本发明专利技术涉及一种双轴向拉伸/压缩模式扫描电镜下力学测试装置，属于机电类的材料性能测试仪器。包括由高精度直流伺服电机、三级大减速比减速机构、小导程滚珠丝杠螺母副及导轨机构组成的双向加载及传动单元，该测试装置可以极低速的准静态模式实现载荷的精密施加，同时通过四路载荷/位移信号的同步精密采集并结合以载荷、位移或变形信号作为反馈源的闭环控制策略，该测试装置亦可开展涵盖单轴拉伸/压缩模式、双轴等速/变速同步拉伸/压缩模式或双轴等速/变速异步拉伸/压缩模式等多种类型的材料力学性能测试模式，且各轴的驱动、传动及检测单元独立，互不干涉。优点在于：该测试装置结构紧凑、精巧，与扫描电镜等成像仪器的兼容性好。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及机电类的材料性能测试仪器，特别涉及一种双轴向拉伸/压缩模式扫描电镜下力学测试装置。
技术介绍
双轴向拉伸作为材料力学性能测试的重要手段，主要采用两个方向同时施加载荷的方法对有较大泊松比和各向异性的非均匀材料进行测试，一般要求测试中有多种测量模式可供选择，如双轴定拉力比、定伸长比、定蠕变比和定松弛比等模式，并可结合载荷/位移传感器和相关算法，获取弹性模量、屈服强度、抗拉强度、泊松比等重要力学参数。其中，弹性模量、屈服强度、抗拉强度等参数均可通过单轴拉伸等实验方法测定。此外，泊松现象是指材料沿载荷方向产生伸长(或缩短)变形的同时，在垂直于载荷的方向会产生缩短(或伸长)变形，垂直方向上的应变与载荷方向上的应变之比称为材料的泊松比。目前，双轴向拉伸的材料力学性能测试仪器没有相关的国家标准，国际上也处于草案修订阶段。已有的双轴向拉伸试验机主要用于平面织物或者涂层复合材料的双轴向力学性能测试，亦有针对岩土等建筑或地质材料所进行测试的相关报道，缺乏对特征尺寸毫米或者厘米级以上三维宏观金属材料、高分子材料等的相关研究，且此类仪器多通过步进电机带动滚珠丝杠结合直线轴承或导轨组件实现的双轴向拉伸，被测试件宽度与夹头协调对应。与此同时，原位微纳米力学测试技术是指在微纳米尺度下对试件材料进行力学性能测试过程中，通过电子显微镜、原子力显微镜和或光学显微镜等成像仪器对载荷作用下材料发生的微观变形、损伤直至失效破坏的过程进行全程动态监测的一种力学测试技术。因此，一些现有双轴向拉伸仪器通常配备有连续变倍的长焦距光学镜头和反射光源、透射光源，可对被测材料的组织纹理结构的形态及其变化进行观测，且被测材料的应变值亦往往通过光学方法标定测量。此类仪器往往因其较大的结构尺寸限制，无法内置于扫描电子显微镜的真空腔体内，因此受限于光学显微成像系统的成像原理及放大倍率，无法深入揭示材料的微观变形、损伤机制。此外，由于材料尺寸效应的存在，微构件与宏观试件的力学性能迥然不同，因此开展特征尺寸毫米级以上宏观试件的力学测试，更符合各类材料实际工况下服役性能测试的要求。综上所述，扫描电镜下双轴拉伸/压缩材料力学性能测试装置尚属萌芽状态，具体表现为从在结构上，此类仪器多通过驱动、传动的串联布局，往往造成整机结构尺寸较大，且在一定程度上削弱系统刚度；从观测手段上看，因受限于扫描电子显微镜的真空腔体积限制，此类仪器尚无法实现与扫描电镜的结构兼容，且与扫描电镜的真空兼容性及电磁兼容性尚无法确定。同时，光学显微镜因其成像原理的问题，存在着明显的放大倍率不足的缺点，原子力显微镜则具有成像速度过慢的缺点，两种观测方法均难以深入研究载荷变化对材料力学行为和损伤机制的影响规律。相比这类常用仪器，扫描电镜拥有成像高度高，放大倍率高，成像效果清晰等优点。因此，设计一种体积小巧、结构紧凑，测试精度高，且能与电子显微镜实现兼容使用的双轴向拉伸/压缩模式材料力学性能测试装置可为原位力学测试领域提供新的研究手段，即可对材料在双轴向载荷作用下的微观力学行为及变形损伤机制进行深入研究。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种双轴向拉伸/压缩模式扫描电镜下力学测试装置，解决了现有技术存在的上述问题。本专利技术是一种可与Zeiss EVO 18型扫描电子显微镜兼容使用的双轴向拉伸/压缩模式扫描电镜下力学测试装置，属材料力学性能测试类仪器。基于由高精度伺服电机、三级大减速比减速机构、小导程滚珠丝杠螺母副及导轨机构组成的精 密驱动单元及精密传动单元，该测试装置可以极低速的准静态模式实现载荷的精密施加，同时通过四路载荷/位移信号的同步精密采集并结合以载荷、位移及变形信号作为反馈量的闭环控制策略，该测试装置亦可开展涵盖单轴拉伸/压缩模式、双轴等速/变速同步拉伸/压缩模式、双轴等速/变速异步拉伸/压缩模式等多种类型的材料力学性能测试模式，且各轴驱动、传动及检测单元独立，互不干涉，即各轴加载次序及应变速率可控。此外，该测试装置结构紧凑、精巧，亦可安装于光学显微成像系统或X射线衍射仪的载物平台上，可在上述多类仪器的观测下开展二维或三维宏观试件的原位力学测试，对双轴应力作用下各类材料的各向异性力学性能与损伤机制相关性进行深入研究。因双轴可独立驱动，且双轴载荷/位移信号的检测独立，可以进行协调控制，即拉伸过程中动态控制各轴的应力/应变比，故亦属于复合试验机类。该装置可广泛用于金属材料、薄膜材料、高分子材料等的各项异性力学性能分析。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现 双轴向拉伸/压缩模式扫描电镜下力学测试装置，包括双向加载及传动单兀、双向信号检测及控制单元、夹具体单元及基座单元，所述双向加载及传动单元，包含精密直流伺服电机、三级减速机构、滚珠丝杠螺母-导轨传动机构，以单向驱动加载为例，直流伺服电机-I I输出的精密旋转运动通过由三级减速机构实现降低转速、提高扭矩，并通过精密滚珠丝杠螺母-导轨传动机构将旋转运动转换成精密直线运动；所述精密滚珠丝杠螺母-导轨传动机构由滚珠丝杠-I 11、滚珠丝杠法兰-I 54、滚珠丝杠套筒-I 15、导轨30、滑块57组成；齿轮减速器-I 49与直流伺服电机-I I同轴安装，并通过电机法兰-I 2与下层基座20连接，一级蜗杆-I 3通过其上的螺钉与齿轮减速器-I 49的输出轴套接，二级蜗杆-I 7套接于蜗杆轴-I 5上，并通过蜗杆轴止动轴承-1、11 50、53定位，滚珠丝杠-I 11通过丝杠内、外止动轴承46、45及丝杠内、外止动套环51、52实现其轴向定位，并通过滚珠丝杠轴承座-I 10与上层基座19连接，滚珠丝杠套筒-I 15与滚珠丝杠法兰-I 54刚性连接并整体安装于滑块57上，导轨30及滑块57用于滚珠丝杠套筒-I 15的导向，且基座20的设计有两组平行凹槽，用于导轨30的直线定位； 所述的双向信号检测及控制单元包含精密拉压力传感器-I、II 28、21、位移传感器-I、II 16、43及编码器-I、II 48,55,同样以单向信号检测为例说明，位移传感器-I 16的基体部分间隙安装于位移传感器基座-I 13内，并通过位移传感器紧固螺钉-I 12对其进行紧固，其前端可伸缩探头与位移传感器支承座-I 24在测试过程中始终保持弹性接触状态，且位移传感器基座-I 13与滚珠丝杠套筒-I 15为同一整体结构，位移传感器支承座-I 24与力传感器支承座-I 27刚性连接，且通过位移传感器支承座-I 24上的凹槽以及力传感器支承座-I上的凸棱柱接触配合定位，即位移传感器-I 16所检测到的实际位移为滚珠丝杠套筒-I 15与力传感器支承座-I 27之间的相对位移；精密拉压力传感器-I 28分别与下层基座20及力传感器支承座-I 27通过螺纹方式刚性连接，且下层基座20末端设计有台阶面以对精密拉压力传感器-I 28进行面定位；编码器-I 48为高线数光电编码器，与直流伺服电机-I I的转子同轴安装；另一方向的信号检测模式与上述实现方法相同，因此，可基于载荷/变形双路模拟信号及编码器的标定位移数字信号的采集实现单一加载方向的信号检测，同时上述三种信号亦可作为直流伺服电机-I I的脉冲/方向闭环控制模式的反馈信号源，即测试装置可实现恒变形速率、恒载荷速率及恒位移速率三种加本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种双轴向拉伸/压缩模式扫描电镜下力学测试装置，其特征在于包括双向加载及传动单元、双向信号检测及控制单元、夹具体单元及基座单元，所述双向加载及传动单元，包含精密直流伺服电机、三级减速机构、滚珠丝杠螺母-导轨传动机构，直流伺服电机-1 (I)输出的精密旋转运动通过由三级减速机构实现降低转速、提高扭矩，并通过精密滚珠丝杠螺母-导轨传动机构将旋转运动转换成精密直线运动；齿轮减速器-I (49)与直流伺服电机-I (I)同轴安装，并通过电机法兰-I (2)与下层基座(20)连接，一级蜗杆-I(3)通过其上的螺钉与齿轮减速器-I (49)的输出轴套接，二级蜗杆-I (7)套接于蜗杆轴-I (5)上，并通过蜗杆轴止动轴承-I、11(50、53)定位，滚珠丝杠-I (11)通过丝杠内、外止动轴承(46、45)及丝杠内、外止动套环(51、52)实现其轴向定位，并通过滚珠丝杠轴承座-I (10)与上层基座(19)连接，滚珠丝杠套筒-I (15)与滚珠丝杠法兰-I (54)刚性连接并整体安装于滑块(57)上，导轨(30)及滑块(57)用于滚珠丝杠套筒-I (15)的导向，且基座(20)的设计有两组平行凹槽，用于导轨(30)的直线定位； 所述的双向信号检测及控制单元包含精密拉压力传感器-I、11(28、21)、位移传感 器-I、11(16、43)及编码器-I、11(48、55)，位移传感器-I (16)的基体部分间隙安装于位移传感器基座-I (13)内，并通过位移传感器紧固螺钉-I (12)对其进行紧固，其前端可伸缩探头与位移传感器支承座-I (24)在测试过程中始终保持弹性接触状态，且位移传感器基座-I (13)与滚珠丝杠套筒-I (15)为同一整体结构，位移传感器支承座-I(24)与力传感器支承座-I (27)刚性连接，且通过位移传感器支承座-I (24)上的凹槽以及力传感器支承座-I上的凸棱柱接触配合定位，即位移传感器-I (16)所检测到的实际位移为滚珠丝杠套筒-I (15)与力传感器支承座-I (27)之间的相对位移；精密拉压力传感器-I (28)分别与下层基座(20)及力传感器支承座-I (27)通过螺纹方式刚性连接，且下层基座(20)末端设计有台阶面以对精密拉压力传感器-I (28)进行面定位；编码器-I (48)为高线数光电编码器，与直流伺服电机-I (I)的转子同轴安装； 所述的夹具体单元包含标准试件(25)，其通过夹持端的通孔实现其各轴向定位，并与具有单面滚花状结构的四组压板(26)、夹具体-I、11(14、42)及力...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵宏伟，马志超，李秦超，王开厅，胡晓利，黄虎，张霖，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：
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