[实用新型]力热场耦合作用下材料原位三点弯曲测试装置

说明书

技术领域

    本实用新型涉及原位力学性能测试领域，特别涉及一种力热场耦合作用下材料原位三点弯曲测试装置。

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，通过电子显微镜、原子力显微镜以及光学显微镜等仪器对各种载荷作用下材料发生的微观变形、损伤进行全程原位监测的一种力学测试方法。该技术能够从微观层面揭示出各类材料及其制品的力学行为、损伤破坏机理以及载荷的大小、种类与材料性能间的相关性规律。原位三点弯曲测试是原位力学测试方法的一种，能较全面地反映材料或制品在弯曲条件下的力学特性，并能提供对材料弯曲模量、断裂挠度和弯曲断裂强度等重要力学参数的精确测定。

开发高温环境下材料原位力学性能的测试方法具有重要的意义，材料在实际工况下大多存在一定的温度场，如排气管道、高炉以及航空航天材料的结构件，研究在力热场耦合作用下材料的微观力学行为有助于更深入的了解材料的高温力学行为，对提高材料的实际使用效能以及整机的效能也有很大的帮助。

目前与热场耦合的原位三点弯曲装置鲜有报道，这对更深入的探究在力热场耦合作用下材料的微观力学行为造成很大的制约。具体表现为：由于扫描电镜、透射电镜等显微成像设备的腔体空间非常有限，目前材料原位弯曲测试大都以微/纳机电系统原理为基础，缺少对三维宏观试件的跨尺度原位微/纳米三点弯曲力学性能测试的深入研究；商业化的原位测试装置测试内容有限，缺少涉及力热耦合方面的三点弯曲测试装置，制约了原位三点弯曲测试技术的深入和发展。

在力热耦合原位三点弯曲力学性能测试技术应用之前，传统的力热耦合弯曲试验一般是依靠大型弯曲试验机结合体积庞大结构复杂的温控箱对试件进行离位测试。传统试验机通常是将材料加载到规定的角度或者断裂破坏后，得出材料的弯曲模量、屈服极限、断裂极限等力学参数；未涉及到高分辨率显微成像系统下的力热耦合原位三点弯曲测试。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种力热场耦合作用下材料原位三点弯曲测试装置，解决了现有技术存在的上述问题。本实用新型能够构建对材料试样的均匀温度场，实现在较高温度下材料的原位力学性能测试。可以实现对毫米级试件的三点弯曲加载，对载荷/位移信号采集并精确控制；本装置集成了温度控制单元，构建材料试样的均匀热场，可以实现在较高温度下对材料进行三点弯曲加载的同时，还可以与超景深显微镜、激光扫描共聚焦显微镜、扫描电子显微镜等显微成像设备相互兼容，为精确测定试件在力热场耦合作用下的微观力学性能和揭示材料在力热场耦合作用下的微观变形、裂纹的产生、扩展及断裂机理提供了新的测试方式。具有体积小巧、结构紧凑、测试精度高的特点，并且便于超景深显微镜、激光扫描共聚焦显微镜、扫描电子显微镜等显微成像设备的配合下原位观测宏观试件在弯曲载荷作用下的微观变形和损伤破坏过程；本测试装置在进行原位三点弯曲测试的同时，结合相关软件算法，可以自动拟合生成弯曲载荷作用下的应力应变曲线，即可得到材料的弯曲模量、屈服极限和弯曲断裂强度等重要力学参数。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

力热场耦合作用下材料原位三点弯曲测试装置，包括机械加载单元和温度控制单元，机械加载单元由电机驱动组件、传动及执行组件、连接支撑组件及信号检测组件构成，所述电机驱动组件、传动及执行组件的装配关系是：无刷直流伺服电机20通过弹性联轴器28与蜗杆轴26相连，通过蜗杆蜗轮副将动力传到精密滚珠丝杠9，支撑头座5与丝杠螺母8相连，并与底部的导轨滑块23连接；其中，直流伺服电机20与电机支座21通过沉头螺钉连接，该电机支座21与底板3固定；弹性联轴器28分别与直流伺服电机20的输出轴和蜗杆轴26刚性连接，蜗杆轴26通过精密轴承支撑在蜗杆支座27上，蜗杆支座27与底板3紧固；蜗轮25通过紧固螺钉与精密滚珠丝杠9刚性连接，精密滚珠丝杠9通过丝杠支座24定位安装，丝杠支座24固定在底板3的凸台侧面；支撑头座5通过沉头螺钉与丝杠螺母8相连，支撑头座5固定在导轨滑块23上，导轨22通过螺钉与导轨底板7相连，支撑头座5在导轨组件的导向下，实现支撑头Ⅰ、Ⅱ6、10平稳精确的直线运动。