模块是：一级蜗轮23与一级蜗杆22相互配合，二级蜗轮26与二级 蜗杆28相互配合，二级蜗杆28通过二级蜗杆支撑架a27、二级蜗杆支撑架b30、辅助支撑架 25连接在主机架11上；由于二级蜗轮探出过长，通过辅助支撑架25增加其刚度；直流伺服 电机19通过减速机20固定在电机底座21上；将旋转运动转化为直线运动的滚珠丝杠13两 端分别通过轴承座al2、轴承座b29安装在主机架11上，与滚珠丝杠13配套的螺母副固定 在移动平台a9、移动平台b33上，分别带动移动平台a9、移动平台b33从而实现直线运动；
[0010] 所述任意角度拉伸剪切复合加载模块包括：移动平台a、b9、33、用以确定试件夹 持角度的90度标尺a、b8、31、夹持单元，所述90度标尺a、b8、31分别设置在移动平台a、 b9、33上，所述夹持单元是压块a6和承载块a34分别通过螺钉将试件的两端压紧在压块b7 和承载块b32上，两夹持单元通过螺钉与移动平台下方的辅助压板38相连，通过旋紧螺钉 夹持单元会向辅助压板靠近，两者将分别压紧在移动平台的两侧，进而实现试件夹紧；
[0011] 所述悬臂压痕模块是：压痕调板42固定在主机架11侧面，调节悬臂压痕模块的整 体高度，一经调整不再改变；悬臂梁1通过螺钉固定在立柱3上，悬臂梁1内有两个串联的 柔性凹槽，以易于实现竖直方向上的位移加载；压电叠堆37与顶块36固连，另一方向顶在 悬臂梁1处，以易于实现竖直方向上的位移加载；
[0012] 所述测量模块是：编码器18安装在机械传动模块的直流伺服电机19上；LVDT直 线位移传感器16通过LVDT固定块17固定在移动平台b33上，LVDT挡块15固定在移动平 台a9上且与LVDT直线位移传感器16相配合；拉压/拉伸传感器10安装在主机架11上用 以测量试件所承受的拉力；挡板2固连于电容位移传感器4上，并与拉压/压痕传感器35 不接触，留有一定间距，用于测量两者之间距离。
[0013] 编码器18用以测量电机转角以估算两移动平台的位移；LVDT直线位移传感器16 用以精确测量两移动平台相对位移；电容位移传感器4、挡板2用以测量压入深度；拉压/ 压痕传感器35用以测量压痕过程中压头所施加的压力；在不进行压痕过程时用于原位观 测材料拉伸剪切变形用的显微镜。
[0014] 所述的辅助支撑架25内部与二级蜗杆支撑架a、b27、30相通，均设有支撑用的 滚动轴承，由于装置整体尺寸较宽，一级蜗轮伸出较长，为保证传动件的稳定性而增加此部 件。所述二级蜗杆支撑架a、b27、30通过螺钉固定在主机架11的侧面，尽量靠近一级蜗轮。
[0015] 所述的悬臂压痕模块动作分为两个阶段，即远离悬臂梁1端部的压电叠堆通电而 进行的粗调与靠近悬臂梁1端部的压电叠堆通电而进行的细调，如图4所示，其中每块压电 叠堆37右侧均与悬臂梁1固连，左侧则与顶块36固连；顶块36为半圆柱形状，靠母线一侧 与悬臂梁1相接触，该接触处悬臂梁具有一定倾角以易于受力并防止顶块36从上方滑出。
[0016] 所述的任意角度加载模块是通过90度标尺a、b8、31确定试件夹持角度，通过固定 在移动平台a、b9、33下方的辅助压板38、上方的压块a、b6、7及承载块a、b34、32,达到准 确快速地进行定位的过程。
[0017] 所述的拉伸-剪切预载荷原位压痕测试装置与显微镜相互配合，在不进行压痕过 程时将压痕模块卸下，将装置整体置于显微镜下对拉剪过程进行原位观测。
[0018] 本发明的另一目的在于提供一种拉伸-剪切预载荷原位压痕测试方法，自由调整 试件的固定角度〇°至90°，对其进行拉伸一剪切一压痕试验，其中压痕采取悬臂方式进 行，过程中利用力与位移传感器进行数据测量，具体步骤如下：
[0019] 步骤1 :确定装置各个模块均已组装完毕，两移动平台a、b的高度差在0.Imm以 内，机械传动模块传动准确，各传感器标定完毕且能够正常工作；
[0020] 步骤2 :先将试件两端夹持，固定好后按照角度将两夹持单元固定在两移动平台 a、b上；
[0021] 步骤3 :将悬臂压痕模块组装后，利用压痕调板调节压痕模块整体高度，保证压头 距离试件表面0. 2mm至Imm后固定压痕调板；
[0022] 步骤4 :通过控制器给距离端部较远的压电叠堆施加电压使其形变进行粗调，观 察拉压/压痕传感器35反馈的数据，当其不为零时停止增大压电叠堆的电压，并略微将其 调小，使传感器的数据回零；
[0023] 步骤5:准备工作完毕，判断试验是否需要进行压痕，如需要则继续进行，如不需 要则将立柱3从压痕调板上卸下，将仪器整体放到观测装置下。以下按照需要压痕试验的 情况叙述。
[0024] 步骤6 :由计算机由数据采集卡输出经电机驱动器控制电机运动，两移动平台a、b 运动相对远离，试件受拉同时进行剪切复合载荷施加；
[0025] 步骤7 :由计算机经数据采集卡输出控制压电叠堆的驱动电压，进行压痕试验；
[0026] 步骤8 :由A/D采集卡采集拉压/拉伸传感器10、拉压/压痕传感器35、电容位移 传感器4以及LVDT直线位移传感器16的信号；
[0027] 步骤9 :对采集到的数据进行换算，得到试件所受拉力、变形量，压头压力、压入深 度等。
[0028] 由各种传感器与A/D采集卡记录实验过程中的各种物理量，得到在某一角度条件 下的试件拉伸剪切复合试验曲线，和