[发明专利]测试环境温度可调的材料力学性能原位三点弯曲测试平台

说明书

技术领域

本发明涉及原位力学性能测试领域，测试环境温度可调的材料力学性能原位三点弯曲测试平台。在不同温度场中通过高倍数固态CCD工业成像系统可对测试材料的微观组织形貌、晶格变化、裂纹的萌生、扩展与断裂进行动态实时观测。该力学性能测试装置为材料基于温度场的力学性能检测提供了一种崭新的手段。

背景技术

原位力学性能测试是指在微/纳米尺度下对试件材料进行力学性能测试的过程中，可以通过原子力显微镜、电子显微镜以及光学显微镜等显微成像系统对各种载荷作用下材料发生的微观变形、组织形貌和裂纹损伤等进行实时在线观察的一种力学测试方法。该技术可以从微观层面上对各类材料及其制品在各种载荷作用下的力学行为、损伤破坏机理。在诸多微纳米力学性能测试的范畴中，弹性模量、切变模量、硬度、屈服极限、断裂极限等参数是微构件力学特性测试中最主要的测试对象，针对这些力学参数产生了多种测试方法，如拉伸/压缩法、弯曲法、剪切法、扭转法、纳米压痕/划痕和鼓膜法等。其中原位三点弯曲测试方法能较全面地反映材料或制品在弯曲条件下的力学特性，在各类材料测试过程当中占有重要的地位。其主要表现在加载装置比较简单，对弯曲试件的加工工艺要求较低，不存在苛刻的对中夹紧等问题，同时在较小的载荷作用下会产生较大的变形，有助于测试过程获得较为直观的变形效果。

随着近代航空航天工业的快速发展，航空火箭、航空导弹、航空飞机等新型高科技产品的迅速崛起，新型高温复合材料的研制、开发与测试技术越来越受到科研领域和工业制造领域的重视。基于航天工业对高温的迫切需求，未来新材料探索之一是：利用多粒子束物理气相沉积或多粒子蒸镀技术将具有高韧性、抗高温氧化腐蚀材料与具有高强度的金属材料按不同层厚比制成多层材料,以获得兼有两种或两种以上材料性能的复合微层板。这种典型的高温金属间化合物等微层板复合材料兼有金属韧性和陶瓷的强度和化学稳定性，可用以替代等高温合金作为空天飞行器防热盖板。近年来，美国在高温合金蜂窝复合结构和软合金多层壁结构两种防热材料的研究方面取得了很大进展，目前已能制造出大尺寸的平面与曲面瓦，并解决了金属瓦与机身的连接问题。我国在相关领域也进行了大量的研究，因此开展基于温度场的材料力学性能测试新技术具有广阔的前景。

目前比较成熟的三点弯曲试验一般是依靠大型弯曲试验机对材料试件进行离位测试。弯曲加载过程按照相关标准以均匀速率对样品进行加载，通过相应的载荷位移传感单元将力信号与位移送入到计算机中绘制载荷-挠度曲线，结合材料截面属性进而得到在载荷作用下应力-应变曲线。但是传统弯曲试验机针对的大都是在常温下的大尺度试件，未涉及样品微纳米尺度范畴的力学性能研究，也没有考虑温度场对材料性能的影响，而且大多属于离位测试，未涉及到相应的显微成像系统的原位观测。目前开发原位测试装置主要存在有以下特点：（1）从测试装置与成像系统的兼容性问题来说，由于扫描电子显微镜、透射电子显微镜和原子力显微镜等的腔体空间非常有限，以至于目前的多数研究都集中在以微/纳机电系统原理为基础，对纳米管、纳米线以及薄膜材料等极微小结构进行单纯原位纳米拉伸测试上，缺少对特征尺寸厘米级以上宏观试样的原位微/纳米力学性能测试的深入研究；（2）从测试精度上来说，主要集中于微驱动系统的可靠性与稳定性的研发，载荷位移信号的精确测量手段以及试样加工、夹持、对中等问题。

鉴于我国对于复合微层板和热障涂层等材料的机械性能的研究还相对落后。因此，开发高温环境下材料力学性能的测试方法具有重要的意义。通过测试微层板中各组份层材料的力学性能，为微层板性能的预估、变形及破坏机理的研究奠定基础。基于此在宏观的拉伸、弯曲与扭转等材料力学性能测试手段的基础之上，结合温度场与原位测试理念，将传统的测试装置向小型化、精确化和多功能化方向发展已成为一种趋势。本发明正是迎合以上的材料力学性能测试的发展需求，开发了一种可以基于温度场的材料原位三点弯曲实验装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测试环境温度可调的材料力学性能原位三点弯曲测试平台，解决了现有技术存在的上述问题。本发明不但可以满足标准的材料机械性能测试过程，而且在原位力学测试中为材料力学性能的温度场响应提供了技术手段。对于推进高性能材料在高温环境下的性能原位测试技术具有举足轻重的作用。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

测试环境温度可调的材料力学性能原位三点弯曲测试平台，包括精密驱动传动单元、检测单元、成像系统单元、温度场控制单元、辅助支撑单元，针对材料在不同温度场作用下微观组织形貌、晶格变化、裂纹的萌生、扩展等现象进行原位实时动态的观测；