拉伸-弯曲复合载荷原位纳米压痕测试装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及精密科学仪器与材料力学试验机领域，特别涉及一种集精密驱动、检 测为一体的拉伸-弯曲复合载荷原位纳米压痕测试装置及方法。本发明属于小型测试仪 器，能够与显微成像设备兼容，实现对材料测试过程中的原位观测，为材料的宏观力学性能 测试、微观变形损伤机制的探究提供有效的测试方法。
【背景技术】
[0002] 传统的材料测试方法主要有拉伸、弯曲、扭转、剪切、冲击、疲劳等测试方法，利用 这些方法及其对应的理论可以测量材料的弹性模量、强度极限、疲劳极限、硬度等力学参 量。随着材料制备技术的发展，新型材料的结构尺寸越来越小（例如薄膜镀层材料），传统 的测试方法难以准确测量其力学性能，纳米压痕测试方法因运而生。1961年，Stillwell 和Tabor最早提出了用压头压入材料的弹性回复来检测材料的力学性能的方法。1992年， Oliver和Pharr改进了压痕卸载曲线的处理方法，完善了压痕理论体系，奠定了纳米压痕 技术的基础。
[0003] 根据是否有显微成像设备在线实时监测所测试材料的变形损伤情况，纳米测试分 为原位纳米测试和离位纳米测试，目前大多数纳米力学研究处于离位测试阶段。A. M. Minor 等人曾指出了离位测试的不足：由于无法利用显微成像设备对试件进行原位监测，材料的 变形损伤机制与载荷作用和材料性能参数之间的规律难以研究。以微/纳机电系统为原理 的原位测试技术工艺复杂，且应用范围存在局限，无法对宏观尺寸（特征尺寸毫米级以上） 的三维试件进行测试。
[0004] 目前对于材料力学性能测试的研究多停留在单一载荷上，材料的力学性能参数都 是在理想化的条件下测试出来的，然而材料及其制品在实际工况中的受力情况比较复杂， 力学性能的表现与单一载荷的情况往往不同，单一载荷的力学性能测试无法准确评价复合 载荷下材料的力学性能。清华大学教授温诗铸指出：当前对于材料的变形损伤机制缺乏深 入的研究，而这又是微小元件设计制造环节迫切需要的。单一载荷测试显然无法研究材料 的变形损伤机制与多种形式载荷之间的规律。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种拉伸-弯曲复合载荷原位纳米压痕测试装置及方法， 解决了现有技术存在的上述问题。本发明在测试过程中通过特定的加载单元为被测试件材 料施加确定的拉伸-弯曲预加载荷，使被测试件材料受到特定的拉伸、弯曲、拉伸-弯曲预 应力，在这种情况下，再对被测材料样品进行原位纳米压痕测试，以测定在相应预应力状态 下材料的压痕响应、硬度以及弹性模量等基本力学性能参数的动态变化情况及其与预加载 荷和材料性能间的相关性规律，较好的模拟材料及其制品在实际工况下的应力水平。基于 该原理和方法的装置集成了拉伸、弯曲、纳米压痕三个加载模块，亦可实现拉伸、弯曲、纳米 压痕三种载荷的单独加载测试，以及拉伸-弯曲复合加载测试。本发明可实现对载荷/位 移信号的同步采集，对伺服驱动系统的闭环控制。本发明针对特征尺寸毫米级以上三维试 件所研制，在保证刚度和精度的前提下，实现了体积小、结构紧凑的特点。可置于光学显微 镜下对试件进行在线实时监测，观察材料的裂纹萌生、扩展和材料失效断裂过程，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。
[0006] 本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
[0007] 拉伸-弯曲复合载荷原位纳米压痕测试装置，在测试过程中先通过特定的加载单 元使被测试件材料受到特定的拉伸、弯曲、拉伸-弯曲预应力，再对被测材料样品进行原位 纳米压痕测试，以测定在相应预应力状态下材料的压痕响应、硬度以及弹性模量等基本力 学性能参数的动态变化情况及其与预加载荷和材料性能间的相关性规律；所述装置亦可实 现拉伸-弯曲-压痕三种形式载荷的单独加载及拉伸-弯曲、拉伸-压痕、弯曲-压痕复合 加载；所述装置的总体结构为十字分布，由拉伸加载模块、弯曲加载模块和压痕加载模块三 部分组成；拉伸加载模块置于中间，弯曲加载模块和压痕加载模块分布于拉伸模块的两侧； 拉伸加载模块、弯曲加载模块和压痕加载模块均由驱动组件、传动组件、执行组件、位移信 号和力信号精密检测组件组成；所述拉伸加载模块、弯曲加载模块和压痕加载模块的加载 力线处在同一平面，可以有效降低仪器的高度，便于在显微镜下观察，增大了机架的刚度， 减小了由于加载力线和丝杠轴线不重合产生的倾覆力矩；压痕加载模块和弯曲加载模块对 称分布在拉伸加载模块两侧，压痕加载模块的压头30在压入时，弯曲压头32置于试件31 背面与试件31相切，起辅助支承作用。
[0008] 所述的拉伸加载模块的驱动组件、传动组件、执行组件的装配关系为：直流伺服电 机I 4驱动由蜗杆I 7、蜗轮I 8组成的两级蜗轮蜗杆副I，两级涡轮蜗杆副I通过蜗轮蜗 杆轴I 11连接，蜗轮蜗杆轴I 11与轴承I 10相配合，轴承I 10安装在轴承座I 9上，轴 承座I 9与底板45相连；蜗轮蜗杆副I驱动双向滚珠丝杠 50,双向滚珠丝杠通过丝杠螺母 I 52带动载物台I 14、载物台II 27,实现载物台I 14、载物台II 27的相对反向运动；载物 台I 14、载物台II 27分别带动夹具I 2、夹具II 29运动，实现对试件31的拉伸加载；其中 直流伺服电机I 4固定在电机法兰I 5上，电机法兰I 5固定在底板45上；双向滚珠丝杠 50-端用丝杠支承座I 12固定在底板上；载物台I 14、载物台II 27与滑块I 51固定，滑 块I 51与导轨I 49构成移动副，导轨I 49用螺钉刚性固定于底板45上；夹具I 2刚性固 定于连接板I 15上，并与力传感器I 3相连接，连接板I 15通过滑块II 48、导轨II 47连接 在载物台I 14上；夹具II 29刚性固定在载物台II 27上；测量板I 46刚性固定于载物台载 物台II 27上。
[0009] 所述的弯曲加载模块的驱动组件、传动组件、执行组件的装配关系为：直流伺服电 机II 37驱动由蜗杆II 39、蜗轮II 43组成的两级蜗轮蜗杆副II，两级涡轮蜗杆副II通过蜗轮 蜗杆轴II 42连接，蜗轮蜗杆轴II 42与轴承II 41相配合，轴承II 41安装在轴承座II 40上， 轴承座II 40与底板45相连；蜗轮蜗杆副I驱动滚珠丝杠 53,滚珠丝杠通过丝杠螺母II 54 带动载物台III 34,弯曲压头32随着载物台III 34运动，从而实现弯曲加载；所述直流伺服电 机II 37与电机法兰II 38相连，固定在底板45上；滚珠丝杠 53 -端通过丝杠支承座II 44 固定在底板上；载物台III 34通过滑块III 56、导轨III 55构成的移动副连接在底板45上；弯 曲压头和载物台III 34中间通过力传感器II 33连接。
[0010] 所述的拉伸加载模块和弯曲加载模块的位移信号和力信号精密检测组件包括力 传感器I、II 3、33、位移传感器I、II 13、36、传感器夹具I、II 16、35和直流伺服电机上的 霍尔传感器，所述力传感器I 3-端通过螺母I 6固定在载物台I 14上，另一端与夹具I 2 相连；力传感器II 33-端通过螺母II 57固定在载物台III34上，另一端与弯曲压头32连接； 位移传感器I 13安装在传感器夹具I 16上，传感器夹具I 16刚性固定在连接板上；位移 传感器II 36安装在传感器夹具II 35上，传感器夹具II 35刚性固定在载物III 34台上；位移 传感器I、II和力传感器I、II用以对复合载荷的位移信号和力信号进行精密检测，可以作 为直流伺服电机闭环控制的反馈源。
[0011] 所述的压痕加载模块的装配关系为：电动滑台17刚性固定于底板45上驱动压头 30进行宏观进给；压电扫描台19固定于载物台IV 18上驱动压头30进行微观精密压入；压 头30通过连接柱28与力传感器III 25,力传感器III 25固定在连接板II 20前端对力信号进 行精密检测；位移信号精密检测组件由手动平台21、悬臂板22、传感器夹具III 24、电容式位 移传感器23、测量板26、组成，所述的测量板II 26固定在力传感器III 25前；手动平台21固 定在载物台IV 18上对电容式位移传感器23进行微调，电容式位移传感器23通过传感器夹 具III 24固定在悬臂板22上对位移信号进行精密检测。
[0012] 所述的夹具I 2通过连接板I 15