本發明涉及材料性能測量領域，特別是涉及一種在掃描電鏡(sem)下使用的、針對微尺度材料進行扭轉力學性能測試的橫式測試裝置及其測試方法。

背景技術：

目前國際上微尺度材料的扭轉力學性能測試技術極其稀缺，主要原因在于10^-3nm以下微小扭矩測量極其困難。

現有針對這方面的測量裝置，一般是在豎直狀態下進行測試，這種姿態將影響sem的光路，而且測量裝置中驅動裝置的電磁線圈的漏磁也會影響sem成像，因此現有的測量裝置不能和sem配合對細絲等材料進行原位扭轉實驗。

此外，在非晶合金絲、納米晶纖維領域，也需要利用扭轉實驗來進行原位觀測，以獲取更多極為寶貴的變形信息。

技術實現要素：

為解決現有技術中不能對微尺度材料進行原位扭轉實驗的問題，本發明提供一種在掃描電鏡(sem)下使用的、針對微尺度材料進行扭轉力學性能測試的橫式測試裝置及其測試方法。

特別地，本發明提供一種在電鏡下測量材料扭轉性能的橫式測試裝置，包括：

框架；

第一夾持部，安裝在所述框架上，包括安裝座和可旋轉地安裝在安裝座上夾持試樣的定夾具；

第二夾持部，安裝在所述框架上且與所述第一夾持部水平間隔相對，包括電磁驅動裝置，和安裝在電磁驅動裝置與所述定夾具相對一端夾持試樣的動夾具，以及安裝在電磁驅動裝置另一端的角度測量裝置；

控制裝置，用于設置試驗方法和控制實驗過程；

電子顯微鏡，用于在原位觀察位于所述定夾具和所述動夾具之間試樣在實驗過程中的變化。

在本發明的一個實施方式中，所述安裝座內安裝有控制所述定夾具以安裝點進行旋轉的旋轉電機。

在本發明的一個實施方式中，所述定夾具包括與所述旋轉電機的驅動軸連接的底板，和固定在底板上的柔性夾持框；所述柔性夾持框包括位于底板長度方向兩端的鋼絲柱，和分別與所述鋼絲柱固定的矩形鋼絲框架，兩個所述矩形鋼絲框架的未固定端相接觸。

在本發明的一個實施方式中，所述動夾具包括十字相交的橫夾板和縱夾板，在橫夾板和縱夾板的兩端分別設置有夾持座，在橫夾板上安裝有橫夾板夾持試樣后使試樣垂直于橫夾板的限位板。

在本發明的一個實施方式中，在所述橫夾板的中部設置有調整試樣夾持中心的調節孔。

在本發明的一個實施方式中，所述夾持座包括相對設置的兩個夾持片，兩個所述夾持片的一側邊固定在所述縱夾板或橫夾板上，另一側邊在彈性下相互貼合。

在本發明的一個實施方式中，所述電磁驅動裝置包括固定框架，和固定安裝在所述固定框架內的磁柱，在所述磁柱的兩端與所述固定框架之間可轉動地安裝有通電線圈，所述通電線圈通過軸桿與所述固定框架連接，在所述固定框架靠近所述動夾具的一端設置有延伸至所述框架外的中心軸框架，所述動夾具的縱夾板固定在所述中心軸框架上。

在本發明的一個實施方式中，所述中心軸框架上還安裝有力矩平衡架，所述力矩平衡架包括十字型的力矩桿，和分別通過螺紋方式擰在所述力矩桿各端頭上的配重螺母，所述力矩桿的固定中心與中心軸框架的旋轉中心對應。

在本發明的一個實施方式中，所述角度測量裝置為非接觸式角度傳感器，包括安裝在所述電磁驅動裝置與動夾具相對一端的動模塊，和安裝在框架上與動模塊相對位置處的定模塊，定模塊與所述控制裝置連接。

本發明一個實施方式提供.一種使用前述橫式測量裝置的測試方法，包括如下步驟：

步驟100，將試樣兩端的試片分別夾持在定夾具和動夾具上，并進行對中和力矩平衡操作；

步驟200，通過控制模塊控制動夾具和定夾具對試樣進行扭轉實驗，通過電子顯微鏡觀察實驗過程并記錄實驗數據；

步驟300，根據實驗數據，通過參數轉換得出試樣所受力矩與轉角的關系；

步驟400，根據前述力矩和轉角的關系，由具體的力學模型，即可得出當前試樣相應的力學量。

本發明可以解決試樣橫向放置后轉動部件質量偏心所帶來的額外力矩問題，可以橫向工作，從而使電子顯微鏡實現原位觀察。此外，通過對中、力矩平衡、夾持功能為一體的動端結構，在保證各功能需求的同時，大大減小了整個裝置的體積，使整個實驗過程可在電子顯微鏡有限的空間中工作。通過可旋轉的兩個夾持端使得試樣可以實現大角度多圈加載實驗。

本發明的測試方法通過巧妙的實驗方法步驟，可克服原有電磁驅動裝置幾何約束的限制，實現大角度多圈加載實驗，滿足更廣的實驗需求。

附圖說明

圖1是本發明一個實施方式的橫式測試裝置的結構示意圖；

圖2是本發明一個實施方式的定夾具結構示意圖；

圖3是本發明一個實施方式的試樣結構示意圖；

圖4是本發明一個實施方式的動夾具結構示意圖；

圖5是本發明一個實施方式的動夾具橫夾板結構示意圖；

圖6是本發明一個實施方式的電磁驅動裝置結構示意圖；

圖7是本發明一個實施方式的測試方法流程示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發明一個實施例的橫式測試裝置一般性地包括一個用于安裝各種設備的框架10，安裝在框架10上分別夾持試樣50一端的第一夾持部30和第二夾持部40，控制實驗過程的控制裝置以及觀察實驗過程的電子顯微鏡(圖中未示出)。

第一夾持部30安裝在框架10的一端，包括與框架10固定的安裝座31，和可旋轉地安裝在安裝座31上以夾持試樣50的定夾具32。

第二夾持部40安裝在框架10的另一端且與第一夾持部30水平間隔相對，包括提供試樣50扭轉動力的電磁驅動裝置20，在電磁驅動裝置20與定夾具32相對的一端安裝有夾持試樣50的動夾具41，在電磁驅動裝置20的另一端安裝有測量的動夾具41旋轉角度的角度測量裝置60。

控制裝置用于設置試驗方案和控制實驗過程；包括提供工作電力、控制實驗步驟以及采集數據和控制電子顯微鏡。該控制裝置可以包括具備輸入輸出硬件設備功能的計算機，供電設備、輸入輸出設備；其中的計算機也可以由工控機、單片機等來代替，通過預先編制的軟件實現不同實驗要求的編制和控制。供電設備可以是經過處理的市電、畜電池等。輸入輸出設備可以控制實驗中過程中的扭轉加載以及數據采集，如傳感器。

本實施方式中，第一夾持部30和第二夾持部40水平相對，分別夾持試樣50的一端，使試樣50處于水平狀態下，然后通過對中操作，使得試樣50能夠與定夾具32和電磁驅動裝置20的中心旋轉軸對齊，再進行力矩平衡操作，然后通過控制裝置對試樣50進行扭轉，記錄下實驗過程的各個轉角和驅動電信號，再根據相應的計算要求，即可得到相關的結果。在試樣50的扭轉過程中，其在自身軸線(實驗時的中心旋轉軸)的位置本身不動，可以通過電子顯微鏡在原位觀察位于定夾具32和動夾具41之間的試樣50在扭轉過程中的變化。

本實施方式可以解決試樣50橫向放置后轉動部件質量偏心所帶來的額外力矩問題，可以橫向工作，從而使電子顯微鏡實現原位觀察。此外，通過對中、力矩平衡、夾持功能為一體的動端結構，在保證各功能需求的同時，大大減小了整個裝置的體積，使整個實驗過程可在電子顯微鏡有限的空間中工作。通過可旋轉的兩個夾持端使得試樣可以實現大角度多圈加載實驗。

如圖2所示，在本發明的一個實施方式中，在前述實施例的基礎上，安裝座31垂直地固定在框架10上，在安裝座31內安裝有控制定夾具32以安裝點進行相對旋轉的旋轉電機(圖中未示出)，定夾具32可以安裝在旋轉電機的驅動軸上，旋轉電機的工作狀態由控制裝置控制。通過旋轉電機可以控制定夾具32在夾持試樣50后自動按指定的方向和角度進行旋轉。

進一步地，在本發明的一個實施方式中，定夾具32可以包括與旋轉電機的驅動軸連接的底板321，和固定在底板321上的柔性夾持框33；柔性夾持框33包括兩矩形鋼絲框架331，矩形鋼絲框架331一邊的兩個角(固定端)與固定在底板331兩端的鋼絲柱332固結，兩矩形鋼絲框架331的位置相互對稱，矩形鋼絲框架331平面懸空平行于底板321，兩矩形鋼絲框架331相對的一端(自由端)貼合接觸。

試樣50插在兩矩形鋼絲框架331自由端中間的空隙中，通過矩形鋼絲框架331自由端擠壓所產生的摩擦力夾持在定夾具32上。由材料力學計算，矩形鋼絲框架331的自由端在中心旋轉軸線方向的剛度相比于垂直于此軸線方向的剛度很小，可在提供力矩和夾持力時，保證中心旋轉軸方向的力很小，在實驗需要整個裝置傾轉而導致旋轉部件有中心旋轉軸方向相對位移的時候，試樣50不會因為軸向移動而受到很大的軸向力作用，且可以保持旋轉中心位置軸不變。

進一步地，在能夠保持試樣50穩定的情況下，該矩形鋼絲框架331可設置成不同的平面形狀，只要滿足剛度要求即可。

如圖3、4、5所示，在本發明的一個實施方式中，該動夾具41包括十字相交的橫夾板411和縱夾板412，橫夾板411上安裝有與橫夾板411垂直且十字形相交的限位板414，限位板414的中心位置設置有向橫夾板方向凹進的限位槽415的，限位板414的兩端被夾持在縱夾板412的夾持座上，在橫夾板411兩端設置有夾持座413，用于夾持試片51。縱夾板412與電磁驅動裝置20連接。

在本實施方式中，為方便夾持試樣50并保持試樣50在扭轉過程中的穩定，在試樣50的兩端分別固定連接一個試片51，試片51與試樣50平行，且試樣50垂直固定在試片51一個側邊的中部，兩邊的試片51位于同一水平面上，整個結構為“工”字形。

橫夾板411和縱夾板412與試片51垂直，試片51被橫夾板411上的夾持座413夾持，試片51的中部卡入限位板414上的限位槽415內，限位槽415可以使插入的試片51保持垂直于橫夾板411與縱夾板412的狀態。

采用十字形的結構，可以使橫夾板411相對于縱夾板412能調整的方向，和試片51相對于橫夾板411能調整的方向相互垂直，因此，可以實現試片51在垂直于中心旋轉軸平面內任意位置的調整，實現試樣50軸向與中心旋轉軸向對中。

進一步地，為方便對試樣50軸向與中心旋轉軸向對中。在本發明一個實施方式中，可以在橫夾板411的中部設置觀察并調整夾持中心的調節孔416，調節孔416是一個貫穿橫夾板411的通孔，其形狀可以是圓形或是方形，通過對稱的調節孔416，可以看到被壓在下方的縱夾板412，從而根據事先標定好的在縱夾板412上的相應標記或是圓心點來使試樣50對中。如果試片51的位置偏移，則可以通過調整縱夾板412上限位板414相對于縱夾板412的位置，以及試片51相對于橫夾板411的位置，通過適當的移動，使調節孔416顯示出的的中心標記點與試樣50對中，使得試樣軸線與中心旋轉軸保持一致。

在本發明的一個實施方式中，具體的夾持座413可以包括相對設置的兩個夾持片417，兩個夾持片417的一側邊固定在相應的結構上，另一側邊在彈性下相互貼合。在夾持試片51時，可以將兩個夾持片417掰開，再將試片51插入進去。夾持片417可以具備一定的深度，使試片51在軸向上有一定的移動量，以為不同長度的試樣50留下調節量。

如圖6所示，在本發明的一個實施方式中，電磁驅動裝置20一般性地包括一個矩形的固定框架21，在固定框架21兩個相對的側邊連接有用于支撐通電線圈23的旋轉頭座24，在固定框架21上固定有圓柱形的磁柱22，在旋轉座頭24與磁柱22之間的空間中可轉動地安裝有矩形的通電線圈23，通電線圈23兩側固結延伸出的兩短軸桿231(即中心旋轉軸)，軸桿231卡在旋轉座頭24所提供的旋轉槽內。磁柱22與固定框架21固定連接，通電線圈23在通電后會以軸桿231為旋轉軸轉動，但轉動范圍受固定框架21的限制。

在通電線圈23靠近動夾具41的一端設置有延伸至固定框架21外的u形中心軸框架25，動夾具41的縱夾板412被固定在中心軸框架25上。縱夾板412可隨通電線圈23的轉動而同步轉動。進一步地，中心軸框架25也可以直接改裝為動夾具41中的縱夾板412，可直接將夾持座設置在中心軸框架25上，以減少部件。

在一個實施方式中，可以在通電線圈23的另一端設置相應的u形中心軸框架，可以起到平衡作用，同時也可以作為一些部件的安裝基座。

在本發明的一個實施方式中，在動夾具41一側的中心軸框架25上還可以安裝力矩平衡架26，力矩平衡架26包括十字型的力矩桿261，和分別通過螺紋方式擰在力矩桿261各桿上的配重螺母262。力矩桿261固定在通電線圈23延伸出的中心軸框架25上，力矩平衡架26的安裝位置與動夾具41的縱夾板412的安裝面相反，固定后的力矩桿261的中心與中心軸框架25的旋轉中心對應。當安裝好試樣50后，可旋轉部分(通電線圈23、中心軸框架25、力矩平衡架26、動夾具41和試樣50作為一整體)的重心相對于中心旋轉軸有偏心時，可以通過相應方向的配重螺母262在力矩桿261上的位置來調整整個旋轉部件質心的位置，實現軸向力矩平衡。具體平衡方法如下：定夾具32和動夾具41安裝好試樣50后，以中心旋轉軸為旋轉軸，緩慢傾轉整個儀器，若在傾轉過程中，可旋轉部分與磁體22的相對角度位置保持不動，則力矩已經實現平衡；若可旋轉部分相對于磁體22旋轉的方向與緩慢傾轉整個儀器的方向相同，則調整靠下方的配重螺母262向外側或靠上方的配重螺母262向內側移動；若可旋轉部分相對于磁體旋轉的方向與緩慢傾轉整個儀器的方向相反，則調整靠下方的配重螺母262向內側或靠上方的配重螺母262向外側移動，直至在緩慢傾轉整個儀器的過程中，中心軸框架25與磁體22相對角度位置保持不動，即完成對中。

在發明的一個實施方式中，具體的角度測量裝置60可以為非接觸式角度傳感器，可以包括安裝在電磁驅動裝置20與動夾具41相對另一端的動模塊，和安裝在框架10上與動模塊相對位置處的定模塊，定模塊與控制裝置連接。當通電線圈23通電轉動后，其上安裝的動模塊即產生同步轉動，而安裝在框架10上的定模塊利用霍爾效應根據動模塊的轉動角度得到當前的轉角，并將相應的測量數據發送給控制裝置。

在本發明的一個實施方式中，提供一種利用前述夾具實現試樣測量的測量方法。

步驟100，將試樣兩端的試片分別夾持在定夾具和動夾具上，并進行對中和力矩平衡操作；

對中操作是將“工”字形試樣兩頭的試片分別夾持在動夾具和定夾具上，再調整試樣徑向上的位置，直至與事先標定好的旋轉中心點對齊，即完成對中。

力矩平衡操作是在試樣對中后，以中心旋轉軸為旋轉軸，緩慢傾轉整個儀器，若在傾轉過程中，可旋轉部分與磁體的相對角度位置保持不動，則力矩已經實現平衡，若發生相對轉動，則需微調配重螺母位置，微調方法：若可旋轉部分相對于磁體旋轉的方向與緩慢傾轉整個儀器的方向相同，則調整靠下方的配重螺母向外側或靠上方的配重螺母向內側移動；若可旋轉部分相對于磁體旋轉的方向與緩慢傾轉整個儀器的方向相反，則調整靠下方的配重螺母向內側或靠上方的配重螺母向外側移動，直至在緩慢傾轉整個儀器的過程中，中心軸框架與磁體相對角度位置保持不動，即完成對中。

步驟200，通過控制模塊控制動夾具和定夾具對試樣進行扭轉實驗，通過電子顯微鏡觀察實驗過程并記錄實驗數據；

其中的控制模塊可以是計算機，扭轉實驗處理過程如下：

1.首先對電磁驅動裝置通以電流，使得通電線圈順時針旋轉，記錄電流(i)、角度傳感器的轉角(θ)和底板相對安裝座的轉角的數據；

2.繼續通以電流，使得轉角(θ)大于位置極限θmax的時候，保持電流大小不變，改用旋轉電機驅動定夾具旋轉進行扭轉實驗，使得定夾具逆時針旋轉，記錄電流(i)、角度傳感器的轉角(θ)和底板相對安裝座的轉角的數據；

在旋轉電機扭轉加載時，使得角度傳感器的轉角(θ)小于位置極限θmin的時候，即可完成此步。這時試樣兩端已經有一定的相對扭轉角，這即對試樣有了一定角度的扭轉加載，若實驗還需繼續對試樣施加更大的扭轉加載，則重復前述步驟1、2，繼續增大試樣兩端的相對扭轉角。直至達到實驗所需的扭轉加載。實驗結束。

θmax與θmin事先由電磁驅動裝置的幾何限制預設。是通電線圈在固定框架的約束下以順時針方向為正，最大和最小可到達的角度位置，由角度傳感器的位置和測量角度確定。

步驟300，根據實驗數據，通過參數轉換得出試樣所受力矩與轉角的關系；

根據前述步驟記錄的一系列實驗數據(i、θ、)，按照參數轉換得出試樣所受力矩(m)與轉角(θ)的關系：

m＝ai-bθ

其中，a為事先標定的電磁驅動裝置的電流(i)與輸出力矩(m)的比例參數，b為事先標定的通電線圈電極引線的剛度。

步驟400，根據前述力矩和轉角的關系，由具體的力學模型，即可得出當前試樣相應的力學量。

例如：

試樣表面的剪切變形：

試樣表面的剪切應力：

剪切模量：

其中，d為試樣直徑，l為試樣兩段的相對距離(扭轉的有效長度)。

本方法通過巧妙的實驗方法步驟，可克服原有電磁驅動裝置幾何約束的閑置，實現大角度多圈加載實驗，滿足更廣的實驗需求。

至此，本領域技術人員應認識到，雖然本文已詳盡示出和描述了本發明的多個示例性實施例，但是，在不脫離本發明精神和范圍的情況下，仍可根據本發明公開的內容直接確定或推導出符合本發明原理的許多其他變型或修改。因此，本發明的范圍應被理解和認定為覆蓋了所有這些其他變型或修改。