微观力学性能原位剪切测试装置的设计与试验研究

随着科学技术的发展进步，在材料学领域不断涌现出各种新材料、新技术、新工艺。微纳米材料、有机高分子合成材料、无机非金属合成材料等被广泛的应用于各种不同的领域中，特别是在航空航天领域。在材料力学测试的诸多力学性能参数中，弹性模量、屈服极限、强度极限、伸长率和切变模量等参数是最主要的测试对象，针对上述材料的性能参数有很多种测试方法，如拉伸/压缩法、弯曲法、扭转法、鼓膜法和纳米压痕法等，其中原位拉伸/压缩测试方法最能全面的体现材料的力学性能，可以通过实时的应力—应变曲线比较直观的分析出材料的弹性模量、断裂极限等力学性能。而对于剪切力学性能测试装置的研究与开发，材料承受纯剪切、简单剪切的研究更少。在材料的使用过程中，剪切受力的情况几乎会出现在任何一种机械中，如使用螺栓连接两块材料、在轴孔配合时使用的键连接等，螺栓和键都起着关键性的作用，传递着力，因此有必要开发一种装置，对材料的剪切力学性能进行测试。通过实验，对一些新材料进行剪切力学性能测试，研究其剪切力学特性，在应用中选择更为合适的材料承受剪切力，不但能充分利用材料的优势，更能节省成本，防止材料在应用中发生破坏造成一些事故或者没必要的损失。论文对材料力学性能原位测试技术发展现状进行了综合分析，在此基础上设计出了一种测试材料剪切力的测试装置。 论文对国内外力学性能测试技术进行了综合分析，在此基础上提出了剪切力学性能测试装置的总体设计方案，对测试装置的工作原理进行了分析，其工作模块主要包括精密的驱动单元、精密的传动单元、信号检测单元、执行单元以及实验过程中的观测方式，对各个执行单元的工作原理进行了分析，对机构整体进行了有限元仿真分析和结构优化。本测试装置使用的是阿尔泰的数据采集卡，型号为USB2817，模拟量采集采用单端模拟量输入连接方式，通过这种连接方式对处理之后的位移传感器和力传感器的放大信号进行采集，利用与阿尔泰USB2817数据采集卡配套使用的软件实现所采集信号的实时显示，获得测试过程中试件变形量以及加载载荷值。由计算机通过串口对电机驱动器发送代码，通过这些定义过的代码就可以实现电机的加速、减速以及匀速运转，得到测试所需要的各种加载模式。 通过对国内外显微成像技术的应用与分析，得出了对于材料力学性能的原位测试，可以利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、扫描探针显微镜等进行测试。利用一定的观测设备进行原位测试中，可以实时的观测到材料的破坏机理，与常规的观测方法相比，原位测试能更进一步判定材料的性能与强度。在本测试装置中通过使用显微成像仪器光学数码显微镜，可以实现材料在载荷作用下的实时的微观结构观测和剪切力学性能测试，将材料在测试过程中的微观结构变化与得到的剪切力学性能曲线结合起来，然后进行分析，有助于对材料微观机理的进一步研究。 在本套设备还选用了不同种材料、不同尺寸的试件进行多次剪切测试，将得到的结果与材料自身相关的参数进行对比。实验结果表明，本测试装置可以进行材料剪切力学性能测试，并且性能稳定，同时借助特定的成像设备光学数码显微镜进行剪切过程中的微观结构变化的研究，材料的剪切力学性能分析提供借鉴。