扫描电子显微镜中原位静-动态疲劳力学性能测试仪器制造技术

本发明专利技术涉及一种扫描电子显微镜中原位静

【技术实现步骤摘要】
扫描电子显微镜中原位静
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动态疲劳力学性能测试仪器


[0001]本专利技术涉及科学仪器与材料测试
，特别涉及一种扫描电子显微镜中原位静
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动态疲劳力学性能测试仪器，与扫描电子显微镜具有良好的兼容性，能够对材料的微观变形、疲劳裂纹扩展过程进行在线观测，为揭示材料在纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供了新的测试方法。

技术介绍

[0002]随着航空航天、微电子等高技术产业的迅猛发展，工业界对材料的性能又提出了新的要求，因此，探究材料在温度场、静
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动态机械载荷场多场耦合条件下的力学性能演化机制显得尤为重要。然而在传统的材料性能研究模式中，力学性能测试与显微结构研究独立进行，无法将材料微观组织变化的机理与材料宏观力学性能有效结合，综合表征材料的性能。
[0003]扫描电子显微镜是材料微观组织结构测试的重要工具，可以对宏观到微观，甚至纳米尺度的材料进行微结构跨尺度测量，是揭示材料微观组织结构的重要手段。同时扫描电子显微镜还可以配置电子背散射衍射仪（EBSD）和X
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射线能量色散谱仪（EDS），可以在一次实验过程中获取被测试样的微区形貌、微区成分以及晶体取向等关键信息。基于上述优势，美国MTI、英国Deben和德国Kamra
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Weiss等公司均发展了以扫描电子显微镜为主要应用平台的原位疲劳试验机。这些仪器虽然能够配合扫描电子显微镜进行材料微观性能测试，但是由于扫描电子显微镜内部空间和传统实验手段的限制，存在以下不足：（1）从驱动方式上来看，现有的原位疲劳试验机驱动方式大多是电机和液压驱动两种方式，其中电机驱动一般加载较为平稳，可以提供较大的载荷，但是只能实现低周疲劳加载，试验周期长，效率低下。液压驱动的疲劳试验机可以实现高频加载，但是液压驱动单元尺寸过大，且液压油在真空环境下的密封难以处理，需要对扫描电子显微镜专门改造，成本昂贵，通用性较差。
[0004]（2）从功能结构上来看，现有疲劳试验机只能提供单一载荷下的疲劳实验，如预拉伸载荷下的疲劳实验，无法与三点弯、剪切、压缩等不同载荷进行兼容使用。同时部分原位疲劳试验机由于结构受限，无法兼容热场，现有研究表明，材料的力学性能通常会随着其所在的温度场和应力场的复合作用发生改变。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种扫描电子显微镜中原位静
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动态疲劳力学性能测试仪器，解决了现有技术存在的上述问题。本专利技术结构紧凑，易和商业化的扫描电子显微镜集成，在扫描电子显微镜的动态监测下可开展任意给定应力或应变水平下的原位动态疲劳测试，并可开展高温环境下等幅或变频疲劳试验，测试频率、温度可控。同时本专利技术还可以通过更换不同的夹具，实现一台仪器多种载荷（拉伸、压缩、三点弯曲）下的疲劳测试，功能拓展性强。
[0006]本专利技术实现了在扫描电镜内在线原位监测材料疲劳实验过程中微观结构变化和损伤失效行为，可以实现对材料进行原位高温、高应力的静
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动态疲劳测试，还可集成拉伸、压缩、三点弯、四点弯、剪切等多种静态载荷模式，实现对材料力学性能试验的稳定、连续、准确的控制和表面变形及失效行为监测。
[0007]本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：扫描电子显微镜中原位静
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动态疲劳力学性能测试仪器，包括驱动单元21、支撑单元23、夹持单元22、测量单元24及加热单元25；所述支撑单元23支撑所述夹持单元22，并与扫描电子显微镜1的移动平台11连接；所述驱动单元21包括准静态力学载荷加载机构和动态疲劳载荷加载机构两部分，为样品构建静
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动态力学载荷耦合的加载环境；所述测量单元24测量样品的静
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动态力学载荷和位移；所述加热单元25为样品提供最高650℃的高温测试环境，所述加热单元25固定在支撑单元23的底板236上。
[0008]所述的准静态力学载荷加载机构是：真空型直流伺服电机211的输出轴与行星齿轮减速器212的一端连接，所述行星齿轮减速器212的输出轴与第一等径锥齿轮213相连，所述第一等径锥齿轮213通过顶丝固定在行星齿轮减速器212的转轴上；蜗杆215的一端连接第二等径锥齿轮214，中间连接第一蜗轮216和第二蜗轮217；所述第一蜗轮216和第二蜗轮217连接丝杠传动单元的第一丝杠218和第二丝杠219，并用顶丝和锁紧螺母进行周向和轴向定位锁紧；所述第一丝杠和第二丝杆两侧螺纹旋向相反，螺距相同，分别安装有第一螺母2110、第二螺母2111、第三螺母2112、第四螺母2113，以驱动夹持单元22，实现准静态力学载荷的加载。
[0009]所述的动态疲劳载荷加载机构由柔性铰链2114和压电叠堆2115组成，其中压电叠堆2115安装在柔性铰链2114的方形槽内，且其中心平面与夹持单元22的轴线处于同一平面；所述柔性铰链2114与支撑单元23的压电驱动固定块238刚性连接；所述压电驱动固定块238与第二螺母座2319刚性连接。
[0010]所述的夹持单元22采用过渡夹具设计，实现包括拉伸、压缩、三点弯曲、四点弯曲、剪切载荷夹具的快速更换，包括第一过渡夹具222、第二过渡夹具块226；所述第一过渡夹具222与测量单元24的应变式力传感器242、压电力传感器243刚性连接，所述第二过渡夹具块226与支撑单元23的柔性铰链连接板2310刚性连接；所述第一、第二过渡夹具块上切割有带有圆弧过渡的卡槽，用于实现不同夹具的快速安装和准确定位；所述第一、第二过渡夹具块的底部分别安装有第一过渡夹具支撑调节板223、第二过渡夹具支撑调节板225，通过调整所述第一、第二过渡夹具支撑调节板的厚度，实现夹具在高度方向的调整，适应扫描电子显微镜的不同工作距离。
[0011]所述的过渡夹具为三点弯曲夹具，其第一弯曲夹具体2214c一端固定于第一过渡夹具222的卡槽内，另一端两侧的圆弧槽内放置有支撑滚柱2212c，并用拉簧2211c紧固；弯曲试样2215c紧贴支撑滚柱2212c放置，并用牛角托架2216c支撑，所述牛角托架2216c通过螺钉二2213c与第一弯曲夹具体2214c固定连接；所述第一弯曲夹具体2214c预设不同间距的圆弧槽，通过调整支撑滚柱2212c的间距，实现不同跨度的弯曲
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疲劳测试。
[0012]所述的第二过渡夹具块226的轴颈通过支撑单元的圆柱滚子轴承2317作为径向支撑，同时保留轴线的自由度，允许疲劳载荷作用于试样上，另一端通过螺纹与柔性铰链连接板2310相连，所述圆柱滚子轴承2317安装于第二螺母座2319中心孔内。
[0013]所述的测量单元24包括位移测量系统和载荷测量系统，所述位移测量系统包括光栅尺2413和读数头2411，所述读数头安装在固定外壳2412上，且所述固定外壳2412上设有U型槽，用于读数头与光栅尺之间距离的微调；所述光栅尺安装在安装板2414上，安装板2414上设有与光栅尺等宽的凸台，用于光栅尺的安装定位；所述固定外壳2412和安装板本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种扫描电子显微镜中原位静
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动态疲劳力学性能测试仪器，其特征在于：包括驱动单元（21）、支撑单元（23）、夹持单元（22）、测量单元（24）及加热单元（25）；所述支撑单元（23）支撑所述夹持单元（22），并与扫描电子显微镜（1）的移动平台（11）连接；所述驱动单元（21）包括准静态力学载荷加载机构和动态疲劳载荷加载机构两部分，为样品构建静
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动态力学载荷耦合的加载环境；所述测量单元（24）测量样品的静
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动态力学载荷和位移；所述加热单元（25）为样品提供最高650℃的高温测试环境，所述加热单元（25）固定在支撑单元（23）的底板（236）上。2.根据权利要求1所述的扫描电子显微镜中原位静
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动态疲劳力学性能测试仪器，其特征在于：所述的准静态力学载荷加载机构是：真空型直流伺服电机（211）的输出轴与行星齿轮减速器（212）的一端连接，所述行星齿轮减速器（212）的输出轴与第一等径锥齿轮（213）相连，所述第一等径锥齿轮（213）通过顶丝固定在行星齿轮减速器（212）的转轴上；蜗杆（215）的一端连接第二等径锥齿轮（214），中间连接第一蜗轮（216）和第二蜗轮（217）；所述第一蜗轮（216）和第二蜗轮（217）连接丝杠传动单元的第一丝杠（218）和第二丝杠（219），并用顶丝和锁紧螺母进行周向和轴向定位锁紧；所述第一丝杠和第二丝杆两侧螺纹旋向相反，螺距相同，分别安装有第一螺母（2110）、第二螺母（2111）、第三螺母（2112）、第四螺母（2113），以驱动夹持单元（22），实现准静态力学载荷的加载。3.根据权利要求1所述的扫描电子显微镜中原位静
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动态疲劳力学性能测试仪器，其特征在于：所述的动态疲劳载荷加载机构由柔性铰链（2114）和压电叠堆（2115）组成，其中压电叠堆（2115）安装在柔性铰链（2114）的方形槽内，且其中心平面与夹持单元（22）的轴线处于同一平面；所述柔性铰链（2114）与支撑单元（23）的压电驱动固定块（238）刚性连接；所述压电驱动固定块（238）与第二螺母座（2319）刚性连接。4.根据权利要求1或2所述的扫描电子显微镜中原位静
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动态疲劳力学性能测试仪器，其特征在于：所述的夹持单元（22）采用过渡夹具设计，实现包括拉伸、压缩、三点弯曲、四点弯曲、剪切载荷夹具的快速更换，包括第一过渡夹具（222）、第二过渡夹具块（226）；所述第一过渡夹具（222）与测量单元（24）的应变式力传感器（242）、压电力传感器（243）刚性连接，所述第二过渡夹具块（226）与支撑单元（23）的柔性铰链连接板（2310）刚性连接；所述第一、第二过渡夹具块上切割有带有圆弧过渡的卡槽，用于实现不同夹具的快速安装和准确定位；所述第一、第二过渡夹具块的底部分别安装有第一过渡夹具支撑调...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘长宜，黄令帅，李鸣鹤，马嵩宁，赵宏伟，邢文娟，李俊蓉，王子威，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：