一种材料介观尺度单向拉伸测量系统技术方案

本实用新型专利技术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。所述系统用于数微米至数百微米之间的微试样力学性能的测量，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，包括三维平移台、高倍远心测量镜头、CCD工业相机、高速图像采集卡以及实时数字图像相关计算模块。该系统借助精密电动平移台和高分辨率光学显微镜实现样品的准确对中；同时通过数字图像相关技术非接触测量样品标距段的实时应变，绘制应力‑应变曲线，具有体积小、结构紧凑、测试精度高等的优点。

A Mesoscale Unidirectional Tensile Measurement System for Materials

【技术实现步骤摘要】
一种材料介观尺度单向拉伸测量系统
本技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本技术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。实现本技术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。本技术与现有技术相比，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、本技术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、结合精密电动平移本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种材料介观尺度单向拉伸测量系统，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种材料介观尺度单向拉伸测量系统，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的材料介观尺度单向拉伸测量系统，其特征在于，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。3.根据权利要求2所述的材料介观尺度单向拉伸测量系统，其特征在于，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)。4.根据权利要求3所述的材料介观尺度单向拉伸测量系统，其特征在于，所述的微拉头为高刚度长方形金属薄片，一端通过微加工...

【专利技术属性】
技术研发人员：尤泽升，王浩，付浩，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：新型
国别省市：江苏,32