CN103926141A - 一种用于蠕变试验的夹具系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于蠕变试验的夹具系统，包括上拉伸杆、板材试样接头、引伸杆、下拉伸杆等部件；上拉伸杆与板材试样接头之间设有第一连接部件；板材试样接头与下拉伸杆之间设有第二连接部件；板材试样接头与引伸杆同轴心连接；第二连接部件的结构与第一连接部件的结构相同；第一连接部件采用台肩接头、凸形块以及第一垫片的组合方式或者采用第一挡块、第二挡块、第二垫片、拉伸块以及固定部件的组合方式。本发明中第一连接部件以及第二连接部件的设计使得整个绝缘材料部分的受力情况由原来的受拉变为受压，降低系统对绝缘材料的抗拉强度的要求；拉伸块等采用绝缘材质，引入脉冲电流后整体设备不带电，提高设备使用过程中的安全性能，蠕变效果好。

Description

一种用于蠕变试验的夹具系统

技术领域

本发明涉及材料蠕变测试装置领域，特别地，涉及一种用于蠕变试验的夹具系统。

背景技术

蠕变时效成形技术在航空航天领域应用越来越广泛，用于满足大型整体壁板成形的需求。蠕变时效成形技术是将以成形为主的制造环境与成性为主的热处理环境在时空上集成，利用材料的蠕变与应力松弛特性，使待成形构件的弹性预应变经过一定时间部分地转化为塑性应变，从而同时实现零件成形与成性的一种成形技术。蠕变时效成形的缺点是周期长且耗能较大，同时，航空航天等高端装备制造业对材料的加工和服役性能要求愈来愈高,传统的蠕变时效成形工艺已难以完全开发和利用材料的潜在特性。

近年来，清华大学的姜炎彬、东北大学的李国栋等学者研究发现,在常规热处理以温度场作用于材料的同时,施加电流场,可能在较短时间内显著地提高合金的性能。在连续系统物理学的理论框架中，热能量场与电流场属于作用于物质的不同能量形式，对物质的宏观性质有着不同的影响。从电子、原子层面分析，它们的主要作用对象有所不同，电子比热小，热能量场主要作用于正离子，而电流场对电子态有重要影响。同时，中国科学院金属研究所王景鹏、贺笑春等学者研究发现，引入脉冲电流后，材料中大量电子流撞击位错，产生电子风力驱动位错运动，由于脉冲电流导致的热压应力和材料中存在的内应力共同作用，使保持在构件中的弹性应变能通过微观或宏观局部塑形变形逐渐释放，使残余应力降低。北京航空航天大学的苏飞等学者利用数值模拟软件基于蠕变的电迁移作用模型模拟电流作用下的蠕变量变化发现，电流作用后会明显增大蠕变量。

目前蠕变试验一般是在电子式高温蠕变持久强度试验机上进行，载荷通过拉伸杆施加在试样上，为了满足耐高温、高强度以及抗蠕变等需要，引伸杆和夹具系统一般采用不锈钢材料，试样与引伸杆以及夹具系统直接相连，夹具系统和引伸杆均与蠕变机直接相连。采用此设备进行电脉冲蠕变实验时，脉冲电流通过脉冲电源输出端引入到试样上，由于试样、引伸杆、夹具系统都采用导电材料，势必会将电流引入到蠕变试验机从而损坏设备且对操作人员的人身安全造成威胁，导致实验无法开展。

因此，设计一种既能将脉冲电流引入试样、又能保证高安全性能且蠕变效果好的夹具系统具有重要意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种既能将脉冲电流引入试样、又能保证高安全性能且蠕变效果好的蠕变试验夹具系统，具体技术方案如下：

一种用于蠕变试验的夹具系统，包括上拉伸杆、板材试样接头、引伸杆、调节座以及下拉伸杆；

所述上拉伸杆的末端与所述板材试样接头的前端之间设有第一连接部件；所述板材试样接头的末端与所述下拉伸杆的前端之间设有第二连接部件；所述板材试样接头的末端与所述引伸杆的前端同轴心连接，所述引伸杆的末端与所述下拉伸杆同轴心连接；所述调节座设置在所述引伸杆上，且其末端设有用于安装引伸计的位移传感安装座；

所述第二连接部件的结构与所述第一连接部件的结构相同；

所述第一连接部件包括台肩接头、凸形块以及第一垫片，所述凸形块包括第一端、第二端以及第一通孔，在垂直于其轴线的平面上，所述第一端的横截面大于所述第二端的横截面，所述第一通孔沿其轴线方向设置；所述台肩接头包括连接杆以及框体，所述框体包括带有开口的空腔，所述连接杆的前端与所述上拉伸杆的末端连接，其末端设置在所述框体的前壁上，所述框体的后壁上设有与所述空腔相通的第二通孔；所述第一端设置在所述空腔内，所述第二端贯穿所述第二通孔设置；所述板材试样接头的最前端依次贯穿第一通孔以及第一垫片设置在所述空腔内；所述第一垫片到所述台肩接头的最小距离大于零；

或者所述第一连接部件包括第一挡块、第二挡块、第二垫片、拉伸块以及固定部件，所述第一挡块、第二挡块、第二垫片以及拉伸块通过所述固定部件进行固定；所述第一挡块垂直于所述上拉伸杆的轴线设置在其末端的端面上，且其上设有第三通孔；所述第二挡块垂直于所述板材试样接头的轴线设置在其前端的端面上，且其上设有与所述第三通孔相对应的第四通孔；所述第一挡块与所述第二挡块之间设有绝缘块；所述拉伸块包括两个拉伸块单件，一个所述拉伸块单件依次贯穿所述第三通孔以及绝缘块设置，另一个拉伸块单件依次贯穿所述第二垫片、第四通孔以及绝缘块设置；所述第二垫片到所述板材试样接头的最小距离为0；

所述凸形块、拉伸块、绝缘块、调节座以及位移传感安装座的材质均为绝缘材质。

以上技术方案中优选的，所述第一通孔以及第二通孔的横截面均为圆形。

以上技术方案中优选的，所述板材试样接头上设有用于固定所述凸形块以及第一垫片的螺母。

以上技术方案中优选的，所述第一垫片上设有圆形通孔，所述板材试样接头的最前端依次贯穿第一通孔以及圆形通孔设置在所述空腔内。

以上技术方案中优选的，所述第一挡块与所述第二挡块的结构相同，且其厚度均为5-20mm，材质均为不锈钢材料。

以上技术方案中优选的，所述固定部件包括相互适配的螺栓和螺母。

以上技术方案中优选的，所述凸形块、拉伸块以及绝缘块的材质均为PEEK材料。

以上技术方案中优选的，所述调节座以及所述位移传感安装座的材质均为电胶木材料。

本发明具有以下有益效果：

（1）本发明的用于蠕变试验的夹具系统中包括结构相同的第一连接部件以及第二连接部件，第一连接部件有两种连接方式：一种是采用台肩接头、凸形块以及第一垫片的组合，通过台肩接头的设计，使得整个绝缘材料的受力情况由原来的受拉变为受压，降低系统对绝缘材料的抗拉强度的要求；第一垫片到台肩接头的最小距离大于零，使得经过第一垫片引入电流时，台肩接头因不与第一垫片连接而不导电，从而保证仅通过板材试样接头将电流引至板材试样上，并且结合凸形块、调节座以及位移传感安装座的材质均采用绝缘材质，脉冲电流通过脉冲电源输出端引入到试样时电流不会被引入到蠕变机上，整体设备处于无电流状态，既不会损坏设备，也不会对操作人员的人身安全造成威胁，实用性强；另一种是采用第一挡块、第二挡块、第二垫片、拉伸块以及固定部件的组合，第二垫片用于引入外界电流，第一挡块、第二挡块以及固定部件的结合实现整个绝缘材料的受力情况由原来的受拉变为受压，降低系统对绝缘材料的抗拉强度的要求；拉伸块结构的设计以及第二垫片到所述板材试样接头的最小距离为0，使得电流经第二垫片后直接传递至板材试样接头上，并且结合拉伸块、绝缘块、调节座以及位移传感安装座的材质均采用绝缘材质，脉冲电流通过脉冲电源输出端引入到试样时电流不会被引入到蠕变机上，整体设备处于无电流状态，既不会损坏设备，也不会对操作人员的人身安全造成威胁，实用性强；蠕变量可以提高30%以上。

（2）本发明中第一通孔以及第二通孔的横截面均设计为圆形，加工方便。

（3）本发明中板材试样接头上设有用于固定所述凸形块以及第一垫片的螺母，零件容易获得，安装方便。

（4）本发明中第一垫片上设有圆形通孔，板材试样接头的最前端依次贯穿第一通孔以及圆形通孔设置在空腔内，安装比较方便。

（5）本发明中第一挡块与所述第二挡块的结构相同，且其厚度均为5-20mm，材质均为不锈钢材料，部件容易获得，且加工方便。

（6）本发明中固定部件采用相互适配的螺栓与螺母的组合，方便安装。

（7）本发明中凸形块、拉伸块以及绝缘块的材质均采用PEEK材料，既满足耐高温、高压的要求，又具有绝缘效果，同时材料的刚性也足够保证力的准确传递，提高整体设备的安全性，延长其使用寿命。

（8）本发明的调节座以及位移传感安装座的材质均采用电胶木材料，材料容易获得，成本低，且绝缘效果好。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施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。在附图中：

图1是本发明优选实施例1的用于蠕变试验的夹具系统的整体结构示意图；

图2是图1中凸形块的剖视图；

图3是图1中A处整体结构示意图；

图4是图3中第一垫片的结构示意图；

图5是本发明优选实施例1中本发明装置与现有技术中装置进行蠕变时的蠕变曲线图；

图6是本发明优选实施例2的用于蠕变试验的夹具系统的局部结构示意图；

图7是图6的局部剖视图；

图8是是本发明优选实施例2中本发明装置与现有技术中装置进行蠕变时的蠕变曲线图。

1-上拉伸杆，21-台肩接头，211-连接杆，212-框体，2121-开口，2122-空腔，2123-第二通孔，22-凸形块，221-第一端，222-第二端，223-第一通孔，23-第一垫片，231-圆形通孔，201-第一挡块，202-第二挡块，203-第二垫片，204-拉伸块，205-固定部件，206-绝缘块，3-板材试样接头，31-螺母，4-引伸杆，5-调节座，6-下拉伸杆，7-位移传感安装座，8-引伸计。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

一种用于蠕变试验的夹具系统，详见图1，具体包括上拉伸杆1、第一连接部件、第二连接部件、板材试样接头3、引伸杆4、调节座5以及下拉伸杆6。

所述第一连接部件包括台肩接头21、凸形块22以及第一垫片23，整体结构精简。

所述凸形块22包括第一端221、第二端222以及第一通孔223，详见图2，在垂直于其轴线L的平面上，所述第一端221的横截面大于所述第二端222的横截面，所述第一通孔223沿其轴线L方向设置。

所述台肩接头21包括连接杆211以及框体212，详见图3，所述框体212包括带有开口2121的空腔2122，所述连接杆211的前端与所述上拉伸杆1的末端连接，其末端设置在所述框体212的前壁上，所述框体212的后壁上设有与所述空腔2122相通的第二通孔2123；所述第一端221设置在所述空腔2122内，所述第二端222贯穿所述第二通孔2123设置。

所述第二连接部件的结构与所述第一连接部件的结构相同，所述连接杆211的末端与所述下拉伸杆6的前端连接，其前端设置在所述框体212的后壁上，所述框体212的前壁上设有与所述空腔2122相通的第二通孔2123，通过台肩接头的设计，使得整个绝缘材料部分的受力情况由原来的受拉变为受压，降低系统对绝缘材料的抗拉强度的要求。

所述第一垫片23上设有圆形通孔231，详见图3以及图4，所述板材试样接头3的最前端以及最末端依次贯穿第一通孔223以及圆形通孔231设置在所述空腔2122内；所述第一垫片23到所述台肩接头21的最小距离大于零，当第一垫片23从外界引入电流时，电流直接传递给板材试样接头3，而不会将电流引至上拉伸杆1、台肩接头21等其他部件上，使得这些部件处于无电流状态，既不会损坏设备，也不会对操作人员的人身安全造成威胁，实用性强。

所述板材试样接头3上设有用于固定所述凸形块22以及第一垫片23的螺母31，采用螺母和板材试样接头3的配合来固定凸形块22以及第一垫片23，零件容易获得，安装方便。

所述第一通孔223以及第二通孔2123的横截面均为圆形，形状美观，相互配合的零部件加工方便。

所述板材试样接头3的末端与所述引伸杆4的前端同轴心连接，所述引伸杆4的末端与所述下拉伸杆6同轴心连接；所述调节座5设置在所述引伸杆4上，且其末端设有用于安装引伸计8的位移传感安装座7。

进行蠕变试验时：上拉伸杆1固定不动，通过下拉伸杆6往下移动一定位移来实现对试样的加载，而试样的变形通过引伸杆4引出后转变为调节座5和位移传感安装座7之间的距离，最终由引伸计8测量并记录下来。

所述凸形块22的材质为PEEK材料，既满足耐高温、高压的要求，又具有绝缘效果，同时材料刚性也足够保证力的准确传递，提高整体设备的安全性，延长其使用寿命。

所述调节座5以及所述位移传感安装座7的材质均为电胶木材料，材料容易获得，成本低，且绝缘效果好。

现有技术中的夹具系统与蠕变机的配合使用已经经过GB/T2039-1997《金属拉伸蠕变及持久试验方法》、HB5150-1996《金属高温拉伸持久试验方法》、HB5151-199《金属高温拉伸蠕变试验方法》、JB/T9373-1999《拉力蠕变试验机技术条件》、JJG762-2007《引伸计》等标准的检验，因此，在蠕变时效实验的工艺参数相同的情况下，只要与现有的夹具系统测量得到的蠕变曲线的差异在误差允许的范围内，即可以说明本发明装置满足以上各项标准的要求。

本发明装置在不引入脉冲电流、引入脉冲电流以及现有技术中的装置在相同的条件下（温度为175℃，应力为160Mpa）进行蠕变试验所得到的蠕变数据详见表1，蠕变图详见图5，图5中：曲线1为采用本发明装置在不引入脉冲电流进行蠕变试验时的蠕变曲线，曲线2为采用现有技术中装置进行蠕变试验时的蠕变曲线，曲线3为本发明装置在引入脉冲电流后进行蠕变试验时的蠕变曲线，通过曲线1与曲线2相比较可知，两者蠕变曲线重合性好，说明本发明满足蠕变时效实验的相关标准；通过曲线3与曲线1相比较，可知，采用本发明装置能顺利地引入脉冲电流，且引入脉冲电流后，能一定程度地提高材料的蠕变效果，从表1可知，蠕变量约提高了32%。

表1采用本发明装置不引入脉冲电流、引入脉冲电流以及采用现有技术中装置进行蠕变试验的数据表

实施例2：

一种用于蠕变试验的夹具系统，其与实施例1相比较，仅仅所述第一连接部件以及第二连接部件的结构不同，所述第一连接部件包括第一挡块201、第二挡块202、第二垫片203、拉伸块204以及固定部件205，详见图6以及图7，整体结构精简。

所述第一挡块201、第二挡块202、第二垫片203以及拉伸块204通过所述固定部件205进行固定，所述固定部件205采用相互适配的螺栓与螺母的组合，安装方便。

所述第一挡块201垂直于所述上拉伸杆1的轴线设置在其末端的端面上，且其上设有第三通孔；所述第二挡块202垂直于所述板材试样接头3的轴线设置在其前端的端面上，且其上设有与所述第三通孔相对应的第四通孔，最好是同轴设置。

所述第二连接部件的结构与所述第一连接部件的结构相同，所述第一挡块201垂直于所述下拉伸杆6的轴线设置在其前端的端面上；所述第二挡块202垂直于所述板材试样接头3的轴线设置在其末端的端面上。

所述第一挡块201与所述第二挡块202之间设有绝缘块206；所述拉伸块204包括两个拉伸块单件，一个所述拉伸块单件依次贯穿所述第三通孔以及绝缘块206设置，另一个拉伸块单件依次贯穿所述第二垫片203、第四通孔以及绝缘块206设置，所述第二垫片203到所述板材试样接头3的最小距离为0，第二垫片用于引入外界电流，第一挡块、第二挡块以及固定部件的结合实现整个绝缘材料部分的受力情况由原来的受拉变为受压，降低系统对绝缘材料的抗拉强度的要求；拉伸块结构的设计、绝缘块以及第二垫片到所述板材试样接头的最小距离为0的组合设计，使得电流经第二垫片后直接传递至板材试样接头上，最后经引伸杆4传递给试样，而装置的其他部分处于无电流状态，既不会损坏设备，也不会对操作人员的人身安全造成威胁，实用性强。

所述拉伸块204和绝缘块206的材质均为PEEK材料，既满足耐高温、高压的要求，又具有绝缘效果，同时材料的刚性也足够保证力的准确传递，提高整体设备的安全性，延长其使用寿命。

所述第二垫片203上也可以设有圆形通孔，便于固定以及引入脉冲电流。

再结合拉伸块、调节座以及位移传感安装座的材质均采用绝缘材质，脉冲电流通过脉冲电源输出端引入到试样时电流不会被引入到蠕变机上，整体设备处于无电流状态，既不会损坏设备，也不会对操作人员的人身安全造成威胁，实用性强。

所述第一挡块201与所述第二挡块202的结构相同，且其厚度均为5-20mm，材质均为不锈钢材料，部件容易获得，且加工方便。

本发明装置不引入脉冲电流、引入电流以及现有技术中的装置在相同的条件下（温度为175℃，应力为160Mpa）进行蠕变试验的蠕变数据详见表2，蠕变图详见图8，图8中：曲线1为采用本发明装置在不引入脉冲电流进行蠕变试验时的蠕变曲线，曲线2为采用现有技术中装置进行蠕变试验时的蠕变曲线，曲线3为本发明装置在引入脉冲电流后进行蠕变试验时的蠕变曲线，通过曲线1与曲线2相比较可知，两者蠕变曲线重合性好，说明本发明满足蠕变时效实验的相关标准，原理同实施例1；通过曲线3与曲线1相比较，可知，本发明装置能很好地引入脉冲电流，且引入脉冲电流后，能一定程度地提高材料的蠕变效果，蠕变量约提高了30%。

表2采用本发明装置不引入脉冲电流、引入脉冲电流以及采用现有技术中装置进行蠕变试验的数据表

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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。凡在本发明的精神和原则之内，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。

Claims (8)

1.一种用于蠕变试验的夹具系统，其特征在于：包括上拉伸杆（1）、板材试样接头（3）、引伸杆（4）、调节座（5）以及下拉伸杆（6）；

所述上拉伸杆（1）的末端与所述板材试样接头（3）的前端之间设有第一连接部件；所述板材试样接头（3）的末端与所述下拉伸杆（6）的前端之间设有第二连接部件；所述板材试样接头（3）的末端与所述引伸杆（4）的前端同轴心连接，所述引伸杆（4）的末端与所述下拉伸杆（6）同轴心连接；所述调节座（5）设置在所述引伸杆（4）上，且其末端设有用于安装引伸计的位移传感安装座（7）；

所述第二连接部件的结构与所述第一连接部件的结构相同；

所述第一连接部件包括台肩接头（21）、凸形块（22）以及第一垫片（23），所述凸形块（22）包括第一端（221）、第二端（222）以及第一通孔（223），在垂直于其轴线（L）的平面上，所述第一端（221）的横截面大于所述第二端（222）的横截面，所述第一通孔（223）沿其轴线（L）方向设置；所述台肩接头（21）包括连接杆（211）以及框体（212），所述框体（212）包括带有开口（2121）的空腔（2122），所述连接杆（211）的前端与所述上拉伸杆（1）的末端连接，其末端设置在所述框体（212）的前壁上，所述框体（212）的后壁上设有与所述空腔（2122）相通的第二通孔（2123）；所述凸形块（22）的第一端（221）设置在所述空腔（2122）内，其第二端（222）贯穿所述第二通孔（2123）设置；所述板材试样接头（3）的最前端依次贯穿第一通孔（223）以及第一垫片（23）设置在所述空腔（2122）内；所述第一垫片（23）到所述台肩接头（21）的最小距离大于零；

或者所述第一连接部件包括第一挡块（201）、第二挡块（202）、第二垫片（203）、拉伸块（204）以及固定部件（205），所述第一挡块（201）、第二挡块（202）、第二垫片（203）以及拉伸块（204）通过所述固定部件（205）进行固定；所述第一挡块（201）垂直于所述上拉伸杆（1）的轴线设置在其末端的端面上，且其上设有第三通孔；所述第二挡块（202）垂直于所述板材试样接头（3）的轴线设置在其前端的端面上，且其上设有与所述第三通孔相对应的第四通孔；所述第一挡块（201）与所述第二挡块（202）之间设有绝缘块（206）；所述拉伸块（204）包括两个拉伸块单件，一个所述拉伸块单件依次贯穿所述第三通孔以及绝缘块（206）设置，另一个拉伸块单件依次贯穿所述第二垫片（203）、第四通孔以及绝缘块（206）设置；所述第二垫片（203）到所述板材试样接头（3）的最小距离为0；

所述凸形块（22）、拉伸块（204）、绝缘块（206）、调节座（5）以及位移传感安装座（7）的材质均为绝缘材质。

2.根据权利要求1所述的用于蠕变试验的夹具系统，其特征在于：所述第一通孔（223）以及第二通孔（2123）的横截面均为圆形。

3.根据权利要求2所述的用于蠕变试验的夹具系统，其特征在于：所述板材试样接头（3）上设有用于固定所述凸形块（22）以及第一垫片（23）的螺母（31）。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的用于蠕变试验的夹具系统，其特征在于：所述第一垫片（23）上设有圆形通孔（231），所述板材试样接头（3）的最前端依次贯穿第一通孔（223）以及圆形通孔（231）设置在所述空腔（2122）内。

5.根据权利要求1所述的用于蠕变试验的夹具系统，其特征在于：所述第一挡块（201）与所述第二挡块（202）的结构相同，且其厚度均为5-20mm，材质均为不锈钢材料。

6.根据权利要求5所述的用于蠕变试验的夹具系统，其特征在于：所述固定部件（205）包括相互适配的螺栓和螺母。

7.根据权利要求1所述的用于蠕变试验的夹具系统，其特征在于：所述凸形块（22）、拉伸块（204）以及绝缘块（206）的材质均为PEEK材料。

8.根据权利要求7所述的用于蠕变试验的夹具系统，其特征在于：所述调节座（5）以及所述位移传感安装座（7）的材质均为电胶木材料。