毕业设计（论文）-拉弯多载荷预载条件下微纳米压痕测试仪设计与试验.doc

摘要众所周知，各种材料都是在复合载荷作用条件下服役的，但是目前人们对处于多载荷作用下材料的微观形变和损伤机制还不是很明确，由此导致的材料失效引发的不可挽回的事故屡见不鲜。因此，研发一个能够测试材料微观力学性能的仪器是很必要的。本文设计出了一种拉伸-弯曲预载条件下的微纳米压痕测试仪器。全套图纸加扣 3012250582 本文首先通过对国内外相关实验室和一些知名商业化公司的研究成果进行对比和分析，得知出他们研究成果的优点和不足；接着，根据载荷需求选取标准件型号、设计非标件形状尺寸；之后，通过CATIA软件建立了仪器的三维模型，然后，对关键零部件进行仿真分析以及计算校核，最后经过结构优化后设计出拉伸-弯曲预载下的原位微纳米压痕仪器。接下来，本文还针对本装置设计出了拉伸-弯曲预载荷条件下的微纳米压痕试验，此测试过程共分为五步：第一步，安装仪器，装夹试件；第二步，拉伸载荷预加载以及原位观测和数据记录；第三步，弯曲载荷预加载以及原位观测和数据记录；第四步，原位微纳米压痕测试以及原位观测和数据记录；第五步，分析处理记录的数据。本文最后还叙述了一些本装置能实现的其它试验测试类型，并且阐述了本装置还可以改进的地方。关键词：复合载荷 拉伸测试 弯曲测试 微纳米压痕 原位测试IIAbstract As is known to all, all materials are served under complex load conditions, but now it is not very clear that what lead to multi-loads materials micro deformation and damage . The resulting of material failure caused irreparable accidents are common to see.Therefore, it is necessary to develop an instrument that can test the mechanical properties of the material. In this paper, a micro nano indentation test instrument under the condition of tension and bending preloads is designed. Firstly, through the comparation and analyzation of the domestic and foreign related laboratory and some well-known commercial company , I knowed the advantages and disadvantages of their research achievements; Then, according to the load demand, I selected the type of standard components. And I designed the non - standard components shape and size; After that ,I used the CATIA software to establish a three-dimensional model of instrument. Then, I maked a simulation analysis and calculation checking of the key parts .Finally I designed micro nano indentation tester under the condition of tension and bending loads after structure optimization design. Next, this paper also designed the test of micro - nano indentation test under the condition of tension and bending preloads. The testing process is divided into five steps: The first step, install the equipmentand clamping the test specimen; The second step, pre-load the tensile load in situ observations and record the datas ; The third step, pre-load the bending load in situ observations and record the datas;The fourth step, make the micro-nano indentation test in situ observations and record the datas; The fifth step, analysis the recorded data processed. In the end of this paper,I design some other types of test of the instrument. And then I state some place where the instrument can be improved .Key words: composite load ,tensile testing, bending testing, micro-indentation, in-situ testingIII目录第一章 绪论1 1.1选题背景和研究意义1 1.2国内外研究现状3 1.2.1原位拉伸测试仪的现状3 1.2.2原位弯曲测试仪的现状4 1.2.3原位压痕测试仪的现状6 1.3主要研究内容10 1.4本章小结11第二章 测试装置相关理论基础12 2.1微纳米压痕理论基础12 2.2拉伸-弯曲载荷理论基础14 2.2.1拉伸载荷理论基础15 2.2.2弯曲载荷理论基础16 2.2.3最后结论17 2.3本章小结18第三章 拉伸-弯曲预载荷条件下的微纳米压痕测试仪的设计分析19 3.1试验仪器整体结构设计与建模19 3.2拉伸载荷预加载模块结构组成与具体实施方案26 3.2.1拉伸载荷预加载模块精密动力输出单元26 3.2.2拉伸载荷预加载模块精密传动进给单元26 3.2.3拉伸载荷预加载模块精密装夹单元27 3.2.4拉伸载荷预加载模块精密检测单元27 3.3弯曲载荷预加载模块结构组成与具体实施方案28 3.3.1弯曲载荷预加载模块精密动力输出单元28 3.3.2弯曲载荷预加载模块精密传动进给单元28 3.3.3弯曲载荷预加载模块X方精密调整单元29 3.3.4弯曲载荷预加载模块精密检测单元29 3.4原位纳米压痕测试模块结构组成与具体实施方案30 3.4.1原位纳米压痕测试模块Y方向宏观进给单元30 3.4.2原位纳米压痕测试模块X方精密调整单元31 3.4.3原位纳米压痕测试模块Y方向精密压入单元31 3.4.4原位纳米压痕测试模块精密检测单元31 3.5本章小结32第四章 仪器各模块关键零部件仿真分析与校核33 4.1拉伸模块关键零部件仿真分析与校核33 4.1.1支撑座A最大受力时的静力学分析33 4.1.2导轨强度的校核35 4.1.3联轴器的强度校核36 4.1.4蜗杆轴的强度校核37 4.1.5滚珠丝杠的计算校核41 4.1.6弯曲模块电机以及减速器的选择44 4.2压痕模块关键零部件仿真分析与校核45 4.3弯曲模块关键零部件仿真分析与校核47 4.4本章小结49第五章 拉-弯预加载条件下的原位微纳米压痕测试仪的试验与设计50 5.1.试验具体实施方案50 5.1.1安装仪器，装夹试件50 5.1.2拉伸载荷预加载以及原位观测和数据记录50 5.1.3弯曲载荷预加载以及原位观测和数据记录51 5.1.4原位微纳米压痕测试以及原位观测和数据记录51 5.1.5分析处理记录的数据52 5.2本装置其它试验设计52 5.3本章小结52第六章 结论与展望54 6.1结论54 6.2展望54致谢55参考文献57III第一章 绪论1.1 选题背景和研究意义生产力对当今社会的进步和发展起着至关重要的作用，要想提高生产力，首先要从材料的研究入手，材料科学不仅是国民经济的基础，更是一切高水平先进技术的抛砖石。总而言之，任何国家的经济建设都要以其对各种材料的研究能力为根基。在当今中国，制约国民经济发展的因素之一就是关键材料保障能力的欠缺。我们对材料的微观损伤机理的研究还处于初期，每年由此造成的材料失效是引发建筑、桥梁坍塌等重大灾难发生的主要因素之一，从而对人们的生命财产安全造成很大威胁，对国家的经济造成严重损失1-6。引发这些问题的主要原因就是对材料的测试能力不足。各种材料及相应的制品在服役过程所处的环境复杂，工作条件不一，同时又会受到复合载荷的共同作用，但是传统材料力学性能测试仪器已无法满足这一现实需求。目前国内外实验室和商业化公司研究的几乎都是对试件单独受拉、单独受弯，单独受剪切载荷作用的力学性能研究（宏观以及微观），或者通过对没有预加载荷的试件进行压痕实验，得到相应的力学参数：如弹性模量，强度极限，屈服极限，抗弯模量，压痕硬度，接触刚度等等。但是这些力学参数都仅限于单载荷作用下得出的，实际工况下的材料是在复合载荷作用下运作的，所以不能仅限于从多载荷作用下割离开的单载荷作用研究，应当开始逐步研究出材料在多载荷作用下的力学性能规律以及相关参数指标，这样才能满足社会生产力的需求。图 1.1 为一些材料失效的宏观形貌以及微观形貌。 （a）轴承内圈断裂形貌 （b）齿轮变形形貌 （c）沿晶断裂微观形貌 （d）疲劳断口微观形貌图 1.1 宏观与微观材料失效现象因此，为保证材料及相应的制品在工作期间有足够的稳定性，较高的寿命和可靠性，开发出能够对材料微观力学性能相关参数进行准确测试，从而得到各种材料在复合载荷条件下的力学性能规律，最终得出材料在复合载荷作用下的变形损伤机理以及预防措施是很必要的，对促进社会生产力的发展有很大的意义7。本文提出一种在拉伸-弯曲预载荷条件下的原位微纳米压痕测试仪器。该仪器由拉伸预加载模块、弯曲预加载模块、微纳米压痕模块三部分组成，既可以对材料进行单一载荷测试，比如：单独拉伸测试、单独弯曲测试、单独压痕测试，又可以对材料进行拉伸-弯曲复合载荷作用下的力学性能测试。众所周知，任何材料的宏观损坏都是由微观损伤演变而来的，由此本仪器不仅包含拉伸、弯曲预加载模块，而且还集成了微纳米压痕模块，可以对材料进行拉伸、弯曲、拉伸-弯曲预载荷条件下的微纳米压痕测试，得出材料微观力学性能参数。同时为了对加载过程中的材料进行原位观测，以便更好的了解材料的微观变形和损伤机制，该仪器还包含金相显微镜装置。该仪器丰富了对材料力学性能的测试方法，对材料实际服役工况的力学性能的研究有很大帮助。1.2 国内外研究现状1.2.1 原位拉伸测试仪的现状 传统拉伸测试大多是借助大型拉伸试验机进行的，通过软件将从力传感器和位移传感器采集的数据进行处理最终得出应力-应变曲线，从曲线观测出材料的屈服极限（强度）、强度极限、断裂强度等力学性能参数，进一步利用相关的理论公式可得材料的出弹性模量、伸长率、断面收缩率等参数。世界上最早的拉伸试验机是由荷兰物理学家Petrus V aD M usschenbroek发明的，虽然该试验机精度不能保证，但是它的出现开创了材料评定体系。随后zwick等公司陆续推出了技术相对成熟的电子自动材料拉伸试验机，最大载荷可达一万牛，基本上可以完成宏观材料试件的各个力学性能参数的测试。但是这些试验机都只能对宏观大尺寸试件进行力学性能测试，而且没有相应的成像系统对测试过程的试件进行原位观测，无法观测材料受载过程的微观形变，更无法得出微观结构相关性规律以及各种材料的试件的损伤机制8。但是随着时代的进步，非原位的拉伸试验已经不能满足科研需求，加上金相显微镜、扫描电子显微镜、超景深显微镜等高倍率成像仪器逐渐问世，可以为试件微观形变的监测提供条件，这样原位拉伸测试仪器问世。国内的有哈尔滨工业大学的周琴同志研发出了在原子力显微镜下观测的原位拉伸试验机，并且对薄膜材料金属微粒磁带进行了力学性能测试9。图1.2为其研发的原位拉伸试验装置以及该装置放在AFM下的图像。 图1.2原子力显微镜原位拉伸装置及试件裂痕微观形貌由于原位拉伸试验机商业前景很好，国外一些公司也研究出了商业化的原位拉伸试验机。比如德国Kammrath Weiss公司10、英国Deben 公司研发的可放在SEM或TEM腔内的原位力学测试装置，装置如图1.3。 图 1.3 Deben 和 Kammrath Weiss 的原位拉伸力学性能测试平台 1.2.2 原位弯曲测试仪的现状传统的弯曲测试试验一般都是在大型万能材料试验机上进行的，比如电子式、液压式、机械式万能试验机，图1.2为传统万能试验机具体例子，通过两端夹具将试件夹紧，然后再在试件上进行弯曲加载11。通过相应的力传感器、位移传感器测得弯曲载荷和位移，最后通过采集卡将数据传送到相关软件进行处理，得出载荷-位移曲线。进一步可结合观测图像以及理论公式得出材料的弯曲弹性模量、抗弯强度、断裂挠度等参数。目前国外比较知名的试验机生产公司有美国美斯特公司、英斯特朗公司，日本岛津公司，德国兹维克公司，国内有上海忠臣数字技术有限公司，上海德杰仪器设备有限公司，长春机械科学研究院。但是这种弯曲试验不能进行原位观测，无法动态观测材料的微观动态形变以及损伤过程。 （a）电子万能试验机 (b)液压万能试验机图1.2 传统万能试验机随着科技的进步，有研究发现材料的微观几何形貌和和材料的力学性能有很大关系，为了能更好的了解材料在载荷作用下的微观形变以及更进一步得出材料的损伤机理，原位测试技术诞生。原位三点弯测试根据观测被测试件的位置不同分为观测被测试件正面和侧面种。图1.4为Gatan公司研发的原位三/四点弯曲测试装置。该装置可以兼容扫描电子显微镜等成像设备。对试件的侧面或者正面进行原位监测。 (a）Microtest 300 (b)）Microtest 5000s图1.4 Gatan公司研发的原位三/四点弯曲测试装置 目前国内主要是通过购买一些知名公司的原位三点弯测试仪进行试验，比较知名的公司有德国Kammrath Weiss公司和美国Gatan公司12。图1.3为Kammrath Weiss公司生产的原位三点弯曲测试装置。图1.3Kammrath Weiss公司生产的原位三点弯曲测试装置（a） 观察被测试件侧边的弯曲测试装置（b）观察被测试件正面的弯曲测试装置 （c）扫描电子显微镜中进行弯曲测试装置1.2.3 原位压痕测试仪的现状材料制备的进步推动了纳米压痕测试技术的发展，从上世纪八十年代初开始，制备的薄膜和表面改行层厚度越来越小，传统的实验方法已经不能准确测量其力学性能参数.因此，纳米压痕技术的研究刻不容缓。微纳米尺度材料和结构的力学行为的测试是工程技术界关注的前沿问题，也是发展微纳米尺度力学学科的基础。近些年来，通过连续测量载荷和深度确定硬度和模量的压入技术飞速发展，基于该技术发展起来的仪器，逐步成为微纳米尺度力学行为测试中的标准设备13。从纳米压痕技术出现至今，纳米压痕技术大体上有 5 种技术理论，他们分别是：(1)Oliver 和 Pharr 方法、(2)应变梯度理论、(3)Hainsworth 方法、(4)体积比重法、(5)分子动力学模拟。目前，最为流行的压痕方面的分析方法是：在1992年，Oliver和Pharr14在之前Doerner和Nix15工作的基础上将卸载曲线的上半部分的处理方法从原来的线性拟合改为了幂函数拟合得到的方法，这种分析方法更加完善了压痕理论体系，奠定了纳米压入的技术基础。如今,很多国内外实验室和商业化公司使用上述方法，经过多年的研制，已经做出一系列的成熟稳定的压痕测试仪器。比如：美国MTS公司、Hysitron公司和Agilent公司，瑞士CSM公司等16。图1.5为国外比较知名的一些公司生产的压痕/划痕测试仪器产品。 (a)瑞士CSM公司UNHT超纳米压痕仪 (b)安捷伦纳米压痕仪（G200） (c)美国Hysitron（海思创）TI-750 型纳米压痕仪 (d)荷兰Piuma生物纳米压痕图1.5 国外知名公司生产的压痕/划痕测试仪器产品上述公司虽然已经研发出商业化压痕仪器，但是由于结构复杂、机体庞大，这些压痕仪器只能进行离位压痕测试实验。要想进行原位压痕测试，所设计的压痕仪器必须要兼容SEM(扫描电子显微镜)、TEM（透射电子显微镜）等高倍率的成像设备，这样研发的压痕仪器必须足够小以便能放入上述成像设备的样品腔内，同时压痕仪还要满足工作距离小，真空兼容性等问题，由于以上问题的存在，有关原位压痕测试的信息较少。上世纪70年代，英国剑桥大学Gane和Bowden首次进行SEM内的原位压痕试验17，但是该试验并没有对力和位移进行测量，无法得出压入载荷深度曲线。上世纪90年代中旬，奥地利维也纳科技大学Bangert和Wagendristel研发出可放在SEM工作腔的压痕仪器18，但该仪器无法对压痕过程的进行过事实原位观测。2004年，瑞士洛桑联邦理工学院Rabe等人研发了可兼容SEM的原位压痕/划痕测试的仪器19，可以通过SEM对压痕测试过程中的试件进行原位观测，并得出压入载荷-压入深度曲线，如图1.6（a）所示。 图（b）为上述仪器的改进型，将手动控制压头接近试件改进成电动接近试件。随后瑞士联邦材料科学与技术实验室（EMPA）Rzepiejewska-Malyska等人研发出了比Rade等人研发的原位压痕仪载荷和位移分辨率更高的原位压痕测试系统20，载荷噪声水平为0.1N，位移噪声水平为0.4nm左右，如图1.6（c）所示。图1.6 SEM内原位压痕/划痕测试典型仪器目前我国还没有商业化的原位压痕仪器，对压痕方面的研究还处于初期，压痕相关仪器的开发很少。具体有以下人员进行相关研究：西安交通大学蒋庄德21，图1.7(a)为其团队开发的微机械力学性能测试图；中科院力学研究所张泰华22,23,图1.7(b）其团队提出的压痕结构示意图； （a） 蒋庄德等人开发的微机械力学性能测试图（b）张泰华等人提出的压痕结构；图1.7 对于在预加载荷作用下的压痕仪器研发更加少之又少，目前从事相关研究比较出众的主要集中Error! 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本章小结由以上这些例子可以看出，国内外实验室和商业化公司研究的几乎都是对试件单独受拉，单独受弯作用的力学性能研究（宏观以及微观），或者通过对没有预加载荷的试件进行压痕实验，得到相应的力学参数：如弹性模量，强度极限，屈服极限，抗弯模量，压痕硬度，接触刚度等等。但是这些力学参数都是都是都仅限于单载荷作用下得出的，实际材料是在复合载荷作用下运作的，所以不能仅限于从多载荷作用下割离开的单载荷作用研究，应当开始逐步研究出材料在多载荷作用下的力学性能规律以及相关参数指标，这样才能满足社会生产力的需求。因此，开发出一种刚性好、检测精度高，并且能在金相显微镜下进行原位观测材料在拉伸-弯曲预载荷作用下的变形以及损伤过程，对不同材料进行拉伸-弯曲预载荷作用下的原位微纳米压痕测试，实时采集并观测测量结果的试验装置是十分必要的。第二章 测试装置相关理论基础本文所研究的拉伸-弯曲预载下的微纳米压痕测试仪器主要涉及以下三个基本理论。第一个是试件在拉伸载荷作用下力学性能变化的基本理论以及数学模型，第二个是弯曲载荷作用下力学性能变化的基本理论以及数学模型，第三个是微纳米压痕载荷测试基本理论以及相关的数学算法。本文以拉伸、弯曲复合载荷作用为基本手段，来探索各种材料的试件在微纳米级别分辨率的压痕载荷作用下的力学性能变化规律。2.1 微纳米压痕理论基础早在二十世纪六十年代，Stillwell和Tabor就率先提出利用压入的弹性恢复测定力学性能的方法。到了二十世纪八十年代，Bulchev等人更进一步提出如今普遍应用的利用载荷-深度卸载部分测量接触面积的方法。紧接着Pethica于1981年首次将Bulchev等人的技术应用于离子注入金属表面的力学性能测试中。接下来的几年里，Loubet团队以及Doerner和Nix团队依次使用Bulchev等人的方法进行了1N量级和mN量级载荷的测试。最后于1992年，Oliver和Pharr在前人基础上进一步完善了压入测试原理，奠定了目前引用率最高的纳米压入测量技术基础。利用Oliver和Pharr方法可以得出压痕测试中比较常用的两个力学性能参数：弹性模量E和硬度H。该方法主要使用有几何相似的压头，比如具有三棱锥几何结构的玻氏压头。利用玻氏压头对试件进行压入载荷，可以得到图2.1（a）所示的比较经典的压入载荷-压入深度曲线。图2.1（b）为试件加载时和卸载后纵向剖视图。（a）压入载荷-压入深度曲线（b）试件加载时和卸载后纵向剖视图图2.1 从图中2.1（a）中可以直接得出最大载荷Pmax、最大深度hmax、卸载后的残余深度hf。在图2.1（b）中a表示的是加载时压头与试件接触半径，hc是加载时压头压头与试件接触深度，h为加载深度，hs为加载时压头与试件接非接触深度。由公式 可知，为了计算出材料硬度值H，首先应得出最大压入载荷和接触面积A。其中可以通过已测数据中得到，式中的,是与压针形状有关的常数。接触刚度：，其中为卸载后的残余深度。通常采用如下函数拟合载荷-深度曲线卸载部分:，其中和m是通过测试获得的拟合参数。折合模量： 式中，为与压头形状有关的常数 式中，E、Ei分别为试件和压头材料的弹性模量；、i分别为试件材料和压头材料的泊松比。但是该方法有一定的限制条件，具体如下：与刚性压针接触的材料周围凹陷变形；样品必须为各项同性材料，表面为无摩擦的弹性半无限空间；不存在与时间相关的变形，即无蠕变和粘弹性。2.2 拉伸-弯曲载荷理论基础 本装置可以对试件进行以下六种测试：（1） 对试件进行原位拉伸载荷测试实验（2） 对试件进行原位弯曲载荷测试实验（3） 对试件进行原位微纳米压痕测试实验（4） 弯曲预载下的原位微纳米压痕实验（5） 拉伸预载下的原位微纳米压痕实验（6） 拉伸-弯曲复合载荷预载条件下的原位微纳米压痕实验图2.3 三种加载方式简支梁AB在拉力与集中载荷的作用下，推导挠曲线方程。应用叠加原理，先加载拉力计算变形，然后在其基础上加载集中载荷用积分法求弯曲变形。2.2.1 拉伸载荷理论基础 轴向伸长量：，其中为拉伸载荷后试件轴向长度，为试件受载 前轴向长度 轴向线应变：横向伸长量：，其中 为试件受拉伸载前横向宽度，为试件受拉伸载荷后横向宽度 横向线应变： , 为泊松比胡克定律 ，E为拉伸弹性模量并根据公式以及可推出，其中A为受载后试件截面积2.2.2 弯曲载荷理论基础 图2.4 弯曲示意图MO段： ON段： MO段 ON段 （a） （b） （c） （d）在O处，在（a）（b）（c）（d）中，令，并利用连续性条件，可得:在A、B两端边界条件为， （e） ， （f）将（e）代入（b），得将（f）代入（d），得将，代回（a）（b）（c）（d）中，得到转角方程与挠度方程AC段 ON段 2.2.3 最后结论挠曲线方程 ， 其中端截面转角最大挠度2.3 本章小结本章主要阐述了拉伸、弯曲预加载理论基础以及国际通用的压痕测试算法理论Oliver和Pharr法。并且对相关理论公式进行了推导，建立起本装置所需的理论算法。第三章 拉伸-弯曲预载荷条件下的微纳米压痕测试仪的设计分析本试验装置主要由拉伸载荷预加载模块、弯曲载荷预加载模块以及原位纳米压痕测试模块三部分构成。三个模块都有各自的动力输出单元、传动进给单元、检测单元、执行单元。三个模块既可以对试件施加单载荷作用，又可以相互配合着对试件施加复合载荷作用。3.1 试验仪器整体结构设计与建模拉伸-弯曲预载荷作用下的微纳米压痕测试仪包含三个模块，分别为拉伸载荷预加载模块、弯曲载荷预加载模块以及原位纳米压痕测试模块。其中，拉伸载荷预加载模块由精密动力输出单元A、精密传动进给单元A、精密装夹单元A以及精密检测单元A组成。弯曲预加载模块由精密动力输出单元B、精密传动进给单元B、X方向精密调整单元B以及精密检测单元B组成。原位纳米压痕测试模块由Y方向宏观进给单元、Y方向精密压入单元、X方精密调整单元C以及精密检测单元C构成。优点在于:整体结构刚性好，定位与检测精度高，能够兼容金相显微镜对不同材料的微观变形过程以及损坏机制进行原位观测与记录。整体设计流程如下：根据需要施加给被测试件的拉伸、弯曲、压痕载荷大小，初定被测试件的尺寸，勾勒出整个装置的粗略草图，按尺寸和强度要求选取标准传动部件以及连接部件型号，通过执行单元所需功率载荷大小反推出满足要求的驱动部件，紧接着利用CATIA三维建模软件对整个装置进行三维建模，确保各零部件之间定位精度高、工作时无干涉，最后对各个模块的关键的标准选购件进行强度校核、对各个模块的关键的加工件进行仿真分析，最后进行整机优化。图3.1（a）为上述仪器总体装配三维图（通过CATIA软件建模），图3.1（b）为拉伸载荷预加载模块三维图，图3.1（c）为弯曲载荷预加载模块三维图，图3.1（d）为微纳米压痕模块三维图。（a）拉弯预载下微纳米压痕仪器总体装配（b）拉伸载荷预加载模块（c）弯曲载荷预加载模块（d）微纳米压痕模块图3.1整机以及三个模块的三维模型由于整个装置空间结构复杂，包含的零部件太多，为了能将整体结构以及工作原理阐述明了，设计者为三维模型的各个零部件进行序号线图标注，下文将参照这些线图标注对各个模块的的装配关系进行阐述。由于本装置零部件较多，如果在整体装配三维图中进行线图标注的话会显得很乱，于是笔者就在三张三个模块的装配图中进行相应的线图标注。如图3.2(a)为整机轴测图，图3.2（b)为拉伸模块轴测图，图3.2（c）为弯曲模块轴测图。图3.2（d）为微纳米压痕模块轴测图，图3.2（e）为微纳米压痕模块主视图图，3.2（f）为微纳米压痕模块俯视图。(a) 为整机轴测图（b)拉伸模块轴测图（c）为弯曲模块轴测图（d）微纳米压痕模块轴测图（e）为微纳米压痕模块主视图图（f）微纳米压痕模块俯视图图3.2如图所示，各个序号所代表的零部件分别为：1.编码器A；2.直流伺服电机A；3.行星齿轮减速器A；4.电机支撑座A；5.联轴器A；6.轴承座A；7.带挡边深沟球轴承A；8.蜗轮A；9.蜗杆A；10.轴承座B；11.带挡边深沟球轴承B；12.支撑座A；13.导轨A；14.滑块A；15.L型夹持连接件A；16.位移传感器A；17.螺母法兰A；18.滚珠丝杠支撑座A；19.位移传感器参照件A;20.底座；21.支撑座B;22.夹具体A；23.夹具块A；24.试件；25.夹具块B；26.夹具体B；27.工型连接件；28.力传感器A；29.滚珠丝杠A；30.滚珠丝杠支撑座B；31.编码器B；32.直流伺服电机B；33.行星齿轮减速器B；34.电机支撑座B；35.联轴器B；36.轴承座；37.蜗杆B；38.蜗轮B；39.带挡边深沟球轴承；40.轴承座；41.滚珠丝杠支撑座；42.滚珠丝杠B；43.连接件；44.力传感器B；45.弯曲压头；46.螺母法兰B；47.滚珠丝杠支撑座；48.位移传感器B；49.支撑座；50.滑块B；51.连接板A；52.夹持连接件B；53.手动移动平台A；54.导轨B；55.编码器C；56.直流伺服电机C；57.电机支撑座C；58.联轴器C；59.滚珠丝杠支撑座；60.滚珠丝杠C；61.柔性铰链；62.压电叠堆；63.手动移动平台B；64.L型连接件B；65.连接件；66.力传感器C；67.连接件；68.压痕压头组件；69.位移传感器参照板；70.夹持连接件C；71.螺母法兰C；72.导轨C；73.滑块C；74.支撑件C；75.连接板C；76.手动移动平台C；77.位移传感器C；78.位移传感器参照件B；接下来用这些编号来详细的描述整个装置的机械结构。3.2 拉伸载荷预加载模块结构组成与具体实施方案3.2.1 拉伸载荷预加载模块精密动力输出单元拉伸-弯曲预加载条件下的微纳米压痕测试仪的拉伸载荷预加载模块下的精密动力输出单元A包括编码器A（1）、直流伺服电机A（2）、行星齿轮减速器A（3）、电机支撑座A（4）。编码器A（1）与直流伺服电机A（2）之间采用螺纹连接，直流伺服电机A（2）输出端直接与行星齿轮减速器A（3）输入端相连，二者外壳间采用螺钉连接，行星齿轮减速器A（3）输出端外壳与电机支撑座A（4）间采用螺钉连接。电脑发出的驱动信号经过编码器A（1）后传递给直流伺服电机A（2），直流伺服电机A（2）输出的运动和动力经行星齿轮减速器A（3）降速增扭后通过联轴器A（5）传递给蜗杆A（9），蜗杆A（9）再通过精密传动进给单元A和精密装夹单元A后将载荷施加给试件。编码器不仅可以提供微小分辨率的扭矩和转速，以保证被测试件被施与准静态加载，还可以采集直流伺服电机A（2）的转速等相关参数，实时将采集的数据反馈给电脑，这样可以确保直流伺服电机A（2）的输出更加准确。3.2.2 拉伸载荷预加载模块精密传动进给单元 拉伸-弯曲预加载条件下的微纳米压痕测试仪的拉伸载荷预加载模块下的精密传动进给单元A包括联轴器A（5）、蜗轮A（8）、蜗杆A（9）、轴承座A（6）、带挡边的深沟球轴承A（7）、轴承座B（10）、带挡边深沟球轴承B（11）、支撑座A（12）、导轨A（13）、滑块A（14）、螺母法兰A（17）、滚珠丝杠支撑座A（18）、滚珠丝杠A（29）、滚珠丝杠支撑座B（30）、力传感器A（28）、工型连接件（27）、夹具块B（25）、夹具体B（26）。联轴器A（5）与蜗杆A（9）通过键连接直接相连，轴承座A（6）与轴承座B（10）通过螺钉连接固连在底座（20）上，滚珠丝杠支撑座A（18）和滚珠丝杠支撑座B（30）通过螺钉连接固连在底座（20）上，导轨A（13）通过螺钉连接固连在底座（20）上，滑块A（14）与支撑座A（12）通过螺钉连接在一起， 螺母法兰A（17）与支撑座A（12）通过螺钉连接在一起，力传感器A（28）与支撑座A（12）通过螺钉连接在一起，工型连接件（27）与力传感器A（28）通过螺钉连接在一起， 工型连接件（27）与夹具体B（26）通过螺钉连接在一起。精密动力输出单元A输出的运动和动力通过联轴器A（5）传给蜗杆A（9），接着蜗杆A（9）带动蜗轮A（8）运动后将动力传递给滚珠丝杠A（29），滚珠丝杠A（29）通过螺母法兰A（17）带动支撑座A（12）移动，随后支撑座A（12）就可以通过力传感器A（28）和工型连接件（27）带动夹具体B（26）进行运动，这样，当夹具块B和夹具体B（26）通过螺钉连接将试件夹紧的时候，便可带动试件（24）沿X方向运动，从而达到拉伸试件，给试件施加拉伸载荷的目的。3.2.3 拉伸载荷预加载模块精密装夹单元拉伸-弯曲预加载条件下的微纳米压痕测试仪的拉伸载荷预加载模块下的精密装夹单元包括夹具体A（22）、夹具块A（23）、夹具块B（25）、夹具体B（26）。夹具体A（22）和夹具体B（26）一端各有一个带有滚花结构的楔形凹槽，将试件（24）两端分别置于俩凹槽内，然后将夹具块A（23）和夹具块B（25）压在试件（24）上，最后拧紧螺钉，完成试件装卡。3.2.4 拉伸载荷预加载模块精密检测单元 拉伸-弯曲预加载条件下的微纳米压痕测试仪的拉伸载荷预加载模块下的精密检测单元A包括力传感器A（28）、L型夹持连接件A（15）、位移传感器A（16）、位移传感器参照件A（19）。 力传感器A（28）一端与支撑座A（12）通过螺钉相连，另一端与工型连接件（27）通过螺钉连接。试件通过夹具体B（26）、工型连接件（27）与力传感器A（28）串联，这样，当试件受拉力时，试件受的力通过夹具体B（26）和工型连接件（27）传递给力传感器A（28）进行信号检测。位移传感器A（16）主体放在L型夹持连接件A（15）通孔内，通过螺栓预紧将位移传感器A（16）主体夹紧在L型夹持连接件A（15）上，然后通过螺钉连接可以将L型夹持连接件A（15）固定在支撑座A（12）上，从而位移传感器A（16）就与支撑座A（12）固连在一起，位移传感器A（16）的探头与位移传感器参照件A（19）通过螺纹连接在一起。这样，便可以实时测量出试件受拉时的变形量和受力大小，同时可以将载荷速率和变形速率信号传递给电脑作为控制直流伺服电机（2）的反馈信号。3.3 弯曲载荷预加载模块结构组成与具体实施方案3.3.1 弯曲载荷预加载模块精密动力输出单元拉伸-弯曲预加载条件下的微纳米压痕测试仪的弯曲载荷预加载模块下的精密动力输出单元B包括编码器B（31）、直流伺服电机B（32）、行星齿轮减速器B（33）、电机支撑座B（34）。编码器B（31）与直流伺服电机B（32）之间采用螺纹连接，直流伺服电机B（32）输出端直接与行星齿轮减速器B（33）输入端相连，二者外壳间采用螺钉连接，行星齿轮减速器B（3）输出端外壳与电机支撑座B（34）间采用螺钉连接。电脑发出的驱动信号经过编码器B（31）后传递给直流伺服电机B（32），直流伺服电机B（32）输出的运动和动力经行星齿轮减速器B（33）降速增扭后通过联轴器B（35）传递给蜗杆B（37），蜗杆B（37）再通过精密传动进给单元B传动后将载荷施加给试件。编码器B（31）不仅可以提供微小分辨率的扭矩和转速，以保证被测试件被施与准静态加载，还可以采集直流伺服电机B（32）的转速等相关参数，实时将采集的数据反馈给电脑，这样可以确保直流伺服电机B（32）的输出更加准确。3.3.2 弯曲载荷预加载模块精密传动进给单元拉伸-弯曲预加载条件下的微纳米压痕测试仪的弯曲载荷预加载模块下的精密传动进给单元B包括联轴器B（35）、轴承座（36）、蜗杆B（37）、蜗轮B（38）、带挡边深沟球轴承（39）、轴承座（40）、滚珠丝杠支撑座（41）、滚珠丝杠B（42）、连接件（43）、力传感器B（44）、弯曲压头（45）、螺母法兰B（46）、.滚珠丝杠支撑座（47）、支撑座（49）、滑块B（50）、连接板A（51）、手动移动平台A（53）、导轨B（54）。联轴器B（35）与蜗杆B（37）通过键连接直接相连，轴承座（40）与轴承座（36）通过螺钉连接固连在底座（20）上，滚珠丝杠支撑座（41）和滚珠丝杠支撑座（47）通过螺钉连接固连在底座（20）上，导轨B（54）通过螺钉连接固连在底座（20）上，滑块B（50）与支撑座（49）通过螺钉连接在一起， 螺母法兰B（46）与支撑座（49）通过螺钉连接在一起，连接板A（51）的一面通过螺钉连接方式与支撑座（49）连接在一起，另一面同样通过螺钉连接方式与手动移动平台A（53）相连，连接件（43）与手动移动平台A（53）采用螺钉连接方式连接，力传感器B（44）的两端分别与连接件（43）和弯曲压头（45）采用螺纹连接方式连接在一起。精密动力输出单元A输出的运动和动力通过联轴器B（35）传给蜗杆B（37），接着蜗杆B（37）带动蜗轮B（38）运动后将动力传递给滚珠丝杠B（42），滚珠丝杠B（42）通过螺母法兰B（46）带动支撑座（49）移动，随后支撑座（49）就可以通过连接板A（51）和手动移动平台A（53）将运动和动力传给连接件（43），最后连接件（43）通过力传感器B（44）带动弯曲压头（45）运动，从而达到压弯试件，给试件施加弯曲载荷的目的。3.3.3 弯曲载荷预加载模块X方精密调整单元拉伸-弯曲预加载条件下的微纳米压痕测试仪的弯曲载荷预加载模块下的X方向精密调整单元B包括连接件（43）、力传感器B（44）、弯曲压头（45）以及手动移动平台A（53）。连接件（43）与手动移动平台A（53）采用螺钉连接方式连接，力传感器B（44）的两端分别与连接件（43）和弯曲压头（45）采用螺纹连接方式连接在一起。通过旋转手动移动平台A（53）的旋转手柄，手动平台上表面将会通过连接件（43）和力传感器B（44）带动弯曲压头（45）进行X方向移动，这样就可以调整压头与试件接触的X方向位置，以便对试件进行不同X方向位置的弯曲施载测试。3.3.4 弯曲载荷预加载模块精密检测单元拉伸-弯曲预加载条件下的微纳米压痕测试仪的弯曲载荷预加载模块下的精密检测单元B包括力传感器B（44）、位移传感器B（48）、夹持连接件B（52）、位移传感器参照件B（78）。力传感器B（44）的两端分别与连接件（43）和弯曲压头（45）采用螺纹连接方式连接在一起.。当试件（24）承受弯曲载荷作用时，试件（24）同样会将该载荷通过弯曲压头（45）反作用给力传感器B（44），这样力传感器B（44）就可以对弯曲载荷进行检测。位移传感器B（48）主体放在夹持连接件B（52）通孔内，通过螺栓预紧将位移传感器B（48）主体夹紧在夹持连接件B（52）上，然后通过螺钉连接可以将夹持连接件B（52）固定在支撑座（49）上，从而位移传感器B（48）就与支撑座（49）固连在一起，位移传感器B（48）的探头与位移传感器参照件B（78）通过螺纹连接在一起。这样，便可以实时测量出试件受弯曲载荷作用时的变形量和受力大小，同时可以将载荷速率和变形速率信号传递给电脑作为控制直流伺服电机B（32）的反馈信号。3.4 原位纳米压痕测试模块结构组成与具体实施方案3.4.1 原位纳米压痕测试模块Y方向宏观进给单元拉伸-弯曲预加载条件下的微纳米压痕测试仪的原位纳米压痕测试模块下的Y方向宏观进给单元包括编码器C（55）、直流伺服电机C（56）、电机支撑座C(57)、联轴器C（58）、滚珠丝杠支撑座（59）、滚珠丝杠C（60）、螺母法兰C（71）、导轨C（72）、滑块C（73）、支撑件C（74）、连接板C（75）。编码器C（55）和直流伺服电机C（56）通过螺钉连接在一起，直流伺服电机C（56）通过螺钉与电机支撑座C(58)连接在一起，电机支撑座C(58)与底板（20）之间采用螺钉连接，滚珠丝杠支