[发明专利]显微镜下拉压弯复合载荷模式材料力学性能测试装置

说明书

技术领域

 本发明属机电类，特别涉及一种显微镜下拉压弯复合载荷模式材料力学性能测试装置。可作为独立拉伸/压缩模式或三点弯曲模式材料性能测试装置独立使用，亦可实现在给定拉伸/压缩应力水平下的三点弯曲测试或给定弯曲应力状态下的拉伸/压缩测试，即复合载荷测试模式。此外，结合光学显微成像的高分辨率在线监测，可对材料的微观力学行为和变性损伤过程进行实时观察。同时，通过对驱动单元的闭环控制及载荷/位移信号的采集，亦可拟合材料在复合载荷作用下的应力应变历程，为复合载荷模式下材料的力学性能测试提供了方法。

背景技术

在实际工况下，材料及其制品往往受到非单一载荷形式的作用，如拉弯组合、压剪组合及拉扭组合等，单一载荷形式的力学测试难以准确刻划实际工况下材料及构件的受载形式，即无法对复合载荷作用下材料的力学性能做出准确评价。如材料在拉应力作用下往往使其发生临界断裂破坏的弯曲应力远小于其抗弯强度，在弯曲应力作用下其发生临界断裂破坏的拉应力远小于其抗拉强度。现有研究中，复合载荷模式的加载主要是通过将被测试件通过与拉伸/压缩轴线互成角度的不规则装夹来实现的，即驱动源输出的加载力主要是是拉伸/压缩的轴向力，通过不同轴或不等高的拉伸/压缩模式使材料内部出现拉弯组合或压剪组合等复合载荷测试形式。上述测试方法难以实现对不同单一载荷模式的解析，同时，两种或多种载荷模式无法独立加载或依次加载，无法就材料及其制品在复合载荷作用下的力学性能及变性损伤机制做出准确评价。

拉伸/压缩及三点弯曲力学测试作为最能直观反映材料力学性能的有效评价手段，可直接获取如弹性模量、屈服强度、抗弯/拉强度等重要力学参数，基于这两种单一载荷形式的复合载荷测试模式亦为实际工况中较为普遍，且导致材料及其制品失效破坏的主要原因。微观尺度下对试件材料进行力学性能测试过程中，通过显微镜等成像仪器可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。通过这种力学测试手段，可以揭示出外界载荷作用下材料变形损伤的规律，就特征尺寸厘米级以上的宏观试件所开展的有关测试因可避免因为微构件的尺寸效应等问题带来的困扰，将更有利于研究材料及其制品服役状态下的真实微观力学行为与变形损伤机制。

与此同时，在已有的可用于原位观测的复合载荷测试装置及研究的报道中，主要是针对低维材料等微尺度构件的测试，如果碳纳米管、线或带有预制缺口的薄膜材料等，前者需要借助扫描电镜等成像系统及聚焦离子束等复杂方法完成微器件的夹持，且多基于微机电系统（MEMS）等复杂工艺实现，后者大都需要借助基板材料来实现试样的合成和生长，且往往需要腐蚀和沉积等复杂工艺方法，且因用于附着薄膜材料的基板往往为硬脆性材料，夹持较为困难，因此对此种材料的力学测试多见于单轴压缩测试，测试方法较为单一。针对特征尺寸厘米级以上三维试件的复合载荷测试，未涉及借助成像仪器的原位观测，无法较为深入的开展复合载荷与材料的微观力学行为及变性损伤过程的结合性研究。

因此，设计一种可用与显微镜下纯拉伸/压缩、纯三点弯曲测试及拉伸/压缩-弯曲复合载荷模式材料力学性能测试平台以十分必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种显微镜下拉压弯复合载荷模式材料力学性能测试装置，解决了现有技术存在的上述问题。可集成纯拉伸/压缩测试、纯三点弯曲测试及基于上述两种单一载荷形式的复合载荷测试。测试平台由精密拉伸/压缩载荷驱动单元、精密弯曲载荷驱动单元、夹持单元、检测单元等组成。测试平台结构小巧，结构紧凑，且可在光学显微镜的实时显微观测下开展上述测试。复合载荷的加载模式，符合材料及构件在实际工况下的应力水平，本发明针对特征尺寸厘米级以上三维试件所研制，拉伸/压缩及三点弯曲载荷可独立加载或依次加载，结合光学显微成像系统对对材料的裂纹萌生、扩展和材料失效断裂过程进行原位监测，进而对材料在复合载荷作用下的微观力学行为和变形损伤机制进行深入研究。可作为独立拉伸/压缩模式或三点弯曲模式材料性能测试装置独立使用，亦可实现在给定拉伸/压缩应力水平下的三点弯曲测试或给定弯曲应力状态下的拉伸/压缩测试，即复合载荷测试模式。此外，结合光学显微成像的高分辨率在线监测，可对材料的微观力学行为和变性损伤过程进行实时观察。同时，通过对驱动单元的闭环控制及载荷/位移信号的采集，亦可拟合材料在复合载荷作用下的应力应变历程，为复合载荷模式下材料的力学性能测试提供了方法。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：