一种材料介观尺度单向拉伸测量系统及方法与流程

本发明属于材料力学性能测量领域，具体涉及一种材料介观尺度单向拉伸测量系统及方法。

背景技术：

近年来，介观尺度(样品尺寸在百纳米到百微米之间)的材料力学实验变得越来越重要。一方面，这些研究有助于人们建立材料局域力学性能和微观结构的相互关系，揭示控制材料不同尺度力学行为的物理机制，从而加速新材料的设计开发和性能优化。另一方面，诸如微型医疗设备、微机电一体化系统、微型传感装置等均涉及微结构材料部件的使用；研究材料在这些尺度的力学性能是发展和安全使用微器件的前提。同时，介观尺度测试也为材料多尺度力学建模提供实验数据，加速理论模型的不断改进和优化，提高预测精度。

目前材料力学行为的研究更多集中于常规宏观和微观力学测试。常规宏观力学测试受夹具和力传感器限制，样品尺寸通常在数毫米以上。微观力学测试多利用基于镓离子源的聚焦离子束(focusedionbeam,fib)制备的压缩或拉伸样品。受该技术加工效率和加工成本的限制，测试尺度通常小于10μm，而10μm以上直至传统毫米之间的介观尺度研究相对有限。随着更高效率的微加工技术的出现，如氙等离子高速fib和飞秒激光微加工，数十至数百微米之间的微试样制备将不再是问题，这必然促进材料更宽尺度范围内的力学行为研究。

开展材料介观尺度力学测试必须解决两个关键问题。首先是微试样的安装和对中问题。不同于常规的宏观力学测试，介观尺度测试通常利用标距宽度仅为数十或数百微米的微型试样。微试样的一端通常附着于基体以方便操作。如何便捷安装微试样并且保证样品轴线与加载驱动器、力传感器等充分对齐，以降低未对准引起的误差是开展介观尺度测试面临的难题。其次是微试样标距应变的精确测量问题。宏观测试通过粘贴电阻应变片或者采用商业化的夹持式应变引伸计测量样品变形量。受微试样的尺寸限制，这些常规方法在介观尺度测试中显然不可行。研究学者一般先测量加载驱动器或者拉伸夹头(或压缩压头)的位移，再通过机器刚度的分析修正该位移，以估算样品实际发生的应变。但这种分析方法明显增加测量的难度和不可控性，并且结果仍存在显著的误差。目前市场尚未有成熟的材料介观尺度力学性能测量系统成功解决了上述两个问题。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题在于提供一种材料介观尺度单向拉伸测量系统。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种材料介观尺度单向拉伸测量系统，所述系统用于数微米至数百微米之间的介观尺度力学性能的测量，系统包括样品固定单元、样品对中单元、精密加载单元、载荷信号传感单元、数字图像相关应变测量单元以及操作台；

所述的数字图像相关应变测量单元设置在操作台的一侧，用于对样品的正面进行图像采集，包括手动三维平移台、高倍远心测量镜头、ccd工业相机i、高速图像采集卡以及实时数字图像相关计算模块；通过手动三维平移台的三轴移动实现远心测量镜头的聚焦和视场选择；所述的实时数字图像相关计算模块通过ccd工业相机i实时抓取样品表面图像并利用数字图像相关算法计算出图像中事先选定特征点的亚像素位移和实时应变。

所述的样品对中单元包括对中操作机构和对中观察机构，对中操作机构设置在操作台的下部，包括x轴电动平移台及x轴步进电机、y轴电动平移台及y轴步进电机，所述对中观察机构包括设置在操作台一侧的高倍对中显微镜头、ccd工业相机ⅱ及相应的图像采集卡，用于观察微试样侧面，以及设置在操作台另一侧的高倍远心测量镜头、ccd工业相机ⅰ及相应的高速图像采集卡，用于观察试样正面。

所述样品固定单元包括样品台和微拉头，所述样品台包括心部加工有狭缝的方形夹持块、可移动样品托和紧固螺丝。测试时，先用胶水将加工有微试样的样品固定于样品托的一端，然后把样品托插入方形夹持块的中心狭缝，在远心测量镜头的实时高倍图像中调整样品方位，保证微试样平行受力轴，最后用紧固螺丝锁紧样品托。

所述的微拉头为高刚度长方形金属薄片，一端通过微加工技术加工有方c型中空结构，方c型中空结构的开口宽度略大于拉伸微试样标距宽度，用于将狗骨头微拉伸试样包含其中。

所述的精密加载单元为内置有线性编码器的压电陶瓷直线促动器，压电陶瓷直线促动器通过紧固件垂直固定于x轴电动平移台上，通过控制压电陶瓷直线促动器牵引样品台，向下运动实现位移控制的单向拉伸测试。

所述的载荷信号传感单元包括精密微型力传感器和相应的信号采集模块，用于测量和记录微试样的实时受力，力传感器的固定端通过螺纹直接固定于横梁，测量端则连接微拉头夹持杆。

系统还包括底座；操作台通过四根立柱ii设置在底座上方；操作台上部设置两根立柱iii并且两根立柱iii的连线与x轴呈角度设置，以保证对中显微镜头平行于x轴；横梁通过圆孔套在两根立柱iii上，并用螺丝固定，横梁的高度位置可上下自由调节。

所述高倍对中显微镜头和ccd工业相机ⅱ通过对中镜头紧固块固定在其中一根立柱iii上，用于观察试样侧面。

所述高倍远心测量镜头平行于y轴，通过固定块固定于手动三维平移台，再通过固定块和三根立柱i固定于底座。

所述的实时数字图像相关计算模块包括测量软件。

所述的x轴电动平移台和y轴电动平移台的位移精度优于1μm；所述的压电陶瓷直线促动器最大推拉力为10n，闭环位移精度为20nm以上；所述的远心测量镜头的光学放大倍率为20倍以上，对应的采集图像单像素物理尺寸为275nm；所述的ccd工业相机ⅰ的帧率为167帧/秒。

一种利用上述的测量系统测量材料介观尺度单向拉伸力学性能的方法，具体步骤如下：

步骤1：样品表面预制随机散斑；

步骤2：安装试样；

步骤3：通过测量软件抓取远心测量镜头的实时样品正面图像，作为起始参考图像；

步骤4：通过测量软件在样品平行标距段上、下端分别选取5到7个特征点，计算出上、下端特征点的平均距离作为初始标距段长度，并开始拉伸测试；

步骤5：测试过程中，测量软件自动抓取远心测量镜头的实时图像，并利用数字图像相关算法计算出所选取的特征点相对于初始参考图像的亚像素位移，分析标距段实时伸长量，结合实时受力的采集，绘制应力－应变曲线。

所述步骤2包括如下步骤：

步骤2-1：调节压电陶瓷直线促动器，使样品台下降到安全位置，将带有微试样的样品托插入样品台方形夹持块的中心狭缝；

步骤2-2：调节y轴电动平移台，使微试样与微拉头在y轴方向错开一定距离，然后调节压电陶瓷直线促动器，将微试样上升到远心测量镜头的视场中；

步骤2-3：在远心测量镜头的实时高倍图像中调整样品方位，保证微试样平行受力轴，然后用紧固螺丝锁紧样品托；

步骤2-4：调节x轴电动平移台和压电陶瓷直线促动器，使微试样与微拉头的方c中空结构完全对齐，同时保证微试样在x轴方向精确对中；

步骤2-5：调节y轴电动平移台，观察对中镜头的实时图像，将试样沿y轴方向移入微拉头的方c型中空结构，同时保证微试样在y轴方向精确对中。

本发明与现有技术相比，其显著优点如下：

1、该系统具有体积小、结构紧凑、测试精度高等的优点，可进行尺寸在数微米至数百微米之间的微试样的单向拉伸测试，确定材料的弹性模量、屈服强度、抗拉强度、拉伸塑性等力学性质，避免亚微米尺度测试的样品尺寸效应。

2、本发明集成非接触式的数字图像相关应变测量技术，精确测量介观尺度试样标距段的实时应变，消除现有技术利用机器位移估算应变产生的误差。

3、结合精密电动平移台以及正交分布的实时显微镜头，本发明同时实现了微试样正面和侧面的精确对中，降低离轴引起的测量误差，同时提高微试样安装的便捷性。

4、使用灵活方便，样品台以及微拉头均可根据不同测试样品以及测试条件更换。

5、无需真空环境，可独立使用，亦可结合x射线衍射、同步辐射、中子衍射等现代表征技术开展原位测试。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明整体外观结构示意图。

图2是本发明压电陶瓷促动器紧固件示意图。

图3是本发明样品台示意图。

图4是本发明微拉头示意图。

图5是本发明高倍远心测量镜头的实时图像。

图6是本发明高倍对中镜头的实时图像。

图7是本发明测量所得形变纯铜的典型应力应变曲线。

附图标记说明：

1-立柱i，2-立柱ii，3-底座，4-y轴步进电机，5-y轴平移台，6-压电陶瓷驱动器紧固件，7-x轴平移台，8-x轴步进电机，9-操作台，10-压电陶瓷直线促动器，11-样品台，12-立柱iii，13-微拉头，14-微拉头夹持杆，15-精密微型拉压力传感器，16-横梁，17-ccd工业相机i，18-高倍远心测量镜头，19-固定块i，20-手动三维平移台，21-固定块ⅱ，22-对中镜头紧固块，23-ccd工业相机ⅱ，24-高倍对中显微镜头，25-方形夹持块，26-紧固螺丝，27-可移动样品托，28-样品，29-方c型中空结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的具体结构和实施方式：

一种材料介观尺度单向拉伸测量系统，所述系统用于数微米至数百微米之间的介观尺度力学性能的测量，系统包括样品固定单元、样品对中单元、精密加载单元、载荷信号传感单元、数字图像相关应变测量单元以及操作台；

所述的数字图像相关应变测量单元设置在操作台(9)的一侧，用于对样品的正面进行图像采集，包括手动三维平移台(20)、高倍远心测量镜头(18)、ccd工业相机i(17)、高速图像采集卡以及实时数字图像相关计算模块；通过手动三维平移台(20)的三轴移动实现远心测量镜头(18)的聚焦和视场选择；所述的实时数字图像相关计算模块通过ccd工业相机i(17)实时抓取样品表面图像并利用数字图像相关算法计算出图像中事先选定特征点的亚像素位移和实时应变。

所述的样品对中单元包括对中操作机构和对中观察机构，对中操作机构设置在操作台(9)的下部，包括x轴电动平移台(7)及x轴步进电机(8)、y轴电动平移台(5)及y轴步进电机(4)，所述对中观察机构包括设置在操作台一侧的高倍对中显微镜头(24)、ccd工业相机ⅱ(23)及相应的图像采集卡，用于观察微试样侧面，以及设置在操作台另一侧的高倍远心测量镜头(18)、ccd工业相机i(17)及相应的高速图像采集卡，用于观察试样正面。

所述样品固定单元包括样品台和微拉头(13)，所述样品台包括心部加工有狭缝的方形夹持块(25)、可移动样品托(27)和紧固螺丝(26)。测试时，先用胶水将加工有微试样的样品(28)固定于样品托(27)的一端，然后把样品托(27)插入方形夹持块(25)的中心狭缝，在远心测量镜头(18)的实时高倍图像中调整样品方位，保证微试样平行受力轴，最后用紧固螺丝(26)锁紧样品托(27)。

所述的微拉头为高刚度长方形金属薄片，一端通过微加工技术加工有方c型中空结构(29)，方c型中空结构(29)的开口宽度略大于拉伸微试样标距宽度，用于将狗骨头微拉伸试样包含其中。

所述的精密加载单元为内置有线性编码器的压电陶瓷直线促动器(10)，压电陶瓷直线促动器(10)通过紧固件(6)垂直固定于x轴电动平移台(7)上，通过控制压电陶瓷直线促动器牵(10)引样品台，向下运动实现位移控制的单向拉伸测试。

所述的载荷信号传感单元包括精密微型力传感器(15)和相应的信号采集模块，用于测量和记录微试样的实时受力，力传感器(15)的固定端通过螺纹直接固定于横梁(16)，测量端则连接微拉头夹持杆(14)。

系统还包括底座(3)；操作台(9)通过四根立柱ii(2)设置在底座(3)上方；操作台(9)上部设置两根立柱iii(12)，并且两根立柱iii(12)的连线与x轴呈角度设置，以保证对中显微镜头(24)平行于x轴；横梁(16)通过圆孔套在两根立柱iii(12)上，并用螺丝固定，横梁(16)的高度位置可上下自由调节。

所述高倍对中显微镜头(24)通过对中镜头紧固块(22)固定在其中一根立柱iii(12)上，用于观察试样侧面。

所述高倍远心测量镜头(18)平行于y轴，通过固定块(19)固定于手动三维平移台(20)，再通过固定块(21)和三根立柱i(1)固定于底座(3)。

所述的实时数字图像相关计算模块包括测量软件。

一种利用上述的测量系统测量材料介观尺度单向拉伸力学性能的方法，具体步骤如下：

步骤1：样品表面预制随机散斑；

步骤2：安装试样；

步骤3：通过测量软件抓取远心测量镜头(18)的实时样品正面图像，作为起始参考图像；

步骤4：通过测量软件在样品平行标距段上、下端分别选取5到7个特征点，计算出上、下端特征点的平均距离作为初始标距段长度，并开始拉伸测试；

步骤5：测试过程中，测量软件自动抓取远心测量镜头(18)的实时图像，并利用数字图像相关算法计算出所选取的特征点相对于初始参考图像的亚像素位移，分析标距段实时伸长量，结合实时受力的采集，绘制应力－应变曲线。

所述步骤2包括如下步骤：

步骤2-1：调节压电陶瓷直线促动器(10)，使样品台下降到安全位置，将带有微试样的样品托(27)插入样品台方形夹持块(25)的中心狭缝；

步骤2-2：调节y轴电动平移台(5)，使微试样与微拉头(13)在y轴方向错开一定距离，然后调节压电陶瓷直线促动器(10)，将微试样上升到远心测量镜头(18)的视场中；

步骤2-3：在远心测量镜头(18)的实时高倍图像中调整样品方位，保证微试样平行受力轴，然后用紧固螺丝(26)锁紧样品托；

步骤2-4：调节x轴电动平移台(7)和压电陶瓷直线促动器(10)，使微试样与微拉头(13)的方c中空结构(29)完全对齐，同时保证微试样在x轴方向精确对中；

步骤2-5：调节y轴电动平移台(5)，观察对中镜头(24)的实时图像，将试样沿y轴方向移入微拉头(13)的方c型中空结构(29)，同时保证微试样在y轴方向精确对中。

下面以形变纯铜样品介观尺度拉伸测试为例说明本发明的使用过程：

(1)制备拉伸测试微试样：首先利用电火花线切割切出厚度500μm左右的铜片，并用砂纸将其磨薄至50μm左右；然后利用飞秒激光微加工系统切割出狗骨头形状的微拉伸试样，标距段长度250μm，宽度100μm，过度段为半径50μm的四分之一圆；最后通过轻微的电化学抛光清除表面划痕以及飞秒激光的加工痕迹和表层损伤层。

(2)喷制随机散斑：将微拉伸试样用502胶固定于样品托(25)，并用医用雾化器将黑色墨水雾化并溅射至样品表面。通过控制样品与喷嘴的距离和溅射时间，可获得均匀分散的随机墨点图案。

(3)试样安装：先调节驱动压电陶瓷促动器(10)使方形夹持块(25)下降到足够低的安全位置，将带有微试样的样品托(27)插入样品台方形夹持块(25)的中心狭缝，调节y轴电动平移台(5)，使得试样与微拉头在y方向上错开一定距离，然后调节压电陶瓷促动器(10)，将样品(28)上升到远心测量镜头(18)的视场中。在远心测量镜头(18)的实时高倍图像中调整样品方位，保证微试样平行受力轴，用紧固螺丝(26)锁紧样品托。调节x轴电动平移台(7)，使得试样与微拉头在x轴方向上对齐，然后驱动压电陶瓷促动器(10)将试样调整到与微拉头方c中空结构(29)对齐的位置，再次调节y轴电动平移台(5)，观察对中镜头(24)的实时图像，将试样沿y轴方向移入微拉头方c中空结构(29)的受力轴位置，如图5和6所示。

(4)开始测试：缓慢调节压电陶瓷促动器(10)，使试样与微拉头方c中空结构下边沿刚好接触，在远心测量镜头(18)实时图像中微试样平行标距段上下两端拾取特征点，设置测试位移速率，启动微拉伸测试。软件自动采集传感器(15)的信号，抓取远心测量镜头(18)的实时图像，并计算所选取特征点的位移和应变，绘制应力-应变曲线，如图7所示。