材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统的制作方法
材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及精密科学仪器领域，特别涉及一种材料微观力学性能双轴拉 伸-疲劳测试系统。可作为单轴拉伸、双轴拉伸、单周拉伸-疲劳、双轴拉伸-疲劳材料微观 力学性能测试平台使用，其中作为双轴拉伸-疲劳材料微观力学性能测试还可以实现双轴 同频疲劳和双轴非同频疲劳等测试。且该系统可在部分光学显微镜下进行上述的各种材料 微观力学性能测试，从而实现对被测材料的微观力学行为和变形损伤过程进行实时观察。 同时，通过减速器和大减速比的蜗轮蜗杆实现了拉伸过程中的准静态加载技术；通过力学 和变形信号检测单元对测试过程中试件承受的拉伸力、试件的拉伸变形等信号的采集，可 以拟合被测材料在相应载荷作用下的应力应变历程，能够以此分析材料的微观力学性能； 通过处理软件对力学和变形信号检测单元采集的力和变形信号进行分析处理，还可以对测 试系统实现闭环控制。
【背景技术】
[0002] 在对材料进行力学性能测试的过程中，通过光学显微镜等仪器对载荷作用下材料 发生的微观变形损伤进行全程动态监测，能够更深入地揭示各类材料及其制品的微观力学 行为、损伤机理及其材料性能与所受载荷间的相关性规律。
[0003] 为了测量材料及其制品的弹性模量、硬度、断裂极限、切变模量等重要参数，基于 微纳米力学测试，提出了多种测试方法，其中，有关拉伸的测试方法主要包括单轴拉伸、单 轴拉伸-疲劳、双轴拉伸等。然而，实际情况下，材料及其制品受到的载荷形式往往是非单 一模式的，如拉伸/压缩-弯曲复合载荷模式、拉伸/压缩-疲劳复合载荷模式、剪切-扭 转复合载荷模式等，因此，解析复合载荷模式作用下的材料的力学性能及其变性损伤机制 对材料学的发展具有不可忽视的现实意义。
[0004] 此外，实际工程中的板、壳结构部件所承受的大多是双向载荷，包括单晶金属、混 凝土以及部分具有各向异性的复合材料，只是研宄其单轴承受拉伸载荷下的力学性能，并 不客观。因此，开发双轴拉伸-疲劳测试系统，对研宄双向拉伸及疲劳载荷下材料的力学性 能及材料的变形损伤机制具有重要意义。
【发明内容】
[0005] 本实用新型的目的在于提供一种材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统，解 决了现有技术存在的上述问题。本实用新型可以分别实现单轴拉伸力学测试、双轴拉伸力 学测试、单轴拉伸-疲劳力学测试、双轴拉伸-疲劳力学测试，其中针对双轴拉伸-疲劳力 学测试，本系统还可以实现双轴同频疲劳加载和双轴非同频疲劳加载等模式，所述的双轴 拉伸-疲劳材料微观力学性能测试系统还可以与部分光学显微镜兼容，对材料微观力学性 能测试过程进行实时观察，如对材料的裂纹萌生、裂纹扩展和材料的失效破坏过程进行原 位监测；此外，通过力学和变形信号检测单元对测试过程中试件承受的拉伸力、试件的拉伸 变形等信号的采集，可以拟合被测材料在相应载荷作用下的应力应变历程，进而对材料在 双轴拉伸-疲劳载荷作用下的微观力学行为、变形损伤机制进行深入研宄。
[0006] 本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：
[0007] 材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统，包括精密加载-传动单元、疲劳单 元、力学和变形信号检测单元、试件夹持单元等；其中，精密加载-传动单元通过螺钉固定 在底板5上，疲劳单元通过两个对称的导轨Ia32、滑块Ia31和导轨Ib36、滑块Ib35安 装在精密加载-传动单元上，疲劳单元通过四个相同的连杆17分别与试件夹持单元相连， 力学和变形信号检测单元安装在试件夹持单元上。
[0008] 所述的精密加载-传动单元提供测试系统的预加载力和用于调整试件夹持单元 的位置所需要的力，由直流电机1提供动力，经过减速器2、蜗轮25、蜗杆24带动双向滚珠 丝杠11转动；所述的直流电机1的输出轴经过联轴器3与蜗杆轴48相连，蜗轮25安装在 双向滚珠丝杠11上，蜗轮25、蜗杆24起到降速增扭的作用；所述的双向滚珠丝杠11通过 导轨IIa9、滑块IIa8、滑块II29和导轨IIb12、滑块IIb13、滑块II49e及丝杠支撑座28定 固在底板5上，双向滚珠丝杠11上安装了两个相同的丝杠螺母I、II10、50,分别与两个相 同的螺母座I、II14、30相连；所述的螺母座I、II14、30分为上下两部分，通过螺钉连接， 以此降低安装难度；所述的螺母座I、II14、30上分别安装了导轨Ia32、滑块Ia31和导 轨Ib36、滑块Ib35,两个滑块Ia、b31、35均安装在下支撑板34上，支撑柱33与上支撑 板44通过螺钉相连，上支撑板44固定连接柔性铰链15 ;所述的丝杠螺母I、II10、50,螺母 座1、11 14、30,导轨Ia、b32、36和滑块Ia、b31、35均为对称布置；所述的导轨Ia、b32、 36与水平面成20°夹角，因此，当滑块a、bI31、35分别沿着导轨Ia、b32、36运动时，会 带动支撑柱33上下运动而保持其水平位置不变。
[0009] 所述的疲劳单元包括柔性铰链15、四个相同的压电叠堆16以及四个相同的连杆 17,其中柔性铰链15为对称结构，通过螺钉安装在下支撑板上44 ;所述的四个相同的压电 叠堆16分别安装在柔性铰链15内，并通过铜片预紧；所述的连杆17 -端通过销轴I42与 柔性铰链15相连，另一端通过销轴II45与传感器固定座19相连，传感器固定座19通过螺 钉安装在滑块IV38上。
[0010] 所述的力学和变形信号检测单元包括四个相同的拉力传感器21和两个位移传感 器I、II41、18,拉力传感器21通过螺纹连接于夹具体I43和传感器固定座19之间；位移 传感器II18安装在两个相对的夹具体I、II43、51之间，位移传感器I41和位移传感器 II18垂直布置；试件40承受的拉力和与其对应的拉力传感器的轴线在一条直线上。
[0011] 所述的试件夹持单元由四个夹具体I43和与之一一对应的压板39组成，试件安 放在夹具体I43与压板39之间，夹具体I43和压板39之间通过螺钉连接，并通过旋紧螺 钉对试件40进行夹紧；所述的夹具体I43安装在滑块IV38上，滑块IIc20和滑块IV38安 装在同一个导轨IIIa37上；导轨IIIb、c、d52、53、54与导轨IIIa37相同；所述的夹具体I43 和压板39上加工有滚花，以保证夹持的可靠性。
[0012] 本实用新型的测试系统可以在光学显微镜的动态监测下进行材料微观力学性能 原位测试。根据原位观测目的不同，可以选择光学显微镜来监测试件在载荷作用下裂纹的 萌生、扩展、至断裂过程；可以选择拉曼光谱仪对试件表面进行微区检测，进行拉伸/疲劳 载荷作用下材料的相结构研宄、晶粒及晶界变化、裂纹萌生等；也可以选择X射线衍射仪对 试件进行物相分析、确定晶粒度和应力分布、研宄材料的特殊性质与其原子排布、晶相变化 间的关系等；部分观测设备可以配合使用，如光学显微镜和拉曼光谱仪等。
[0013] 所述的导轨Ilia、b37、52安装在顶板I22上，导轨IIIc、d53、54安装在顶板II23 上，立柱6通过螺纹与顶板II23和底板5连接；顶板I22的连接方式与顶板II23的连接 方式相同；立柱6将顶板II23受到的拉力传导到底板5上。
[0014] 所述的四个相同的压电叠堆16,其中同一个拉伸轴向上的两个压电叠堆输出一 致，以保持试件的十字中心在测试过程中位置固定。
[0015] 试件的四个拉伸-疲劳端处在一个平面上，四个端部的拉伸载荷由一个加载单元 统一进行加载，疲劳载荷的施加则相互独立，即可以对四个拉伸-疲劳端分别施加疲劳载 荷。测试过程中，由于装置结构的对称性，试件中心基本保持位置不变，有利于实现原位观 测。可以在试件的十字中心，即试件的主要观测区预制压痕等缺陷，便于探宄在不同载荷形 式及载荷大小情况下，材料的微观力学性能及其变形、损伤机制。
[0016] 本实用新型通过对试件四个拉伸端同时施加拉伸载荷，使试件的十字中心在一个 平面上存在两个相互垂直的拉应力，同时在拉伸载荷的基础上还可以对试件的四个拉伸端 分别施加疲劳载荷，用于研宄不同载荷形式及载荷大小情况下材料的微观力学性能；基于 测试系统结构的对称性，即四个拉伸端完全对称，且共用一个加载单元进行预加载，使得试 件夹持单元拉动试件等速反向运动的同时，试件的十字中心保持静止，便 于使用光学显微 镜对材料测试过程进行动态监测；此外，双轴拉伸的四个拉伸端各使用一个压电叠堆进行 疲劳加载，即各个拉伸端的疲劳加载相互独立，使疲劳加载方案选择多样性。
[0017] 本实用新型的有益效果在于：测试系统结构新颖、紧凑，质量轻巧，可以在光学显 微镜的动态监测下进行材料微观力学性能原位测试，可以进行单轴拉伸测试、双轴拉伸测 试、单轴拉伸-疲劳测试、双轴拉伸-疲劳测试，且针对双轴拉伸-疲劳测试还可以实现双 轴同频和非同频两种低周疲劳测试，能够对材料及其制品在双向拉伸-疲劳加载模式作用 下的微观力学性能及变性损伤机制做出准确评价；该测试系统可以借助于部分光学显微 镜，对测试过程进行实时观察，实现原位观测。充分利用了该测试系统结构的对称性，并且 只通过一个加载单元进行预加载，保证了测试过程中同轴两个拉伸端的对称和同步性，还 保证了测试测试过程中试件十字中心的稳定性。综上所述，本实用新型不但具有良好的应 用、开发前景，而且对原位测试技术及装置的发展、材料微观力学性能研宄的进步有着重要 意义。
【附图说明】
[0018] 此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分， 本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限 定。
[0019] 图1为本实用新型的测试系统的整体结构示意图；
[0020] 图2为本实用新型的控制原理框图；
[0021] 图3为本实用新型的精密加载-传动单元结构示意图；
[0022] 图4为本实用新型的疲劳单元、试件夹持单元和力学和变形信号检测单元结构示 意图；
[0023] 图5为本实用新型的疲劳单元和试件夹持单元结构示意图；
[0024] 图6为本实用新型的力学和变形信号检测单元结构示意图；
[0025] 图7为本实用新型的原位观测原理示意图（实线表示测试前观测区A及显微镜镜 头的位置，测试过程中，观测区A逐渐变化到了虚线位置，同时，镜头跟随试件观测区的运 动进行调整，保证对材料发生的微观变形损伤进行全程动态监测）。
[0026] 图中：图中：1、直流电机；2、减速器；3、联轴器；4、电机座；5、底板；6、立柱；7、立 柱台；8、滑块IIa;9、导轨IIa;10、丝杠螺母I;11、双向滚珠丝杠；12、导轨IIb;13、滑块 IIb;14、螺母座I;15、柔性铰链；16、压电叠堆；17、连杆；18位移传感器II;19、传感器固 定座；20、滑块IIc;21、拉力传感器；22、顶板I;23、顶板II;24、蜗杆；25、蜗轮；26、轴承； 27、轴承座；28、丝杠支撑座；29、滑块IId;30、螺母座II;31、滑块Ia;32、导轨Ia;33、 支撑柱；34、下支撑板；35、滑块Ib;36、导轨Ib;37、导轨IIIa;38、滑块IV;39、压板；40、 试件；41、位移传感器I;42、销轴I;43、夹具体I;44、上支撑板；45、销轴11;46、固定板； 47、止板；48、蜗杆轴；49、滑块IIe;50、丝杠螺母II;51、夹具体II;52、导轨Illb;53、导轨 IIIc; 54、导轨IIId;55、夹紧片。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其【具体实施方式】。
[0028] 参见图1至图7所示，本实用新型的材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统 包括精密加载-传动单元、疲劳单元、力学和变形信号检测单元、试件夹持单元等，其中，精 密加载-传动单元通过螺钉固定在底板5上，疲劳单元通过两个对称的导轨Ia32、滑块 Ia31和导轨Ib36、滑块Ib35安装在精密加载-传动单元上，疲劳单元通过四个相同的 连杆17分别与试件夹持单元相连，力学和变形信号检测单元安装在试件夹持单元上；利用 测试系统结构的对称性，使得试件夹持单元拉动试件反向运动的同时，试件的十字中心保 持静止，便于使用光学显微镜进行原位观测；测试系统可以分别实现单轴拉伸测试、双轴拉 伸测试、单轴拉伸-疲劳测试、双轴拉伸-疲劳测试，与光学显微镜有良好的兼容性，可动态 研宄拉伸-疲劳载荷作用情况下材料的微观组织结构与变形损伤机制的相关性规律。
[0029] 参见图3所示，所述的精密加载-传动单元提供原位测试系统的预加载力和用于 调整试件夹持单元的位置所需要的力，由固定在电机座4上的直流电机1提供动力，经过减 速器2、蜗轮25、蜗杆24带动双向滚珠丝杠11转动；所述的直流电机1的输出轴经过联轴 器3与蜗杆轴48相连，蜗轮25安装在双向滚珠丝杠11上，蜗轮25、蜗杆24起到降速增扭 的作用；所述的双向滚珠丝杠11通过导轨IIa9、滑块IIa8、滑块IId29和导轨IIbl2、滑块 IIbl3、滑块IIe49,以及丝杠支撑座固28定在底板5上，双向滚珠丝杠11上安装了两个相 同的丝杠螺母I、II10、50,分别与两个相同的螺母座I、II14、30相连；所述的螺母座I、 II14、30分为上下两部分，通过螺钉连接，以此降低安装难度；所述的螺母座I、II14、30上 分别安装了导轨Ia32、滑块Ia31和导轨Ib36、滑块Ib35,两个滑块Ia、b31、35均安 装在下支撑板34上，支撑柱33与上支撑板44通过螺钉相连，上支撑板44用于固定、连接 柔性铰链15 ;所述的丝杠螺母I、II10、50,螺母座I、II14、30,导轨Ia、b32、36和滑块a、 bI31、35均为对称布置；所述的导轨Ia32、导轨Ib36与水平面成20°夹角，因此，当滑 块Ia、31、35分别沿着导轨Ia、a32、36运动时，会带动支撑柱33上下运动而保持其水平 位置不变。
[0030] 参见图4及图5所示，所述的疲劳单元包括柔性铰链15、四个相同的压电叠堆16 以及四个相同的连杆17,其中柔性铰链15为对称结构，通过螺钉安装在下支撑板上44 ;所 述的四个相同的压电叠堆16分别安装在柔性铰链15内，并通过铜片预紧；所述的连杆17 一端通过销轴I42与柔性铰链15相连，另一端通过销轴II45与传感器固定座19相连，传 感器固定座19通过螺钉安装在滑块IV38上。
[0031] 所述的试件夹持单元由四个夹具体I43和与之一一对应的压板39组成，试件安 放在夹具体I43与压板39之间，夹具体I43和压板39之间通过螺钉连接，并通过旋紧螺 钉对试件40进行夹紧；所述的夹具体I43安装在滑块IV38上，滑块IIc20和滑块IV38安 装在同一个导轨IIIa37上；所述的夹具体I43和压板39上加工有滚花，以保证夹持的可靠 性。
[0032] 参见图6所示，所述的力学和变形信号检测单元包括四个相同的拉力传感器21和 两个位移传感器I、II41、18,拉力传感器21通过螺纹连接于夹具体I43和传感器固定座 19之间；位移传感器II18安装在两个相对的夹具体I43和夹具体II51之间，位移传感器 41和位移传感器II18垂直布置。
[0033] 所述的导轨IIIa37、导轨IIIb52安装在顶板I22上，导轨IIIc53、导轨IIId54安装在 顶板II23上，立柱6 -端通过螺纹与顶板II23连接，另一端通过立柱台7与底板5连接； 顶板I22的连接方式与顶板II23的连接方式相同；立柱6将顶板II23受到的拉力传导到 底板5上。
[0034] 所述的蜗杆轴48 -端与联轴器3连接，另一端通过轴承26安装在轴承座27上。
[0035] 所述的位移传感器II18通过固定板46和夹紧片55安装在夹具体I43上，传感 器的端部与止板47始终保持接触，止板47安装在夹具体II51上，测试前位移传感器II18 处在压缩状态，测试过程中，随着夹具体I43和夹具体II51之间距离的增加，位移传感器 II18慢慢伸长；位移传感器I41的安装及测量方式与位移传感器II18相同。
[0036] 所述的四个相同的压电叠堆16,要求同一个拉伸轴向上的两个压电叠堆输出一 致，以保持试件的十字中心在测试过程中原位不动，便于原位观测。
[0037] 所述的双向拉伸的四个方向对应的压电叠堆16、连杆17、力传感器21、夹具体 I43等完全相同，保证双向拉伸时试件40的十字中心不发生水平运动，便于通过显微镜对 测试过程进行原位观测。
[0038] 所述的四个相同的力传感器 21与试件40承受的拉力在一条直线上，保证了力传 感器测量结果的准确性。
[0039] 参见图1至图7,发明的测试系统安装前，需要对测试系统中使用的四个相同的力 传感器21和两个位移传感器II、I18、41进行标定与校正，再对测试系统进行安装、调试。 进行材料力学性能测试前，需要对试件夹持单元进行复位操作，要求将试件夹持单元调整 到合适的位置以便对试件进行定位和夹紧，且复位后要求位移传感器II、I18、41均处在 受压状态，且保证其允许的伸长量大于试件的拉伸长度。
[0040] 根据实验目的需要，选择合适的测量方法，即单轴拉伸测试、双轴拉伸测试、单轴 拉伸-疲劳测试或者双轴拉伸-疲劳测试，其中涉及的疲劳测试主要指低周疲劳测试，并在 试件被拉伸的基础上进行，即试件预有一定变形或一定载荷条件下进行中低频拉伸测试。 因此以所发明的测试系统所进行的测试研宄主要分析的是材料弹性模量E、屈服强度〇 s、 强度极限〇b、断后延伸率A、断面收缩率Z等力学性能参数。其中，
[0046] 其中，〇 :材料的应力，e:材料的应变，F&:下屈服点对应的材料载荷，Fb:材料的 最大载荷，\:材料原始截面积，Su:材料断后截面积，:材料原始标距，Lu:材料断后标距。
[0047] 材料的力学性能主要体现在材料在载荷作用下的变形和破坏性能等。而材料的弹 性模量、断裂极限、疲劳强度等参数是材料力学性能测试中最主要的测试对象，通过拉伸测 试能够测量材料的弹性模量、屈服强度、强度极限、断后伸长率和断面收缩率，从而衡量材 料在承受拉伸载荷时的力学性能。通过载荷-位移曲线研宄材料在双向拉伸载荷作用下 的屈服、破坏过程。而循环加载力所产生的交变应力会对材料局部产生永久性损伤，并诱发 裂纹的萌生、扩展、失稳。通过拉伸-疲劳测试可以测量疲劳载荷对材料力学性能的影响。
[0048] 在测试的整个过程中，为了实时监测被测试件的裂纹萌生、扩展、失稳情况，测试 前需要将试件进行抛光、腐蚀处理，由光学显微镜成像系统进行动态监测，并可同时记录图 像，结合调试软件亦可实时获取表征材料力学性能的工程应力应变曲线及其他力学参数。
[0049] 以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领 域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡对本实用新型所作的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于：包括精密加载-传 动单元、疲劳单元、力学和变形信号检测单元、试件夹持单元；其中，精密加载-传动单元通 过螺钉固定在底板（5)上，疲劳单元通过两个对称的导轨I a(32)、滑块I a(31)和导轨 I b(36)、滑块I b(35)安装在精密加载-传动单元上，疲劳单元通过四个相同的连杆（17) 分别与试件夹持单元相连，力学和变形信号检测单元安装在试件夹持单元上。2. 根据权利要求1所述的材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于： 所述的精密加载-传动单元提供预加载力和用于调整试件夹持单元的位置所需要的力，由 直流电机（1)提供动力，经过减速器（2)、蜗轮（25)、蜗杆（24)带动双向滚珠丝杠（11)转 动；所述的直流电机（1)的输出轴经过联轴器（3)与蜗杆轴（48)相连，蜗轮（25)安装在双 向滚珠丝杠（11)上，蜗轮（25)、蜗杆（24)起到降速增扭的作用；所述的双向滚珠丝杠（11) 通过导轨II a (9)、滑块II a (8)、滑块II (29)和导轨II b (12)、滑块II b (13)、滑块II (49) e及 丝杠支撑座（28)定固在底板（5)上，双向滚珠丝杠（11)上安装了两个相同的丝杠螺母I、 II (10、50)，分别与两个相同的螺母座I、II (14、30)相连；所述的螺母座I、II (14、30)分 为上下两部分，通过螺钉连接，以此降低安装难度；所述的螺母座I、II (14、30)上分别安 装了导轨I a(32)、滑块I a(31)和导轨I b(36)、滑块I b(35)，两个滑块I a、b(31、35)均 安装在下支撑板（34)上，支撑柱（33)与上支撑板（44)通过螺钉相连，上支撑板（44)固定 连接柔性铰链（15);所述的丝杠螺母I、II (10、50)，螺母座I、II (14、30)，导轨I a、b (32、 36)和滑块I a、b(31、35)均为对称布置；所述的导轨I a、b(32、36)与水平面成20°夹角， 因此，当滑块a、b I (31、35)分别沿着导轨I a、b(32、36)运动时，会带动支撑柱（33)上下 运动而保持其水平位置不变。3. 根据权利要求1所述的材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于： 所述的疲劳单元包括柔性铰链（15)、四个相同的压电叠堆（16)以及四个相同的连杆（17)， 其中柔性铰链（15)为对称结构，通过螺钉安装在下支撑板上（44);所述的四个相同的压电 叠堆（16)分别安装在柔性铰链（15)内，并通过铜片预紧；所述的连杆（17) -端通过销轴 I (42)与柔性铰链（15)相连，另一端通过销轴II (45)与传感器固定座（19)相连，传感器 固定座（19)通过螺钉安装在滑块IV (38)上。4. 根据权利要求1所述的材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于： 所述的力学和变形信号检测单元包括四个相同的拉力传感器（21)和两个位移传感器I、 II (41、18)，拉力传感器（21)通过螺纹连接于夹具体I (43)和传感器固定座（19)之间； 位移传感器II (18)安装在两个相对的夹具体I、II (43、51)之间，位移传感器I (41)和位 移传感器II (18)垂直布置；试件（40)承受的拉力和与其对应的拉力传感器的轴线在一条 直线上。5. 根据权利要求1所述的材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于： 所述的试件夹持单元由四个夹具体I (43)和与之一一对应的压板（39)组成，试件安放在 夹具体I (43)与压板（39)之间，夹具体I (43)和压板（39)之间通过螺钉连接，并通过旋 紧螺钉对试件（40)进行夹紧；所述的夹具体I (43)安装在滑块IV (38)上，滑块II c (20) 和滑块IV (38)安装在同一个导轨III a (37)上；导轨III b、c、d (52、53、54)与导轨III a (37)相 同；所述的夹具体I (43)和压板（39)上加工有滚花，以保证夹持的可靠性。6. 根据权利要求5所述的材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于： 所述的导轨Ilia、b(37、52)安装在顶板I (22)上，导轨IIIc、d(53、54)安装在顶板II (23) 上，立柱（6)通过螺纹与顶板II (23)和底板（5)连接；顶板I (22)的连接方式与顶板 II (23)的连接方式相同；立柱（6)将顶板II (23)受到的拉力传导到底板（5)上。7.根据权利要求3所述的材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于： 所述的四个相同的压电叠堆（16)，其中同一个拉伸轴向上的两个压电叠堆输出一致，以保 持试件的十字中心在测试过程中位置固定。
【专利摘要】本实用新型涉及一种材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统，属于精密科学仪器领域。通过对试件施加正交的拉伸载荷，使试件在一个平面上存在两个相互垂直的拉应力，同时在拉伸载荷的基础上还可以对试件施加疲劳载荷，用于研究不同载荷形式及载荷大小情况下材料的微观力学性能。系统由精密加载-传动单元、疲劳单元、力学和变形信号检测单元、试件夹持单元等部分组成。优点在于：测试系统结构新颖紧凑，可以分别实现单轴拉伸测试、双轴拉伸测试、单轴拉伸-疲劳测试、双轴拉伸-疲劳测试，与光学显微镜有良好的兼容性，可动态研究拉伸-疲劳载荷作用情况下材料的微观组织结构与变形损伤机制的相关性规律。
【IPC分类】G01N3/32, G01N3/08
【公开号】CN204718885
【申请号】CN201520301067
【发明人】赵宏伟, 刘阳, 李柠, 张世忠, 代晓航, 王顺博, 霍占伟, 马志超, 范尊强, 董景石
【申请人】吉林大学
【公开日】2015年10月21日
【申请日】2015年5月12日
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及精密科学仪器领域，特别涉及一种材料微观力学性能双轴拉 伸-疲劳测试系统。可作为单轴拉伸、双轴拉伸、单周拉伸-疲劳、双轴拉伸-疲劳材料微观 力学性能测试平台使用，其中作为双轴拉伸-疲劳材料微观力学性能测试还可以实现双轴 同频疲劳和双轴非同频疲劳等测试。且该系统可在部分光学显微镜下进行上述的各种材料 微观力学性能测试，从而实现对被测材料的微观力学行为和变形损伤过程进行实时观察。 同时，通过减速器和大减速比的蜗轮蜗杆实现了拉伸过程中的准静态加载技术；通过力学 和变形信号检测单元对测试过程中试件承受的拉伸力、试件的拉伸变形等信号的采集，可 以拟合被测材料在相应载荷作用下的应力应变历程，能够以此分析材料的微观力学性能； 通过处理软件对力学和变形信号检测单元采集的力和变形信号进行分析处理，还可以对测 试系统实现闭环控制。
【背景技术】
[0002] 在对材料进行力学性能测试的过程中，通过光学显微镜等仪器对载荷作用下材料 发生的微观变形损伤进行全程动态监测，能够更深入地揭示各类材料及其制品的微观力学 行为、损伤机理及其材料性能与所受载荷间的相关性规律。
[0003] 为了测量材料及其制品的弹性模量、硬度、断裂极限、切变模量等重要参数，基于 微纳米力学测试，提出了多种测试方法，其中，有关拉伸的测试方法主要包括单轴拉伸、单 轴拉伸-疲劳、双轴拉伸等。然而，实际情况下，材料及其制品受到的载荷形式往往是非单 一模式的，如拉伸/压缩-弯曲复合载荷模式、拉伸/压缩-疲劳复合载荷模式、剪切-扭 转复合载荷模式等，因此，解析复合载荷模式作用下的材料的力学性能及其变性损伤机制 对材料学的发展具有不可忽视的现实意义。
[0004] 此外，实际工程中的板、壳结构部件所承受的大多是双向载荷，包括单晶金属、混 凝土以及部分具有各向异性的复合材料，只是研宄其单轴承受拉伸载荷下的力学性能，并 不客观。因此，开发双轴拉伸-疲劳测试系统，对研宄双向拉伸及疲劳载荷下材料的力学性 能及材料的变形损伤机制具有重要意义。
【发明内容】
[0005] 本实用新型的目的在于提供一种材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统，解 决了现有技术存在的上述问题。本实用新型可以分别实现单轴拉伸力学测试、双轴拉伸力 学测试、单轴拉伸-疲劳力学测试、双轴拉伸-疲劳力学测试，其中针对双轴拉伸-疲劳力 学测试，本系统还可以实现双轴同频疲劳加载和双轴非同频疲劳加载等模式，所述的双轴 拉伸-疲劳材料微观力学性能测试系统还可以与部分光学显微镜兼容，对材料微观力学性 能测试过程进行实时观察，如对材料的裂纹萌生、裂纹扩展和材料的失效破坏过程进行原 位监测；此外，通过力学和变形信号检测单元对测试过程中试件承受的拉伸力、试件的拉伸 变形等信号的采集，可以拟合被测材料在相应载荷作用下的应力应变历程，进而对材料在 双轴拉伸-疲劳载荷作用下的微观力学行为、变形损伤机制进行深入研宄。
[0006] 本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：
[0007] 材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统，包括精密加载-传动单元、疲劳单 元、力学和变形信号检测单元、试件夹持单元等；其中，精密加载-传动单元通过螺钉固定 在底板5上，疲劳单元通过两个对称的导轨Ia32、滑块Ia31和导轨Ib36、滑块Ib35安 装在精密加载-传动单元上，疲劳单元通过四个相同的连杆17分别与试件夹持单元相连， 力学和变形信号检测单元安装在试件夹持单元上。
[0008] 所述的精密加载-传动单元提供测试系统的预加载力和用于调整试件夹持单元 的位置所需要的力，由直流电机1提供动力，经过减速器2、蜗轮25、蜗杆24带动双向滚珠 丝杠11转动；所述的直流电机1的输出轴经过联轴器3与蜗杆轴48相连，蜗轮25安装在 双向滚珠丝杠11上，蜗轮25、蜗杆24起到降速增扭的作用；所述的双向滚珠丝杠11通过 导轨IIa9、滑块IIa8、滑块II29和导轨IIb12、滑块IIb13、滑块II49e及丝杠支撑座28定 固在底板5上，双向滚珠丝杠11上安装了两个相同的丝杠螺母I、II10、50,分别与两个相 同的螺母座I、II14、30相连；所述的螺母座I、II14、30分为上下两部分，通过螺钉连接， 以此降低安装难度；所述的螺母座I、II14、30上分别安装了导轨Ia32、滑块Ia31和导 轨Ib36、滑块Ib35,两个滑块Ia、b31、35均安装在下支撑板34上，支撑柱33与上支撑 板44通过螺钉相连，上支撑板44固定连接柔性铰链15 ;所述的丝杠螺母I、II10、50,螺母 座1、11 14、30,导轨Ia、b32、36和滑块Ia、b31、35均为对称布置；所述的导轨Ia、b32、 36与水平面成20°夹角，因此，当滑块a、bI31、35分别沿着导轨Ia、b32、36运动时，会 带动支撑柱33上下运动而保持其水平位置不变。
[0009] 所述的疲劳单元包括柔性铰链15、四个相同的压电叠堆16以及四个相同的连杆 17,其中柔性铰链15为对称结构，通过螺钉安装在下支撑板上44 ;所述的四个相同的压电 叠堆16分别安装在柔性铰链15内，并通过铜片预紧；所述的连杆17 -端通过销轴I42与 柔性铰链15相连，另一端通过销轴II45与传感器固定座19相连，传感器固定座19通过螺 钉安装在滑块IV38上。
[0010] 所述的力学和变形信号检测单元包括四个相同的拉力传感器21和两个位移传感 器I、II41、18,拉力传感器21通过螺纹连接于夹具体I43和传感器固定座19之间；位移 传感器II18安装在两个相对的夹具体I、II43、51之间，位移传感器I41和位移传感器 II18垂直布置；试件40承受的拉力和与其对应的拉力传感器的轴线在一条直线上。
[0011] 所述的试件夹持单元由四个夹具体I43和与之一一对应的压板39组成，试件安 放在夹具体I43与压板39之间，夹具体I43和压板39之间通过螺钉连接，并通过旋紧螺 钉对试件40进行夹紧；所述的夹具体I43安装在滑块IV38上，滑块IIc20和滑块IV38安 装在同一个导轨IIIa37上；导轨IIIb、c、d52、53、54与导轨IIIa37相同；所述的夹具体I43 和压板39上加工有滚花，以保证夹持的可靠性。
[0012] 本实用新型的测试系统可以在光学显微镜的动态监测下进行材料微观力学性能 原位测试。根据原位观测目的不同，可以选择光学显微镜来监测试件在载荷作用下裂纹的 萌生、扩展、至断裂过程；可以选择拉曼光谱仪对试件表面进行微区检测，进行拉伸/疲劳 载荷作用下材料的相结构研宄、晶粒及晶界变化、裂纹萌生等；也可以选择X射线衍射仪对 试件进行物相分析、确定晶粒度和应力分布、研宄材料的特殊性质与其原子排布、晶相变化 间的关系等；部分观测设备可以配合使用，如光学显微镜和拉曼光谱仪等。
[0013] 所述的导轨Ilia、b37、52安装在顶板I22上，导轨IIIc、d53、54安装在顶板II23 上，立柱6通过螺纹与顶板II23和底板5连接；顶板I22的连接方式与顶板II23的连接 方式相同；立柱6将顶板II23受到的拉力传导到底板5上。
[0014] 所述的四个相同的压电叠堆16,其中同一个拉伸轴向上的两个压电叠堆输出一 致，以保持试件的十字中心在测试过程中位置固定。
[0015] 试件的四个拉伸-疲劳端处在一个平面上，四个端部的拉伸载荷由一个加载单元 统一进行加载，疲劳载荷的施加则相互独立，即可以对四个拉伸-疲劳端分别施加疲劳载 荷。测试过程中，由于装置结构的对称性，试件中心基本保持位置不变，有利于实现原位观 测。可以在试件的十字中心，即试件的主要观测区预制压痕等缺陷，便于探宄在不同载荷形 式及载荷大小情况下，材料的微观力学性能及其变形、损伤机制。
[0016] 本实用新型通过对试件四个拉伸端同时施加拉伸载荷，使试件的十字中心在一个 平面上存在两个相互垂直的拉应力，同时在拉伸载荷的基础上还可以对试件的四个拉伸端 分别施加疲劳载荷，用于研宄不同载荷形式及载荷大小情况下材料的微观力学性能；基于 测试系统结构的对称性，即四个拉伸端完全对称，且共用一个加载单元进行预加载，使得试 件夹持单元拉动试件等速反向运动的同时，试件的十字中心保持静止，便 于使用光学显微 镜对材料测试过程进行动态监测；此外，双轴拉伸的四个拉伸端各使用一个压电叠堆进行 疲劳加载，即各个拉伸端的疲劳加载相互独立，使疲劳加载方案选择多样性。
[0017] 本实用新型的有益效果在于：测试系统结构新颖、紧凑，质量轻巧，可以在光学显 微镜的动态监测下进行材料微观力学性能原位测试，可以进行单轴拉伸测试、双轴拉伸测 试、单轴拉伸-疲劳测试、双轴拉伸-疲劳测试，且针对双轴拉伸-疲劳测试还可以实现双 轴同频和非同频两种低周疲劳测试，能够对材料及其制品在双向拉伸-疲劳加载模式作用 下的微观力学性能及变性损伤机制做出准确评价；该测试系统可以借助于部分光学显微 镜，对测试过程进行实时观察，实现原位观测。充分利用了该测试系统结构的对称性，并且 只通过一个加载单元进行预加载，保证了测试过程中同轴两个拉伸端的对称和同步性，还 保证了测试测试过程中试件十字中心的稳定性。综上所述，本实用新型不但具有良好的应 用、开发前景，而且对原位测试技术及装置的发展、材料微观力学性能研宄的进步有着重要 意义。
【附图说明】
[0018] 此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分， 本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限 定。
[0019] 图1为本实用新型的测试系统的整体结构示意图；
[0020] 图2为本实用新型的控制原理框图；
[0021] 图3为本实用新型的精密加载-传动单元结构示意图；
[0022] 图4为本实用新型的疲劳单元、试件夹持单元和力学和变形信号检测单元结构示 意图；
[0023] 图5为本实用新型的疲劳单元和试件夹持单元结构示意图；
[0024] 图6为本实用新型的力学和变形信号检测单元结构示意图；
[0025] 图7为本实用新型的原位观测原理示意图（实线表示测试前观测区A及显微镜镜 头的位置，测试过程中，观测区A逐渐变化到了虚线位置，同时，镜头跟随试件观测区的运 动进行调整，保证对材料发生的微观变形损伤进行全程动态监测）。
[0026] 图中：图中：1、直流电机；2、减速器；3、联轴器；4、电机座；5、底板；6、立柱；7、立 柱台；8、滑块IIa;9、导轨IIa;10、丝杠螺母I;11、双向滚珠丝杠；12、导轨IIb;13、滑块 IIb;14、螺母座I;15、柔性铰链；16、压电叠堆；17、连杆；18位移传感器II;19、传感器固 定座；20、滑块IIc;21、拉力传感器；22、顶板I;23、顶板II;24、蜗杆；25、蜗轮；26、轴承； 27、轴承座；28、丝杠支撑座；29、滑块IId;30、螺母座II;31、滑块Ia;32、导轨Ia;33、 支撑柱；34、下支撑板；35、滑块Ib;36、导轨Ib;37、导轨IIIa;38、滑块IV;39、压板；40、 试件；41、位移传感器I;42、销轴I;43、夹具体I;44、上支撑板；45、销轴11;46、固定板； 47、止板；48、蜗杆轴；49、滑块IIe;50、丝杠螺母II;51、夹具体II;52、导轨Illb;53、导轨 IIIc; 54、导轨IIId;55、夹紧片。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其【具体实施方式】。
[0028] 参见图1至图7所示，本实用新型的材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统 包括精密加载-传动单元、疲劳单元、力学和变形信号检测单元、试件夹持单元等，其中，精 密加载-传动单元通过螺钉固定在底板5上，疲劳单元通过两个对称的导轨Ia32、滑块 Ia31和导轨Ib36、滑块Ib35安装在精密加载-传动单元上，疲劳单元通过四个相同的 连杆17分别与试件夹持单元相连，力学和变形信号检测单元安装在试件夹持单元上；利用 测试系统结构的对称性，使得试件夹持单元拉动试件反向运动的同时，试件的十字中心保 持静止，便于使用光学显微镜进行原位观测；测试系统可以分别实现单轴拉伸测试、双轴拉 伸测试、单轴拉伸-疲劳测试、双轴拉伸-疲劳测试，与光学显微镜有良好的兼容性，可动态 研宄拉伸-疲劳载荷作用情况下材料的微观组织结构与变形损伤机制的相关性规律。
[0029] 参见图3所示，所述的精密加载-传动单元提供原位测试系统的预加载力和用于 调整试件夹持单元的位置所需要的力，由固定在电机座4上的直流电机1提供动力，经过减 速器2、蜗轮25、蜗杆24带动双向滚珠丝杠11转动；所述的直流电机1的输出轴经过联轴 器3与蜗杆轴48相连，蜗轮25安装在双向滚珠丝杠11上，蜗轮25、蜗杆24起到降速增扭 的作用；所述的双向滚珠丝杠11通过导轨IIa9、滑块IIa8、滑块IId29和导轨IIbl2、滑块 IIbl3、滑块IIe49,以及丝杠支撑座固28定在底板5上，双向滚珠丝杠11上安装了两个相 同的丝杠螺母I、II10、50,分别与两个相同的螺母座I、II14、30相连；所述的螺母座I、 II14、30分为上下两部分，通过螺钉连接，以此降低安装难度；所述的螺母座I、II14、30上 分别安装了导轨Ia32、滑块Ia31和导轨Ib36、滑块Ib35,两个滑块Ia、b31、35均安 装在下支撑板34上，支撑柱33与上支撑板44通过螺钉相连，上支撑板44用于固定、连接 柔性铰链15 ;所述的丝杠螺母I、II10、50,螺母座I、II14、30,导轨Ia、b32、36和滑块a、 bI31、35均为对称布置；所述的导轨Ia32、导轨Ib36与水平面成20°夹角，因此，当滑 块Ia、31、35分别沿着导轨Ia、a32、36运动时，会带动支撑柱33上下运动而保持其水平 位置不变。
[0030] 参见图4及图5所示，所述的疲劳单元包括柔性铰链15、四个相同的压电叠堆16 以及四个相同的连杆17,其中柔性铰链15为对称结构，通过螺钉安装在下支撑板上44 ;所 述的四个相同的压电叠堆16分别安装在柔性铰链15内，并通过铜片预紧；所述的连杆17 一端通过销轴I42与柔性铰链15相连，另一端通过销轴II45与传感器固定座19相连，传 感器固定座19通过螺钉安装在滑块IV38上。
[0031] 所述的试件夹持单元由四个夹具体I43和与之一一对应的压板39组成，试件安 放在夹具体I43与压板39之间，夹具体I43和压板39之间通过螺钉连接，并通过旋紧螺 钉对试件40进行夹紧；所述的夹具体I43安装在滑块IV38上，滑块IIc20和滑块IV38安 装在同一个导轨IIIa37上；所述的夹具体I43和压板39上加工有滚花，以保证夹持的可靠 性。
[0032] 参见图6所示，所述的力学和变形信号检测单元包括四个相同的拉力传感器21和 两个位移传感器I、II41、18,拉力传感器21通过螺纹连接于夹具体I43和传感器固定座 19之间；位移传感器II18安装在两个相对的夹具体I43和夹具体II51之间，位移传感器 41和位移传感器II18垂直布置。
[0033] 所述的导轨IIIa37、导轨IIIb52安装在顶板I22上，导轨IIIc53、导轨IIId54安装在 顶板II23上，立柱6 -端通过螺纹与顶板II23连接，另一端通过立柱台7与底板5连接； 顶板I22的连接方式与顶板II23的连接方式相同；立柱6将顶板II23受到的拉力传导到 底板5上。
[0034] 所述的蜗杆轴48 -端与联轴器3连接，另一端通过轴承26安装在轴承座27上。
[0035] 所述的位移传感器II18通过固定板46和夹紧片55安装在夹具体I43上，传感 器的端部与止板47始终保持接触，止板47安装在夹具体II51上，测试前位移传感器II18 处在压缩状态，测试过程中，随着夹具体I43和夹具体II51之间距离的增加，位移传感器 II18慢慢伸长；位移传感器I41的安装及测量方式与位移传感器II18相同。
[0036] 所述的四个相同的压电叠堆16,要求同一个拉伸轴向上的两个压电叠堆输出一 致，以保持试件的十字中心在测试过程中原位不动，便于原位观测。
[0037] 所述的双向拉伸的四个方向对应的压电叠堆16、连杆17、力传感器21、夹具体 I43等完全相同，保证双向拉伸时试件40的十字中心不发生水平运动，便于通过显微镜对 测试过程进行原位观测。
[0038] 所述的四个相同的力传感器 21与试件40承受的拉力在一条直线上，保证了力传 感器测量结果的准确性。
[0039] 参见图1至图7,发明的测试系统安装前，需要对测试系统中使用的四个相同的力 传感器21和两个位移传感器II、I18、41进行标定与校正，再对测试系统进行安装、调试。 进行材料力学性能测试前，需要对试件夹持单元进行复位操作，要求将试件夹持单元调整 到合适的位置以便对试件进行定位和夹紧，且复位后要求位移传感器II、I18、41均处在 受压状态，且保证其允许的伸长量大于试件的拉伸长度。
[0040] 根据实验目的需要，选择合适的测量方法，即单轴拉伸测试、双轴拉伸测试、单轴 拉伸-疲劳测试或者双轴拉伸-疲劳测试，其中涉及的疲劳测试主要指低周疲劳测试，并在 试件被拉伸的基础上进行，即试件预有一定变形或一定载荷条件下进行中低频拉伸测试。 因此以所发明的测试系统所进行的测试研宄主要分析的是材料弹性模量E、屈服强度〇 s、 强度极限〇b、断后延伸率A、断面收缩率Z等力学性能参数。其中，
[0046] 其中，〇 :材料的应力，e:材料的应变，F&:下屈服点对应的材料载荷，Fb:材料的 最大载荷，\:材料原始截面积，Su:材料断后截面积，:材料原始标距，Lu:材料断后标距。
[0047] 材料的力学性能主要体现在材料在载荷作用下的变形和破坏性能等。而材料的弹 性模量、断裂极限、疲劳强度等参数是材料力学性能测试中最主要的测试对象，通过拉伸测 试能够测量材料的弹性模量、屈服强度、强度极限、断后伸长率和断面收缩率，从而衡量材 料在承受拉伸载荷时的力学性能。通过载荷-位移曲线研宄材料在双向拉伸载荷作用下 的屈服、破坏过程。而循环加载力所产生的交变应力会对材料局部产生永久性损伤，并诱发 裂纹的萌生、扩展、失稳。通过拉伸-疲劳测试可以测量疲劳载荷对材料力学性能的影响。
[0048] 在测试的整个过程中，为了实时监测被测试件的裂纹萌生、扩展、失稳情况，测试 前需要将试件进行抛光、腐蚀处理，由光学显微镜成像系统进行动态监测，并可同时记录图 像，结合调试软件亦可实时获取表征材料力学性能的工程应力应变曲线及其他力学参数。
[0049] 以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领 域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡对本实用新型所作的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于：包括精密加载-传 动单元、疲劳单元、力学和变形信号检测单元、试件夹持单元；其中，精密加载-传动单元通 过螺钉固定在底板（5)上，疲劳单元通过两个对称的导轨I a(32)、滑块I a(31)和导轨 I b(36)、滑块I b(35)安装在精密加载-传动单元上，疲劳单元通过四个相同的连杆（17) 分别与试件夹持单元相连，力学和变形信号检测单元安装在试件夹持单元上。2. 根据权利要求1所述的材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于： 所述的精密加载-传动单元提供预加载力和用于调整试件夹持单元的位置所需要的力，由 直流电机（1)提供动力，经过减速器（2)、蜗轮（25)、蜗杆（24)带动双向滚珠丝杠（11)转 动；所述的直流电机（1)的输出轴经过联轴器（3)与蜗杆轴（48)相连，蜗轮（25)安装在双 向滚珠丝杠（11)上，蜗轮（25)、蜗杆（24)起到降速增扭的作用；所述的双向滚珠丝杠（11) 通过导轨II a (9)、滑块II a (8)、滑块II (29)和导轨II b (12)、滑块II b (13)、滑块II (49) e及 丝杠支撑座（28)定固在底板（5)上，双向滚珠丝杠（11)上安装了两个相同的丝杠螺母I、 II (10、50)，分别与两个相同的螺母座I、II (14、30)相连；所述的螺母座I、II (14、30)分 为上下两部分，通过螺钉连接，以此降低安装难度；所述的螺母座I、II (14、30)上分别安 装了导轨I a(32)、滑块I a(31)和导轨I b(36)、滑块I b(35)，两个滑块I a、b(31、35)均 安装在下支撑板（34)上，支撑柱（33)与上支撑板（44)通过螺钉相连，上支撑板（44)固定 连接柔性铰链（15);所述的丝杠螺母I、II (10、50)，螺母座I、II (14、30)，导轨I a、b (32、 36)和滑块I a、b(31、35)均为对称布置；所述的导轨I a、b(32、36)与水平面成20°夹角， 因此，当滑块a、b I (31、35)分别沿着导轨I a、b(32、36)运动时，会带动支撑柱（33)上下 运动而保持其水平位置不变。3. 根据权利要求1所述的材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于： 所述的疲劳单元包括柔性铰链（15)、四个相同的压电叠堆（16)以及四个相同的连杆（17)， 其中柔性铰链（15)为对称结构，通过螺钉安装在下支撑板上（44);所述的四个相同的压电 叠堆（16)分别安装在柔性铰链（15)内，并通过铜片预紧；所述的连杆（17) -端通过销轴 I (42)与柔性铰链（15)相连，另一端通过销轴II (45)与传感器固定座（19)相连，传感器 固定座（19)通过螺钉安装在滑块IV (38)上。4. 根据权利要求1所述的材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于： 所述的力学和变形信号检测单元包括四个相同的拉力传感器（21)和两个位移传感器I、 II (41、18)，拉力传感器（21)通过螺纹连接于夹具体I (43)和传感器固定座（19)之间； 位移传感器II (18)安装在两个相对的夹具体I、II (43、51)之间，位移传感器I (41)和位 移传感器II (18)垂直布置；试件（40)承受的拉力和与其对应的拉力传感器的轴线在一条 直线上。5. 根据权利要求1所述的材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于： 所述的试件夹持单元由四个夹具体I (43)和与之一一对应的压板（39)组成，试件安放在 夹具体I (43)与压板（39)之间，夹具体I (43)和压板（39)之间通过螺钉连接，并通过旋 紧螺钉对试件（40)进行夹紧；所述的夹具体I (43)安装在滑块IV (38)上，滑块II c (20) 和滑块IV (38)安装在同一个导轨III a (37)上；导轨III b、c、d (52、53、54)与导轨III a (37)相 同；所述的夹具体I (43)和压板（39)上加工有滚花，以保证夹持的可靠性。6. 根据权利要求5所述的材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于： 所述的导轨Ilia、b(37、52)安装在顶板I (22)上，导轨IIIc、d(53、54)安装在顶板II (23) 上，立柱（6)通过螺纹与顶板II (23)和底板（5)连接；顶板I (22)的连接方式与顶板 II (23)的连接方式相同；立柱（6)将顶板II (23)受到的拉力传导到底板（5)上。7.根据权利要求3所述的材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于： 所述的四个相同的压电叠堆（16)，其中同一个拉伸轴向上的两个压电叠堆输出一致，以保 持试件的十字中心在测试过程中位置固定。
【专利摘要】本实用新型涉及一种材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统，属于精密科学仪器领域。通过对试件施加正交的拉伸载荷，使试件在一个平面上存在两个相互垂直的拉应力，同时在拉伸载荷的基础上还可以对试件施加疲劳载荷，用于研究不同载荷形式及载荷大小情况下材料的微观力学性能。系统由精密加载-传动单元、疲劳单元、力学和变形信号检测单元、试件夹持单元等部分组成。优点在于：测试系统结构新颖紧凑，可以分别实现单轴拉伸测试、双轴拉伸测试、单轴拉伸-疲劳测试、双轴拉伸-疲劳测试，与光学显微镜有良好的兼容性，可动态研究拉伸-疲劳载荷作用情况下材料的微观组织结构与变形损伤机制的相关性规律。
【IPC分类】G01N3/32, G01N3/08
【公开号】CN204718885
【申请号】CN201520301067
【发明人】赵宏伟, 刘阳, 李柠, 张世忠, 代晓航, 王顺博, 霍占伟, 马志超, 范尊强, 董景石
【申请人】吉林大学
【公开日】2015年10月21日
【申请日】2015年5月12日
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