CN101639426A - 小冲杆试验机的装夹系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小冲杆试验机的试样装夹系统，试样夹在上夹模和下夹模中间，通过紧固螺钉压紧，在所述上夹模的中孔处有一个钢珠，所述钢珠上是冲杆，其特征在于所述的下夹模承托试样处为凹陷状。本发明夹具作为与试样直接接触的部件，稳定性可以总结为：当上夹模按照事先标好的位置安放，且冲杆与夹具间隙配合良好的情况下，小冲杆试验结果的重复性是十分好的。

Description

小冲杆试验机的装夹系统

技术领域

本发明涉及小冲杆试验技术，特别是一种小冲杆试验机的装夹系统。

背景技术

石油、化工以及核能行业中存在着大量长期在高温、高压和临氢腐蚀条件下工作的压力容器和管道，它们容易发生材质劣化，都是事故的高发设备。与此同时，也就产生了诸如如何评估高温服役材料的脆化程度和当前性能，以及如何预测高温服役设备剩余寿命等一系列有待解决的问题。传统的无损检测大多只能探测出当前使用材料的微观缺陷和宏观材料形貌，而在评价材料性能(基本力学性能、韧脆转变温度、材料断裂性能和蠕变性能)等方面存在着不足。而传统的材料性能评价方法则多是基于破坏性取样或破坏性实验，这样就限制了其在服役设备性能评价中的应用。针对这种情况，一种通过从服役设备中取得微小尺寸试样来获取材料的各种性能参数，且对设备本身无损的微试样测试方法便产生了，那就是小冲杆试验法(Small Punch Test，简称SPT)。

小冲杆试验技术在美国和日本的发展已经相当的成熟，研究方向也越来越广泛。虽然国内引入该试验技术已有数年，但仍然是只处于起步阶段，国内期刊杂志中相关的研究报道也只有寥寥数篇。之所以普及与发展情况如此不尽如人意，主要是由于小冲杆试验结果分析的稀缺所造成的。但又是由于小冲杆试验设备过少且功能不足才导致了这种试验结果分析的稀缺。因此，一台具备较完善功能的小冲杆试验设备的开发完成将直接地推动国内小冲杆试验技术的发展与普及。

小冲杆试验法的原理是：小冲杆试验是一种利用冲杆以一定速度冲压试样薄片，记录试片从变形到失效整个过程中的载荷-位移(变形挠度)数据，并借此分析得出材料各种性能参数的试验方法。试验用试样可为圆形或方形，其尺寸很小，一般其直径或方形边长为3～10mm不等，厚度在0.1～0.5mm范围之内。目前国外用得最多的是直径3mm厚度、0.25mm的试样薄片，而国内则多是直径10mm、厚0.5mm的试样薄片。试验得到的典型载荷-位移曲线(简称P-δ曲线)如图1所示，从中可以确定一些用来表征材料变形和断裂性能的参数，如屈服载荷Py，最大载荷Pmax，失效挠度δf和断裂能Ef等，然后利用理论和试验分析的方法，可以将此图中得到的这些表征参数转化为强度、塑性、断裂韧性等一系列材料性能数据。

中国专利ZL200320108271.6(名称：小冲杆试验新型挠度位移测量机构，授权公告日：2005.5.4)公开的小冲杆试验新型挠度位移测量机构，其下夹模承托试样处是凸起状。这样承托处凸起会造成试样放置困难，换句话说就是如果试样安放的不够准确，上夹模很可能会盖不上或者四个紧固螺钉无法同时拧紧，这对试样的装夹造成了阻碍。

发明内容

为克服上述已有技术的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种小冲杆试验机的装夹系统。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种小冲杆试验机的试样装夹系统，试样夹在上夹模和下夹模中间，通过紧固螺钉压紧，在所述上夹模的中孔处有一个钢珠，所述钢珠上是冲杆，其特征在于所述的下夹模承托试样处为凹陷状。

下夹模底部开螺纹孔，通过螺纹连接将下夹模与试验机中轴连接在一起。

离所述下夹模底部有一个钢珠回收通道。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明下夹模承托试样处由凸起改为凹陷，试验过后试样会牢牢地卡住冲杆，当操作人员将冲杆拔出时，试样也就一并取出了。因此下夹模试样承托处改为凹陷会较适宜。

本次开发的小冲杆试验机是要具备在高温和低温下进行小冲杆试验的能力的，所以夹具的更换就成了一件必然的事(高温与低温时分别使用不同材料的夹具)，夹具中的下夹模也就不能再采用紧固螺钉了。因此通过螺纹连接将下夹模与试验机中轴连接在一起的设计方案可以满足上述要求。

本发明下夹模底部不贯通孔，并在离底部一定距离处开一个钢珠回收通道，便于回收钢珠。

本发明夹具作为与试样直接接触的部件，稳定性可以总结为：当上夹模按照事先标好的位置安放，且冲杆与夹具间隙配合良好的情况下，小冲杆试验结果的重复性是十分好的。

附图说明

图1是现有技术中典型小冲杆载荷-位移图。

图2是现有技术试样装夹系统的示意图。

图3是本发明试样装夹系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明的装夹系统可以安装到现有的万能试验机(即拉伸试验机)上实现加载和卸载。

装夹系统如图2和图3所示，试样21夹在上下夹模22、23中间，通过四个紧固螺栓钉24产生压紧力。在装夹完毕的上夹模22中孔处放入钢珠，再在钢珠上放上冲杆25。冲杆上为载荷27。加载时冲杆25通过钢珠对试样21施力，使之变形并破裂。

下面介绍本发明装夹系统所应用的小冲杆万能试验机的选型。

由于是以万能试验机为基础进行开发，因此万能试验机的选型对于本次小冲杆试验机的开发而言也是重要的一环。万能试验机选型时参考的参数为试验机的最大负载、试验机的压头速度、试验机位移测量分辨率以及试验机负载示值分辨率，下文将对这四个基本参数进行确定。

1、试验机的最大负载

为了能够顺利的进行小冲杆试验，试验机的最大负载必须满足大于所有试样的试验最大载荷Pmax这一条件。本着这样的原则，这里以目前所得Pmax最大的试样为基准来计算试验机最大负载，该试样抗拉强度σb＝1500MPa，厚度t以0.5mm计。

根据了σb-Pmax的经验关系：(其中t0为试样初始厚度)

${\mathrm{\σ}}_b=0.13(P_{\max }/t_0^2)-320$ (2-1)

代入σb＝1500MPa，t0＝0.5mm，得，pmax＝3500N。

根据试验机最大负载大于pmax的原则，适宜选用的万能试验机最大负载为5000N。

2、试验机的压头速度

小冲杆试验中如果试验机压头速度超过塑性应变也会造成试样强度值的增大，从而减弱小冲杆试验结果的可比性，可得出相应的压头速度选用准则为：在标准范围内，应尽量选用较小的压头速度。

依据压头速度选用准则，同时考虑表中各速度值被选用的次数，可以得到适宜选用的压头速度范围为0.1～0.5mm/min。

万能试验机选型时，其速度范围应包含试验中所用的压头速度范围。同时还要考虑到将来可能出现的一些变化而留有余量，即两者要至少相差一个数量级。例如速度范围为0.01～5mm/min的万能试验机便是符合要求的试验机。

3、试验机的位移测量分辨率

上文所选用的试验机压头速度下限为0.01mm/min，换算成mm/s则为0.000167mm/s，化整为0.0002mm。

因此能够很好地满足小冲杆试验需求的万能试验机的位移测量分辨率应该至少为0.0002mm。

4、试验机的负载示值分辨率

小冲杆试验所得到的是一条负载-位移曲线，其纵坐标(负载)与横坐标(位移)是呈一一对应的关系。即负载示值分辨率能做到与位移测量分辨率相对应便可满足小冲杆试验的需求。

上文所得的最大pmax为3500N，而微试样的冲破位移Smax则可根据过去经验得知其值一般为2mm，两者之商为1750。将Smax的值换做位移测量分辨率的值，即将2mm换成0.0002mm，由1750×0.0002可得到负载示值分辨率为0.35N，取整为0.1N。

即合适的万能试验机负载示值分辨率至少应为0.1N。

试样装夹系统是试验机中唯一一个与试样直接接触的部件，它的设计的优劣不会光影响到试样装夹的速度，还会对试验结果造成一定的影响。

本发明是在中国专利ZL200320108271.6(名称：小冲杆试验新型挠度位移测量机构，授权公告日：2005.5.4)基础上进行设计的，其结构如图3所示。外形基本不变，夹紧方式也沿用了其四紧固螺钉夹紧，但是下夹模的结构做了一定的改动，改动的地方共有三处，分别是：

一，下夹模承托试样处由凸起改为凹陷。因为承托处凸起会造成试样放置困难，换句话说就是如果试样安放的不够准确，上夹模很可能会盖不上或者四个紧固螺钉无法同时拧紧，这对试样的装夹造成了阻碍。那么中国专利ZL200320108271.6为什么将此处设计成凸起呢。原因可能是考虑到试样在试验中会由于冲压而造成变形，试验后由这种变形产生的直径增大会使试样卡在夹模上。如果承托处凹陷，试样会卡在下夹模上，较难取下(下夹模是固定在工作台上的，不能取下)。如果承托处凸起，试样则会卡在上夹模上，要取下只需用细棒或冲杆顶一下便行了。但是，由于试验过后试样会牢牢地卡住冲杆，当操作人员将冲杆拔出时，试样也就一并取出了。综上分析，下夹模试样承托处改为凹陷会较适宜。

二，下夹模底部开螺纹孔28，如图3所示。此处的改动是由试验机本身所造成的。中国专利ZL200320108271.6中试验机由于不具备在非常温条件下进行小冲杆试验的能力，因此无需更换夹具，夹具中下夹模采用紧固螺钉钉在工作台上这种安装方式也是可行的。但是本次开发的小冲杆试验机是要具备在高温和低温下进行小冲杆试验的能力的，所以夹具的更换就成了一件必然的事(高温与低温时分别使用不同材料的夹具)，夹具中的下夹模也就不能再采用紧固螺钉了。因此本发明试样装夹系统中通过螺纹连接将下夹模与试验机中轴连接在一起。

三，下夹模底部不贯通孔，并在离底部一定距离处开一个钢珠回收通道。这样便于回收钢珠。由于下夹模底部不再与工作台相连了，如果仍用通孔来回收钢珠，很容易造成钢珠的滚落以及丢失。因此，本发明放弃通孔而采用图3所示结构。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (3)

1、一种小冲杆试验机的装夹系统，试样(21)夹在上夹模(22)和下夹模(23)中间，通过紧固螺钉压紧，在所述上夹模(23)的中孔处有一个钢珠，所述钢珠上是冲杆，其特征在于所述的下夹模(23)承托试样处为凹陷状。

2、根据权利要求1所述的小冲杆试验机的装夹系统，其特征在于下夹模底部开螺纹孔，通过螺纹连接将下夹模与试验机中轴连接在一起。

3、根据权利要求1所述的小冲杆试验机的装夹系统，其特征在于离所述下夹模底部有一个钢珠回收通道(26)。

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