技术领域

本发明涉及材料力学测试领域， 特别涉及一种材料微观力学性能测试仪器， 尤指一种多 载荷多物理场耦合材料微观力学性能原位测试 仪器。 可以对试件材料施加 "拉伸 /压缩 -低周 疲劳-扭转-弯曲-压痕"五种形式载荷中的单一� �荷， 也可以同时施加其中两种或两种以上的 组合载荷， 同时针对铁磁、 热磁、 半导体等功能材料可开展试件材料在温度场、 电场和磁场 与应力场多物理场耦合作用下的微观力学性能 测试。结合原位观测模块该测试仪器可以对试 件材料在复杂应力状态、多物理场耦合情况下 的测试过程进行动态实时观测， 将会为研究材 料在多载荷多物理场条件下微观组织形貌、性 能演变和宏观力学性能之间的内在联系以及裂 纹的扩展规律提供有效地测试手段。

背景技术

人类社会发展的基础是制造业， 其中材料的力学性能直接制约着制造业的高速 发展， 影 响国防工程航空航天、工农业等领域的发展进 步，影响着现在科学技术的进步；材料在拉伸 、 弯曲和疲劳等现实载荷作用下的力学性能更是 直接关系到工农业生产安全、军事设备安全以 及人类生命财产安全。 近年来随着微机电系统 （MEMS)及显微成像设备的快速发展， 研究 发现材料的微观结构变化将直接影响其宏观力 学性能，因此开展材料基于微观结构变化的力 学性能测试技术研究有着重要的意义。

传统的基于标准试样的常规拉伸、 弯曲、 扭转测试技术以及疲劳测试技术已经很成熟， 基本上能满足材料强度和疲劳特性等宏观力学 性能测试的需求。但其测试原理一般为离位测 试， 不能对测试过程中试件的微观组织形貌进行实 时动态的观察， 因此无法将材料微观组织 变化的内在机理与材料宏观力学性能有效地结 合起来综合表征材料的性能。特别地联系到材 料的实际使用工况， 材料及其制品在使用过程中往往受到非单一载 荷形式的作用， 如拉-弯 组合、 压-剪组合及拉-扭组合等多种载荷同时存在的� ��况， 单一载荷形式的力学测试已经难 以准确反映实际工况下材料及构件的受载形式 ，即无法对复合载荷作用下材料的力学性能做 出准确的评价。例如从一些实验性研究考虑， 材料在拉应力作用下往往使其发生临界断裂破 坏的弯曲应力远小于其抗弯强度，在弯曲应力 作用下其发生临界断裂破坏的拉应力远小于其 抗拉强度。 而现有研究中， 复合载荷模式的加载一种主要是通过将被测试 件与拉伸 /压缩轴 线互成角度的不规则装夹来实现。 将驱动源输出的加载轴向力通过不同轴或不等 高的拉伸 / 压缩装夹方式， 使材料内部出现拉弯组合或压剪组合等复合载 荷测试形式。另一种是借助于 结构复杂、 造价昂贵的多功能材料试验机来施加复合载荷 。 但其一般复合的形式比较单一， 两种或多种载荷模式无法独立加载或依次加载 ，无法就材料及其制品在复合载荷作用下的力 学性能及变性损伤机制做出准确评价， 严重限制了材料试验机的普及应用。

与此同时伴随着材料科学、生产加工工艺技术 方面的革新，各类新型功能材料层出不穷， 原有传统材料的性能也有了进一步的提升， 其使用范围也在日益扩大， 因而对材料性能的检 验方面也提出了更高的要求。上世纪 80年代之前， 材料试验机的使用仅局限于金属材料等少 数领域。 而如今， 材料试验机的使用范围已不再只局限于金属材 料等领域， 它已经扩展到了 所有的行业。 特别是一些新型的铁-电 /铁 -磁、 热 -磁和半导体材料的大规模使用， 使得材料 在力-电-热 -磁等多种物理场作用下的力学性能更加突出� �而现有商业化的试验机很少能满足 上述多场耦合下材料性能测试过程的模拟与检 测，因此开发一种能够基于多种物理场耦合环 境下的材料性能测试试验机成为新型材料试验 机的发展趋势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多载荷多物理场耦 合材料微观力学性能原位测试仪器，解决 了现有材料试验机施加载荷单一、 不考虑应力场与温度场、 磁场等外加物理场的耦合作用、 不能进行原位测试等缺陷， 本发明可以实现 "拉伸 /压缩 -低周疲劳-扭转-弯曲-压痕"五种形 式载荷的加载、 结合外加温度场、 电场、 磁场， 可以进一步研究材料在 "机-电-热 -磁"多载 荷多物理场耦合条件下的微观力学性能。其中 多载荷模块中五种形式的载荷（除弯曲和压痕 不能并存外）既可以单独加载， 也可以对其中两种或两种以上的载荷进行组合 式加载， 测试 仪器整体布局中的弯曲模块、压痕模块和热磁 加载模块采用互换式布置， 既节省了布置空间 也可最大限度的丰富试验机的测试范围。本发 明同时考虑材料微观组织结构变化、性能演变 与宏观力学性能之间的联系， 集成了原位观测模块， 通过其上的高景深 3D显微成像组件、 超声波探伤组件和拉曼光谱仪可以对试件材料 在多载荷多物理场耦合条件下的测试过程进 行动态实时地原位观测， 为揭示材料在多载荷多物理场耦合条件下的力 学性能、微观组织形 貌与裂纹的扩展提供有效的研究手段。本发明 从现实工况下的多载荷模式、机-电 -热-磁多场 耦合下材料微观力学性能的原理与方法出发， 设计一种集 "拉伸 /压缩-低周疲劳-扭转-弯曲- 压痕"多载荷在 "机-电-热 -磁"多场耦合作用下的材料力学性能原位测试� ��验机来满足现实 材料测试领域的需求。 本发明可为各类金属材料、 半导体材料、 功能材料的结构设计、 装备 制造、 寿命预测和可靠性评估提供新方法， 研究工作具有十分重要的科学意义， 可望产生重 大社会效益和经济效益。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

多载荷多物理场耦合材料微观力学性能原位测 试仪器， 包括框架支撑模块、 拉 /压 -低周 疲劳模块、 扭转模块 21、 三点弯曲模块 6、 压痕模块 33、 热磁加载模块 34、 原位观测模块 32和夹具体模块 22，框架支撑模块为测试仪器提供整机的结构� ��撑， 拉 /压-低周疲劳模块布 置在测试仪器上下两端，扭转模块 21直接布置于拉 /压-低周疲劳模块的前端，三点弯曲模块 6、 压痕模块 33和热磁加载模块 34通过公共替换部件布置于整个测试仪器的一� ��支撑立柱 之上， 原位观测模块布置于另一侧的支撑立柱之上。 夹具体模块连接于扭转模块的前段， 完 成对试件的装夹功能。该仪器整体采用四立柱 垂直对称式布置， 上下两端分别采用两个完全 相同的伺服液压缸 10和两个扭转模块 21对处于中心位置的试件 23材料进行对称式的拉伸 / 压缩测试和对称式的扭转测试， 以保证拉伸 /压缩和扭转过程中试件 23材料的几何中心位置 相对静止， 以便于实施对测试过程中材料变形损伤等性能 进行动态的原位监测； 同时对称式 机械结构布置可有效地抑制几何中心点 （即试件中心） 的共振振幅。 可以实现 "拉伸 /压缩- 低周疲劳-扭转-弯曲-压痕"五种形式载荷的加� �、 结合内嵌的电、 热、 磁加载模块和原位观 测模块， 可以深入研究样品材料在多载荷模式、 多物理场耦合条件下的微观力学性能， 获取 其变形行为、 损伤机制以及性能弱化与载荷作用和材料性能 间的相关规律；

所述拉 /压-低周疲劳模块包括伺服液压缸 10和液压缸固定套筒 13等连接组件； 所述扭 转模块 21包括扭转伺服电机 44、 蜗轮蜗杆减速箱和滚珠花键 47等关键件组成； 所述三点 弯曲模块 6包括弯曲伺服电机 54、 滚珠丝杠 60、 丝杠螺母 61传动组件、 压头 64以及导轨 滑块组件 I、 1171、 72等； 所述压痕模块 33包括压痕伺服电机 75、 丝杠螺母组件 89、 压 电陶瓷 93、 柔性铰链 81、 力传感器 84、 电容式位移传感器 83、 金刚石压头 87和一些连接 支撑部件； 所述夹具体模块 22包括夹具 97、 夹具挡片 98、 夹具体 99、 拉扭力传感器 100、 连接体 101和下连接胀紧套 102。

所述的仪器在 "机、 电、 热、 磁" 多载荷多物理场加载的框架支撑模块上设置原 位观 测模块， 所述原位观测模块包含材料性能测试表征仪器 ， 所述材料性能测试表征仪器为高景 深 3D成像显微组件、 超声波探伤元件， 能够动态监控在上述复杂机械载荷和多物理场 耦合 作用的整个过程中材料的变性损伤机制、 微观组织变化以及性能演变规律。

所述的三点弯曲模块 6、 压痕模块 33、 热磁加载模块 34分别通过公共安装替换部件一 一固定支撑板 5实现互换式布置， 在保证多载荷多物理场耦合加载的同时， 既节省了布局空 间也最大限度的丰富了仪器的测试范围； 仪器整体结构简化、 布局紧凑。 所述压痕模块 33 创新性地通过公共安装替换部件固定支撑板 5集成在框架支撑模块上，可以对试件材料进� � 各种复杂应力场和物理场耦合状态下的压痕实 验。

所述的扭转模块 21 采用蜗轮蜗杆减速机构配合滚珠花键将轴向拉 伸 /压缩运动与扭转 运动独立， 使拉 /压 -低周疲劳模块和扭转模块 21相互独立、 互不干扰。

所述的三点弯曲模块 6通过弯曲底板 70下安装的一层导轨滑块组件 I 71，使得上层三 点弯曲模块可相对于底板支撑板 74整体浮动， 实现内力型三点弯曲。

所述的三点弯曲模块 6中的两个反向支撑头 65固连于支撑头后座 66，并通过末端的尾 部旋转轴 67安装于滑动轴承 68之内， 以保证在弯曲过程中两个后端支撑头 65 自适应的调 整一定的角度， 解决由于装配、夹持不对中带来的试件 23材料无法同时接触支撑头 65的问 题。

所述的压痕模块 33采用手动平移台 95调节电容式位移传感器 83的探头与反射板 85 初始间距。

所述的夹具体模块 22采用胀紧套对测试试件进行装夹。

所述的热磁加载模块 34采用永磁体 104提供磁场， 通过调节螺杆 105调节永磁体 104 与软铁 106形成的磁回路的相对位置来实现不同磁场强 度的加载； 结构紧凑， 可在较小的空 间内实现较大幅度磁场强度的调节。

本发明基于 "机-电-热 -磁"多载荷多物理场耦合原理， 机械加载部分可实现 "拉伸 /压缩 -低周疲劳-扭转-弯曲-压痕"五种形式载荷的施� ��， 采用试件直接通电的方式施加电场， 采 用永磁体直接回路法施加磁场， 采用半导体制冷和光照辐射相结合的方式实现 温度场的施 加；该多载荷多物理场耦合材料微观力学性能 原位测试仪器可根据实际要求高效地将四种外 加场进行组合， 完成多载荷多物理场响应下的测试要求。 电场加载采用直接电流方式。 在测 试的过程中通过外部直流电源直接通过两个电 极给试件施加稳定的直流电压，在导电试件的 内部就会形成稳定的电场。 通过调节外加电压的大小调节内部电场的大小 。

所述的热磁加载模块 34采用半导体帕尔贴片 107对试件材料进行制冷，将帕尔贴片 107 通以规定方向的直流电， 由于帕尔贴效应会使制冷一侧吸收大量的热量 ， 使得试件的温度降 低达到制冷的效果。

所述的热磁加载模块 34采用光照辐射的方法对试件进行加热； 通过两根对称的发光体 108发出红外光， 光线经两个弧形反射面反射后聚焦于试件中心 一点， 使该区域温度迅速提 升， 经过一段时间的内部热量传导整个试件会达到 测试要求的温度。特别地该热磁加载模块 34中设置循环水冷却系统 109，以保证热磁模块 34内部稳定的温度场不受外界温度的影响。

本发明的有益效果在于：在结构上进行了集成 性与创新性的设计，结构紧凑、功能齐全， 可以对试样施加 "拉伸 /压缩 -低周疲劳-扭转-弯曲-压痕"五种不同形式的载� ��， 其中五种载 荷既可以单独加载， 也可对其中的两种或两种以上的载荷组合加载 ， 可以更加真实地模拟材 料构件在现实中的真实工况。 针对铁磁、 热磁、 半导体等功能性材料， 本发明可以开展材料 在多载荷模式下在外加物理场中的力学测试实 验，进而为功能材料在多物理场下的性能参数 提供有效地测试手段。本发明在测试仪器的框 架支撑模块中集成了原位观测模块， 在对试件 材料进行加载测试的过程中通过原位观测模块 上集成的高景深 3D成像组件、 超声波探伤元 件和拉曼光谱仪等成像组件，可以动态实时的 对试样的微观组织形貌和裂纹扩展情况进行原 位观测，对于研究材料的微观组织形貌和宏观 力学性能之间的内在联系以及裂纹的扩展规律 提供有有效地测试手段。 本发明为各类固态材料研制、 结构设计、 装备制造、 寿命预测和可 靠性评估提供新方法。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步 理解， 构成本申请的一部分， 本发明的示 意性实例及其说明用于解释本发明， 并不构成对本发明的不当限定。

图 1为本发明集成弯曲模块的整体主视图；

图 2为本发明集成弯曲模块的整体俯视图；

图 3为本发明集成压痕模块的整体示意图；

图 4为本发明集成热磁加载模块的整体示意图；

图 5为本发明扭转模块的主视图；

图 6为本发明扭转模块的剖视图；

图 7为本发明弯曲模块的剖视图；

图 8为本发明压痕模块的主视图； 图 9为本发明的压痕模块的剖视图；

图 10为本发明的夹具体示意图；

图 11为本发明的热磁加载模块视图。

图中： 1、 气浮隔振台； 2螺钉 I； 3、 弹性垫圈 I； 4、 支撑立柱； 5、 固定支撑板； 6、 三点弯曲模块； 7、 上支撑板； 8、 连接套筒； 9、 胀紧套； 10、 伺服液压缸； 11、 螺钉 II； 12、 弹性垫圈 II； 13液压缸固定套筒； 14、 螺钉 III； 15、 弹性垫圈 III； 16、 螺钉 IV； 17、 弹性垫圈 IV； 18、 垫片； 19、 螺钉 V； 20、 弹性垫圈 V； 21、 扭转模块； 22、 夹具体模块； 23、 试件； 24、 导向条； 25、 下套筒； 26、 上套筒； 27、 六角螺母； 28、 双头螺栓； 29、 调 整垫片； 30、 螺钉 VI； 31、 弹性垫圈 VI； 32、 原位观测模块； 33、 压痕模块； 34、 热磁加载 模块； 35、 蜗杆箱体； 36、 蜗杆端盖； 37、 调整垫片 I； 38、 滚动轴承 I； 39、 套筒 I； 40、 蜗杆轴； 41、 蜗杆； 42、 键 I； 43、 套筒 Π ; 44、 扭转伺服电机； 45、 调整垫片 II _; 46、 滚 动轴承 Π ; 47、 滚珠花键； 48、 蜗轮端盖 I； 49、 套筒 Π ; 50、 蜗轮； 51、 固定端盖； 52、 键 Π ; 53蜗轮端盖 II； 54、 弯曲伺服电机； 55、 减速机； 56、 内六角螺钉； 57、 电机法兰； 58、 联轴器； 59、 EK支撑 I； 60滚珠丝杠； 61、 丝杠螺母； 62螺母连接件； 63、 弯曲力传 感器； 64、 压头； 65、 支撑头； 66、 支撑头后座； 67、 尾部旋转轴； 68、 滑动轴承； 69、 挡 板； 70、 弯曲底板； 71、 导轨滑块组件 I； 72、 导轨滑块组件 II _; 73、 EK支撑座 I； 74、 底板支撑板； 75、 压痕伺服电机； 76、 法兰； 77、 底板一 ； 78、 底板二； 79、 位移传感器 支架； 80、 手动台支架； 81、 柔性铰链； 82、 调节螺钉； 83、 电容式位移传感器； 84、 力传 感器； 85、 反射板； 86、 压头套筒； 87、 金刚石压头； 88、 EK支撑 Π ; 89丝杠螺母组件； 90、 丝杠螺母座； 91、 EF支撑座； 92紧钉螺钉； 93、 压电陶瓷； 94、 预压垫片； 95、 手动 平移台、 96、 LM导轨滑块； 97、 夹具； 98、 夹具挡片； 99、 夹具体； 100、 拉扭力传感器； 101、 连接体； 102、 下连接胀紧套； 103、 下支撑板； 104、 永磁体； 105、 调节螺杆； 106、 软铁； 107、 帕尔贴片； 108、 发光体； 109、 水冷却系统。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及 其具体实施方式。

参见图 1至图 11所示，本发明的多载荷多物理场耦合材料微� ��力学性能原位测试仪器， 由框架支撑模块、 拉 /压-低周疲劳模块、 扭转模块 21、 三点弯曲模块 6、 压痕模块 33、 热磁 加载模块 34、 原位观测模块 32和夹具体模块构成。 框架支撑模块为测试仪器提供整机的结 构支撑， 拉 /压-低周疲劳模块布置在测试仪器上下两端， 扭转模块 21直接布置于拉 /压 -低周 疲劳模块的前端， 三点弯曲模块 6、 压痕模块 33和热磁加载模块 34通过公共替换部件布置 于整个测试仪器的一侧支撑立柱之上， 原位观测模块布置于另一侧的支撑立柱之上。 夹具体 模块连接于扭转模块的前段， 完成对试件的装夹功能。本发明整体结构采用 四立柱垂直对称 式布置， 上线两端分别采用两个完全相同的伺服液压缸 10和两个扭转模块 21 对中心试件 23进行对称拉伸 /压缩和对称扭转， 可以保证在拉伸 /压缩和扭转的过程中试件 23 的几何中 心位置相对静止。

所述框架支撑模块主要由气浮隔振台 1、 上、 下支撑板 7、 103和支撑立柱 4组成。 整 个测试仪器主体安装于气浮隔振台 1上可有效地避免外界振动对于测试过程所带� �的影响。 下支撑板 103通过螺钉 I 2、 弹性垫圈 I 3紧固于气浮隔振台 1 的安装台面上， 四根空间完 全对称的支撑立柱 4安装于上、 下支撑板 7、 103相对应的配合孔内， 通过螺钉 IV16、 弹性 垫圈 IV17进行紧固。

所述拉 /压 -低周疲劳模块主要由伺服液压缸 10和液压缸固定套筒 13等连接件组成。 伺 服液压缸 10通过安装法兰与液压缸固定套筒 13通过轴孔之间的公差配合保证安装精度，采 用螺钉 II 11、 弹性垫圈 II 12进行紧固。 液压缸固定套筒 13通过螺钉 11114、 弹性垫圈 III15刚 性的固定到相应的上、 下支撑板 7、 103上。 其中垫片 18用于调整上、 下支撑板之间的垂直 高度。

参见图 5及图 6所示， 本发明的扭转模块 21主要由扭转伺服电机 44、 蜗轮蜗杆减速箱 和滚珠花键 47等关键件组成。 扭转伺服电机 44的输出轴通过键 1 42与蜗杆轴 40相连。 蜗 杆 41与蜗杆轴 40通过键连接。 套筒 Π43用于固定滚动轴承外圈的轴向位置。 所述的蜗杆 轴 40通过滚动轴承 I 38支撑于蜗杆箱体 35的安装孔内，套筒 I 39用于限制蜗杆 41的轴向 位移。 滚动轴承 I 38 的外圈通过蜗杆端盖 36和调整垫片 I 37进行限位。 所述的滚珠花键 47的外花键套通过套筒 II 49和滚动轴承 II 46支撑于蜗杆箱体 35的安装孔内， 通过蜗轮端 盖 I、 1148、 53的内凸缘和调整垫片 Π45对滚动轴承进行限位。 固定端盖 51起过渡支撑和 连接的作用。 所述的蜗轮 50通过键 II 52与滚珠花键 47的外花键套相连。 所述的滚珠花键 47的一轴端通过连接套筒 8、 胀紧套 9与伺服液压缸 10的液压杆相连， 另一端通过胀紧套 与夹具体模块 22相连， 整个扭转模块通过蜗杆箱体 35上的安装孔用螺钉 V 19、弹性垫圈 V 20固定于上、 下支撑板 7、 103上。 参见图 1、 图 2及图 7所示， 本发明的三点弯曲模块主要由弯曲伺服电机 54、 滚珠丝杠 60、 丝杠螺母 61传动组件、 压头 64以及导轨滑块组件 I、 1171、 72等组成。 所述的弯曲 伺服电机 54经由一级减速机 55与电机法兰 57用内六角螺钉 56固连。 减速机 55的输出轴 将动力经由联轴器 58传递到滚珠丝杠 60上，经丝杠螺母 61的转化输出为弯曲压头 64的直 线运动。 其中滚珠丝杠 60采用 EK支撑 I 59单端悬臂布置， 再经由 EK支撑座 I 73固定于 弯曲底板 70上。 在弯曲测试的过程中， 弯曲横向力由弯曲力传感器 63采集， 弯曲力传感器 63安装于螺母连接件 62与压头 64之间， 而螺母连接件 62则通过导轨滑块组件 II 72进行 导向， 保证弯曲压头位移的直线性。 特别地， 本发明采用的三点弯曲为内力型三点弯曲， 故 在弯曲底板 70的下层同样安装一层导轨滑块组件 I 71， 使得上层三点弯曲模块可相对于底 板支撑板 74整体浮动。 相应地为了保证内力型弯曲， 在压头 64 的右侧布置了两个支撑头 65， 支撑头 65固连于支撑头后座 66并通过末端的尾部旋转轴 67安装于滑动轴承 68之内， 可以保证在弯曲过程中两个后端支撑头 65 自适应的调整一定的角度， 避解决装夹不对中带 来的试件 23无法同时接触支撑头 65的问题。挡板 69连接于尾部旋转轴 67的轴端， 可防止 尾部旋转轴 67的脱落。所述的三点弯曲模块通过下端的底� ��支撑板 74安装于公共安装替换 部件固定支撑板 5上， 而固定支撑板 5通过螺钉 VI30、 弹性垫圈 VI31安装于下套筒 25上， 上、 下套筒 26、 25整体经六角螺母 27、 双头螺栓 28、 调整垫片 29紧固于后侧两根支撑立 柱 4之上。 安装于固定支撑板 5上的导向条 24用于方便各模块之间互换时的安装与定位。

参见图 3、 图 8及图 9所示， 本发明的压痕模块主要由压痕伺服电机 75、 丝杠螺母组 件 89、 压电陶瓷 93、 柔性铰链 81、 力传感器 84、 电容式位移传感器 83、 金刚石压头 87和 一些连接支撑部件组成。 所述压痕伺服电机 75通过法兰 76安装于底板一 77上。 底板二 78 通过 LM导轨滑块 96安装于底板一 77上进行导向。 所述位移传感器支架 79通过手动平移 台 95安装于手动台支架 80上。其中的手动平移台 95用于调节电容式位移传感器 83的探头 与反射板 85初始间距， 调节螺钉 82可用于夹紧位移传感器的探头。 金刚石压头 87通过压 头套筒 86安装于力传感器 84的一端，力传感器的另一端通过外部安装螺� ��连接到柔性铰连 81上， 紧钉螺钉 92用于固定金刚石压头 87。其中的压电陶瓷 93安装于柔性铰连 81相应的 凹槽内， 由预压垫片 94进行预紧。 压痕伺服电机 75的输出动力经由丝杠螺母组件 89转化 为直线运动， 通过丝杠螺母座 90传递给柔性铰链 81作为压痕时的粗调位移。压痕真实位移 由压电陶瓷输出。 所述的压痕模块中丝杠螺母组件 89采用 EK支撑 II 88、 EF支撑座 91两 端固定。 压痕模块整体也通过底板支撑板 74安装于公共安装替换部件固定支撑板 5上。 参见图 10所示， 本发明的夹具体模块主要由夹具 97、 夹具挡片 98、 夹具体 99、 拉扭 力传感器 100、 连接体 101和下连接胀紧套 102组成。 其中下连接胀紧套 102与扭转模块中 的输出轴相连， 对试件进行夹紧时通过调节夹具挡片 98上的螺钉来提供胀紧力。

参见图 4及图 11所示， 本发明所述的 "机-电-热 -磁"多物理场耦合加载， 试验机的机 械加载部分可实现 "拉伸 /压缩 -低周疲劳-扭转-弯曲-压痕"五种形式载荷的施� ��， 采用试件 直接通电的方式施加电场，测试过程中通过外 部直流电源直接通过两个电极给试件施加稳定 的直流电压， 在导电试件的内部就会形成稳定的电场。通过 调节外加电压的大小调节内部电 场的大小。 所述的热场和磁场加载主要通过热磁加载模块 34来实现。 热磁加载模块中的磁 加载采用永磁体 104直接回路法施加磁场，通过调节螺杆 105调节永磁体 104与软铁 106形 成的磁回路的相对位置来实现不同磁场强度的 加载。结构紧凑， 可在较小的空间内实现较大 幅度磁场强度的调节。温度场的实现则是通过 半导体帕尔贴片 107对试件进行制冷， 将帕尔 贴片 107通以规定方向的直流电， 帕尔贴片制冷一侧会吸收大量的热量， 使得试件的温度降 低达到制冷的效果； 通过光照辐射的方法对试件进行加热。采用两 根对称的发光体 108发出 红外光， 光线经两个弧形反射面反射后聚焦于试件中心 一点， 使该区域温度迅速提升， 经过 一段时间的内部热量传导整个试件会达到测试 要求的温度。 特别地在该热磁加载模块 34的 整体框架中集成了循环水冷却系统 109， 可以保证热磁模块 34内部稳定的温度场不受外界 温度的影响。

所述的原位观测模块 32同样安装于公共安装替换部件固定支撑板 5上，采用同样的方 法将上、 下套筒安装于前侧的两根支撑立柱上。 该原位观测平台具有较大的三维移动范围， 并且每个移动方向上配备有主动隔震装置， 可对试件上的观察点进行精确地跟随， 有利于在 实验过程中对试件的追踪。

本发明整个机械结构采用气浮隔振台 1 作为底座， 可有效地降低外界振源对试验机的 影响。其中的拉 /压-低周疲劳模块采用两个高精度伺服液压缸 10作为动力源，通过多通道伺 服控制器控制进入伺服液压缸 10的油量与油液方向可以精确地控制拉 /压、 低周疲劳过程中 的位移。 所述的扭转模块 21采用伺服电机作为动力源， 经由一级大减速比蜗轮蜗杆减速后 通过滚珠花键将扭转角输出到与液压杆相连的 滚珠花键轴上，带动液压杆和前端的夹具体模 块整体进行扭转。所述的三点弯曲模块 6由伺服电机提供动力源， 经由滚珠丝杠螺母组件将 其转化为弯曲压头的直线运动。 所述的压痕模块 33 由伺服电机提供动力源， 经由滚珠丝杠 螺母组件将其转化为压痕过程中的粗调位移， 压痕中的压入位移由压电陶瓷经柔性铰链输 出。所述的热磁加载模块 34中的磁加载采用永磁体直接回路法施加磁场� ��通过调节螺杆 105 调节永磁体 104与软铁 106形成的磁回路的相对位置来实现不同磁场强 度的加载。结构紧凑， 可在较小的空间内实现较大幅度磁场强度的调 节。 温度场的实现则是通过半导体帕尔贴片 107对试件进行制冷， 将帕尔贴片 107通以规定方向的直流电， 帕尔贴片 107制冷一侧会吸 收大量的热量，使得试件的温度降低达到制冷 的效果；通过光照辐射的方法对试件进行加热 。 采用两根对称的发光体 108 发出红外光， 光线经两个弧形反射面反射后聚焦于试件中心 一 点，使该区域温度迅速提升，经过一段时间的 内部热量传导整个试件会达到测试要求的温度 。 特别地在该热磁加载模块 34的整体框架中集成了循环水冷却系统 109， 可以保证热磁模块 34 内部稳定的温度场不受外界温度的影响。 而电场的加载是通过外部直流电源直接通过两 个电极给试件施加稳定的直流电压， 在导电试件的内部就会形成稳定的电场。通过 调节外加 电压的大小调节内部电场的大小。 所述的原位观测模块 32作为集成性模块这里不再论述。

在具体的测试过程中， 测试之前首先确定需要施加载荷的类型以及所 施加外加场的类 型， 通过公共安装替换部件固定支撑板 5安装相对应的压痕模块、三点弯曲模块或热� �加载 模块。启动伺服液压缸 10将夹具体调整到合适的位置上， 将待测试的标准试件 23插入对应 的夹具当中， 手动调节夹具挡片 98上的夹紧螺钉， 使其可靠地夹紧试件。 通过上位机多路 控制器控制各加载模块的加载过程， 完成预定的试验要求。在测试的过程中通过多 路采集控 制卡， 将各加载模块中获得的载荷数据、位移数据连 同原位观测模块采集的图像信息一同送 入到上位机调试软件中，通过相应的理论分析 建立材料本构关系和相应的微观结构演变的数 学模型， 通过实验测试确定本构关系中材料性质相关的 参数， 推导各种常用物理参量的数学 描述形式， 同时动态的将材料的微观组织形貌显示在相应 的成像屏幕上， 完成整个基于多载 荷多物理场的原位测试试验。

以上所述仅为本发明的优选实例而已， 并不用于限制本发明， 对于本领域的技术人员 来说， 本发明可以有各种更改和变化。 凡对本发明所作的任何修改、 等同替换、 改进等， 均 应包含在本发明的保护范围之内。