本實用新型屬于材料力學行為精密測試領域，特別涉及一種微型脆性材料斷裂行為測試裝置。
背景技術：
了解材料的斷裂行為對器件、結構的可靠性設計具有重要指導意義，傳統(tǒng)的材料斷裂行為測試以宏觀實驗為主，測試的主要參數(shù)為斷裂韌性。隨著科技的發(fā)展，各種器件、結構的工作環(huán)境越來越復雜，迫使人們發(fā)展設計高可靠性的材料，人們不但需要測出材料的斷裂韌性，還要了解材料斷裂過程及影響材料斷裂行為的微觀因素。目前，學者們已經(jīng)開發(fā)出了一些小型實驗平臺，但是這些平臺用于測試脆性材料的斷裂行為時，存在精度、靈敏度不夠、控制難等問題，為此，我們研發(fā)了一套脆性材料斷裂行為的測試裝置，本實用新型采用手動荷載控制裝置和壓電致動器來控制荷載，手動荷載控制裝置用于對材料施加預荷載，壓電致動器用于對材料施加可控載荷，荷載通過信號采集卡、數(shù)據(jù)處理單元進行記錄和分析。
與傳統(tǒng)材料斷裂韌性測試裝置相比，本實用新型荷載的控制精度很高；另外，該裝置結構緊湊，可與顯微鏡(光學、掃描、透射)結合，在得到材料的斷裂韌性、裂紋擴展增韌曲線等數(shù)據(jù)的同時，原位觀測記錄材料斷裂過程及裂紋尖端的微結構演化行為。
技術實現(xiàn)要素：
本實用新型的目的是提供一種荷載控制精度高且結構緊湊的微型脆性材料斷裂行為測試裝置。
為解決上述技術問題，本實用新型采用如下技術方案：
一種微型脆性材料斷裂行為測試裝置，包括外框、第一固定件、試樣夾具、第二固定件、壓電致動器、力傳感器、手動荷載加載裝置、力傳感器固定件、驅動電源、控制單元和數(shù)據(jù)采集單元；其中：
外框內沿長度方向依次設有第一固定件、試樣夾具、第二固定件、壓電致動器、力傳感器；外框兩相對內側壁分別設有沿長度方向的軌道，第一固定件和第二固定件的兩端分別設于兩軌道上并可沿軌道滑動；試樣夾具設于第一固定件和第二固定件上且位于第一固定件和第二固定件之間，壓電致動器兩端分別連接第二固定件和力傳感器；
手動荷載加載裝置和力傳感器固定件分別設于外框的兩外端；手動荷載加載裝置連接第一固定件，其用來調節(jié)第一固定件位置和對試樣夾具上夾持的試樣進行荷載預加載；力傳感器固定件用來將力傳感器固定于外框上；
驅動電源用來給壓電致動器提供電場，控制單元用來控制驅動電源；數(shù)據(jù)采集單元與力傳感器信號連接，用來采集力傳感器的輸出信號。
作為優(yōu)選，壓電致動器包括壓電元件、兩絕緣件和兩連接件；
所述的壓電元件是由第一壓電單元和第二壓電單元在厚度方向交替層疊組成的疊層結構體，壓電元件最外側的兩壓電單元同時為第一壓電單元或第二壓電單元，疊層結構體中第一壓電單元和第二壓電單元的總數(shù)不小于2；第一壓電單元的上表面和下表面分別帶有第一內部電極和第二內部電極，第二壓電單元的上表面和下表面分別帶有第二內部電極和第一內部電極；第一壓電單元和第二壓電單元呈長條狀，尺寸均為a×b×c，其中，a:b:c＝(50～100)：(5～10)：1，c不大于2mm；
所有的第一內部電極均引出到第一導電件，所有的第二內部電極均引出到第二導電件，驅動電源通過第一導電件和第二導電件分別向第一內部電極和第二內部電極施加驅動電壓；
兩連接件分別設于壓電元件兩端，壓電元件上與連接件接觸的區(qū)域覆蓋絕緣件。
進一步的，內部電極不完全覆蓋壓電單元的長度方向，同時，內部電極完全或部分覆蓋壓電單元的寬度方向；這里，內部電極為第一內部電極或第二內部電極，壓電單元為第一壓電單元或第二壓電單元；其中：
第一壓電單元上表面上，電極區(qū)域位于非電極區(qū)域的第一側；其下表面上，電極區(qū)域位于非電極區(qū)域的第二側；第二壓電單元下表面上，電極區(qū)域位于非電極區(qū)域的第一側；其上表面上，電極區(qū)域位于非電極區(qū)域的第二側。
進一步的，壓電致動器兩端分別通過第二螺紋桿和第三螺紋桿連接第二固定件和力傳感器。
進一步的，外框僅包括4個側壁，上下兩面通透貫穿。
作為優(yōu)選，試樣夾具包括第一夾板、第二夾板、第一底板和第二底板，第一夾板設于第一固定件上與第二固定件相對的一端，第二夾板設于第二固定件上與第一固定件相對的一端；第一底板和第二底板分別固定于第一夾板和第二夾板上。
進一步的，手動荷載加載裝置包括手柄和第一螺紋桿，第一螺紋桿一端連接手柄，另一端連接第一固定件。
進一步的，力傳感器固定件由內外兩側均帶螺紋的空心螺紋桿和套于空心螺紋桿外的螺帽組成，力傳感器上所設第四螺紋桿套接于空心螺紋桿內。
與傳統(tǒng)材料斷裂韌性測試裝置相比，本實用新型具有以下優(yōu)點：
(1)采用壓電致動器施加荷載，荷載控制精度高。
(2)結構緊湊，可與顯微鏡(光學、掃描和透射)結合，獲得材料的斷裂韌性、裂紋擴展增韌曲線等數(shù)據(jù)的同時，還可以原位觀測記錄材料斷裂過程及裂紋尖端的微結構演化過程。
(3)優(yōu)選方案中，本實用新型采用的疊層致動器基于壓電材料的橫向效應(即d31效應)，可進一步提高荷載控制精度。
附圖說明
圖1為本實用新型裝置的具體結構示意圖；
圖2為壓電致動器的具體結構示意圖；
圖3為試樣夾具的具體結構示意圖；
圖4為本實用新型裝置的應用實例示意圖。
圖中，1-外框，2-第一固定件，3-第二固定件，4a-第一底板，4b-第二底板，5-壓電致動器，6-力傳感器，7-手柄，8-力傳感器固定件，9-驅動電源，10-控制單元，11-數(shù)據(jù)采集單元，12-第一螺紋桿，13-第二螺紋桿，14-第三螺紋桿，15-第四螺紋桿，16-壓電元件，17-絕緣件，18-連接件，19a-第一夾板，19b-第二夾板，20-試樣，21-顯微鏡，22-圖像采集裝置，23-計算機。
具體實施方式
下面將通過具體實施方式，并結合附圖對本實用新型技術方案及其技術效果做進一步說明。
參見圖1，微型脆性材料斷裂行為測試裝置包括外框1、第一固定件2、試樣夾具4、第二固定件3、壓電致動器5、力傳感器6、手動荷載加載裝置、力傳感器固定件8、驅動電源9、控制單元10和數(shù)據(jù)采集單元11。外框1內沿長度方向依次設有第一固定件2、試樣夾具4、第二固定件3、壓電致動器5、力傳感器6。外框1兩相對內側壁還設有沿長度方向的軌道(未在圖中畫出)，第一固定件2和第二固定件3的兩端設于兩軌道上并可沿軌道滑動。試樣夾具4設于第一固定件2和第二固定件3上且位于第一固定件2和第二固定件3之間，壓電致動器5兩端分別連接第二固定件3和力傳感器6。手動荷載加載裝置和力傳感器固定件8分別設于外框1的兩外端。手動荷載加載裝置連接第一固定件2，其用來調節(jié)第一固定件2位置和對試樣夾具4上夾持的試樣進行荷載預加載。力傳感器固定件8用來將力傳感器6固定于外框1上。驅動電源9用來給壓電致動器5提供電場，控制單元10用來控制驅動電源9；數(shù)據(jù)采集單元11與力傳感器6信號連接，用來采集力傳感器6的輸出信號。
內置軌道的外框1要求結構剛度高、抗拉壓性能好，本實施例外框1為長方體形的不銹鋼外框，尺寸最大為200mm*50mm*30mm。所述的外框1僅包括4個側壁，上下兩面通透貫穿。沿長度方向的兩相對側壁內設軌道，沿寬度方向的兩相對側壁外分別固定有手動荷載加載裝置和力傳感器固定件8。
本實施例中，手動荷載加載裝置包括手柄7和第一螺紋桿12，第一螺紋桿12一端連接手柄7，另一端連接第一固定件2。第一固定件2的左端設有與第一螺紋桿12匹配的螺紋孔，第一螺紋桿12與該螺紋孔匹配連接。第二固定件3的右端設有第二螺紋桿13，第二螺紋桿13與壓電致動器5左端的螺紋孔匹配連接。力傳感器6左端設有第三螺紋桿14，第三螺紋桿14與壓電致動器5右端的螺紋孔匹配連接。力傳感器固定件8包括內外兩側均帶螺紋的空心螺紋桿和套于空心螺紋桿外的螺帽，力傳感器固定件8固定于外框1上。力傳感器6右端設有第四螺紋桿15，第四螺紋桿15與空心螺紋桿內側螺紋匹配，通過將第四螺紋桿15與空心螺紋桿連接，從而實現(xiàn)力傳感器6的固定。
本實施例中，驅動電源9按照控制單元10指定的電壓施加到壓電致動器5上，使壓電致動器5產(chǎn)生致動位移。數(shù)據(jù)采集單元11用來采集力傳感器6輸出的信號，并將采集的模擬信號轉化成數(shù)字信號。
見圖2，壓電致動器5包括壓電元件16、絕緣件17和連接件18。壓電元件16是由第一壓電單元和第二壓電單元在厚度方向交替層疊組成的疊層結構體，壓電元件最外側的兩壓電單元同時為第一壓電單元或第二壓電單元，疊層結構體中第一壓電單元和第二壓電單元的總數(shù)不小于2；第一壓電單元的上表面和下表面分別帶有第一內部電極和第二內部電極，第二壓電單元的上表面和下表面分別帶有第二內部電極和第一內部電極；第一壓電單元和第二壓電單元呈長條狀，尺寸均為a×b×c，其中，a:b:c＝(50～100)：(5～10)：1，c不大于2mm。所有的第一內部電極均引出到第一導電件，所有的第二內部電極均引出到第二導電件，驅動電源9通過第一導電件和第二導電件分別向第一內部電極和第二內部電極施加驅動電壓。兩連接件18分別設于壓電元件16兩端，兩連接件18上分別設有與第二螺紋桿13、第三螺紋桿14匹配的螺紋孔。壓電元件16上與連接件18接觸的區(qū)域覆蓋有絕緣件17，絕緣件17用來對連接件18進行絕緣保護。本實施例壓電致動器的壓電元件，其長度方向的尺寸遠大于厚度方向，該壓電元件基于d31效應，可直接輸出拉伸致動，且具有較大的輸出力。
見圖3，試樣夾具包括第一夾板19a、第二夾板19b、第一底板4a和第二底板4b，第一夾板19a設于第一固定件2上與第二固定件3相對的一端，第二夾板19b設于第二固定件3上與第一固定件2相對的一端；第一底板4a和第二底板4b通過螺栓分別固定于第一夾板19a和第二夾板19b上，試樣20通過銷釘同時固定于第一底板4a和第二底板4b上。
下面將結合圖4，以試樣的緊湊拉伸原位力學測試為例，提供本實用新型裝置的工作流程。
(1)制備試樣，試樣尺寸要在允許尺寸范圍內，如尺寸為20mm*20mm*3mm的試樣。
(2)采用螺栓將試樣夾具固定于第一固定件2和第二固定件3上。
(3)分別調試和校準力傳感器6和壓電致動器5，擰動手動荷載加載裝置的手柄7，將第一固定件2和第二固定件3調至和試樣匹配的初始位置。
(4)用銷釘將試樣固定于試樣夾具上。
(5)旋轉手柄7對試樣進行加載，直至加載到設定的預加載的荷載值。
(6)將外框1置于顯微鏡21的載物臺上，調節(jié)焦距并對焦，擰動手柄7，將荷載緩慢加載到預設荷載附近(小于極限荷載)，粗調荷載；再利用壓電致動器5緩慢加載，直至試樣斷裂。整個過程可在顯微鏡21下觀察，也可以通過圖像采集裝置22拍攝并傳輸至計算機23；同時，計算機23還通過數(shù)據(jù)采集單元11記錄荷載變化。
(7)對計算機23記錄下的荷載變化數(shù)據(jù)和影像資料進行整理分析。
上述方法可可獲得試樣的斷裂韌性、裂紋擴展增韌曲線等數(shù)據(jù)，還能結合圖像采集裝置22拍攝的影像資料分析試樣的損傷變形機理，以及裂紋擴展過程中裂紋尖端的物理現(xiàn)象等力學行為，可對試樣斷裂行為的深入研究提供必要的技術支持。
本文中所描述的具體實例僅僅是對本實用新型精神作舉例說明。本實用新型所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本實用新型的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。
盡管本文較多地使用了外框、第一固定件、第二固定件、試樣夾具、壓電致動器、力傳感器、手動荷載加載裝置、力傳感器固定件、驅動電源、控制單元、數(shù)據(jù)采集單元等術語，但并不排除使用其它術語的可能性。使用這些術語僅僅是為了更方便地描述和解釋本實用新型的本質；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本實用新型精神相違背的。