拉伸-剪切預(yù)載荷原位壓痕測(cè)試裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及精密科學(xué)儀器領(lǐng)域，特別涉及一種拉伸-剪切預(yù)載荷原位壓痕測(cè) 試裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] -直以來(lái)，在材料力學(xué)測(cè)試的諸多力學(xué)性能參數(shù)中，彈性模量、屈服極限、強(qiáng)度極 限、伸長(zhǎng)率和切變模量等參數(shù)是最主要的測(cè)試對(duì)象，針對(duì)上述材料的性能參數(shù)有很多種測(cè) 試方法，如拉伸/壓縮法、彎曲法、扭轉(zhuǎn)法、鼓膜法和納米壓痕法等。但是如上所述的諸多方 法都是針對(duì)單一載荷，即單次試驗(yàn)僅能得出材料的單一性能參數(shù)，且每種測(cè)試方法都需要 特定的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行試驗(yàn)，十分繁瑣。
[0003] 另外，現(xiàn)有的測(cè)試儀器由于僅能進(jìn)行單一力學(xué)性能的測(cè)試，無(wú)法對(duì)兩種及以上的 受力情況進(jìn)行復(fù)合試驗(yàn)，這樣無(wú)法得知材料在復(fù)合載荷過(guò)程中各種因素相互影響下材料的 力學(xué)性能與單一載荷過(guò)程中單一因素影響下的力學(xué)性能是否會(huì)發(fā)生改變。并且僅有單一力 學(xué)性能的測(cè)試對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的適用性是不利的，由于材料在真實(shí)服役條件下大多數(shù)情況還是 承受復(fù)合載荷的，所以當(dāng)我們利用在單一載荷情況下得出的材料性能數(shù)據(jù)對(duì)真實(shí)服役條件 下的材料進(jìn)行校核計(jì)算時(shí)，不一定是準(zhǔn)確的。例如，材料有可能在承受剪切的情況下其彈性 模量的降低，或材料在承受拉伸的情況下其表面硬度的降低都會(huì)影響其校核的準(zhǔn)確性。
[0004] 目前還沒(méi)有比較成熟的集拉伸、剪切以及壓痕為一體的多載荷試驗(yàn)儀器，并且傳 統(tǒng)拉剪儀器也僅有特定的角度可以進(jìn)行試驗(yàn)。該三種載荷集成的主要困難主要體現(xiàn)在如下 幾個(gè)方面：1.如何能夠?qū)崿F(xiàn)試件自由改變角度的鎖緊；2.如何能夠在自由改變角度的情況 下保證裝置鎖緊的可靠性性、快速性以及準(zhǔn)確性；3.由于拉剪復(fù)合裝置已經(jīng)具有足夠的復(fù) 雜性，如何能夠在不影響功能的情況下盡量簡(jiǎn)化壓痕模塊。
[0005] 綜上所述，一套能夠集拉伸、剪切及壓痕為一體的多載荷材料力學(xué)測(cè)試儀器對(duì)于 材料力學(xué)性能測(cè)試具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本實(shí)用新型的目的在于提供一種拉伸-剪切預(yù)載荷原位壓痕測(cè)試裝置，解決了現(xiàn) 有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，尤其解決了多載荷同時(shí)作用于材料情況下不同載荷對(duì)材料力學(xué)性 能的影響問(wèn)題。能夠集拉伸、剪切及壓痕為一體的材料力學(xué)測(cè)試裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)拉伸、剪 切壓痕的共同負(fù)載；能夠?qū)崿F(xiàn)自由改變?cè)嚰A持角度；采用懸臂結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化壓痕模塊裝 置；采用兩級(jí)壓電疊堆進(jìn)行壓痕的位移控制，分別實(shí)現(xiàn)粗調(diào)與細(xì)調(diào)。本實(shí)用新型測(cè)試精度 高，能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量和數(shù)據(jù)分析的自動(dòng)化。
[0007] 本實(shí)用新型的上述目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0008] 拉伸-剪切預(yù)載荷原位壓痕測(cè)試裝置，包括機(jī)械傳動(dòng)模塊，任意角度拉伸剪切復(fù) 合加載模塊、懸臂壓痕模塊以及測(cè)量模塊，其中機(jī)械傳動(dòng)模塊帶動(dòng)任意角度拉伸剪切復(fù)合 加載模塊、懸臂壓痕模塊以及測(cè)量模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，測(cè)量模塊對(duì)任意角度拉伸剪切復(fù)合加載 模塊以及懸臂壓痕模塊的變化進(jìn)行測(cè)量；
[0009] 所述機(jī)械傳動(dòng)模塊是：一級(jí)蝸輪23與一級(jí)蝸桿22相互配合，二級(jí)蝸輪26與二級(jí) 蝸桿28相互配合，二級(jí)蝸桿28通過(guò)二級(jí)蝸桿支撐架a27、二級(jí)蝸桿支撐架b30、輔助支撐架 25連接在主機(jī)架11上；由于二級(jí)蝸輪探出過(guò)長(zhǎng)，通過(guò)輔助支撐架25增加其剛度；直流伺服 電機(jī)19通過(guò)減速機(jī)20固定在電機(jī)底座21上；將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的滾珠絲杠13兩 端分別通過(guò)軸承座al2、軸承座b29安裝在主機(jī)架11上，與滾珠絲杠13配套的螺母副固定 在移動(dòng)平臺(tái)a9、移動(dòng)平臺(tái)b33上，分別帶動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)a9、移動(dòng)平臺(tái)b33從而實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；
[0010] 所述任意角度拉伸剪切復(fù)合加載模塊包括：移動(dòng)平臺(tái)a、b9、33、用以確定試件夾 持角度的90度標(biāo)尺a、b8、31、夾持單元，所述90度標(biāo)尺a、b8、31分別設(shè)置在移動(dòng)平臺(tái)a、 b9、33上，所述夾持單元是壓塊a6和承載塊a34分別通過(guò)螺釘將試件的兩端壓緊在壓塊b7 和承載塊b32上，兩夾持單元通過(guò)螺釘與移動(dòng)平臺(tái)下方的輔助壓板38相連，通過(guò)旋緊螺釘 夾持單元會(huì)向輔助壓板靠近，兩者將分別壓緊在移動(dòng)平臺(tái)的兩側(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)試件夾緊； [0011] 所述懸臂壓痕模塊是：壓痕調(diào)板42固定在主機(jī)架11側(cè)面，調(diào)節(jié)懸臂壓痕模塊的整 體高度，一經(jīng)調(diào)整不再改變；懸臂梁1通過(guò)螺釘固定在立柱3上，懸臂梁1內(nèi)有兩個(gè)串聯(lián)的 柔性凹槽，以易于實(shí)現(xiàn)豎直方向上的位移加載；壓電疊堆37與頂塊36固連，另一端頂在懸 臂梁1處，以易于實(shí)現(xiàn)豎直方向上的位移加載；
[0012] 所述測(cè)量模塊是：編碼器18安裝在機(jī)械傳動(dòng)模塊的直流伺服電機(jī)19上；LVDT直 線位移傳感器16通過(guò)LVDT固定塊17固定在移動(dòng)平臺(tái)b33上，LVDT擋塊15固定在移動(dòng)平 臺(tái)a9上且與LVDT直線位移傳感器16相配合；拉壓/拉伸傳感器10安裝在主機(jī)架11上用 以測(cè)量試件所承受的拉力；擋板2固連于電容位移傳感器4上，并與拉壓/壓痕傳感器35 不接觸，留有一定間距，用于測(cè)量?jī)烧咧g距離。
[0013] 編碼器18用以測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)角以估算兩移動(dòng)平臺(tái)的位移；LVDT直線位移傳感器16 用以精確測(cè)量?jī)梢苿?dòng)平臺(tái)相對(duì)位移；電容位移傳感器4、擋板2用以測(cè)量壓入深度；拉壓/ 壓痕傳感器35用以測(cè)量壓痕過(guò)程中壓頭所施加的壓力；在不進(jìn)行壓痕過(guò)程時(shí)用于原位觀 測(cè)材料拉伸剪切變形用的顯微鏡。
[0014] 所述的輔助支撐架25內(nèi)部與二級(jí)蝸桿支撐架a、b27、30相通，均設(shè)有支撐用的 滾動(dòng)軸承，由于裝置整體尺寸較寬，一級(jí)蝸輪伸出較長(zhǎng)，為保證傳動(dòng)件的穩(wěn)定性而增加此部 件。所述二級(jí)蝸桿支撐架a、b27、30通過(guò)螺釘固定在主機(jī)架11的側(cè)面，盡量靠近一級(jí)蝸輪。
[0015] 所述的懸臂壓痕模塊動(dòng)作分為兩個(gè)階段，即遠(yuǎn)離懸臂梁1端部的壓電疊堆通電而 進(jìn)行的粗調(diào)與靠近懸臂梁1端部的壓電疊堆通電而進(jìn)行的細(xì)調(diào)，如圖4所示，其中每塊壓電 疊堆37右側(cè)均與懸臂梁1固連，左側(cè)則與頂塊36固連；頂塊36為半圓柱形狀，靠母線一側(cè) 與懸臂梁1相接觸，該接觸處懸臂梁具有一定傾角以易于受力并防止頂塊36從上方滑出。
[0016] 所述的任意角度拉伸剪切復(fù)合加載模塊是通過(guò)90度標(biāo)尺a、b8、31確定試件夾持 角度，通過(guò)固定在移動(dòng)平臺(tái)a、b9、33下方的輔助壓板38、上方的壓塊a、b6、7及承載塊a、 b34、32,達(dá)到準(zhǔn)確快速地進(jìn)行定位的過(guò)程。
[0017] 所述的拉伸-剪切預(yù)載荷原位壓痕測(cè)試裝置與顯微鏡相互配合，在不進(jìn)行壓痕過(guò) 程時(shí)將壓痕模塊卸下，將裝置整體置于顯微鏡下對(duì)拉剪過(guò)程進(jìn)行原位觀測(cè)。
[0018] 本實(shí)用新型的有益效果在于：能夠?qū)崿F(xiàn)拉伸、剪切壓痕的共同負(fù)載；能夠?qū)崿F(xiàn)自 由改變?cè)嚰A持角度；采用懸臂結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化壓痕模塊裝置；采用兩級(jí)壓電疊堆進(jìn)行壓痕 的位移控制，分別實(shí)現(xiàn)粗調(diào)與細(xì)調(diào)；結(jié)構(gòu)緊湊，具有較高的使實(shí)用價(jià)值，可精確地進(jìn)行拉伸 剪切壓痕多載荷材料力學(xué)試驗(yàn)與原位觀測(cè)。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本實(shí)用新型的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分， 本實(shí)用新型的示意性實(shí)例及其說(shuō)明用于解釋本實(shí)用新型，并不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型的不當(dāng)限 定。
[0020] 圖1為本實(shí)用新型的整體外觀示意圖；
[0021] 圖2為本實(shí)用新型的移動(dòng)平臺(tái)的下方軸測(cè)示意圖；
[0022] 圖3為本實(shí)用新型的后視圖；
[0023] 圖4為本實(shí)用新型的右視圖；
[0024] 圖5為本實(shí)用新型的輔助壓板結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖6為本實(shí)用新型的壓痕調(diào)板結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖7為本實(shí)用新型的拉伸剪切復(fù)合形變?cè)韴D；
[0027] 圖8為本實(shí)用新型的實(shí)現(xiàn)原位觀測(cè)原理圖；
[0028] 圖9為本實(shí)用新型的典型壓入測(cè)試的載荷-位移原理圖。
[0029] 圖中：1、懸臂梁；2、擋板；3、立柱；4、電容位移傳感器；5、電容傳感器固定塊；6、 壓塊a ;7、壓塊b ;8、90度標(biāo)尺a ;9、移動(dòng)平臺(tái)a ;10、拉壓/拉伸傳感器；11、主機(jī)架；12、軸 承座a ;13、滾珠絲杠；14、導(dǎo)軌；15、LVDT擋塊；16、LVDT直線位移傳感器；17、LVDT固定塊； 18、編碼器；19、直流伺服電機(jī)；20、減速機(jī)；21、電機(jī)底座；22、一級(jí)蝸桿；23、一級(jí)渦輪；24、 連接桿；25、輔助支撐架；26、二級(jí)蝸輪；27、二級(jí)蝸桿支撐架a ;28、二級(jí)蝸桿；29、軸承座b ; 30、二級(jí)蝸桿支撐架b ;31、90度標(biāo)尺b ;32、承載塊b ;33、移動(dòng)平臺(tái)b ;34、承載塊a ;35、拉壓 /壓痕傳感器；36、頂塊；37、壓電疊堆；38、輔助壓板；39、滑塊；40、螺母移動(dòng)平臺(tái)連接塊； 41、螺母；42、壓痕調(diào)板。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本實(shí)用新型的詳細(xì)內(nèi)容及其【具體實(shí)施方式】。
[0031] 參見(jiàn)圖1至圖9所示，本實(shí)用新型的拉伸-剪切預(yù)載荷原位壓痕測(cè)試裝置，由機(jī)械 傳動(dòng)模塊，任意角度拉伸剪切復(fù)合加載模塊、懸臂壓痕模塊以及測(cè)量模塊四部分組成。
[0032] 所述機(jī)械傳動(dòng)模塊包括主機(jī)架11，一級(jí)蝸輪23、一級(jí)蝸桿22提供一級(jí)減速，連接 桿24,二級(jí)蝸輪26、二級(jí)蝸桿28提供二級(jí)減速，二級(jí)蝸桿支撐架a27、二級(jí)蝸桿支撐架b30， 由于二級(jí)蝸輪探出過(guò)長(zhǎng)，增加其剛度的輔助支撐架25、電機(jī)支撐架21，為得到準(zhǔn)靜態(tài)加載 速率而放置的減速機(jī)20,拉伸運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置直流伺服電機(jī)19,將轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn) 動(dòng)的絲杠13,為絲杠提供支撐的軸承座al2、軸承座b30。與絲杠配套的螺母移動(dòng)平臺(tái)連接 塊40及螺母41固連在移動(dòng)平臺(tái)a9上，帶動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)a9進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)平臺(tái)b33也以 同樣的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。兩移動(dòng)平臺(tái)下固連滑塊39,滑塊39置于導(dǎo)軌14上，提供直線方向自 由度。
[0033] 所述任意角度拉伸剪切復(fù)合加載模塊包括負(fù)責(zé)承載并帶動(dòng)大部分裝置的移動(dòng)平 臺(tái)a、b9、33,為確定