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服役溫度下材料雙軸靜動態(tài)性能在線測試平臺的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種服役溫度下材料雙軸靜動態(tài)性能在線測試平臺，屬于精密驅動領域。通過四組正交布置的壓電驅動器實現(xiàn)大行程雙軸同步同速或同步異速位移輸出，結合嵌入式高溫電熱合金片/帕爾貼片，針對特征尺寸為毫米級的塊體材料或薄膜材料開展高/低溫服役條件下的雙軸靜態(tài)拉伸測試或動態(tài)疲勞測試。易于實現(xiàn)與較大真空腔體的掃描電子顯微鏡或其他具有開放式承載空間的顯微成像設備，如光學顯微鏡、原子力顯微鏡、高速攝像機等結合使用，即可開展多種模式的雙軸靜態(tài)拉伸測試或大頻率范圍的雙軸動態(tài)疲勞測試，便于開展對各類結構材料或功能材料在復雜服役條件下，如高/低溫條件、靜動態(tài)平面應力條件的微觀結構演化行為和疲勞失效機制的研究。
【專利說明】服役溫度下材料雙軸靜動態(tài)性能在線測試平臺

【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及精密驅動領域，材料疲勞性能的原位力學測試領域，尤指一種服 役溫度下材料雙軸靜動態(tài)性能在線測試平臺。該平臺通過與掃描電子顯微鏡、X射線衍射 儀和光學顯微鏡等成像儀器設備的兼容使用，可對高/低溫服役環(huán)境和平面應力狀態(tài)下材 料的疲勞失效機制進行研宄，為了解、揭示材料的疲勞損傷和提升工程結構的服役可靠性 和穩(wěn)定性提供測試方法。

【背景技術】
[0002] 材料及其制品在交變載荷作用時，雖然其所受的載荷幅值遠低于其屈服強度或抗 拉強度，但經(jīng)過反復的、長期的變形累積，最終發(fā)生斷裂破壞的行為通常都是由于疲勞失效 所致。由于缺乏對材料疲勞失效機理及疲勞微觀力學性能的深入研宄，各類因材料疲勞失 效引起的事故因其難以預測性和極大破壞性而造成了巨大的經(jīng)濟損失，如1998年我國發(fā) 生的大型水輪機泄水錐的疲勞斷裂和2003年日本環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星的報廢等。
[0003] 現(xiàn)有微觀尺度下疲勞力學性能的測試大都通過商業(yè)化的疲勞試驗機的非原位測 試后，再利用掃描電子顯微鏡等的高分辨率觀測功能，對材料局部缺陷處因應力集中而產 生的滑移和微裂紋成核以及疲勞斷口開展研宄，或利用掃描電子顯微鏡下小型化原位拉伸 測試儀實現(xiàn)往復的拉伸、壓縮動作，但一般應用在對加載頻率要求不高的低周疲勞測試中。 商業(yè)化疲勞試驗機以電液伺服疲勞試驗機的應用最為廣泛，如美國MTS及Instron等公司 的產品在我國的科研院校中應用非常普遍，這些試驗機通常包括液壓泵站、液壓閥、油缸等 液壓系統(tǒng)單元，集成高性能頻率發(fā)生器，能夠實現(xiàn)大頻率范圍的驅動加載功能。但由于這類 試驗機體積較大，難以實現(xiàn)與各類成像設備的集成，一般不具備實現(xiàn)原位疲勞測試的功能。 而受限于伺服電機及步進電機的回轉慣性，尤其是集成了較大減速比減速機構后，現(xiàn)有小 型化拉伸測試儀難以實現(xiàn)較高頻率的加載，即難以開展更加符合各類構件實際工況下的高 周疲勞測試的要求。因此，原位疲勞測試儀器的研制與開發(fā)面臨著結構小型化以及測試頻 率提高等迫切問題。此外，因掃描電子顯微鏡及AFM獲取高清晰圖像的成像時間較長，難以 實時對承受中、高頻率交變載荷的試件進行圖像采集，因此一般采取一定循環(huán)周數(shù)后進行 圖像采集的方法來對因交變載荷導致的疲勞裂紋萌生及擴展行為進行觀測。
[0004] 日本島津公司推出的極少數(shù)能夠與掃描電子顯微鏡兼容使用的液壓驅動型疲勞 測試儀，該儀器可實現(xiàn)±5kN的最大加載力以及IOmm的有效振幅，但最高加載頻率僅為 10Hz，雖對原位拉伸測試儀器能夠提供的疲勞測試加載頻率有了較大提升，但仍難以滿足 中、高頻疲勞測試的要求。此外，該儀器的液壓驅動單元及試件夾持單元分別固定安裝于掃 描電子顯微鏡的密封擋板上，未使用掃描電子顯微鏡的多自由度載物平臺，難以實現(xiàn)掃描 電子顯微鏡對試件感興趣區(qū)域的尋找與特定觀測，并且由于測試儀器與掃描電子顯微鏡一 體化安裝，導致該掃描電子顯微鏡其他功能難以正常使用。
[0005] 壓電器件因其快速響應、結構小巧緊湊、可靠性好等特性也被應用在微尺度構件 的疲勞測試上。其中，PI公司推出了壓電型疲勞加載模塊，并成功地應用在微尺度構件的 疲勞特性研宄中。2005年，韓國首爾國立大學的D.Son等搭建了基于壓電驅動器的疲勞測 試裝置，用于對光刻、電鑄和注塑（LIGA)加工的鎳基微機電系統(tǒng)（MEMS)構件的高周疲勞性 能進行研宄，該測試裝置包括壓電驅動器、三軸位移手動調整平臺以及CCD模塊，測試過程 中采用應變控制模式，加載頻率為20Hz，結果表明，應力比R為0. 13時，該鎳基MEMS構件 的疲勞強度約為143MPa，疲勞壽命約為4XIO4次。2010年，日本京都大學的T.Tsuchiya 等亦采用壓電驅動技術開發(fā)了一種用于高濕度環(huán)境下微機電材料疲勞失效性能測試的裝 置，被測試件為IOOymX13μπιΧ3. 3μπι的單晶硅材料，且被置于一個具有流通氣流的環(huán) 境腔內，氣流的溫度和濕度可調。該測試裝置采用PI公司的Polytec壓電驅動器，并置于 大平臺光學顯微鏡的三軸手動精密操作平臺上，可實現(xiàn)最大加載力為〇. 2Ν，有效運動行程 為±15μm，極限加載頻率為IOOHz。通過測試發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境濕度為60%，應力比R為0. 15 的情況下，單晶硅薄膜的疲勞壽命為2. 72XIO5次。但由于壓電器件的輸出位移多在幾十 微米級別，難以實現(xiàn)對塊體材料的大行程往復運動加載，且壓電驅動器中大剛度的柔性鉸 鏈機構往往會削弱壓電器件的輸出位移，而小剛度的柔性鉸鏈則由于其慣性力，難以實現(xiàn) 較高加載頻率下的快速響應。
[0006] 綜上，截止目前為止，國內外對原位疲勞測試的研宄可歸納為三類：一是掃描電子 顯微鏡下利用原位拉伸測試儀器實現(xiàn)的較低頻率加載的低周疲勞測試；二是掃描電子顯微 鏡下利用液壓驅動技術實現(xiàn)的對塊體材料的大行程疲勞測試，但其加載頻率有限，且難以 調整成像區(qū)域；三是CCD下基于壓電驅動技術的微尺度構件的高頻疲勞測試。上述方法因 結構較大、鄉(xiāng)音頻率不足、存在機械慣性以及放大倍率不足等因素，限制了掃描電子顯微鏡 下對疲勞損傷機制的深入研宄，且上述方法較少涉及溫度服役環(huán)境平面應力狀態(tài)下的疲勞 測試裝置。因材料及其制品的疲勞失效往往歸因于復雜的應力狀態(tài)和溫度環(huán)境，因此，設計 一種用于雙軸力學性能測試、體積小巧，測試精度高，且能與掃描電子顯微鏡等多種成像儀 器實現(xiàn)兼容使用服役溫度下的疲勞測試裝置十分必要。


【發(fā)明內容】

[0007] 本實用新型的目的在于提供一種服役溫度下材料雙軸靜動態(tài)性能在線測試平臺， 解決了現(xiàn)有技術存在的上述問題。本實用新型的主體尺寸為149mmX139mmX29mm，可在 ZeissEV018型掃描電子顯微鏡和FEIQuant250型號掃描電鏡等的真空腔體內兼容使用。 相比于現(xiàn)有電液伺服型或電機驅動型疲勞測試儀，本實用新型通過四組正交布置的壓電驅 動裝置實現(xiàn)大行程雙軸同步同速或同步異速位移輸出，結合嵌入式高溫電熱合金片或帕爾 貼片，可針對特征尺寸為毫米級的塊體材料或薄膜材料開展高/低溫服役條件下的靜態(tài)拉 伸測試或動態(tài)疲勞測試。對材料在平面應力狀態(tài)下疲勞失效行為的研宄可對工程結構在復 雜服役條件下的微觀結構演化行為和疲勞失效機制的研宄。與此同時，本實用新型利用高 溫電熱合金片和帕爾貼片實現(xiàn)的高低溫溫度加載功能，可構建接近材料真實服役條件下的 物理場環(huán)境，為揭示材料在微尺度下的熱疲勞行為與變形損傷的相關性提供了測試方法。
[0008] 本實用新型的上述目的通過以下技術方案實現(xiàn)：
[0009] 服役溫度下材料雙軸靜動態(tài)性能在線測試平臺，包括雙軸壓電驅動單元、加熱/ 制冷單元、十字形試件夾持單元、雙軸載荷/位移檢測單元以及基座支撐單元，其中，雙軸 壓電驅動單元中的柔性鉸鏈9通過螺紋連接方式分別與雙軸載荷/位移檢測單元中的拉壓 力傳感器8以及基座支撐單元中的基座7剛性連接，十字形試件夾持單元中的下夾具體15 分別通過螺紋連接方式與基座支撐單元中的導軌滑塊6剛性連接，且分別通過其側邊卡槽 和后端的內螺紋孔與雙軸載荷/位移檢測單元中的引伸計13的標距叉以及拉壓力傳感器 8緊固連接；加熱/制冷單元通過盤式安裝卡槽16嵌入安裝于基座支撐單元中的基座7的 定位孔中；
[0010] 所述雙軸壓電驅動單元由四個正交布置且共面安裝的壓電驅動器組成，每個壓電 驅動器由壓電疊堆I1、壓電疊堆II2及柔性鉸鏈9組成，壓電疊堆I、II1、2采用串聯(lián)布置 方式用于輸出較大幅值的交變位移或恒定位移，柔性鉸鏈9采用圓弧過渡型鉸鏈形式，其 菱形內包絡結構對壓電疊堆I、II1、2輸出的可控位移進行放大；
[0011] 所述加熱/制冷單元包括高溫電熱合金片/帕爾貼片1〇和盤式安裝卡槽16,其中 高溫電熱合金片/帕爾貼片10嵌入安裝于盤式安裝卡槽16的矩形槽中，矩形槽的寬度與 高溫電熱合金片/帕爾貼片10的寬度一致；
[0012] 所述十字形試件夾持單元包括上夾具體14、下夾具體15、夾具體緊固螺釘17及十 字形試件3,所述上夾具體14和下夾具體15分別具有相互配合使用的凹槽和凸臺結構，以 實現(xiàn)對十字形試件3在兩個正交拉伸方向上的對中性；
[0013] 所述雙軸載荷/位移檢測單元包括四組拉壓力傳感器8和引伸計13,其中任意相 鄰的兩個拉壓力傳感器8垂直安裝，并通過螺紋連接方式分別與下夾具體15以及柔性鉸鏈 9剛性連接，任意相鄰的兩個引伸計13亦垂直安裝，且其彈性標距叉嵌入式安裝在下夾具 體15的矩形卡槽內；一組相鄰的拉壓力傳感器8和引伸計13在正交拉伸平面內的互成角 度為45° ;
[0014] 所述基座支撐單元包括支撐墊塊5、導軌滑塊6、基座7以及直線導軌18,所述導軌 滑塊6對下夾具體15拉伸軸向上的直線運動起導向作用，直線導軌18通過螺紋連接方式 固定安裝在基座7的矩形凹槽內，基座7通過支撐墊塊5與柔性鉸鏈9過渡剛性連接。
[0015] 所述的壓電疊堆I1和壓電疊堆II2的彈性伸長和回復運動對應于被測十字形試 件3的受載形式分別為拉伸和壓縮，壓電疊堆I、II1、2始終處于承受壓縮應力的狀態(tài)，每 組對側壓電疊堆輸出同步同頻的等幅位移，以確保被測十字形試件3承受同軸異向運動； 每組鄰側壓電疊堆亦輸出同步同頻的等幅變形或同步異頻的異幅變形，以分別實現(xiàn)在兩個 正交拉伸方向上相同或不同應力比的平面應力狀態(tài)；壓電疊堆I1和壓電疊堆II2的串聯(lián) 排布結構以及柔性鉸鏈9的菱形式內包絡拓撲結構實現(xiàn)壓電疊堆I、II1、2輸出位移的位 移放大比率為7. 4。
[0016] 所述的上夾具體14具有菱形凹槽，該凹槽的兩個楔形面夾角為120°，而下夾具 體15則具有菱形凸臺，該凸臺形狀與上夾具體14的菱形凹槽相配合，兩楔形面夾角亦為 120° ;十字形試件3的夾持端與菱形凸臺、凹槽的形狀亦保持一致，面向十字形試件3標距 部分的一組楔形面用于十字形試件3承受拉伸載荷工況下的對中性定位，而背向十字形試 件3標距部分的一組楔形面則用于十字形試件3承受壓縮載荷工況下的對中性定位，菱形 凸臺及凹槽上均帶有與拉伸/壓縮方向垂直的鋸齒結構，以增加交變載荷作用下的夾持穩(wěn) 定性。
[0017] 所述的高溫電熱合金片/帕爾貼片10的數(shù)量為八個，且厚度、寬度和長度規(guī)格均 一致，整體嵌入式安裝于盤式安裝卡槽16中，高溫電熱合金片和帕爾貼片分別用于對被測 十字形試件3進行加熱和制冷，八個高溫電熱合金片/帕爾貼片十字包絡的拓撲結構充分 對十字形試件3的四段標距部分進行熱輻射或冷輻射，高溫電熱合金片和帕爾貼片根據(jù)溫 度服役環(huán)境的不同任意切換，盤式安裝卡槽16為耐高溫石英制品。
[0018] 所述的引伸計13的數(shù)量為四個，其彈性標距叉通過嵌入方式緊固安裝在下夾具 體15的卡槽內，且每個引伸計13的幾何軸線與相鄰兩正交拉伸軸線互成45° ;根據(jù)相鄰兩 個壓電驅動器的加載電壓的比率，確定兩相鄰下夾具體15的絕對位移亦存在該比率關系， 因此可通過單個引伸計13測量互相垂直的相鄰兩下夾具體15沿各自拉伸/壓縮方向上的 絕對位移，即可對被測十字形試件3沿不同加載方向上的變形量進行定量檢測；將四個引 伸計13所獲取的彈性位移進行均值化處理，可對十字形試件3的變形量進行準確計算。
[0019] 所述的基座7中心設有盤式結構用于增強基座剛度，且其上設有陣列沉孔，用于 與掃描電子顯微鏡或其他具有開放式承載環(huán)境的載物臺固定安裝；沿各拉伸軸向，基座7 的矩形板狀結構上通過線切割方式加工有凹槽，用于安裝直線導軌18并確保四個直線導 軌18沿各自拉伸/壓縮方向安裝的平行度；此外，當卸除用于安裝高溫電熱合金片/帕爾 貼片10的盤式安裝卡槽16時，基座7的中心定位孔亦可透過可見光源或X射線，即可利用 底部透射可見光源對十字形試件3進行形貌觀測或利用X射線對十字形試件3進行X射線 衍射分析。
[0020] 所述的服役溫度下材料雙軸靜動態(tài)性能在線測試平臺的主體尺寸為 149mmX139mmX29mm。
[0021] 本實用新型的有益效果在于：結構緊湊、測試精度高，主體尺寸為 149mmX139mmX29mm。與現(xiàn)有技術相比，本實用新型利用緊湊型的特殊拓撲結構的壓電驅 動器輸出可控的雙軸同步同速或同步異速位移，結合高溫電熱合金片的加熱功能或帕爾貼 片的制冷功能，可開展溫度服役條件下的高頻疲勞測試。此外，本實用新型通過與掃描電子 顯微鏡等成像儀器設備的兼容使用，可對高/低溫服役環(huán)境和平面應力狀態(tài)下材料的疲勞 失效機制進行研宄，為了解、揭示材料的疲勞損傷和提升工程結構的服役可靠性和穩(wěn)定性 提供測試方法。實用性強。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構成本申請的一部分， 本實用新型的示意性實例及其說明用于解釋本實用新型，并不構成對本實用新型的不當限 定。
[0023] 圖1為本實用新型的整體外觀結構示意圖；
[0024] 圖2為本實用新型的俯視不意圖；
[0025] 圖3為本實用新型的主視示意圖；
[0026] 圖4為本實用新型的十字試件夾持單元示意圖；
[0027] 圖5為本實用新型的雙軸壓電驅動單元示意圖；
[0028] 圖6為本實用新型的柔性鉸鏈變形原理示意圖；
[0029] 圖7為本實用新型的加熱/制冷單元示意圖；
[0030] 圖8為本實用新型的基座支撐單元示意圖；
[0031] 圖9為本實用新型的十字形試件實際變形計算方法示意圖。
[0032] 圖中：1、壓電疊堆I;2、壓電疊堆II;3、十字形試件；4、壓電驅動器緊固螺釘；5、 支撐墊塊；6、導軌滑塊；7、基座；8、拉壓力傳感器；9、柔性鉸鏈；10、高溫電熱合金片/帕爾 貼片；11、下夾具體安裝螺釘；12、壓電疊堆預緊螺釘；13、引伸計；14、上夾具體；15、下夾具 體；16、盤式安裝卡槽；17、夾具體緊固螺釘；18、直線導軌。

【具體實施方式】
[0033] 下面結合附圖進一步說明本實用新型的詳細內容及其【具體實施方式】。
[0034] 參見圖1至圖3所示，本實用新型的服役溫度下材料雙軸靜動態(tài)性能在線測試平 臺，包括雙軸壓電驅動單元、加熱/制冷單元、十字形試件夾持單元、雙軸載荷/位移檢測單 元以及基座支撐單元，其中，雙軸壓電驅動單元中的柔性鉸鏈9通過螺紋連接方式分別與 雙軸載荷/位移檢測單元中的拉壓力傳感器8以及基座支撐單元中的基座7剛性連接，十 字形試件夾持單元中的下夾具體15分別通過螺紋連接方式與基座支撐單元中的導軌滑塊 6剛性連接，且分別通過其側邊卡槽和后端的內螺紋孔與雙軸載荷/位移檢測單元中的引 伸計13的標距叉以及拉壓力傳感器8緊固連接；加熱/制冷單元通過盤式安裝卡槽16嵌 入安裝于基座支撐單元中的基座7的定位孔中；
[0035] 參見圖5及圖6所示，所述雙軸壓電驅動單元由四個正交布置且共面安裝的壓電 驅動器組成，每個壓電驅動器由壓電疊堆I1、壓電疊堆II2及柔性鉸鏈9組成，壓電疊堆 I、11 1、2采用串聯(lián)布置方式用于輸出較大幅值的交變位移或恒定位移，柔性鉸鏈9采用圓 弧過渡型鉸鏈形式，其菱形內包絡結構對壓電疊堆I、II1、2輸出的可控位移進行放大，壓 電疊堆I、II1、2通過壓電疊堆預緊螺釘12與柔性鉸鏈9相連。
[0036] 參見圖7所示，所述加熱/制冷單元包括高溫電熱合金片/帕爾貼片10和盤式安 裝卡槽16,其中高溫電熱合金片/帕爾貼片10嵌入安裝于盤式安裝卡槽16的矩形槽中，矩 形槽的寬度與高溫電熱合金片/帕爾貼片10的寬度一致；
[0037] 參見圖4所示，所述十字形試件夾持單元包括上夾具體14、下夾具體15、夾具體緊 固螺釘17、下夾具體安裝螺釘11及十字形試件3,所述上夾具體14和下夾具體15分別具 有相互配合使用的凹槽和凸臺結構，以實現(xiàn)對十字形試件3在兩個正交拉伸方向上的對中 性；
[0038] 所述雙軸載荷/位移檢測單元包括四組拉壓力傳感器8和引伸計13,其中任意相 鄰的兩個拉壓力傳感器8垂直安裝，并通過螺紋連接方式分別與下夾具體15以及柔性鉸鏈 9剛性連接，任意相鄰的兩個引伸計13亦垂直安裝，且其彈性標距叉嵌入式安裝在下夾具 體15的矩形卡槽內；一組相鄰的拉壓力傳感器8和引伸計13在正交拉伸平面內的互成角 度為45° ;
[0039] 參見圖8所示，所述基座支撐單元包括支撐墊塊5、導軌滑塊6、基座7以及直線導 軌18,所述導軌滑塊6對下夾具體15拉伸軸向上的直線運動起導向作用，直線導軌18通過 螺紋連接方式固定安裝在基座7的矩形凹槽內，基座7通過支撐墊塊5、壓電驅動器緊固螺 釘4與柔性鉸鏈9過渡剛性連接。
[0040] 所述的壓電疊堆I1和壓電疊堆II2的彈性伸長和回復運動對應于被測十字形試 件3的受載形式分別為拉伸和壓縮，壓電疊堆I、II1、2始終處于承受壓縮應力的狀態(tài)，每 組對側壓電疊堆輸出同步同頻的等幅位移，以確保被測十字形試件3承受同軸異向運動； 每組鄰側壓電疊堆亦輸出同步同頻的等幅變形或同步異頻的異幅變形，以分別實現(xiàn)在兩個 正交拉伸方向上相同或不同應力比的平面應力狀態(tài)；壓電疊堆I1和壓電疊堆II2的串聯(lián) 排布結構以及柔性鉸鏈9的菱形式內包絡拓撲結構實現(xiàn)壓電疊堆I、II1、2輸出位移的位 移放大比率為7. 4。
[0041] 所述的上夾具體14具有菱形凹槽，該凹槽的兩個楔形面夾角為120°，而下夾具 體15則具有菱形凸臺，該凸臺形狀與上夾具體14的菱形凹槽相配合，兩楔形面夾角亦為 120° ;十字形試件3的夾持端與菱形凸臺、凹槽的形狀亦保持一致，面向十字形試件3標距 部分的一組楔形面用于十字形試件3承受拉伸載荷工況下的對中性定位，而背向十字形試 件3標距部分的一組楔形面則用于十字形試件3承受壓縮載荷工況下的對中性定位，菱形 凸臺及凹槽上均帶有與拉伸/壓縮方向垂直的鋸齒結構，以增加交變載荷作用下的夾持穩(wěn) 定性。
[0042] 所述的高溫電熱合金片/帕爾貼片10的數(shù)量為八個，且厚度、寬度和長度規(guī)格均 一致，整體嵌入式安裝于盤式安裝卡槽16中，高溫電熱合金片和帕爾貼片分別用于對被測 十字形試件3進行加熱和制冷，八個高溫電熱合金片/帕爾貼片十字包絡的拓撲結構充分 對十字形試件3的四段標距部分進行熱輻射或冷輻射，高溫電熱合金片和帕爾貼片根據(jù)溫 度服役環(huán)境的不同任意切換，盤式安裝卡槽16為耐高溫石英制品。
[0043] 所述的引伸計13的數(shù)量為四個，其彈性標距叉通過嵌入方式緊固安裝在下夾具 體15的卡槽內，且每個引伸計13的幾何軸線與相鄰兩正交拉伸軸線互成45° ;根據(jù)相鄰兩 個壓電驅動器的加載電壓的比率，確定兩相鄰下夾具體15的絕對位移亦存在該比率關系， 因此可通過單個引伸計13測量互相垂直的相鄰兩下夾具體15沿各自拉伸/壓縮方向上的 絕對位移，即可對被測十字形試件3沿不同加載方向上的變形量進行定量檢測；將四個引 伸計13所獲取的彈性位移進行均值化處理，可對十字形試件3的變形量進行準確計算。 [0044] 所述的基座7中心設有盤式結構用于增強基座剛度，且其上設有陣列沉孔，用于 與掃描電子顯微鏡或其他具有開放式承載環(huán)境的載物臺固定安裝；沿各拉伸軸向，基座7 的矩形板狀結構上通過線切割方式加工有凹槽，用于安裝直線導軌18并確保四個直線導 軌18沿各自拉伸/壓縮方向安裝的平行度；此外，當卸除用于安裝高溫電熱合金片/帕爾 貼片10的盤式安裝卡槽16時，基座7的中心定位孔亦可透過可見光源或X射線，即可利用 底部透射可見光源對十字形試件3進行形貌觀測或利用X射線對十字形試件3進行X射線 衍射分析。
[0045]參見圖1至圖9所示，本實用新型所涉及的服役溫度下材料雙軸靜動態(tài)性能在線 測試平臺，該測試平臺的整體尺寸約為149mmX139mmX29mm，是根據(jù)FEIQuant250型和 ZeissEV018型掃描電鏡的真空腔體和成像條件所設計的，同時可與OlympusDSX-500和 LeicaDM-2700光學顯微成像系統(tǒng)兼容使用。本實用新型中涉及到的元器件和具體型號為： 壓電疊堆I1和壓電疊堆II2的型號為XP-8X8/18,其最大標稱位移為22μπι，靜電容量為 1. 6μF，響應頻率為45kHz。引伸計13的型號為YSJ-2. 5,量程為2. 5mm，線性度為0. 25%。 拉壓力傳感器8的型號為JLCS-V，量程為100N，線性度為0.5%。高溫電熱合金片為高電 阻電熱合金，其材料為Cr20Ni80,所使用的帕爾貼制冷片型號為TEC1-19906,其額定電壓 為24V，冷產量為86. 4W，熱電偶對數(shù)為199。基座7、上夾具體14、下夾具體15及柔性鉸鏈 9的主體結構均采用線切割方式加工，上夾具體14和下夾具體15的鋸齒狀結構以及矩形槽 結構均采用電火花方式加工，基座7的導軌定位面以及與掃描電子顯微鏡載物臺的安裝平 面均采用磨削加工進行平坦化處理。
[0046] 柔性鉸鏈9所使用的材料為65Mn合金，該合金符合GB/T1222-2007的制備要求。 經(jīng)熱處理及冷拔硬化后，65Mn合金可實現(xiàn)較高的強度，其屈服強度優(yōu)于430MPa，對稱循環(huán) 疲勞極限優(yōu)于400MPa。測試過程中，為削弱壓電疊堆I1和壓電疊堆II2加載和卸載過程 中的遲滯現(xiàn)象對拉伸和壓縮應變帶來的影響，采用前饋反饋綜合控制方法，以提升系統(tǒng)響 應速度，提高控制精度。通過多通道精密電源對八個壓電疊堆同時供電，并在控制回路中對 壓電疊堆輸出電壓波形與頻率進行跟蹤，利用其輸出位移量作為反饋源，結合壓電元疊堆 激勵的時序、相位與頻率對輸入多通道模擬電壓信號進行有效補償。采用ArtUSB2817多 路數(shù)據(jù)采集卡對四組引伸計13及拉壓力傳感器8輸出的模擬電壓信號并經(jīng)進行精密同步 采集，該信號與上位機（PC機）軟件中給定參考數(shù)字信號比較，給定信號的依據(jù)為壓電疊堆 輸入電壓-輸出位移關系，比較信號通過PI參數(shù)整定得到用于補償壓電疊堆輸出位移的電 壓信號，最終控制系統(tǒng)實現(xiàn)對壓電疊堆輸出位移的準確控制。
[0047] 在具體的測試過程中，根據(jù)權利要求書3所述的夾持方法，被測十字形試件3首 先通過線切割方式加工出各向對稱的結構，其兩個楔形面的夾角為120°，且夾持端與菱形 凸臺、凹槽的形狀亦保持一致。在測試之前，通過機械拋光、電化學拋光或橫切方式對十字 形試件3進行拋光處理，對于可制備出金相的多晶體材料，亦可通過化學腐蝕制備出具有 特定晶粒度的金相組織。此外，為對交變載荷作用下試件初始裂紋萌生及擴展的現(xiàn)象進行 有針對的觀測，對厚度在亞毫米級的塊體材料可利用顯微硬度計在十字形試件3的標距部 分制備出具有特定三維形貌特征的顯微壓痕，針對厚度在50μm以內的薄膜材料亦可利用 納米壓痕儀制備出納米壓痕形貌，壓痕形貌可視為在材料合成、制備及加工過程中人為預 制的初始缺陷，即可利用高分辨率顯微成像手段就該壓痕形貌在交變載荷及服役溫度下的 變形行為進行在線監(jiān)測。在完成試件制備之后，將十字形試件3安裝于下夾具體15的菱 形凸臺上，通過上夾具體14的菱形凹槽進行對中性定位。進一步，可采用激光位移傳感器 (LK-G100)沿試件拉伸軸向勻速運動分別對十字形試件3的側面和拋光面位移進行檢測， 用于對十字形試件3水平面內和豎直方向上的同軸度進行定量測量。之后，關閉掃描電子 顯微鏡真空腔密閉擋板并通過掃描電鏡自身的載物平臺在XOY平面內擬定測試點的準確 位置。選擇測試模式為靜態(tài)拉伸測試或疲勞測試，若為靜態(tài)拉伸測試，在上位機軟件中設定 測試的應變速率或應力速率，此時壓電疊堆的輸入電壓為線性遞增電壓信號；若為疲勞測 試，則在上位機軟件中設定不同拉伸方向的測試頻率、幅值，此時壓電疊堆的輸入電壓為具 有特定頻率和幅值的正弦信號或脈沖信號。測試過程中，壓電疊堆I1和壓電疊堆II2始終 處于受壓狀態(tài)，且最高加載頻率低于為200Hz，以遠離測試平臺的共振區(qū)。壓電疊堆的輸入 電壓來源于任意波形發(fā)生器輸出的電壓信號，該信號需通過壓電驅動電源的功率放大后方 可作為有效輸入電壓。為實現(xiàn)對十字形試件3已制備壓痕區(qū)域在交變載荷作用下變形過程 的觀測，在完成給定循環(huán)次數(shù)（如1〇 2-5XIO2)后，應停止對壓電疊堆進行供電，一方面利于 壓電疊堆在循環(huán)工作過程中積累電荷的釋放，一方面便于掃描電子顯微鏡對壓痕區(qū)域疲勞 裂紋的擴展行為進行高分辨率靜態(tài)觀測。此外，如圖9所示，當對兩個相鄰壓電驅動器所施 加的電壓分別為仏和U#寸，十字形試件3在對應的兩個正交拉伸方向的變形量分別為Λdx 和Ady，由于柔性鉸鏈9始終工作在其彈性變形階段，Ux、Uy、Adx和Adx存在如公式⑴所 示的關系，g卩Adx與Ady的比值等同于加載電壓Ux與Uy的比值，又因引伸計13的初始幾 何軸線與十字形試件3的兩個正交拉伸方向所呈銳角為45°，因此十字形試件3的初始標 距1。、引伸計13的當前數(shù)值1以及Adx和Adx存在如公式⑵所示的關系。因此，當1。、 1、UjPUy均為已知量時，Adx和Ady可計算求得。在此基礎上，將四個引伸計13的計算 結果做均值處理所得到的變形量為個正交拉伸方向的精確變形量ADy，計算方法如 公式（3)和⑷所示。

【權利要求】
1. 一種服役溫度下材料雙軸靜動態(tài)性能在線測試平臺，其特征在于：包括雙軸壓電驅 動單元、加熱/制冷單元、十字形試件夾持單元、雙軸載荷/位移檢測單元以及基座支撐單 元，其中，雙軸壓電驅動單元中的柔性鉸鏈（9)通過螺紋連接方式分別與雙軸載荷/位移檢 測單元中的拉壓力傳感器（8)以及基座支撐單元中的基座（7)剛性連接，十字形試件夾持 單元中的下夾具體（15)分別通過螺紋連接方式與基座支撐單元中的導軌滑塊（6)剛性連 接，且分別通過其側邊卡槽和后端的內螺紋孔與雙軸載荷/位移檢測單元中的引伸計（13) 的標距叉以及拉壓力傳感器（8)緊固連接；加熱/制冷單元通過盤式安裝卡槽（16)嵌入安 裝于基座支撐單元中的基座（7)的定位孔中； 所述雙軸壓電驅動單元由四個正交布置且共面安裝的壓電驅動器組成，每個壓電驅動 器由壓電疊堆I (1)、壓電疊堆II (2)及柔性鉸鏈（9)組成，壓電疊堆I、II (1、2)采用串聯(lián) 布置方式用于輸出較大幅值的交變位移或恒定位移，柔性鉸鏈（9)采用圓弧過渡型鉸鏈形 式，其菱形內包絡結構對壓電疊堆I、II (1、2)輸出的可控位移進行放大； 所述加熱/制冷單元包括高溫電熱合金片/帕爾貼片（10)和盤式安裝卡槽（16)，其中 高溫電熱合金片/帕爾貼片（10)嵌入安裝于盤式安裝卡槽（16)的矩形槽中，矩形槽的寬度 與高溫電熱合金片/帕爾貼片（10)的寬度一致； 所述十字形試件夾持單元包括上夾具體（14)、下夾具體（15)、夾具體緊固螺釘（17)及 十字形試件（3)，所述上夾具體（14)和下夾具體（15)分別具有相互配合使用的凹槽和凸臺 結構，以實現(xiàn)對十字形試件（3)在兩個正交拉伸方向上的對中性； 所述雙軸載荷/位移檢測單元包括四組拉壓力傳感器（8)和引伸計（13)，其中任意相 鄰的兩個拉壓力傳感器（8)垂直安裝，并通過螺紋連接方式分別與下夾具體（15)以及柔性 鉸鏈（9)剛性連接，任意相鄰的兩個引伸計（13)亦垂直安裝，且其彈性標距叉嵌入式安裝 在下夾具體（15)的矩形卡槽內；一組相鄰的拉壓力傳感器（8)和引伸計（13)在正交拉伸平 面內的互成角度為45° ; 所述基座支撐單元包括支撐墊塊（5)、導軌滑塊（6)、基座（7)以及直線導軌（18)，所述 導軌滑塊（6)對下夾具體（15)拉伸軸向上的直線運動起導向作用，直線導軌（18)通過螺紋 連接方式固定安裝在基座（7 )的矩形凹槽內，基座（7 )通過支撐墊塊（5 )與柔性鉸鏈（9 )過 渡剛性連接。
2. 根據(jù)權利要求1所述的服役溫度下材料雙軸靜動態(tài)性能在線測試平臺，其特征在 于：所述的壓電疊堆I (1)和壓電疊堆II (2)的彈性伸長和回復運動對應于被測十字形試 件（3)的受載形式分別為拉伸和壓縮，壓電疊堆I、11(1、2)始終處于承受壓縮應力的狀 態(tài)，每組對側壓電疊堆輸出同步同頻的等幅位移，以確保被測十字形試件（3)承受同軸異向 運動；每組鄰側壓電疊堆亦輸出同步同頻的等幅變形或同步異頻的異幅變形，以分別實現(xiàn) 在兩個正交拉伸方向上相同或不同應力比的平面應力狀態(tài)；壓電疊堆I (1)和壓電疊堆II (2)的串聯(lián)排布結構以及柔性鉸鏈（9)的菱形式內包絡拓撲結構實現(xiàn)壓電疊堆I、II (1、2) 輸出位移的位移放大比率為7. 4。
3. 根據(jù)權利要求1所述的服役溫度下材料雙軸靜動態(tài)性能在線測試平臺，其特征在 于：所述的上夾具體（14)具有菱形凹槽，該凹槽的兩個楔形面夾角為120°，而下夾具體 (15)則具有菱形凸臺，該凸臺形狀與上夾具體（14)的菱形凹槽相配合，兩楔形面夾角亦為 120° ;十字形試件（3)的夾持端與菱形凸臺、凹槽的形狀亦保持一致，面向十字形試件（3) 標距部分的一組楔形面用于十字形試件（3)承受拉伸載荷工況下的對中性定位，而背向十 字形試件（3)標距部分的一組楔形面則用于十字形試件（3)承受壓縮載荷工況下的對中性 定位，菱形凸臺及凹槽上均帶有與拉伸/壓縮方向垂直的鋸齒結構，以增加交變載荷作用 下的夾持穩(wěn)定性。
4. 根據(jù)權利要求1所述的服役溫度下材料雙軸靜動態(tài)性能在線測試平臺，其特征在 于：所述的高溫電熱合金片/帕爾貼片（10)的數(shù)量為八個，且厚度、寬度和長度規(guī)格均一 致，整體嵌入式安裝于盤式安裝卡槽（16)中，高溫電熱合金片和帕爾貼片分別用于對被測 十字形試件（3)進行加熱和制冷，八個高溫電熱合金片/帕爾貼片十字包絡的拓撲結構充 分對十字形試件（3)的四段標距部分進行熱輻射或冷輻射，高溫電熱合金片和帕爾貼片根 據(jù)溫度服役環(huán)境的不同任意切換，盤式安裝卡槽（16)為耐高溫石英制品。
5. 根據(jù)權利要求1所述的服役溫度下材料雙軸靜動態(tài)性能在線測試平臺，其特征在 于：所述的引伸計（13)的數(shù)量為四個，其彈性標距叉通過嵌入方式緊固安裝在下夾具體 (15)的卡槽內，且每個引伸計（13)的幾何軸線與相鄰兩正交拉伸軸線互成45° ;根據(jù)相鄰 兩個壓電驅動器的加載電壓的比率，確定兩相鄰下夾具體（15)的絕對位移亦存在該比率關 系，通過單個引伸計（13)測量互相垂直的相鄰兩下夾具體（15)沿各自拉伸/壓縮方向上的 絕對位移，對被測十字形試件（3)沿不同加載方向上的變形量進行定量檢測；將四個引伸 計（13)所獲取的彈性位移進行均值化處理，對十字形試件（3)的變形量進行準確計算。
6. 根據(jù)權利要求1所述的服役溫度下材料雙軸靜動態(tài)性能在線測試平臺，其特征在 于：所述的基座（7)中心設有盤式結構用于增強基座剛度，且其上設有陣列沉孔，用于與 掃描電子顯微鏡或具有開放式承載環(huán)境的載物臺固定安裝；沿各拉伸軸向，基座（7)的矩 形板狀結構上通過線切割方式加工有凹槽，用于安裝直線導軌（18)并確保四個直線導軌 (18)沿各自拉伸/壓縮方向安裝的平行度；卸除盤式安裝卡槽（16)時，基座（7)的中心定 位孔透過可見光源或X射線，利用底部透射可見光源對十字形試件（3)進行形貌觀測或利 用X射線對十字形試件（3)進行X射線衍射分析。
7. 根據(jù)權利要求1至6任意一項所述的服役溫度下材料雙軸靜動態(tài)性能在線測試平 臺，其特征在于：所述的服役溫度下材料雙軸靜動態(tài)性能在線測試平臺的主體尺寸為149 mm X 139 mm X 29 mm〇
【文檔編號】G01N3/38GK204255775SQ201420790732
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月15日 優(yōu)先權日:2014年12月15日
【發(fā)明者】馬志超, 趙宏偉, 任露泉, 劉長宜, 劉偉, 劉先華 申請人:吉林大學