CN102200501B - 材料局部力学性能现场测量装置 - Google Patents

Abstract

用于材料局部力学性能现场测量的装置，由装置固定单元、驱动加载剪切单元、位移-载荷检测单元组成；驱动加载剪切单元主要由直流电动机、丝杆、带滚轮的滑块、装有压头的摆动杆组成；装置固定单元由固定小爪、螺栓和U型槽组成；载荷-位移检测单元由位移传感器、载荷传感器组成。本装置无需制备试样，在被测材料的小区域两侧打两个深度为6mm的孔，固定小爪插入到两孔内将整个装置撑起，压头从其中一孔对被测区域的材料加载直到破坏，载荷-位移传感器记录载荷和位移曲线，进而转化为应力-应变曲线，可现场评定材料的局部力学性能。

Description

材料局部力学性能现场测量装置

技术领域

本发明专利涉及材料力学性能检测设备。

背景技术

工程上需要得到力学性能不均匀的焊接接头的局部特性。在焊接接头上，不同程度地存在着力学性能的不均匀性，焊缝金属和热影响区的力学性能与母材相比有显著的不同，常规的拉伸试验只能得到接头的整体强度及变形能力，但无法评价接头不同区域的局部力学性能。这些局部性能的信息对改善焊接工艺，提高接头的整体性能有明显的必要性。为了寻求能准确评定材料局部力学性能的方法，国内外研究人员做了相关的研究。D.A.LaVan用微拉伸法作了焊接金属的局部力学性能试验，微拉伸试样是一个尺寸规格为200μm方形截面件。从被测材料上切取袖珍试样，用拉伸试样测定材料的局部力学性能，对试验研究非均匀的和各向异性材料的力学性能，这是一个可信的方法，但是制备试样复杂，大多数都不能现场操作，都需要从待测体上采样测试，这样对待测体的损害可想而知。Fahmy M.Haggag等人做了用自动球状压痕技术测量，美国CETR公司也推出的最新APEX纳米压痕仪。用硬度实验方法来确定载荷和压痕位移曲线，推测材料的强度和应变强化特性，评定材料的局部力学性能，这种方法尽管简单也可以现场测量，考虑到球状压头与被测材料之间的摩擦力，被测材料在受压时所受的水静压力，载荷和位移等参量的测量不确定度，模型都是建立在一系列假设基础上的，其结果精确度受到限制。

兰州理工大学材料学院提出了基于仪器化的局部力学性能检测方法。这种方法的出发点是在材料被测区域两侧钻两个

深度为2-3mm的孔，在不破坏待测体使用性能的前提下，能够比较准确的测试待测体的性能。但是本实验装置还存在着一些问题：试验结果分散性大、装置沉重不方便安装、装卡麻烦、压头与双孔桥壁的对中不好控制。目前，测试所得微区材料的力学性能参数分散性较大，甚至连最基础的弹性模量都没有一个一致公认的结果。Senturia把这种状况归结为两个主要原因：用于解释数据的模型不够精确和试件的几何尺寸测量误差较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种材料局部力学性能现场测量装置，可对非均匀性材料的局部力学性能现场评定。

本发明是用于材料局部力学性能现场测量的装置，由驱动加载剪切单元、装置固定单元、位移检测单元、载荷检测单元组成，驱动加载剪切单元、装置固定单元、位移检测单元和载荷检测单元，均安装在U型槽11上，驱动加载剪切单元中的丝杆6通过两端的第一轴承7安装在支架4上，直流电机10固定在支架4上，并通过联轴器8与丝杆6连接，带滚轮的滑块5安装在丝杆6上，摆动杆20能够在U型槽11内摆动，其中部的第二轴承21与带滚轮的滑块5的斜面接触，压头2安装在摆动杆20的一端，压头2的工作部分为圆弧状，其圆弧的直径与被测材料上两侧开设的圆孔的直径相等，支架4安装在U型槽11上；

装置固定单元中的固定小爪1由对称的两部分组成，并分别通过两个圆柱销25和两个螺栓27固定在U型槽11的两侧；

载荷检测单元中的载荷传感器14安装在载荷传感器支撑板15上，载荷传感器支撑板15安装在U型槽11的右侧凹槽内，载荷传感器配件12安装在载荷传感器14的一端；

位移检测单元中的支架17与载荷传感器支撑板15联为一体，位移传感器22安装在弹性导轨18上，弹性导轨18安装在载荷传感器支撑板15上，位移传感器探头24与摆动杆20上装有压头2的一端接触。

本发明的有益效果是：无需制备试样，在被测材料的小区域两侧打两个深度为6mm的孔，固定小爪插入到两孔内，旋动可调螺栓将整个装置撑起，安装在摆动杆上的压头从其中一孔对被测区域的材料加载直到破坏，载荷-位移传感器记录对应的载荷和位移曲线，计算机控制系统将其转化为应力-应变曲线，评定了材料的局部力学性能。采用小爪固定装置，可将整个装置固定在被测工件上，克服了切取试样，可实现现场测量，另外还可以控制压头进入孔内的深度。采用U型槽，起到了导轨的作用，可使压头能准确的对准双孔的小桥中央。采用摆杆中部装有双轴承与滑块的斜面接触，可减少接触的摩擦。

附图说明

图1是本发明装置的结构图，图2是图1中B处的局部放大图，图3是图1中的C-C向视图，图4是本发明装置的等轴结构图，图5是图4中A处的局部放大图。

附图标记及对应名称为：固定小爪1，压头2，内六角螺栓3，支架4，带滚轮的滑块5，丝杆6，第一轴承7，联轴器8，内六角螺栓9，直流电机10，U型槽11，载荷传感器配件12，内六角螺栓13，载荷传感器14，载荷传感器支撑板15，内六角螺栓16，支架17，弹性导轨18，内六角螺栓19，摆动杆20，第二轴承21，位移传感器22，内六角螺栓23，位移传感器探头24，圆柱销25，被测工件26，螺栓27。

具体实施方式

如图1、图2、图3所示，本发明的装置由驱动加载剪切单元、装置固定单元、位移检测单元、载荷检测单元组成，驱动加载剪切单元、装置固定单元、位移检测单元和载荷检测单元，均安装在U型槽11上，驱动加载剪切单元中的丝杆6通过两端的第一轴承7安装在支架4上，直流电机10通过两个M6的内六角螺栓9固定在支架4上，并通过联轴器8与丝杆6连接，带滚轮的滑块5安装在丝杆6上，摆动杆20能够在U型槽11内摆动，其中部的第二轴承21与带滚轮的滑块5的斜面接触，压头2由硬质合金加工而成，厚度为1±0.1mm，M6的内六角螺栓23将其紧固在摆动杆20的一端，压头2的工作部分为圆弧状，其圆弧的直径与被测材料上两侧开设的圆孔的直径相等，支架4通过四个M6的内六角螺栓3紧固在U型槽11上。

装置固定单元中的固定小爪1由对称的两部分组成，并分别通过两个圆柱销25和两个螺栓27固定在U型槽11的两侧。

载荷传感器通过一个M6的内六角螺栓16固定在载荷传感器支撑板15上，载荷传感器支撑板15通过两个M6的内六角螺栓固定在U型槽11的右侧凹槽内，载荷传感器配件12通过一个M6的内六角螺栓13紧固在载荷传感器的一端。

位移检测单元中的支架17与载荷传感器支撑板15联为一体，位移传感器22固定在弹性导轨18上，弹性导轨18通过一个M6的内六角螺栓16固定在载荷传感器支撑板15上。位移传感器探头24与摆动杆20上装有压头2的一端接触。

下面说明本发明的工作过程。首先，进行剪切试验的准备工作，在被侧材料的被测小区域两侧钻两个

深度为6mm的孔，如图5所示。此装置的加载、检测过程均由计算机系统控制，打开计算机控制系统，驱动直流电动机10使丝杆带滚轮的滑块5在丝杆6的上端，保证第二轴承21与带滚轮的滑块5的斜面接触，将螺栓27松开，使固定小爪1插入到已钻好的双孔内，由图5所示。当旋动螺栓27，固定小爪1将绕圆柱销25转动，将测量装置撑起，此时压头2正对准双孔小桥的中央，如图2示。驱动直流电动机使载荷传感器14的示数为零，此时微调内六角螺栓19，使位移传感器探头24与摆动杆20接触。

其次，驱动直流电动机带动丝杆6转动，从而实现丝杆上的带滚轮的滑块5在U型槽11中直线运动。由于带滚轮的滑块5靠近摆动杆20的一侧有5°倾角的斜面，载荷传感器配件12与摆动杆20的接触点可近似为不动支点，所以当带滚轮的滑块5自上而下运动时，摆杆便会绕着载荷传感器配件12与摆动杆20的接触点作圆周运动，压头2切割双孔小桥直至破坏，位移传感器22记录下压头移动的位移，载荷传感器14记录下对应载荷值，其对应的信号传输到计算机控制系统，从而得到载荷-位移曲线，进而转化为应力-应变曲线，评定了材料的局部力学性能。

Claims (1)

1.用于材料局部力学性能现场测量的装置，由驱动加载剪切单元、装置固定单元、位移检测单元、载荷检测单元组成，驱动加载剪切单元、装置固定单元、位移检测单元和载荷检测单元，均安装在U型槽(11)上，其特征在于驱动加载剪切单元中的丝杆(6)通过两端的第一轴承(7)安装在第一支架(4)上，直流电机(10)固定在第一支架(4)上，并通过联轴器(8)与丝杆(6)连接，带滚轮的滑块(5)安装在丝杆(6)上，摆动杆(20)能够在U型槽(11)内摆动，其中部的第二轴承(21)与带滚轮的滑块(5)的斜面接触，压头(2)安装在摆动杆(20)的一端，压头(2)的工作部分为圆弧状，其圆弧的直径与被测材料上两侧开设的圆孔的直径相等，第一支架(4)安装在U型槽(11)上；

装置固定单元中的固定小爪(1)由对称的两部分组成，每一部分通过一个圆柱销(25)和一个螺栓(27)分别固定在U型槽(11)的两侧；

载荷检测单元中的载荷传感器(14)安装在载荷传感器支撑板(15)上，载荷传感器支撑板(15)安装在U型槽(11)的右侧凹槽内，载荷传感器配件(12)安装在载荷传感器(14)的一端；

位移检测单元中的第二支架(17)与载荷传感器支撑板(15)联为一体，位移传感器(22)安装在弹性导轨(18)上，弹性导轨(18)安装在载荷传感器支撑板(15)上，位移传感器探头(24)与摆动杆(20)上装有压头(2)的一端接触。

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