CN104089815B

CN104089815B - 用于功能材料微观性能原位测试中试件样品的夹具

Info

Publication number: CN104089815B
Application number: CN201410252623.8A
Authority: CN
Inventors: 赵宏伟; 邹青; 张永利; 李聪; 张富; 任露泉; 林增宇; 缑旭; 钱龙; 佟达
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2014-06-10
Filing date: 2014-06-10
Publication date: 2016-07-13
Anticipated expiration: 2034-06-10
Also published as: CN104089815A

Abstract

本发明涉及一种用于功能材料微观性能原位测试中试件样品的夹具，属于材料微观性能测试技术领域和光机电一体化技术领域。其结构包括夹具体、拧紧套、衬套、销、压紧楔形块和夹持楔形块等零部件，拧紧套与夹具体连接和压紧楔形块连接，衬套在夹具体腔内并与夹具体的内圆表面连接，衬套通过压紧楔形块与夹持楔形块连接。优点在于：不仅能实现拉伸、压缩、扭转等单载荷加载试验中试件样品的夹持，还能实现拉?扭、压?扭、拉/压?扭转等复合载荷加载试验以及及相应疲劳加载试验中试件样品的夹持，还可以与热、电、磁等物理场加载单元兼容，实现对被测试件样品多物理场、多载荷模式的复合工况的加载与测试。结构紧凑、操作方便，兼容性高。

Description

用于功能材料微观性能原位测试中试件样品的夹具

技术领域

本发明涉及材料微观性能测试技术领域和光机电一体化技术领域，特别涉及一种用于功能材料微观性能原位测试中试件样品的夹具。可实现对功能材料进行拉/压-扭转复合载荷试验中试件样品的夹持，尤其是可实现热、电、磁等多物理场加载环境下拉/压-扭转-弯曲多载荷材料测试中试件样品的夹持。

背景技术

上世纪材料试验机主要针对结构材料，随着科技和经济发展，新型材料——特别是铁-电、铁-磁、热-磁和半导体材料等功能材料的大规模应用，使得对功能材料在热、电、磁等复合物理场下的力学性能研究的必要性日益凸显。目前，材料试验机夹具只能传递拉、压、扭转等单一工况，或者承受拉-扭复合工况，同一副夹具在功能上无法同时实现拉-扭、压-扭以及拉/压-扭转疲劳试验，针对功能材料在电、热、磁等复合物理场下的力学研究更是稀少。目前还没有针对功能材料，能与电、热、磁等复合物理场相配合，实现加载拉/压-扭转等复合工况的夹具。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于功能材料微观性能原位测试中试件样品的夹具，是一种针对铁-电、铁-磁、热-磁和半导体材料等功能材料试件样品的实验夹具装置，主要是解决与电、热、磁等复合物理场相配合的前提下，在同一副夹具上实现对功能材料施加拉/压-扭转复合工况加载问题，从而实现对功能材料试件的测试。解决了现有试验机夹具没有针对功能材料的夹具、难以实现与热、电、磁等多物理场耦合、不能进行多种工况组合加载的难题。本发明具有结构紧凑、刚度高、操作方便，本发明不仅能实现拉伸、压缩、扭转等单载荷加载试验中试件样品的夹持，还能实现拉-扭、压-扭、拉/压-扭转等复合载荷加载试验以及及相应疲劳加载试验中试件样品的夹持，还可以与热、电、磁等物理场加载单元兼容，实现对被测试件样品多物理场、多载荷模式的复合工况的加载与测试。本发明具有结构紧凑、操作方便，且可与声发射测试装置、金相显微镜、原子力显微镜等材料微观性能表征仪器相兼容的优点。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

用于功能材料微观性能原位测试中试件样品的夹具，由构造相同的两副夹具构成，其中具有台阶的夹具Ⅰ通过螺栓和销与联轴器连接，没有台阶的夹具Ⅱ通过沉头螺栓与拉扭传感器连接，实现对拉/压力和扭矩的动态实时测量；所述夹具Ⅰ、Ⅱ的结构是：夹具体Ⅰ1与拧紧套2通过螺纹连接，拧紧套2的一端通过压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ7、8的槽与压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ7、8连接，在拧紧拧紧套2时，推动压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ7、8运动，实现推动压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ7、8对夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6夹紧；夹具体Ⅰ1与衬套Ⅰ、Ⅱ3、4的外圆表面相连接，夹具体Ⅰ1通过销Ⅰ、Ⅱ9、10将扭矩传递给衬套Ⅰ、Ⅱ3、4，衬套Ⅰ、Ⅱ3、4通过内部的平面与压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ7、8的一端平面接触，压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ7、8通过其斜面与夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6的斜面接触，实现扭矩从夹具体Ⅰ1经过衬套Ⅰ、Ⅱ3、4，通过内部的平面与压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ7、8，传递给压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ7、8，通过夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6对试件11的夹紧实现将扭矩传递给试件11；夹具体Ⅰ1通过内部端面与夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6大头端端面连接，通过对拧紧套2的拧紧实现夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6大头端端面与具体Ⅰ1通过内端面连接，从而实现夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6在具体Ⅰ1轴向的定位，进而实现传递压缩载荷从夹具体Ⅰ1传递给夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6，通过夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6对试件11的夹紧实现将压缩载荷传递给试件11。

所述的夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6与压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ7、8的斜切面倾角小于摩擦角，防止在夹紧和解除夹紧试件11时出现自锁，在放松拧紧套2时，拧紧套2推动压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ7、8退出对夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6的压紧，对试件11卸载，实现解除夹持。

所述的衬套Ⅰ、Ⅱ3、4、夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6、压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ7、8分别置于夹具体Ⅰ1和拧紧套2的腔内，只有夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6的夹持试件部分裸露在外面，实现对夹具内部相对运动的接触面的防尘保护。

所述的夹具体Ⅰ1和拧紧套2上分别设有扳手孔14，通过特殊扳手固定夹具体Ⅰ1圆周方向，拧动拧紧套2，即可操控夹具。

所述的夹具体Ⅰ1上有导线孔12，声发射检测系统导线通过导线孔12、夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6之间的空隙与试件11接触，在加载拉伸\压缩-扭转等单载荷或多载荷工况组合的同时，实现对试件11的原位检测，该夹具与检测系统配合完成试件变形和裂纹扩展检测。

所述的衬套Ⅰ、Ⅱ3、4、压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ7、8、夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6分别是材料、形状、尺寸完全一致成对结构，确保夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6中间面无论是运动中还是静止时都在夹具体Ⅰ1的中间平面重合；夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6侧面与衬套Ⅰ、Ⅱ3、4内侧面接触，防止夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6在试件11径向方向窜动；夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6上的V型槽，使试件11的轴线始终在夹具体Ⅰ1的轴线位置，实现对试件的精确定位，从而实现对试件的精确试验。

所述的夹具与热、电、磁加载单元配合，实现在复合物理场下对试件加载拉伸-扭转、压缩-扭转等复合载荷，完成复合物理场下多载荷试验和复合物理场下多载荷疲劳试验。

本发明的有益效果在于：与现有技术相比，本发明结构紧凑、精度高，可以实现对多种材料试件进行不仅能够实现拉伸、压缩、扭转等单载荷试验以及相应疲劳试验，还能实现拉-扭、压-扭、拉/压-扭转等复合载荷试验及相应疲劳试验，还可以与热场加载单元、电场加载单元、磁场加载单元相互兼容，实现对检测试件多物理场、复合工况的加载，结合金相显微镜、原子力显微镜等成像设备，可以实现对测试中的试件动态实时检测，从而获得功能材料多种重要力学参数。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实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。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的夹具体Ⅰ轴测图；

图3为本发明的夹具体Ⅱ轴测图；

图4为本发明的拧紧套轴测图；

图5为本发明的衬套轴测图；

图6为本发明的压紧楔形块轴测图；

图7为本发明的夹持楔形块轴测图。

图中：1、夹具体Ⅰ；2、拧紧套；3、衬套Ⅰ；4、衬套Ⅱ；5、夹持楔形块Ⅰ；6、夹持楔形块Ⅱ；7、压紧楔形块Ⅰ；8、压紧楔形块Ⅱ；9、销Ⅰ；10、销Ⅱ；11、试件；12、导线孔；13、夹具体Ⅱ；14、扳手孔。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图7所示，本发明的用于功能材料微观性能原位测试中试件样品的夹具，由构造相同的两副夹具构成，其中具有台阶的夹具Ⅰ通过螺栓和销与联轴器连接，与夹具Ⅰ不同的是，夹具Ⅱ的夹具体Ⅱ13没有台阶，没有台阶的夹具Ⅱ通过沉头螺栓与拉扭传感器连接，实现对拉/压力和扭矩的动态实时测量；所述夹具Ⅰ、Ⅱ的结构是：夹具体Ⅰ1与拧紧套2通过螺纹连接，拧紧套2的一端深入压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ7、8的槽中，在拧紧拧紧套2会推动压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ7、8，从而实现推动压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ7、8对试件11的夹紧；夹具体Ⅰ1与衬套Ⅰ、Ⅱ3、4的外圆表面相连接，夹具体Ⅰ1通过销Ⅰ、Ⅱ9、10实现将扭矩传递给衬套Ⅰ、Ⅱ3、4，衬套Ⅰ、Ⅱ3、4与压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ7、8、压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ7、8与夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6通过平面接触，从而实现扭矩的传递，通过持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6对试件11的夹紧实现将扭矩传递给试件11；夹具体Ⅰ1通过内端面与夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6大头端端面连接，通过对拧紧套2的拧紧实现夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6大头端端面与具体Ⅰ1通过内端面连接，从而实现夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6在具体Ⅰ1轴向的定位，进而实现传递压缩载荷从夹具体Ⅰ1传递给夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6，通过夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6对试件11的夹紧实现将压缩载荷传递给试件11。

所述的夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6与压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ7、8的接触的斜切面倾角小于摩擦角，防止在夹紧夹紧试件11时出现自锁情况，在放松拧紧套2时，拧紧套2带动压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ7、8退出夹具体Ⅰ1，对试件进行卸载，实现解除对试件11的夹持。

所述的衬套Ⅰ、Ⅱ3、4、夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6、压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ7、8都位于夹具体Ⅰ1和拧紧套2的腔内，只有夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6的夹持试件部分裸露在外面，具有操作方便的优点，实现对夹具的防尘保护。

所述的夹具体Ⅰ1和拧紧套2上都有扳手孔14，夹具体Ⅰ1有3个扳手孔和一个导线线孔12，在圆周方向均匀分布，拧紧套2有4个扳手孔，均匀分布，通过特殊扳手固定夹具体Ⅰ1圆周方向，拧动拧紧套2，即可实现操控夹具。

所述的夹具配合检测系统完成试件变形和裂纹扩展的检测，夹具体Ⅰ1上有导线孔12，检测系统导线通过导线孔12，布置在夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6之间的空隙，与试件11的轴端面接触，在对试件11进行试验时，实现对试件11的原位检测。

所述的压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ7、8上有凹槽，拧紧套2部分伸入槽中，拧紧拧紧套2时可以推动压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ7、8，进而压住夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6实现夹持试件；放松拧紧套可以带出压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ7、8，实现解除对试件的夹持。

所述的夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6侧面与衬套Ⅰ、Ⅱ3、4内侧面接触，防止夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6在试件11径向方向窜动，夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6一侧有V型槽，使试件11的轴线始终在夹具体Ⅰ1的轴线位置，实现对试件的精确定位，从而为实现对试件的精确试验。

所述的衬套Ⅰ、Ⅱ3、4、压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ7、8、夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6都是成对使用，同一对零件的材料、结构、形状、尺寸完全一样，确保夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6中间面无论是运动中还是静止时都在夹具体Ⅰ1的中间平面重合；夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6侧面与衬套Ⅰ、Ⅱ3、4内侧面接触，防止夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6在试件11径向方向窜动；夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ5、6上的V型槽，使试件11的轴线始终在夹具体Ⅰ1的轴线位置，实现对试件的精确定位，从而为实现对试件的精确试验。

所述的两副夹具，在空间和功能上，能配合热、电、磁等物理场，实现在多物理场耦合情况下对试件进行拉伸\压缩\扭转等单载荷试验，也能够加载拉伸-扭转、压缩-扭转等复合载荷，完成多载荷试验和多载荷疲劳试验。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，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。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于功能材料微观性能原位测试中试件样品的夹具，其特征在于：由构造相同的两副夹具构成，其中具有台阶的夹具Ⅰ通过螺栓和销与联轴器连接，与夹具Ⅰ不同的是，夹具Ⅱ的夹具体Ⅱ没有台阶，没有台阶的夹具Ⅱ通过沉头螺栓与拉扭传感器连接，实现对拉/压力和扭矩的动态实时测量；所述夹具Ⅰ、Ⅱ的结构是：夹具体Ⅰ（1）与拧紧套（2）通过螺纹连接，拧紧套（2）的一端通过压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ（7、8）的槽与压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ（7、8）连接，在拧紧拧紧套（2）时，推动压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ（7、8）运动，实现推动压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ（7、8）对夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ（5、6）夹紧；夹具体Ⅰ（1）与衬套Ⅰ、Ⅱ（3、4）的外圆表面相连接，夹具体Ⅰ（1）通过销Ⅰ、Ⅱ（9、10）将扭矩传递给衬套Ⅰ、Ⅱ（3、4），衬套Ⅰ、Ⅱ（3、4）通过内部的平面与压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ（7、8）的一端平面接触，压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ（7、8）通过其斜面与夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ（5、6）的斜面接触，扭矩从夹具体Ⅰ（1）依次经过衬套Ⅰ、Ⅱ（3、4），压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ（7、8），夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ（5、6）传递给被夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ（5、6）夹紧的试件（11）；夹具体Ⅰ（1）通过内部端面与夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ（5、6）大头端端面连接，通过对拧紧套（2）的拧紧实现夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ（5、6）大头端端面与夹具体Ⅰ（1）内端面连接，从而实现夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ（5、6）在夹具体Ⅰ（1）轴向的定位，进而实现传递压缩载荷从夹具体Ⅰ（1）传递给夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ（5、6），通过夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ（5、6）对试件（11）的夹紧实现将压缩载荷传递给试件（11）。

2.根据权利要求1所述的用于功能材料微观性能原位测试中试件样品的夹具，其特征在于：所述的夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ（5、6）与压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ（7、8）的斜面倾角小于摩擦角，防止在夹紧和解除夹紧试件（11）时出现自锁，在放松拧紧套（2）时，拧紧套（2）推动压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ（7、8）退出对夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ（5、6）的压紧，对试件（11）卸载，实现解除夹持。

3.根据权利要求1所述的用于功能材料微观性能原位测试中试件样品的夹具，其特征在于：所述的衬套Ⅰ、Ⅱ（3、4）、夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ（5、6）、压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ（7、8）分别置于夹具体Ⅰ（1）和拧紧套（2）的腔内，只有夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ（5、6）的夹持试件部分裸露在外面，实现对夹具内部相对运动的接触面的防尘保护。

4.根据权利要求1所述的用于功能材料微观性能原位测试中试件样品的夹具，其特征在于：所述的夹具体Ⅰ（1）和拧紧套（2）上分别设有扳手孔（14），通过扳手固定夹具体Ⅰ（1）圆周方向，拧动拧紧套（2），即可操控夹具。

5.根据权利要求1所述的用于功能材料微观性能原位测试中试件样品的夹具，其特征在于：所述的夹具体Ⅰ（1）上有导线孔（12），声发射检测系统导线通过导线孔（12）、夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ（5、6）之间的空隙与试件（11）接触。

6.根据权利要求1所述的用于功能材料微观性能原位测试中试件样品的夹具，其特征在于：所述的衬套Ⅰ、Ⅱ（3、4）、压紧楔形块Ⅰ、Ⅱ（7、8）、夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ（5、6）分别是材料、形状、尺寸完全一致的成对结构，确保夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ（5、6）中间面无论是运动中还是静止时都与夹具体Ⅰ（1）的中间平面重合；夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ（5、6）侧面与衬套Ⅰ、Ⅱ（3、4）内侧面接触，防止夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ（5、6）在试件（11）径向方向窜动；夹持楔形块Ⅰ、Ⅱ（5、6）上的V型槽，使试件（11）的轴线始终在夹具体Ⅰ（1）的轴线位置，实现对试件的精确定位，从而实现对试件的精确试验。

7.根据权利要求1所述的用于功能材料微观性能原位测试中试件样品的夹具，其特征在于：所述的夹具与热、电、磁加载单元配合，实现在复合物理场下对试件加载拉伸-扭转、压缩-扭转复合载荷，完成复合物理场下多载荷试验和复合物理场下多载荷疲劳试验。