一种用于SEM/EBSD原位压缩实验的受限摆角自对中加载机构的制作方法

本发明涉及sem/ebsd原位力学试验装备，特别涉及一种用于sem/ebsd原位压缩实验的受限摆角自对中加载机构。

背景技术：

1、随着微纳尺度材料力学行为研究的发展，基于扫描电子显微镜（sem）的原位力学实验技术被广泛应用于金属材料、岩土材料、能源材料及微纳结构材料的变形与断裂行为研究中。通过原位压缩实验，可以实时观察材料在加载过程中的裂纹萌生、位错演化、局部塑性变形及失效机制，从而实现材料微观组织演化与宏观力学响应之间的关联分析。

2、目前，原位压缩实验装置采用小型化加载平台，通过驱动机构和传动机构带动压头沿轴向运动，对微小试样施加压缩载荷。但sem腔体空间有限，加载行程小，在ebsd原位实验中，由于电子束景深有限，电子束成像具有较小景深和较高空间分辨率，故电子背散射衍射（ebsd）对试样姿态稳定性要求较高，加载过程中产生的微小离面位移、侧向偏移或过度姿态变化均可能导致观测区域偏离焦平面，引起图像漂移、ebsd花样质量下降甚至无法继续观测，从而影响晶体取向测量精度及原位观测稳定性。因此，不同于传统大型压缩试验设备，sem原位压缩装置不仅需要实现载荷均匀传递，还需要严格控制加载过程中产生的离面位移。

3、在现有的sem及ebsd原位实验中，为了控制加载过程中产生的离面位移，以减小加载偏心及试样端面不平行所引起的误差，通常采用提高试样加工精度或提高装夹精度的方法。其中，提高试样加工精度需要采用机械抛光、离子束加工抛光等工艺提高试样端面的平行度，但加工成本较高、周期较长，且无法补偿装夹误差、加载机构装配误差及加载过程中产生的姿态变化。而提高装夹精度通常需要借助显微操作平台反复调整试样位置，不仅操作复杂、效率较低，而且对实验人员操作经验要求较高，其校正效果易受人为因素影响，难以保证实验重复性。此外，上述两种方法均只能降低加载前的初始误差，无法在加载过程中对试样端面倾斜和偏心加载进行实时补偿，因此仍容易导致试样受力不均、离面位移增加及ebsd花样稳定性下降等问题，同时还会增加试样加工成本和实验准备时间。

4、因此，亟需一种能够在保持加载系统整体刚度的同时，实现加载过程对试样端面误差的自动补偿并有效控制离面位移的原位加载机构。

技术实现思路

1、为解决现有原位压缩实验装置中存在的加工精度要求较高、加载偏心、端面倾斜及离面位移等问题，本发明提出一种用于sem/ebsd原位压缩实验的受限摆角自对中加载机构，其方案如下：

2、本发明提出一种用于sem/ebsd原位压缩实验的受限摆角自对中加载机构，安装于升降加载部上且通过升降加载部带动沿轴向运动，升降加载部安装在原位台装置本体上，受限摆角自对中加载机构包括：

3、上连接块，固定连接于升降加载部上、且随升降加载部同步运动；

4、球面副机构，包括球窝座和球头，所述球窝座固定连接于上连接块的底部，所述球头活动连接于球窝座内；

5、阶梯挡环，固定连接于球窝座底部，用于防止球头脱出；

6、限位环，固定连接于阶梯挡环底部，用于限制球头的摆动角度；

7、球头压板，固定连接于球头的伸出端；

8、预紧机构，连接于球头压板的底部，用于为球头贴合球窝座提供轴向预紧力；

9、上压头，固定连接于预紧机构的底部。

10、进一步的，预紧机构包括预紧压盖、预紧压杆、压缩弹簧、调节螺母和预紧壳体，预紧压杆下端固定连接于所述预紧壳体内，预紧压杆上端活动连接于预紧压盖的中心阶梯孔内，预紧压杆上端设有t型挡肩，t型挡肩与中心阶梯孔配合实现轴向限位，预紧压盖与球头压板固定连接，调节螺母与预紧压杆螺纹连接于，压缩弹簧套设于预紧压杆外，压缩弹簧的两端分别与调节螺母和预紧压盖抵接，通过旋转调节螺母沿预紧压杆轴向运动，改变压缩弹簧的伸缩量。

11、进一步的，所述受限摆角自对中加载机构具有阶段性浮动工作模式，包括：

12、自对中阶段，在压缩初期，若试样端面有所倾斜，所述上压头与试样端面局部接触，所述球头在所述球窝座内发生受限摆动，使所述上压头的工作面与试样端面由局部接触逐渐转变为面接触，实现自对中加载；

13、刚性加载阶段，所述预紧压盖沿所述预紧压杆向下滑动并压缩所述压缩弹簧，直至所述球头压板的底面与所述预紧压杆的顶端相抵，此时所述预紧压盖的上表面与所述预紧壳体的上表面处于同一水平面，所述预紧机构形成轴向刚性支撑，所述球头的轴向位移被约束，所述球面副机构在预紧力作用下保持紧密贴合，使所述上压头的姿态趋于稳定，加载系统恢复轴向刚性加载。

14、进一步的，所述自对中阶段的摆动角度由所述限位环的内径与所述连杆部的直径之差限定；所述刚性加载阶段的触发由所述压缩弹簧的压缩行程控制，所述压缩弹簧的初始压缩量设置为：在所述自对中阶段提供使所述球头与所述球窝座保持贴合的预紧力，在所述刚性加载阶段允许所述球头压板位移至与所述预紧压杆顶端相抵的刚性位置。

15、进一步的，所述上连接块、所述球窝座、所述阶梯挡环、所述限位环及所述球头压板构成刚性传动链，在所述刚性加载阶段保持轴向刚性直线运动；所述球头、所述球头压板、所述预紧机构及所述上压头在所述自对中阶段构成末端浮动链，通过所述球面副机构实现受限角度的姿态自适应调整，在所述刚性加载阶段，所述末端浮动链在所述预紧机构的轴向预紧力作用下姿态趋于稳定，与所述刚性传动链协同传递轴向载荷。

16、进一步的，所述球头压板的直径大于所述球头的下部直径，所述球头压板的上表面与所述限位环的下表面之间设有摆动间隙，所述摆动间隙与所述限位环的内径共同限定所述球头的最大摆动角度。

17、进一步的，球头包括球状部和连杆部，所述连杆部的直径小于球状部的直径，连杆部依次穿过阶梯挡环、限位环并与球头压板固定连接。

18、进一步的，阶梯挡环内开设阶梯孔，阶梯孔依次包括第一阶梯孔和第二阶梯孔，球状部下部位于第一阶梯孔内，连杆部上部位于第二阶梯孔内。

19、进一步的，限位环的内径小于等于第二阶梯孔的直径、且大于连杆部的直径。

20、进一步的，升降加载部包括驱动机构和直线传动机构，上连接块固定连接于直线传动机构的上滑块上。

21、与现有技术相比，本发明的优点如下：

22、本发明通过设置受限摆角的球面副机构，使上压头能够在预设角度范围内进行微小姿态的摆动调整，自动补偿试样端面倾斜误差和装配误差，促使上压头与试样端面由局部接触逐渐转变为面接触，提高了试样端面受力均匀性。

23、本发明的受限摆角自对中加载机构具有自对中补偿作用，可减小试样端面倾斜所产生的偏心载荷和附加弯矩，降低局部应力集中现象，稳定维持ebsd最优几何配置，减少额外畸变，缓解变形过程中花样质量持续降低，提高sem/ebsd原位压缩试验结果的真实性和可靠性。

24、本发明仅允许上压头在有限角度范围内进行姿态补偿，在实现自对中加载的同时避免产生过大的浮动位移和姿态偏转，可有效降低试样观察区域的离面位移和侧向偏移，提高sem及ebsd原位实验过程中的成像稳定性和数据采集可靠性。

25、本发明仅在加载末端设置受限摆角球面副，而原位台装置本体的加载主体、导轨、滑块及连接块始终保持轴向刚性直线运动，从而形成了刚性加载结合末端有限自由度补偿的创新性加载模式，在提高误差容忍能力的同时保证了加载系统整体刚度；同时，由于试样端面误差能够自动补偿，试样受力状态更加稳定，从而降低了人为调平和反复装夹的工作量，节省时间成本，同时提高了原位压缩实验的加载稳定性和重复性。