真空环境下的高温微纳米压痕测试装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种真空环境下的高温微纳米压痕测试装置与方法，属于机电一体化精密仪器领域。装置可用于真空环境，防止高温环境造成对压头和试样的氧化，削弱空气流动对试样加热的影响，保障试样加热温度稳定，进而开展对试样微观力学性能的测试分析，获取材料的硬度、弹性模量、蠕变特性以及力热耦合作用的特性参数等，以研究变温和高温环境对材料微观力学行为、变形损伤机制和微观组织结构演化的影响规律，指导材料及其制品设计制造、寿命预测和可靠性评估。装置结构紧凑，测量精度高，应用范围广，在材料科学、装备制造、钢铁冶金、国防军事和航空航天等领域具备广阔应用前景，本发明专利技术的测试方法将丰富材料微观力学性能测试的理论与技术体系。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种真空环境下的高温微纳米压痕测试装置与方法，属于机电一体化精密仪器领域。测试装置集精密驱动、温度加载、信号检测技术为一体，可应用于真空环境下，防止高温环境造成对压头和试件样品的氧化，并削弱因空气流动对被测样品加热效果的影响，保障被测样品加热温度稳定，进而开展对试件样品微观力学性能的测试分析，基于微纳米压痕测试技术获取材料的硬度、弹性模量、蠕变特性以及力热耦合作用的特性参数等，以研究变温和高温环境作用对材料微观力学行为、变形损伤机制和微观组织结构演化的影响规律，用以指导材料及其制品设计制造、及其制品的寿命预测和可靠性评估，同时为研究材料的高温蠕变特性提供有效的技术手段。测试装置结构紧凑、具有模块化的结构特点，操作简便，测量精度高，应用范围广，在材料科学、装备制造、钢铁冶金、生物工程、国防军事和航空航天等领域具备广阔的应用前景，本专利技术的测试方法将丰富材料微观力学性能测试的理论与技术体系
技术介绍
各类材料及其制品在服役期间的工作条件都十分复杂，其力学性能通常会随物理场的复杂作用而改变。如近年来在微电子、航空航天、光电子和纳米工程等领域应用日益广泛的高温合金、陶瓷等材料，其实际工作温度很高，传统的材料力学性能测试方法在测试精度和测试能力方面已经无法满足实际要求，不仅如此，一些常规材料在高温环境下也会有力学行为的变化，也需要在高温环境下对其进行力学性能测试实验，以得出温度对其力学性能的影响规律，以此指导材料及其制品设计制造，以免造成的事故或损失将难以估量。此外，国内尚无商业化的微纳米压痕仪，所用测试仪器依赖国外进口，并且存在价格昂贵、耗时长、高端技术封锁的现象，导致国内在相关领域的研究一直处于跟踪状态，原创成果很少。因此，研制一台集精密驱动、检测、温度控制、信号采集与处理等技术为一体的，具备我国自主知识产权的超高温微纳米压痕测试仪迫在眉睫。目前，国内外的高温压痕仪器大多数是通过加热平台提供温度场的，但由于加热平台提供的是开放式加热环境，而且加热方式是接触式加热，这样不仅无法给试件和压头提供高达1600℃这样一个超高温度的加热环境，而且无法保证压头和试件二者之间温差足够小，这样一旦二者接触就会有热量传递，由此将会引起二者膨胀和收缩，最终将造成位移和力的测量信号有漂移现象发生，这将导致测量数据不准确，需要后期对实验数据进行校核处理，以消除热温漂带来的误差，因为高温压痕实验的难点之一就在于解决压头和试件之间由于温差导致的温漂问题，所以上述问题急需解决。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种真空环境下的高温微纳米压痕测试装置与方法，解决了现有技术存在的上述问题。本专利技术是集精密驱动、检测、温度控制、信号采集与处理等技术为一体的高温微纳米压痕测试装置。测试装置可应用于真空环境下，防止高温环境造成对压头和试件样品的氧化，并削弱因空气流动对被测样品加热效果的影响，保障被测样品加热温度稳定，进而开展对试件样品微观力学性能的测试分析，基于微纳米压痕测试技术获取材料的硬度、弹性模量、蠕变特性以及力热耦合作用的特性参数等，以研究变温和高温环境作用对材料微观力学行为、变形损伤机制和微观组织结构演化的影响规律，用以指导材料及其制品设计制造、及其制品的寿命预测和可靠性评估，同时为研究材料的高温蠕变特性提供有效的技术手段。测试装置结构紧凑、具有模块化的结构特点，操作简便，测量精度高，应用范围广，在材料科学、装备制造、钢铁冶金、生物工程、国防军事和航空航天等领域具备广阔的应用前景，本专利技术的测试方法将丰富材料微观力学性能测试的理论与技术体系。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：真空环境下的高温微纳米压痕测试装置，包括Z向宏观调整模块、压痕精密加载模块、压痕测试模块、加热模块和偏心换点机构，Z向宏观调整模块装配在大理石基体5上，压痕精密加载模块通过柔性铰链连接架19安装在Z向宏观调整模块上，由压电叠堆21推动柔性铰链20使其下部结构产生精密位移，从而实现压痕的精密加载；压痕测试模块中，电容式位移传感器测量端7通过微动平台10固定在宏观调整平台18上，并通过位移测量板23的位移来实现位移信号的检测；力传感器22串联在柔性铰链20与水冷杆24之间，实现载荷信号的检测；加热模块由加热炉4、温度控制系统50以及热电偶51组成，通过在温度控制系统50中设定温度加载模式来实现加热炉内炉温的加载，并通过加热炉中的热电偶实时将测量的炉温反馈给温度控制系统从而实现炉温的闭环控制，加热炉4通过加热炉支板3固定在加热炉左、右支腿32、2上，加热炉左、右支腿32、2通过螺钉连接在大理石底座1上；热电偶51的测量端放置在加热炉4炉腔中，另一端通过导线与温度控制系统50相连，实时进行温度反馈，温度控制系统50与加热炉4之间通过导线传输温控信号；所述偏心换点机构的偏心换点机构电机39通过传动轴轴承端盖47固定在偏心换点机构支撑板31上，其产生的动力经偏心换点机构传动轴38、小齿轮36、大齿轮29传递给偏心换点机构冷却轴28，进而带动氧化铝耐热平台27、氧化铝耐热载物台26实现压痕测试过程中不同压入位置点的更换；偏心换点机构冷却轴28下部通过旋转接头连接法兰33与旋转接头34转子相连，旋转接头34定子经旋转接头固定架35固定在加热炉左支腿32上。所述的加热模块是：加热炉4通过加热炉支板3固定在加热炉左、右支腿32、2上，加热炉左、右支腿32、2通过螺钉连接在大理石底座1上；热电偶51的测量端放置在加热炉4炉腔中，另一端通过导线与温度控制系统50相连，实时进行温度反馈，温度控制系统50与加热炉4之间通过导线传输温控信号。所述的偏心换点机构是：偏心换点机构电机39通过螺纹连接固定在传动轴轴承端盖47上，并通过键连接在偏心换点机构传动轴38上，小齿轮36通过键连接在偏心换点机构传动轴38上，所述偏心换点机构传动轴38上安装在传动轴轴承45上，所述传动轴轴承45安装在偏心换点机构支承板31上，并用小齿轮轴套37、传动轴圆螺母46、传动轴轴承端盖47进行定位，大齿轮29与小齿轮36啮合，并通过键连接在偏心换点机构冷却轴28上，氧化铝耐热平台27通过顶丝安装在偏心换点机构冷却轴28上；氧化铝耐热载物台26通过螺纹连接在氧化铝耐热平台27，其上表面通过高温胶固定试件；偏心换点机构冷却轴28安装在冷却轴轴承42上，并通过大齿轮轴套30、冷却轴圆螺母43、冷却轴轴承端盖44进行定位，所述冷却轴轴承42安装在偏心换点机构支承板31上，所述冷却轴轴承端盖44和传动轴轴承端盖47用螺钉连接在偏心换点机构支承板31上，所述偏心换点机构支承板31通过螺钉连接在加热炉左、右支腿32、2上；旋转接头连接法兰33通过销连接在偏心换点机构冷却轴28上，旋转接头34转子通过螺钉连接在旋转接头连接法兰33上，旋转接头34定子用螺钉固定在旋转接头固定架35上，所述旋转接头固定架35用螺钉连接在加热炉左支腿32上；O型圈48安装在偏心换点机构冷却轴28的O型槽中并夹在偏心换点机构冷却轴28的下端面与旋转接头34转子上端面之间，以实现流道的密封。所述的真空环境下的高温微纳米压痕测试装置的主体通过大理石底座1固定在真空室系统49内。本专利技术的另一目的在于提供一种真空环境下的高温微纳米压痕测试方法，步本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种真空环境下的高温微纳米压痕测试装置，其特征在于：包括Z向宏观调整模块、压痕精密加载模块、压痕测试模块、加热模块和偏心换点机构，Z向宏观调整模块装配在大理石基体(5)上，压痕精密加载模块通过柔性铰链连接架(19)安装在Z向宏观调整模块上，由压电叠堆(21)推动柔性铰链(20)使其下部结构产生精密位移，从而实现压痕的精密加载；压痕测试模块中，电容式位移传感器测量端(7)通过微动平台(10)固定在宏观调整平台(18)上，并通过位移测量板(23)的位移来实现位移信号的检测；力传感器(22)串联在柔性铰链(20)与水冷杆(24)之间，实现载荷信号的检测；加热模块由加热炉(4)、温度控制系统(50)以及热电偶(51)组成，通过在温度控制系统(50)中设定温度加载模式来实现加热炉内炉温的加载，并通过加热炉中的热电偶实时将测量的炉温反馈给温度控制系统从而实现炉温的闭环控制，加热炉(4)通过加热炉支板(3)固定在加热炉左、右支腿(32、2)上，加热炉左、右支腿(32、2)通过螺钉连接在大理石底座(1)上；热电偶(51)的测量端放置在加热炉(4)炉腔中，另一端通过导线与温度控制系统(50)相连，实时进行温度反馈，温度控制系统(50)与加热炉(4)之间通过导线传输温控信号；所述偏心换点机构的偏心换点机构电机(39)通过传动轴轴承端盖(47)固定在偏心换点机构支撑板(31)上，其产生的动力经偏心换点机构传动轴(38)、小齿轮(36)、大齿轮(29)传递给偏心换点机构冷却轴(28)，进而带动氧化铝耐热平台(27)、氧化铝耐热载物台(26)实现压痕测试过程中不同压入位置点的更换；偏心换点机构冷却轴(28)下部通过旋转接头连接法兰(33)与旋转接头(34)转子相连，旋转接头(34)定子经旋转接头固定架(35)固定在加热炉左支腿(32)上。...

【技术特征摘要】
1.一种真空环境下的高温微纳米压痕测试装置，其特征在于：包括Z向宏观调整模块、压痕精密加载模块、压痕测试模块、加热模块和偏心换点机构，Z向宏观调整模块装配在大理石基体(5)上，压痕精密加载模块通过柔性铰链连接架(19)安装在Z向宏观调整模块上，由压电叠堆(21)推动柔性铰链(20)使其下部结构产生精密位移，从而实现压痕的精密加载；压痕测试模块中，电容式位移传感器测量端(7)通过微动平台(10)固定在宏观调整平台(18)上，并通过位移测量板(23)的位移来实现位移信号的检测；力传感器(22)串联在柔性铰链(20)与水冷杆(24)之间，实现载荷信号的检测；加热模块由加热炉(4)、温度控制系统(50)以及热电偶(51)组成，通过在温度控制系统(50)中设定温度加载模式来实现加热炉内炉温的加载，并通过加热炉中的热电偶实时将测量的炉温反馈给温度控制系统从而实现炉温的闭环控制，加热炉(4)通过加热炉支板(3)固定在加热炉左、右支腿(32、2)上，加热炉左、右支腿(32、2)通过螺钉连接在大理石底座(1)上；热电偶(51)的测量端放置在加热炉(4)炉腔中，另一端通过导线与温度控制系统(50)相连，实时进行温度反馈，温度控制系统(50)与加热炉(4)之间通过导线传输温控信号；所述偏心换点机构的偏心换点机构电机(39)通过传动轴轴承端盖(47)固定在偏心换点机构支撑板(31)上，其产生的动力经偏心换点机构传动轴(38)、小齿轮(36)、大齿轮(29)传递给偏心换点机构冷却轴(28)，进而带动氧化铝耐热平台(27)、氧化铝耐热载物台(26)实现压痕测试过程中不同压入位置点的更换；偏心换点机构冷却轴(28)下部通过旋转接头连接法兰(33)与旋转接头(34)转子相连，旋转接头(34)定子经旋转接头固定架(35)固定在加热炉左支腿(32)上。2.根据权利要求1所述的真空环境下的高温微纳米压痕测试装置，其特征在于：所述的加热模块是：加热炉(4)通过加热炉支板(3)固定在加热炉左、右支腿(32、2)上，加热炉左、右支腿(32、2)通过螺钉连接在大理石底座(1)上；热电偶(51)的测量端放置在加热炉(4)炉腔中，另一端通过导线与温度控制系统(50)相连，实时进行温度反馈，温度控制系统(50)与加热炉(4)之间通过导线传输温控信号。3.根据权利要求1所述的真空环境下的高温微纳米压痕测试装置，其特征在于：所述的偏心换点机构是：偏心换点机构电机(39)通过螺纹连接固定在传动轴轴承端盖(47)上，并通过键连接在偏心换点机构传动轴(38)上，小齿轮(36)通过键连接在偏心换点机构传动轴(38)上，所述偏心换点机构传动轴(38)上安装在传动轴轴承(45)上，所述传动轴轴承(45)安装在偏心换点机构支承板(31)上，并用小齿轮轴套(37)、传动轴圆螺母(46)、传动轴轴承端盖(47)进行定位，大齿轮(29)与小齿轮(36)啮合，并通过键连接在偏心换点机构冷却轴(28)上，氧化铝耐热平台(27)通过顶丝安装在偏心换点机构冷却轴(28)上；氧化铝耐热载物台(26)通过螺纹连接在氧化铝耐热平台(27)，其上表面通过高温胶固定试件；偏心换点机构冷却轴(28)安装在冷却轴轴承(42)上，并通过大齿轮轴套(30)、冷却轴圆螺母(43)、冷却轴轴承端盖(44)进行定位，所述冷却轴轴承(42)安装在偏心换点机构支承板(31)上，所述冷却轴轴承端盖(44)和传动轴轴承端盖(47)用螺钉连接在偏心换点机构支承板(31)上，所述偏心换点机构支承板(31)通过螺钉连接在加热炉左、右支腿(32、2)上；旋转接头连接法兰(33)通过销连接在偏心换点机构冷却轴(28)上，旋转接头(34)转子通过螺钉连接在旋转接头连接法兰(33)上，旋转接头(34)定子用螺钉固定在旋转接头固定架(35)上，所述旋转接头固定架(35)用螺钉连接在加热炉左支腿(32)上；O型圈(48)安装在偏心换点机构冷却轴(28)的O型槽中并夹在偏心换点机构冷却轴(28)的下端面与旋转接头(34)转子上端面之间，以实现流道的密封。4.根据权利要求1至3任意一项所述的真空环境下的高温微纳米压痕测试装置，其特征在于：所述的真空环境下的高温微纳米压痕测试装置的主体通过大理石底座(1)固定在真空室系统(49)内。5.一种真空环境下的高温微纳米压痕测试方法，其特征在于：步骤如下：a)初始化设置，通过计算机设置拟定实验加载条件，包括加载温度、载荷或位移加载函数、压头与试样材料参数、初始接触力值、泊松比参数的设定；并对真空室系统进行抽真空，并保持；通过泵给水冷杆、加热炉侧壁水冷系统以及旋转接头提供循环冷却水，以保证装置电器元件处于正常工作温度范围内，保证实验测量精度；b)A/D数据采集卡采集加载过程中载荷和位移传感器信号，并换算成载荷和位移值，呈现在计算机软件界面上；c)由计算机向温度控制系统发指令，温度控制系统开始按照计算机给的温度加载函数对加热炉输出电压信号，从而实现对压头和试件的温度加载；d)利用热电偶采集加热炉内的实时温度并将其反馈到温度控制系统和计算机，通过计算机软件将实时温度和预设加载温度进行比对，并调节温度控制系统输出电压信号对炉温进行闭环控制，直至达到预设值；e)通过计算机实时判断反馈回来的温度信号是否达到实验预设温度值；f)当计算机显示炉温已经达到预设温度时，先保载在这个温度1h，以消除压头和试件之间的温差；由计算机对宏观电机发出位移驱动指令，控制Z向宏观调整模块进行机械加载，使压头靠近试件；g)当压头接近试件的时候，调整计算机对宏观电机发出位移驱动指令，减小压头靠近试件的速度；当压头与试件接触后，即力值反馈信号开始增长，计算机会实时判断接触力值是否达到实验预设初始接触力值，直至达到实验预设初始接触力值，计算机根据此反馈信号控制Z向宏观调整模块停止进给；h)由计算机对宏观电机发...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宏伟，于淼，任露泉，洪坤，乔元森，刘航，方岱宁，裴永茂，曲兆亮，李莉佳，吴迪，孙兴栋，苗淼，周明星，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22