拉伸-剪切預載荷原位壓痕測試裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及精密科學儀器領域，特別涉及一種拉伸-剪切預載荷原位壓痕測 試裝置。
【背景技術】
[0002] -直以來，在材料力學測試的諸多力學性能參數中，彈性模量、屈服極限、強度極 限、伸長率和切變模量等參數是最主要的測試對象，針對上述材料的性能參數有很多種測 試方法，如拉伸/壓縮法、彎曲法、扭轉法、鼓膜法和納米壓痕法等。但是如上所述的諸多方 法都是針對單一載荷，即單次試驗僅能得出材料的單一性能參數，且每種測試方法都需要 特定的實驗儀器進行試驗，十分繁瑣。
[0003] 另外，現有的測試儀器由于僅能進行單一力學性能的測試，無法對兩種及以上的 受力情況進行復合試驗，這樣無法得知材料在復合載荷過程中各種因素相互影響下材料的 力學性能與單一載荷過程中單一因素影響下的力學性能是否會發生改變。并且僅有單一力 學性能的測試對試驗結果的適用性是不利的，由于材料在真實服役條件下大多數情況還是 承受復合載荷的，所以當我們利用在單一載荷情況下得出的材料性能數據對真實服役條件 下的材料進行校核計算時，不一定是準確的。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影響其校核的準確性。
[0004] 目前還沒有比較成熟的集拉伸、剪切以及壓痕為一體的多載荷試驗儀器，并且傳 統拉剪儀器也僅有特定的角度可以進行試驗。該三種載荷集成的主要困難主要體現在如下 幾個方面：1.如何能夠實現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、快速性以及準確性；3.由于拉剪復合裝置已經具有足夠的復 雜性，如何能夠在不影響功能的情況下盡量簡化壓痕模塊。
[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測試儀器對于 材料力學性能測試具有重要意義。
【發明內容】
[0006] 本實用新型的目的在于提供一種拉伸-剪切預載荷原位壓痕測試裝置，解決了現 有技術存在的上述問題，尤其解決了多載荷同時作用于材料情況下不同載荷對材料力學性 能的影響問題。能夠集拉伸、剪切及壓痕為一體的材料力學測試裝置，能夠實現拉伸、剪 切壓痕的共同負載；能夠實現自由改變試件夾持角度；采用懸臂結構大大簡化壓痕模塊裝 置；采用兩級壓電疊堆進行壓痕的位移控制，分別實現粗調與細調。本實用新型測試精度 高，能夠實現測量和數據分析的自動化。
[0007] 本實用新型的上述目的通過以下技術方案實現：
[0008] 拉伸-剪切預載荷原位壓痕測試裝置，包括機械傳動模塊，任意角度拉伸剪切復 合加載模塊、懸臂壓痕模塊以及測量模塊，其中機械傳動模塊帶動任意角度拉伸剪切復合 加載模塊、懸臂壓痕模塊以及測量模塊進行運動，測量模塊對任意角度拉伸剪切復合加載 模塊以及懸臂壓痕模塊的變化進行測量；
[0009] 所述機械傳動模塊是：一級蝸輪23與一級蝸桿22相互配合，二級蝸輪26與二級 蝸桿28相互配合，二級蝸桿28通過二級蝸桿支撐架a27、二級蝸桿支撐架b30、輔助支撐架 25連接在主機架11上；由于二級蝸輪探出過長，通過輔助支撐架25增加其剛度；直流伺服 電機19通過減速機20固定在電機底座21上；將旋轉運動轉化為直線運動的滾珠絲杠13兩 端分別通過軸承座al2、軸承座b29安裝在主機架11上，與滾珠絲杠13配套的螺母副固定 在移動平臺a9、移動平臺b33上，分別帶動移動平臺a9、移動平臺b33從而實現直線運動；
[0010] 所述任意角度拉伸剪切復合加載模塊包括：移動平臺a、b9、33、用以確定試件夾 持角度的90度標尺a、b8、31、夾持單元，所述90度標尺a、b8、31分別設置在移動平臺a、 b9、33上，所述夾持單元是壓塊a6和承載塊a34分別通過螺釘將試件的兩端壓緊在壓塊b7 和承載塊b32上，兩夾持單元通過螺釘與移動平臺下方的輔助壓板38相連，通過旋緊螺釘 夾持單元會向輔助壓板靠近，兩者將分別壓緊在移動平臺的兩側，進而實現試件夾緊； [0011] 所述懸臂壓痕模塊是：壓痕調板42固定在主機架11側面，調節懸臂壓痕模塊的整 體高度，一經調整不再改變；懸臂梁1通過螺釘固定在立柱3上，懸臂梁1內有兩個串聯的 柔性凹槽，以易于實現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，以易于實現豎直方向上的位移加載；
[0012] 所述測量模塊是：編碼器18安裝在機械傳動模塊的直流伺服電機19上；LVDT直 線位移傳感器16通過LVDT固定塊17固定在移動平臺b33上，LVDT擋塊15固定在移動平 臺a9上且與LVDT直線位移傳感器16相配合；拉壓/拉伸傳感器10安裝在主機架11上用 以測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，用于測量兩者之間距離。
[0013] 編碼器18用以測量電機轉角以估算兩移動平臺的位移；LVDT直線位移傳感器16 用以精確測量兩移動平臺相對位移；電容位移傳感器4、擋板2用以測量壓入深度；拉壓/ 壓痕傳感器35用以測量壓痕過程中壓頭所施加的壓力；在不進行壓痕過程時用于原位觀 測材料拉伸剪切變形用的顯微鏡。
[0014] 所述的輔助支撐架25內部與二級蝸桿支撐架a、b27、30相通，均設有支撐用的 滾動軸承，由于裝置整體尺寸較寬，一級蝸輪伸出較長，為保證傳動件的穩定性而增加此部 件。所述二級蝸桿支撐架a、b27、30通過螺釘固定在主機架11的側面，盡量靠近一級蝸輪。
[0015] 所述的懸臂壓痕模塊動作分為兩個階段，即遠離懸臂梁1端部的壓電疊堆通電而 進行的粗調與靠近懸臂梁1端部的壓電疊堆通電而進行的細調，如圖4所示，其中每塊壓電 疊堆37右側均與懸臂梁1固連，左側則與頂塊36固連；頂塊36為半圓柱形狀，靠母線一側 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合加載模塊是通過90度標尺a、b8、31確定試件夾持 角度，通過固定在移動平臺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,達到準確快速地進行定位的過程。
[0017] 所述的拉伸-剪切預載荷原位壓痕測試裝置與顯微鏡相互配合，在不進行壓痕過 程時將壓痕模塊卸下，將裝置整體置于顯微鏡下對拉剪過程進行原位觀測。
[0018] 本實用新型的有益效果在于：能夠實現拉伸、剪切壓痕的共同負載；能夠實現自 由改變試件夾持角度；采用懸臂結構大大簡化壓痕模塊裝置；采用兩級壓電疊堆進行壓痕 的位移控制，分別實現粗調與細調；結構緊湊，具有較高的使實用價值，可精確地進行拉伸 剪切壓痕多載荷材料力學試驗與原位觀測。
【附圖說明】
[0019] 此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構成本申請的一部分， 本實用新型的示意性實例及其說明用于解釋本實用新型，并不構成對本實用新型的不當限 定。
[0020] 圖1為本實用新型的整體外觀示意圖；
[0021] 圖2為本實用新型的移動平臺的下方軸測示意圖；
[0022] 圖3為本實用新型的后視圖；
[0023] 圖4為本實用新型的右視圖；
[0024] 圖5為本實用新型的輔助壓板結構示意圖；
[0025] 圖6為本實用新型的壓痕調板結構示意圖；
[0026] 圖7為本實用新型的拉伸剪切復合形變原理圖；
[0027] 圖8為本實用新型的實現原位觀測原理圖；
[0028] 圖9為本實用新型的典型壓入測試的載荷-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度標尺a ;9、移動平臺a ;10、拉壓/拉伸傳感器；11、主機架；12、軸 承座a ;13、滾珠絲杠；14、導軌；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；20、減速機；21、電機底座；22、一級蝸桿；23、一級渦輪；24、 連接桿；25、輔助支撐架；26、二級蝸輪；27、二級蝸桿支撐架a ;28、二級蝸桿；29、軸承座b ; 30、二級蝸桿支撐架b ;31、90度標尺b ;32、承載塊b ;33、移動平臺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、螺母移動平臺連接塊； 41、螺母；42、壓痕調板。
【具體實施方式】
[0030] 下面結合附圖進一步說明本實用新型的詳細內容及其【具體實施方式】。
[0031] 參見圖1至圖9所示，本實用新型的拉伸-剪切預載荷原位壓痕測試裝置，由機械 傳動模塊，任意角度拉伸剪切復合加載模塊、懸臂壓痕模塊以及測量模塊四部分組成。
[0032] 所述機械傳動模塊包括主機架11，一級蝸輪23、一級蝸桿22提供一級減速，連接 桿24,二級蝸輪26、二級蝸桿28提供二級減速，二級蝸桿支撐架a27、二級蝸桿支撐架b30， 由于二級蝸輪探出過長，增加其剛度的輔助支撐架25、電機支撐架21，為得到準靜態加載 速率而放置的減速機20,拉伸運動的驅動裝置直流伺服電機19,將轉動運動轉化為直線運 動的絲杠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平臺連接 塊40及螺母41固連在移動平臺a9上，帶動移動平臺a9進行直線運動，移動平臺b33也以 同樣的方式進行運動。兩移動平臺下固連滑塊39,滑塊39置于導軌14上，提供直線方向自 由度。
[0033] 所述任意角度拉伸剪切復合加載模塊包括負責承載并帶動大部分裝置的移動平 臺a、b9、33,為確定