CN103018101A

CN103018101A - 一种用于陶瓷基复合材料高温拉伸测试的夹具

Info

Publication number: CN103018101A
Application number: CN2012105582194A
Authority: CN
Inventors: 宋迎东; 高希光; 孙志刚; 胡绪腾
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2013-04-03

Abstract

本发明涉及一种高温拉伸试验夹具，具体地说涉及一种陶瓷基复合材料高温拉伸试验夹具。该夹具由主、副夹头组成；主夹头的一端为圆柱端，另一端设有楔面；副夹头成T形，截面成U形；副夹头用于夹持试件，副夹头的T形面开有螺纹孔；主夹头的圆柱端与试验机连接，楔面端与副夹头相连。本发明提供的用于陶瓷基复合材料高温拉伸测试的夹具，试件受拉伸时，夹持端两侧受到主夹头的拉力，夹持端的中部受到副夹头的拉力。试件夹持端受力较为均匀，避免了试件受拉时夹持端首先破坏，大大提高拉伸试验的成功率。采用的试件为等厚的板状试件，加工方便，经济型好。主、副夹头的材料选用高强度耐高温材料。该夹具还可适用于其他剪切强度较差的高温材料拉伸试验。

Description

一种用于陶瓷基复合材料高温拉伸测试的夹具

技术领域

本发明涉及一种高温拉伸试验夹具，具体地说涉及一种陶瓷基复合材料高温拉伸试验夹具。

背景技术

陶瓷基复合材料具有高比强度、高比刚度、耐高温和低密度等优点，且具有一定的韧性，是理想的高温结构材料。在国防、能源、装备制造以及汽车等领域具有广泛的应用前景。由于陶瓷基复合材料主要应用于高温环境，且承受载荷，因此其高温力学性能测试显得尤为重要，而拉伸试验是获得材料力学性能最基本和最主要的手段。

在陶瓷基复合材料的拉伸试验中，试验机通过夹具固定试件和施加载荷。如果夹具设计不当，会使试件在夹持段破坏，导致试验失败。因此夹具的选择和设计是开展陶瓷基复合材料拉伸试验的关键环节之一。由于陶瓷基复合材料是一种新型高温结构材料，国内外还没有形成相关的力学性能测试标准。目前对陶瓷基复合材料的拉伸力学性能测试主要借鉴其他材料的测试标准进行测试，夹具的类型有以下几种：

楔形夹具通过自锁力将试件夹紧，通过装夹表面的锯齿产生的摩擦力传递载荷。为了避免将材料压碎，需要在试件加持表面粘贴铝片。这种方法最为简单和常用，但只适用于室温下拉伸实验。陶瓷基复合材料的高温力学性能测试试验通常在800℃以上，很难找到适用的粘接剂和垫片材料。此外，楔形夹具结构复杂、体积较大，不仅要求加热炉具有较大的炉膛控件，而且夹具制作成本较高，因此未见采用此方法进行陶瓷基复合材料高温拉伸试验的公开报道。

销钉型夹具需要在试件两端开孔，穿入销钉，靠销钉连接试件和试验机。这种方法的缺点是孔边的应力集中区会产生较大的剪应力，试件很容易被破坏。如果为了减轻孔边的应力集中而把孔边局部加厚，则试件加工困难，成本大大增加。

燕尾型夹具是陶瓷基复合材料拉伸试验常用夹具，这种方式是靠试件两端斜边与燕尾形夹头楔面间的支持力来夹持试件并传递拉力的。该夹具较广泛应用于陶瓷基复合材料的拉伸试验。它的缺点是在试件两端夹持部位会产生应力集中区，在应力集中区的剪应力较大，很容易引起试件的破坏，而不能最终拉断试件。因此该夹具通常只应用于抗剪能力较高的层合或编织陶瓷基复合材料，而不能应用于剪切强度较差的单向纤维增强陶瓷基复合材料。

发明内容

本发明针对上述的不足提供一种用于陶瓷基复合材料高温拉伸测试的夹具。

本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种用于陶瓷基复合材料高温拉伸测试的夹具，包括主夹头，副夹头；主夹头的一端为圆柱端，另一端设有楔面，副夹头成T形、截面成U形，副夹头用于夹持试件；副夹头的T形面开有螺纹孔主夹头的圆柱端与试验机连接、楔面端与副夹头相连。

本发明所述的用于陶瓷基复合材料高温拉伸测试的夹具，还包括套环，所述的套环布置在副夹头的两侧。

有益效果

本发明提供的用于陶瓷基复合材料高温拉伸测试的夹具，试件受拉伸时，夹持端两侧受到主夹头的拉力，夹持端的中部受到副夹头的拉力。试件夹持端受力较为均匀，避免了试件受拉时夹持端首先破坏，大大提高拉伸试验的成功率。采用的试件为等厚的板状试件，加工方便，经济型好。主、副夹头的材料选用高强度耐高温材料。该夹具还可适用于其他剪切强度较差的高温材料拉伸试验。

附图说明

图1是本发明的主夹头的结构示意图；

图2是本发明主夹头的圆柱端结构示意图；

图3是本发明主夹头的楔面结构示意图；

图4是本发明的副夹头结构示意图；

图5是本发明副夹头的截面示意图；

图6是本发明套环结构示意图；

图7是本发明试件结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细说明：

如图所示：一种用于陶瓷基复合材料高温拉伸测试的夹具，包括主夹头，副夹头；主夹头的一端为圆柱端，另一端设有楔面，副夹头成T形，截面成U形；副夹头的T形面开有螺纹孔；主夹头的圆柱端与试验机连接，楔面端与副夹头相连；套环布置在副夹头的两侧。

采用主副夹头同时夹持试件的形式。试件为板状，两端加工成燕尾型。主夹头一端为完整圆柱段，另一端加工有一个燕尾形榫槽。副夹头正面为T形，侧面为U形，并在一侧开有螺纹通孔。拉伸时，试件和副夹头直接与主夹头连接。主夹头的完整圆柱端与试验机自带的夹头连接，固定在试验机上。试件和副夹头在与主夹头连接时，试件伸到副夹头U形槽内部，利用它们夹持端的楔面与主夹头榫槽的楔面接触产生的支持力来实现传递拉力。试件与副夹头的连接通过如下方式实现：向副夹头的螺纹孔中拧入螺栓并将试件压紧在副夹头U形槽的另一侧。拉伸时，试件与副夹头、螺栓的接触面将产生较大的摩擦力，实现试件与副夹头的连接并传递拉力。为避免螺栓抵紧试件使副夹头产生过大变形，在副夹头两侧套上套环。

在陶瓷基复合材料拉伸试验中，试件形状如图7所示。从图7可以看出，试件为哑铃状，包括两个燕尾型夹持段、两个过渡段和中间测试段。测试段、过渡段和加持段之间均通过圆弧过渡。

以单向碳纤维增强碳化硅复合材料为例，测试材料的高温（800℃）下的拉伸强度。试验机为MTS809，由美国MTS公司生产。试验时安装夹具和试件的步骤为：

（1）用试验机自带夹头夹持主夹头的完整圆柱段，将主夹头固定在试验机上。

（2）将试件的夹持端伸到副夹头U形槽内部，将它们的夹持端安放在主夹头的燕尾槽里。

（3）向副夹头的螺纹孔中拧入螺栓，将试件压紧在副夹头U形槽另一侧。

（4）控制试验机升降，使夹具和试件固定。

所有零件选用的材料是高温高强度材料，可以是高温合金，也可以是高强度陶瓷（或陶瓷基复合材料），从而使夹具能进行高温下拉伸试验。

图4-5中的副夹头，U形槽内部与试件接触的一侧加工有滚花纹，防止拉伸时试件与副夹头间打滑。U形槽两侧不等厚，与试件接触的一侧的厚度比另一侧少3mm。这是因为拉伸时试件会紧贴与其接触一侧，相当于使这一侧厚度变大，故U形槽两侧不等厚可使主夹头拉伸时受力对称。

图6中套环上的方形孔比副夹头U形槽两侧安装套环处的尺寸大，是为了安装套环时更方便容易。

经试验表明，本发明的拉伸夹具可以很好的应用于高温环境800℃的拉伸力学测量，在室温和高温环境下能够可靠、稳定、准确的测量陶瓷基复合材料的拉伸强度、弹性模量、断裂延伸率和应力应变曲线。夹具没有对试件的夹持段造成损伤，并且测试结果准确、可靠、重复性好，试件的断裂部位均在标距范围内，有效杜绝了加持段先损坏而无法拉断试件的现象，表明本夹具设计较为合理。

Claims

1.一种用于陶瓷基复合材料高温拉伸测试的夹具，其特征在于：包括主夹头，副夹头；主夹头的一端为圆柱端，另一端设有楔面，副夹头成T形、截面成U形，副夹头用于夹持试件；副夹头的T形面开有螺纹孔主夹头的圆柱端与试验机连接、楔面端与副夹头相连。

2.根据权利要求1所述的用于陶瓷基复合材料高温拉伸测试的夹具，其特征在于：还包括套环，所述的套环布置在副夹头的两侧。