复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器与方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及精密科学仪器领域，特别设及一种复合载荷模式力电热磁禪合材料性 能原位测试仪器与方法。本发明的复合载荷模式力-电-热-磁多物理场禪合加载条件下的 材料微观性能原位测试仪器与方法可W提供"拉伸/压缩-低周疲劳-扭转-弯曲"四种力学 载荷中的一种或多种，也可针对典型功能材料开展在"应力场-溫度场(高/低溫)-电场-磁 场"多物理场禪合作用下的微观性能测试，最多可同时实现上述屯种载荷方式共存的并行 加载测试。利用仪器内嵌的原位微纳米压痕测试模块，可W精准测量复杂载荷条件作用下， 材料样品压痕曲线、硬度、弹性模量等参量的动态演变情况。利用原位监测平台对材料样品 在复杂应力状态、多物理场禪合情况下，精确的动态监测复杂载荷作用过程中及作用后，材 料的物理性能参数、变形损伤、微观组织变化与性能演变等关乎材料服役性能、可靠性与使 用寿命的重要数据信息，为接近服役条件下材料微观力学性能测试提供有效的手段和方 法。
【背景技术】
[0002] 新材料新工艺的研发与应用是工业发展的基础，而材料科技的不断发展也依赖于 对材料各类力学性能与物理性能的深入研究。材料力学性能测试技术，主要为了获取材料 的弹性模量、切变模量等宏观上的力学参数。但是，随着材料科技的快速发展，各类新材料 不断涌现，而对运些新材料的特异性的测试分析也逐渐成为国际学术界和工程界的研究热 点。传统的材料力学性能测试手段难W全面反映新材料的物理特性，特别是材料在实际工 况下，往往是在复合载荷作用下工作，材料的各类物理性能与力学性能已经不能W单一载 荷测试下的性能进行评定。
[0003] 在现有的研究水平下，针对单一载荷的材料测试技术已趋于成熟，针对两种或两 种W上复合载荷作用的材料测试理论方法和仪器设备也已被广泛研究。但是运些仅仅是针 对应力场加载的仪器设备，并不能真实的反映出材料的实际工况，并且其测试原理多为离 位测试，不能对测试过程中材料样品的微观组织形貌进行实时动态的观察，很难将材料微 观组织变化的内在机理与材料宏观力学性能有效地结合起来综合分析材料的性能。因此， 在现有的仪器难W满足上述复合载荷作用下，材料性能测试多为离位过程的背景下，开发 一种能够基于复合载荷模式力-电-热-磁多物理场禪合环境下的材料微观力学性能原位测 试仪器，并提出相应的测试方法，已成为新型材料测试仪器的发展趋势。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种复合载荷模式力电热磁禪合材料性能原位测试仪器 与方法，解决现有仪器设备不能实现力-电-热-磁多物理场禪合作用下的材料性能原位测 试的问题。本发明可W实现在拉伸/压缩加载的基础上，集成其他的力学加载形式，同时还 可W构建高溫场/低溫场-电场-磁场的多物理场禪合条件，利用仪器内嵌的原位微纳米压 痕测试模块，可W精准测量在运些复杂载荷条件作用下，材料样品压痕曲线、硬度、弹性模 量等参量的动态演变情况。仪器可实现拉伸/压缩、弯曲、扭转、低周疲劳、溫度场、电场、磁 场的任意组合，最多可同时实现上述屯种载荷方式共存的并行加载测试，为接近服役条件 下材料微观力学性能测试提供有效的手段和方法。同时，借助仪器嵌入的光学显微成像监 测模块、显微拉曼监测模块等多种类型原位监测模块，能精确的动态监测复杂载荷作用过 程中及作用后，材料的物理性能参数、变形损伤、微观组织变化与性能演变等关乎材料服役 性能、可靠性与使用寿命的重要数据信息。本发明可整机与真空腔集成，模拟更为丰富的实 验环境，如低气压环境、真空环境、惰性气体环境等。本发明的加载模式及试验条件更能接 近材料的实际服役情况，获取更为丰富的材料性能参数，为研究材料的力学性能、物理性 能、微观组织形貌与材料失效机理提供了有效的测试方法。
[0005] 本发明的上述目的通过W下技术方案实现： 复合载荷模式力电热磁禪合材料性能原位测试仪器，包括复合载荷-多物理场加载试 验平台1、原位监测平台2和隔振基座3,所述隔振基座3用于支承复合载荷-多物理场加载试 验平台1、原位监测平台2,为其提供基础性的安装定位，并为测试过程提供有效的隔振处 理;所述复合载荷-多物理场加载试验平台1依据试验条件，对被测材料样品施加拉伸/压 缩、弯曲、扭转、低周疲劳载荷模式的力学加载，同时对载荷信号和变形信号的精密检测，进 而实现复合载荷模式下材料的力学性能测试;依据试验条件，对被测材料样品施加力、电、 热、磁多外场载荷，并实现对外场加载参数和材料相应物理性能参数的精确测量;在复合载 荷-多物理场加载试验平台1禪合作用下，实现对被测材料样品施加接近服役条件下的力学 与外场禪合作用的复杂载荷，同时对材料基本物理性能参数进行精确测量和定量分析;通 过微纳米压痕测试试验，可测定在各类外部载荷作用下材料硬度、弹性模量基本力学参数 的动态演化情况； 所述复合载荷-多物理场加载试验平台1包括拉伸/压缩加载模块11、扭转加载模块12、 弯曲加载模块13、低周疲劳加载模块14、微纳米压痕测试模块15、高溫加载模块16、低溫加 载模块17、磁场加载模块18、电场加载模块19,所述低溫加载模块17、电场加载模块19的核 屯、装置直流电源和循环制冷累为外置设备;所述拉伸/压缩加载模块11固定于偏摆台2501 台面上，扭转加载模块12分为扭转加载主动单元1201、扭转加载固定单元1202两部分，分别 安装于拉伸/压缩加载模块11的扭转端拉伸滑座1103、疲劳端拉伸滑座1104上，低周疲劳加 载模块14安装于疲劳端拉伸滑座1104上与扭转加载固定单元1202的尾部连接，弯曲加载模 块13、微纳米压痕测试模块15、红外热成像监测模块22分别固定于侧向加载观测模块24的 弯曲进给单元2401、压痕进给单元2403、红外热成像仪进给单元2402上，并一同安装于功能 切换单元2404上；功能切换单元2404的往复运动实现弯曲加载模块13、微纳米压痕测试模 块15、红外热成像监测模块22的位置选择和工位切换，红外热成像仪进给单元2402的直线 运动调节红外热成像监测模块22的可视范围，弯曲进给单元2401的直线运动带动弯曲压头 1302实现弯曲载荷加载，压痕进给单元2403的直线运动带动压痕压头1509进行压入点位的 初定位;高溫加载模块16通过调整滑座1602、调整滑座导轨1805与磁场加载模块18连接，磁 场加载模块18、侧向加载观测模块24分别固定在拉伸/压缩加载模块11主轴线的两侧。
[0006] 所述复合载荷-多物理场加载试验平台（1)在实现拉伸/压缩加载测试的基础上， 集成其他的力学加载测试模式，同时还可构建高溫/低溫-电场-磁场的物理场环境，此外能 够实现利用压入式检测手段分析材料的微观力学性能;最多可W实现"拉伸-疲劳-弯曲-扭 转-高溫场/低溫场-电场-磁场"或"压缩-弯曲-扭转-高溫场/低溫场-电场-磁场"的复合载 荷-多物理场禪合加载试验，模拟丰富的试验环境，获取丰富的材料物理性能参数，也可W 模拟特定工况，选择其中一种或几种功能进行禪合加载。
[0007] 所述的复合载荷-多物理场加载试验平台1、原位监测平台2与真空腔4集成，实现 对真空环境下的复合载荷-多物理场禪合加载试验和原位监测；隔振基座3集成于真空腔4 内，防止真空累工作时产生的振动影响仪器的原位监测效果;在配备真空腔的条件下，复合 载荷-多物理场加载试验平台1放置于偏摆支承模块25上，偏摆支承模块25的偏摆台2501放 置于重载导轨2502上，试验结束时将复合载荷-多物理场加载试验平台1连同偏摆台2501部 分抽出真空腔4,便于更换材料样品；同时通过导轨的对接，将载物工具车6与真空腔4内的 隔振基座3连接，将复合载荷-多物理场加载试验平台1完全抽出真空腔4外，W方便对其进 行调试、检修。
[0008] 所述的拉伸/压缩加载模块11采用双向拉伸结构，由拉压伺服电机110巧区动双向 丝杠1102,带动扭转端拉伸滑座1103和疲劳端拉伸滑座1104,保证两侧行程、移动速度一 致，实现拉伸/压缩载荷的加载，由直线光栅读数头1、111105、1118测得拉伸/压缩加载变 形。
[0009] 所述的扭转加载模块12包括扭转加载主动单元1201、扭转加载固定单元1202两部 分，采用一端扭转一端固定的方式，扭转加载主动单元1201为加载端，由扭转伺服电机 120104驱动扭转主动齿轮120108、扭转从动齿轮120109带动主动端夹具体120116实现扭矩 的加载;扭转加载固定单元1202为固定端，由固定端夹具体120204、连接轴12020則尋扭矩传 递给拉扭复合传感器120210,实现拉伸力、扭矩大小的测定;主动端夹具体120116、固定端 夹具体120204分别安装有圆光栅读数头I、Π 120117、120202,通过测量扭转试验时读取的 角度差实现扭转角的精准测定； 所述扭转加载主动单元1201的旋转接头120106分为旋转接头定子120106B、旋转接头 转子120106A，所述旋转接头转子120106A上开有环槽，与旋转接头定子120106B上的通流口 联通，在定子转子间存在相对转动时仍能实现流体的输送，并利用连接法兰120107实现将 主动端夹具体120116的流道与旋转接头120106的流道对接，实现在主动端夹具体120116因 扭转加载产生转动时制冷液导入与循环;低溫加载模块17依靠主动端夹具体120116、固定 端夹具体120204的内置制冷流道，利用外置的低溫制冷累，将制冷液累送至主动端夹具体 120116、固定端夹具体120204内部开通的流道内，通过热传导的方式为材料样品制冷，为材 料样品营造低溫试验环境。
[0010] 所述的低周疲劳加载模块14的疲劳加载模块柔性较链1402的内框固定在疲劳加 载模块底座1401上，外框与连接板120211连接;疲劳加载模块压电叠堆1403通过疲劳加载 模块柔性较链1402、连接板120211、拉扭复合传感器120210驱动固定端夹具体120204产生 高频的往复微小位移，实现在预先拉伸载荷作用下对拉伸材料样品51的疲劳加载;在大拉 伸载荷下，通过梓紧螺钉使卸荷板120212与连接板120211、疲劳端拉伸滑座1104紧固，实现 对大拉伸力载荷的卸荷，保护疲劳加载模块压电叠堆1403不会损坏。
[0011] 所述的微纳米压痕测试模块15通过压痕进给单元2403的直线运动实现压痕初进 给，压痕测试模块压电叠堆1505通过压痕柔性较链1502驱动压痕压头1509实现精准进给， 通过压入力传感器1508采集压入过程中的压入力，通过电容式微小位移传感器1506监测压 痕压头1509的压入深度。
[0012] 所述的高溫加载模块16包括面素加热灯1601、调整滑座1602、面素灯安装板1603， 面素加热灯1601通过螺钉与面素灯安装板1603连接，并安装于调整滑座1602上，高溫场的 加载由面素加热灯1601聚焦照射材料样品实现； 所述磁场加载模块18包括下磁辆1801、线圈1802、上磁辆1803、磁极极头1804、调整滑 座导轨1805，磁场的加载由可控电磁铁实现，可控电磁铁由下磁辆1801、线圈1802、上磁辆 1803、磁极极头1804组成，两个磁极极头1804采用上下布置，分别固定于下磁辆1801与上磁 辆1803上，材料样品放置于两个磁极极头1804之间，通过对线圈1802加载电流的调整实现 对磁场强度的控制；通过调整滑座1602,可W在不需要高溫场功能时将面素加热灯1601取 下，防止其对原位监测模块光路的遮挡；电场加载模块19外接一台高压直流电源，利用导电 银胶将两根导线分别接于材料样品相对的两个平面上，并在导线两端施加一个直流高压电 场，从而实现电场的加载;将整个测试仪器放置于真空腔4内有助于降低两个电极间的击穿 电压，W提高电场加载试验的电场强度。
[0013] 所述的原位监测平台2用于动态监测在复杂力学载荷和多物理场载荷作用下材料 样品的变形损伤、微观组织变化与性能演变，通过对各监测模块位姿的精确调整，实现对复 杂载荷条件下材料样品的微观变形、损伤机制、微观组织结构变化W及性能演化进行实时 的动态原位监测，包括光学显微成像监测模块21、红外热成像监测模块22、显微拉曼光谱监 测模块23、侧向加载观测模块24、偏摆支承模块25,光学显微成像监测模块21、显微拉曼光 谱监测模块23布置于复合载荷-多物理场加载试验平台1的两侧，安装在隔振基座3上，偏摆 支承模块25安装在隔振基座3上，承载复合载荷-多物理场加载试验平台1的同时为各个原 位观测模块提供更丰富的观测位置。红外热成像监测模块22安装于侧向加载观测模块24 上，侧向加载观测模块24安装于复合载荷-多物理场加载试验平台1上。
[0014] 所述的光学显微成像监测模块21、显微拉曼光谱监测模块23均能实现Χ、Υ、ΖΞ个 方向的位置调整，完成显示视野的变换和成像仪器的的调焦，由X轴运动单元Ι、π 2101、 2301、Υ轴运动单元I、Π 2102、2302、Ζ轴运动单元I、Π 2104、2304实现；显微拉曼光谱仪 2315通过调整旋转支架2305与调距手轮2313对初始监测角度和初始监测位置进行调整，能 够实现更为丰富的监测范围；显微拉曼光谱仪2315为内置CCD形式，后部通过一个标准C接 口与拉曼光谱仪集成，根据显微图像在可视的范围内选择局部微小区域利用拉曼光谱仪， 实现对微区的组织成分的分析;光学显微成像监测模块21、显微拉曼光谱监测模块23分别 实现复合载荷-多物理场禪合试验下材料样品微