本實用新型涉及原位力學(xué)性能測試領(lǐng)域，特別涉及一種拉伸-四點彎曲預(yù)載荷下納米壓痕測試裝置?？勺鳛榧兝旒虞d機構(gòu)、純四點彎曲加載機構(gòu)、原位納米壓痕測試機構(gòu)的跨尺度原位材料性能測試平臺獨立使用，也可以同時進行多種載荷同時復(fù)合加載。

背景技術(shù)：

各種材料及其制品，在服役期間的工作環(huán)境都比較復(fù)雜，受到單一載荷的情況并不多見，更多情況下受到的是多物理場和多種載荷的共同作用。由于材料受到復(fù)合載荷的作用，往往未達(dá)到使用極限，就會發(fā)生破壞失效。所以，研制當(dāng)材料受多種載荷共同作用時，能夠?qū)ζ湮⒂^力學(xué)性能進行原位測試的儀器非常重要。目前市場上絕大部分力學(xué)試驗機都是針對結(jié)構(gòu)材料的非原位萬能試驗機，一次試驗只能實現(xiàn)一種載荷的加載，試驗中只能記錄試件的載荷和位移值，對于試件的微觀形貌變化則缺乏記錄。而現(xiàn)有原位測試儀器，大多數(shù)僅具有單一載荷的測試功能，例如原位拉伸測試儀、原位納米壓痕測試儀和原位彎曲測試儀等，復(fù)合載荷下的納米壓痕測試儀鮮有報道，同時缺少有效的力學(xué)參數(shù)測試準(zhǔn)確性評定方法。從總體看，現(xiàn)有的測試儀器在使用過程中，暴露出的主要問題有：首先是測試結(jié)果重復(fù)性不好，分散性大等問題；其次是測試裝置的功能單一，不能滿足多載荷加載和多物理場的需求，不利于功能擴展；最后，測試儀器對新型結(jié)構(gòu)材料和先進功能材料測試能力不足。

由于復(fù)合載荷下的壓痕測試儀器比較少，所以目前國內(nèi)外針對材料在預(yù)載荷下的壓痕測試試驗也比較少，但是在實際工況運用中，迫切需要這種預(yù)載荷下的微納米壓痕測試儀器。因為這種復(fù)合載荷加載，能夠真實地反映材料在實際工況下的受力狀態(tài)，同時對利用原位觀測儀器，實時觀測材料的力學(xué)測試結(jié)果的測試試驗平臺也非常重要。

因此開發(fā)設(shè)計一種可以與顯微成像設(shè)備相兼容的拉伸-彎曲預(yù)載荷下納米壓痕測試儀器，對材料的微觀變形、損傷和斷裂過程進行原位監(jiān)測，為揭示材料在納米尺度下的力學(xué)特性和損傷機制提供了測試方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種拉伸-四點彎曲預(yù)載荷下納米壓痕測試裝置，本實用新型解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題。該測試儀器集成了純拉伸測試、純四點彎曲測試及基于上述兩種單一載荷形式的復(fù)合載荷測試，同時在拉伸-四點彎曲基礎(chǔ)上集成了納米壓痕測試機構(gòu)。測試平臺由精密拉伸預(yù)載荷驅(qū)動傳動單元和檢測夾持單元；精密四點彎曲預(yù)載荷驅(qū)動傳動單元和夾持檢測單元等組成。原位納米壓痕測試機構(gòu)包括高精度XYZ方向位移平臺、壓電疊堆、柔性鉸鏈、高精密壓力傳感器、高精度位移傳感器和金剛石壓頭夾持桿等組成。測試儀器體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，且可在光學(xué)顯微鏡的實時顯微觀測下開展上述試驗測試。并可通過原位拉彎復(fù)合測試獲得材料的力學(xué)性能參數(shù)，包括彈性模量、抗拉強度、彎曲強度和硬度等，對材料的微觀變形、損傷和斷裂過程進行原位監(jiān)測，為揭示材料在納米尺度下的力學(xué)特性和損傷機制提供了測試方法。

本實用新型的上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

本實用新型包括拉伸預(yù)載荷加載機構(gòu)、四點彎曲預(yù)載荷加載機構(gòu)和原 位納米壓痕測試機構(gòu)。

所述的拉伸預(yù)載荷加載機構(gòu)中的精密直流伺服電機通過法蘭盤固定安裝在測試平臺基座上，與蝸輪蝸桿副Ⅱ形成一級減速和換向。雙向滾珠絲杠螺母副將蝸輪蝸桿副Ⅱ的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為同步雙向直線運動，進而帶動安裝在螺母副上面的試件夾具支撐座Ⅰ和夾具支撐座Ⅱ?qū)崿F(xiàn)同步雙向直線運動，試件夾具支撐座Ⅰ和夾具支撐座Ⅱ安裝在下面的拉伸機構(gòu)直線導(dǎo)軌上，其中夾具Ⅱ與拉伸機構(gòu)力傳感器通過連接T型塊連接，連接T型塊安裝在交叉滾柱導(dǎo)軌上。兩個試件的夾具Ⅰ和夾具Ⅱ分別固定安裝在對應(yīng)的試件夾具支撐座Ⅰ和夾具支撐座Ⅱ上，從而對試件兩端施加拉伸力保證試件中心位置不動；拉伸位移檢測是由拉伸位移傳感器測量夾具支撐座Ⅱ的位移實現(xiàn)的。

所述的四點彎曲預(yù)載荷加載機構(gòu)中的彎曲機構(gòu)交流伺服電機通過電機法蘭盤固定安裝在測試平臺基座上，與蝸桿蝸輪副Ⅰ形成一級減速和換向，蝸輪安裝在彎曲機構(gòu)絲杠固定座上的單向絲杠螺母副上，然后通過單向絲杠螺母副將蝸輪蝸桿副Ⅰ的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為單向直線運動，帶動導(dǎo)軌連接臺上的彎曲機構(gòu)力傳感器和四點彎曲壓頭做往復(fù)直線運動，其中力傳感器和四點彎曲壓頭通過連接塊相連。彎曲機構(gòu)直線導(dǎo)軌安裝在導(dǎo)軌連接臺上，通過四點彎曲壓頭的往復(fù)直線運動，實現(xiàn)對試件的彎曲加載與卸載。彎曲位移檢測是由安裝在位移傳感器支架上的彎曲位移傳感器通過測量位移傳感器擋板的位移實現(xiàn)的。

所述的彎曲預(yù)載荷加載機構(gòu)采用四點彎曲壓頭，實現(xiàn)對試樣的兩端固定式四點彎曲加載。

所述的原位納米壓痕測試機構(gòu)包括XYZ三軸電動微調(diào)滑臺、壓電疊堆、柔性鉸鏈、壓力傳感器、位移傳感器和金剛石壓頭夾持桿。

所述的原位納米壓痕測試機構(gòu)在測試過程中通過調(diào)整XYZ微調(diào)移動平臺使金剛石壓頭位于壓入前最佳距離。壓電疊堆通過安裝在連接板上的柔性鉸鏈將力和位移傳遞給壓力傳感器，壓力傳感器連接的金剛石壓頭夾持桿帶動金剛石壓頭壓入，最終實現(xiàn)壓頭壓入試樣測試。壓力傳感器和金剛石壓頭夾持桿之間具有連接擋板，利用位移傳感器通過測量連接擋板的位移變形間接測量出壓頭的位移，即得出金剛石壓頭的壓入深度，實現(xiàn)微位移信號檢測。柔性鉸鏈和L型連接塊安裝在Z軸位移平臺上，位移傳感器通過L型連接塊夾持。

所述的原位納米壓痕測試機構(gòu)采用XYZ三軸電動微調(diào)滑臺，其是由電動移動滑臺和XYZ手動微調(diào)平臺組成，其中XYZ手動微調(diào)平臺又由X軸移動平臺、Y軸移動平臺、Z軸移動平臺和連接支座組成，電動移動滑臺利用安裝在平臺底座上的步進電機驅(qū)動壓痕機構(gòu)絲杠固定座上的絲杠螺母組件將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動，其中精密直線導(dǎo)軌起導(dǎo)向作用。在進行原位觀測時，通過電機移動滑臺將XYZ手動平臺及其上的連接單元移開一段距離，將顯微鏡鏡頭對準(zhǔn)試樣進行拉彎下的觀測。電動滑臺底座上安裝XYZ手動微調(diào)平臺，對連接其上的零部件進行手動位移調(diào)節(jié)，精密調(diào)節(jié)XYZ三個方向的位移，以便在試件不同位置利用壓頭做相關(guān)壓痕實驗。

所述的拉伸-四點彎曲預(yù)載荷下納米壓痕測試裝置，整體分為上下雙層立體式布置方式，原位納米壓痕測試機構(gòu)位于拉伸-四點彎曲加載機構(gòu)之上，實現(xiàn)對試樣的拉伸測試、四點彎曲測試、壓痕測試及其復(fù)合加載測試。

本實用新型的有益效果在于：

具備拉伸測試、彎曲測試、壓痕測試和復(fù)合載荷測試等功能。拉伸測試功能主要實現(xiàn)材料的拉伸測試，獲取材料的彈性模量、屈服強度和抗拉強度 等力學(xué)性能參數(shù)。彎曲測試功能主要實現(xiàn)材料的四點彎曲測試，獲取材料的抗彎強度、彈性模量和斷裂強度等重要參數(shù)。壓痕測試功能主要實現(xiàn)材料的壓痕測試，獲取材料的彈性模量、硬度等力學(xué)性能參數(shù)。復(fù)合載荷測試功能也是獲取材料的彈性模量、硬度等力學(xué)性能參數(shù)。此測試儀器涉及機電一體化精密科學(xué)儀器領(lǐng)域，主要優(yōu)點是體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，可用于精密材料微納米拉伸-彎曲復(fù)合力學(xué)性能測試及原位納米壓痕測試。

附圖說明

圖1為本實用新型的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實用新型的俯視示意圖。

圖3為本實用新型的前視示意圖。

圖4為本實用新型的右視示意圖。

圖中：1、基座；2、彎曲機構(gòu)交流伺服電機；3、電機法蘭盤；4、蝸輪蝸桿副Ⅰ；5、彎曲位移傳感器；6、位移傳感器支架；7、彎曲機構(gòu)絲杠固定座；9、導(dǎo)軌連接臺；10、彎曲機構(gòu)力傳感器；11、位移傳感器擋板；12、連接塊；13、夾具Ⅰ；14、夾具支撐座Ⅰ；15、壓力傳感器；16、柔性鉸鏈；17、L型連接塊；18、Z軸位移平臺；19、連接板；20、Z軸移動平臺；21、連接支座；22、Y軸移動平臺；23、X軸移動平臺；24、電動滑臺底座；25、壓痕機構(gòu)絲杠固定座；26、精密直線導(dǎo)軌；27、步進電機；28、平臺底座；29、拉伸機構(gòu)直線導(dǎo)軌；30、夾具支撐座Ⅱ；31、拉伸機構(gòu)力傳感器；32、連接T型塊；33、交叉滾柱導(dǎo)軌；34、夾具Ⅱ；35、四點彎曲壓頭；36、精密直流伺服電機；37、雙向滾珠絲杠螺母副；38、法蘭盤；39、蝸輪蝸桿副Ⅱ；40、拉伸位移傳感器；43、絲杠螺母組件；44、壓電疊堆；45、位移傳感器；46、連接擋板；47、金剛石壓頭夾持桿；48、單向絲杠螺母副；49、 彎曲機構(gòu)直線導(dǎo)軌。

具體實施方式

參見圖1至圖4所示，本實用新型包括拉伸預(yù)載荷加載機構(gòu)、四點彎曲預(yù)載荷加載機構(gòu)和原位納米壓痕測試機構(gòu)。

所述的拉伸預(yù)載荷加載機構(gòu)中的精密直流伺服電機36通過法蘭盤38固定安裝在測試平臺基座1上，與蝸輪蝸桿副Ⅱ39形成一級減速和換向。雙向滾珠絲杠螺母副37將蝸輪蝸桿副Ⅱ39的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為同步雙向直線運動，進而帶動安裝在螺母副上面的試件夾具支撐座Ⅰ14和夾具支撐座Ⅱ30實現(xiàn)同步雙向直線運動，試件夾具支撐座Ⅰ14和夾具支撐座Ⅱ30安裝在下面的拉伸機構(gòu)直線導(dǎo)軌29上，其中夾具Ⅱ34與拉伸機構(gòu)力傳感器31通過連接T型塊32連接，連接T型塊32安裝在交叉滾柱導(dǎo)軌33上。兩個試件的夾具Ⅰ13和夾具Ⅱ34分別固定安裝在對應(yīng)的試件夾具支撐座Ⅰ14和夾具支撐座Ⅱ30上，從而對試件兩端施加拉伸力保證試件中心位置不動；拉伸位移檢測是由拉伸位移傳感器40測量夾具支撐座Ⅱ30的位移實現(xiàn)的。

所述的四點彎曲預(yù)載荷加載機構(gòu)中的彎曲機構(gòu)交流伺服電機2通過電機法蘭盤3固定安裝在測試平臺基座1上，與蝸桿蝸輪副Ⅰ4形成一級減速和換向，蝸輪安裝在彎曲機構(gòu)絲杠固定座7上的單向絲杠螺母副48上，然后通過單向絲杠螺母副48將蝸輪蝸桿副Ⅰ4的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為單向直線運動，帶動導(dǎo)軌連接臺9上的彎曲機構(gòu)力傳感器10和四點彎曲壓頭35做往復(fù)直線運動，其中彎曲機構(gòu)力傳感器10和四點彎曲壓頭35通過連接塊12相連。彎曲機構(gòu)直線導(dǎo)軌49安裝在導(dǎo)軌連接臺9上，通過四點彎曲壓頭35的往復(fù)直線運動，實現(xiàn)對試件的彎曲加載與卸載。彎曲位移檢測是由安裝在位移傳感器支架6上的彎曲位移傳感器5通過測量位移傳感器擋板11的位移實現(xiàn)的。

所述的彎曲預(yù)載荷加載機構(gòu)采用四點彎曲壓頭35，實現(xiàn)對試樣的兩端固定式四點彎曲加載。

所述的原位納米壓痕測試機構(gòu)包括XYZ三軸電動微調(diào)滑臺、壓電疊堆44、柔性鉸鏈16、壓力傳感器15、位移傳感器45和金剛石壓頭夾持桿47。

所述的原位納米壓痕測試機構(gòu)在測試過程中通過調(diào)整XYZ微調(diào)移動平臺使金剛石壓頭位于壓入前最佳距離。壓電疊堆44通過安裝在連接板19上的柔性鉸鏈16將力和位移傳遞給壓力傳感器15，壓力傳感器15連接的金剛石壓頭夾持桿47帶動金剛石壓頭壓入，最終實現(xiàn)壓頭壓入試樣測試。壓力傳感器15和金剛石壓頭夾持桿47之間具有連接擋板46，利用位移傳感器45通過測量連接擋板46的位移變形間接測量出壓頭的位移，即得出金剛石壓頭的壓入深度，實現(xiàn)微位移信號檢測。柔性鉸鏈16和L型連接塊17安裝在Z軸位移平臺18上，位移傳感器45通過L型連接塊17夾持。

所述的原位納米壓痕測試機構(gòu)采用XYZ三軸電動微調(diào)滑臺，其是由電動移動滑臺和XYZ手動微調(diào)平臺組成，其中XYZ手動微調(diào)平臺又由X軸移動平臺23、Y軸移動平臺22、Z軸移動平臺20和連接支座21組成，電動移動滑臺利用安裝在平臺底座28上的步進電機27驅(qū)動壓痕機構(gòu)絲杠固定座25上的絲杠螺母組件43將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動，其中精密直線導(dǎo)軌26起導(dǎo)向作用。在進行原位觀測時，通過電機移動滑臺將XYZ手動平臺及其上的連接單元移開一段距離，將顯微鏡鏡頭對準(zhǔn)試樣進行拉彎下的觀測。電動滑臺底座24上安裝XYZ手動微調(diào)平臺，對連接其上的零部件進行手動位移調(diào)節(jié)，精密調(diào)節(jié)XYZ三個方向的位移，以便在試件不同位置利用壓頭做相關(guān)壓痕實驗。

所述的拉伸-四點彎曲預(yù)載荷下納米壓痕測試裝置，整體分為上下雙層立 體式布置方式，原位納米壓痕測試機構(gòu)位于拉伸-四點彎曲加載機構(gòu)之上，實現(xiàn)對試樣的拉伸測試、四點彎曲測試、壓痕測試及其復(fù)合加載測試。