CN104749029B - 一种恒载荷拉伸试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属材料试验设备技术领域，涉及一种恒载荷拉伸试验装置，包括A、B、C和D四个侧面的承力框架内制有矩形空腔，矩形空腔四个顶点制有能够分散矩形空腔的四个直角载荷的圆弧形凹槽，承力框架的上部横梁内侧的垂直中轴线上制有套装式上夹头，上夹头的螺纹端穿过承力框架套装式制有绝缘垫圈、加载弹簧和加载螺母，承力框架下部横梁内侧的垂直中轴线上制有套装结构的下夹头，下夹头的螺纹端固定连接承力框架，上夹头和下夹头的夹持端分别制有U型槽结构，U型槽结构的两侧中央制有绝缘衬垫；其小巧轻便，易于携带、组装和固定，自由插接实现受试件的批量测试，安全可靠、手动加载方式简便、加载的载荷准确恒定。

Description

一种恒载荷拉伸试验装置

技术领域：

本发明属于金属材料试验设备技术领域，涉及一种恒载荷拉伸试验装置，适用于金属材料在实际海洋环境和实验室模拟海洋环境中的批量试验和测试。

背景技术：

金属材料在海洋环境中遭受腐蚀的情况相当严重，使得海洋工程和装备材料在受力状态下具有很大的应力腐蚀开裂风险，甚至会造成金属材料在远低于其许用应力的情形下突然断裂，发生重大安全事故，全世界每年因腐蚀造成的经济损失高达数万亿美元；因此，准确评价海洋工程和装备材料在海洋环境腐蚀因素与受力状态的协同作用下的使用安全性至关重要；目前的恒载荷应力腐蚀试验是通过大型专用设备，如应力腐蚀试验机、万能试验机、应力环和弹簧装置来实现的，这类装置虽然能够精确测量载荷，但体积庞大、价格昂贵且只能由专业人员在实验室条件下进行单一试件的应力腐蚀试验，无法实现多组试件的批量试验和在实际海洋环境中的长期暴露试验。中国专利201210222014.9(申请日2012年7月2日)公开了一种高温高压恒载荷应力腐蚀实验方法及装置，其要点在于实现金属材料在一定应力状态下，处于高温高压气相、液相腐蚀介质综合作用下的恒载荷应力腐蚀实验，实验过程中金属材料受恒定应力、高温高压气相、液相腐蚀介质的综合作用，根据实验结果对金属材料在高温高压腐蚀性环境以及拉应力状态下的适用性及其作用机理进行评价研究；该装置实现了应力腐蚀试验装置的小型化，但是其预加载过程需要借助拉伸试验机，操作不便，受试件与夹持端之间的连接未采取绝缘措施，使得受试件与夹持端必须采用相同材质，限制了该装置的使用范围；中国专利201320180412.9(申请日2013年4月11日)公开了一种便携式轴向拉伸应力加载装置，包括矩形承力框架，所述矩形承力框架的内部设有一个以上并联设置的中空结构，中空结构内部上下底中轴位置对称开有槽孔，上槽孔中套置有上夹头，下槽孔中套置有下夹头，且所述上夹头的螺纹一端穿过框架上方槽孔套装加载螺母，所述下夹头的螺纹一端穿过框架下方槽孔套装锁紧螺母；该装置解决了精确加载和多个受试件同时试验的问题，但是其框架结构不可拆卸、加载方式复杂繁琐，无法实现金属材料的批量试验，且受试件断裂后容易脱落、丢失；因此研发一种同时满足实际海洋环境和实验室模拟条件下金属材料批量试验的恒载荷拉伸试验装置很有应用前景和社会价值。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种用于海洋环境条件下的结构紧凑、小巧轻便、加载方式简便、所施加的载荷准确恒定、能够批量测试受试件和避免受试件断裂后脱落丢失的恒载荷拉伸试验装置。

为了实现上述目的，本发明涉及的恒载荷拉伸试验装置的主体结构包括承力框架、矩形空腔、圆弧形凹槽、固定槽、上夹头、下夹头、弹珠销钉、绝缘衬垫、绝缘衬套、受试件、加载弹簧、加载螺母和绝缘垫圈；包括A、B、C和D四个侧面的承力框架内制有中空结构的矩形空腔，矩形空腔的四个顶点制有能够分散矩形空腔的四个直角载荷的圆弧形凹槽，承力框架的上部横梁内侧的垂直中轴线上制有套装结构的上夹头，上夹头的螺纹端穿过承力框架套装式制有绝缘垫圈、加载弹簧和加载螺母，承力框架下部横梁内侧的垂直中轴线上制有套装结构的下夹头，下夹头的螺纹端固定连接承力框架，上夹头和下夹头的夹持端分别制有U型槽结构，U型槽结构的两侧中央制有绝缘衬垫，受试件的两端分别固定在上夹头和下夹头上，两个弹珠销钉与U型槽结构、绝缘衬垫和受试件相匹配式串接并实现固定功能；安装矩形截面受试件时，将套装有绝缘衬垫的受试件的夹持端竖向置于上夹头和下夹头的夹持端的U型槽结构中，两个套装式结构的绝缘衬套分别通过弹珠销钉依次穿过U型槽结构和受试件夹持端，实现受试件的上下两端分别与上夹头和下夹头的固定连接，防止试验过程中因受试件断裂造成其脱落丢失。

本发明涉及的恒载荷拉伸试验装置试验时，先用市售的常规千分尺测量加载弹簧未受压缩时的原始长度x₀，根据胡克定律F＝k·(x₀-x₁)计算加载弹簧达到设定载荷F时的长度x₁，其中k为弹簧常数；然后将安装有受试件的恒载荷拉伸试验装置固定安装在常规的台钳上，用市售的常规套筒扳手缓慢旋紧加载螺母，使其压缩加载弹簧产生轴向拉伸载荷，同时用市售的常规千分尺测量加载弹簧受压后的长度达到x₁时停止旋转加载螺母，实现恒载荷拉伸试验装置的恒载荷。

本发明涉及的承力框架的四个侧面A面、B面、C面和D面为槽口榫结构，沿轴向制有相互平行的倒梯形榫槽，A面与B面、C面与D面互为榫卯面，A面和B面中轴沿横向制有半圆形固定槽，A面与B面和C面与D面插接形成阵列式组合，A面与D面和B面与C面插接形成环绕式组合，实现恒载荷拉伸试验装置沿垂直于插接方向的锁紧。

本发明涉及的加载螺母为防松动法兰螺母，能够防止加载螺母在试验过程中发生松动；旋紧加载螺母时，将上夹头的夹持端切削为一对平行面，能够防止加载螺母带动上夹头及与之相连的受试件的扭转。

本发明为保证恒载荷拉伸试验装置的耐蚀性和强韧性，防止异种金属间的电偶腐蚀，在加载弹簧侧面上喷涂有防腐绝缘涂层，在弹珠销钉的外侧套装有绝缘衬套，在受试件的夹持端上套装制有绝缘衬垫，在加载弹簧与加载螺母和加载弹簧与承力框架之间均设置有绝缘垫圈；绝缘衬垫、绝缘衬套和绝缘垫圈为聚四氟乙烯材质。

本发明涉及的恒载荷拉伸试验装置除了加载弹簧为65Mn钢，其余结构件均为钛合金，适用于海洋环境下的长期暴露试验；恒载荷拉伸试验装置整体尺寸为180mm×60mm×25mm，易于携带、拆装和固定。

本发明与现有技术相比，整体尺寸为180mm×60mm×25mm，外形为槽口榫结构，拉伸载荷通过测量加载弹簧的长度变化量根据虎克定律计算得到，其小巧轻便，易于携带、组装和固定，自由插接实现受试件的批量测试，结构紧凑、安全可靠、手动加载方式简便、加载的载荷准确恒定，同时适用于实际海洋环境和实验室模拟条件下金属材料应力腐蚀试验。

附图说明：

图1为本发明的主体结构原理示意图。

图2为本发明的主体结构俯视图。

图3为本发明夹持受试件时的结构原理示意图。

图4为本发明实施例的阵列式插接方式结构原理示意图。

图5为本发明实施例的环绕式插接方式结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1：

本实施例涉及的恒载荷拉伸试验装置的主体结构包括承力框架1、矩形空腔2、圆弧形凹槽3、固定槽4、上夹头5、下夹头6、弹珠销钉7、绝缘衬垫8、绝缘衬套9、受试件10、加载弹簧11、加载螺母12和绝缘垫圈13；包括A、B、C和D四个侧面的承力框架1内制有中空结构的矩形空腔2，矩形空腔2的四个顶点制有能够分散矩形空腔2的四个直角载荷的圆弧形凹槽3，承力框架1的上部横梁内侧的垂直中轴线上制有套装结构的上夹头5，上夹头5的螺纹端穿过承力框架1套装式制有绝缘垫圈13、加载弹簧11和加载螺母12，承力框架1下部横梁内侧的垂直中轴线上制有套装结构的下夹头6，下夹头6的螺纹端固定连接承力框架1，上夹头5和下夹头6的夹持端分别制有U型槽结构，U型槽结构的两侧中央制有绝缘衬垫8，受试件10的两端分别固定在上夹头5和下夹头6上，两个弹珠销钉7与U型槽结构、绝缘衬垫8和受试件10相匹配式串接并实现固定功能；安装矩形截面受试件10时，将套装有绝缘衬垫8的受试件10的夹持端竖向置于上夹头5和下夹头6的夹持端的U型槽结构中，两个套装式结构的绝缘衬套9分别通过弹珠销钉7依次穿过U型槽结构和受试件10夹持端，实现受试件10的上下两端分别与上夹头5和下夹头6的固定连接，防止试验过程中因受试件10断裂造成其脱落丢失。

本实施例涉及的恒载荷拉伸试验装置试验时，先用市售的常规千分尺测量加载弹簧11未受压缩时的原始长度x₀，根据胡克定律F＝k·(x₀-x₁)计算加载弹簧11达到设定载荷F时的长度x₁，其中k为弹簧常数；然后将安装有受试件10的恒载荷拉伸试验装置固定安装在常规的台钳上，用市售的常规套筒扳手缓慢旋紧加载螺母12，使其压缩加载弹簧11产生轴向拉伸载荷，同时用市售的常规千分尺测量加载弹簧11受压后的长度达到x₁时停止旋转加载螺母12，实现恒载荷拉伸试验装置的恒载荷。

本实施例涉及的承力框架1的四个侧面A面、B面、C面和D面为槽口榫结构，沿轴向制有相互平行的倒梯形榫槽，A面与B面、C面与D面互为榫卯面，A面和B面中轴沿横向制有半圆形固定槽4，A面与B面和C面与D面插接形成阵列式组合，A面与D面和B面与C面插接形成环绕式组合，实现恒载荷拉伸试验装置沿垂直于插接方向的锁紧。

本实施例涉及的加载螺母12为防松动法兰螺母，能够防止加载螺母12在试验过程中发生松动；旋紧加载螺母12时，将上夹头5的夹持端切削为一对平行面，能够防止加载螺母12带动上夹头5及与之相连的受试件10的扭转。

本实施例为保证恒载荷拉伸试验装置的耐蚀性和强韧性，防止异种金属间的电偶腐蚀，在加载弹簧11侧面上喷涂有防腐绝缘涂层，在弹珠销钉7的外侧套装有绝缘衬套9，在受试件10的夹持端上套装制有绝缘衬垫8，在加载弹簧11与加载螺母12和加载弹簧11与承力框架1之间均设置有绝缘垫圈13；绝缘衬垫8、绝缘衬套9和绝缘垫圈13为聚四氟乙烯材质。

本实施例涉及的恒载荷拉伸试验装置除了加载弹簧11为65Mn钢，其余结构件均为钛合金，适用于海洋环境下的长期暴露试验；恒载荷拉伸试验装置整体尺寸为180mm×60mm×25mm，易于携带、拆装和固定。

实施例2：

本实施例涉及的单个恒载荷拉伸试验装置在实施例1的基础上增加了固定螺栓14和固定法兰螺母15，在实际海洋环境暴露试验中，按照试验要求和实施例1的加载方式，给设定数量的受试件10加载设定的恒定载荷，将装有相同试验周期受试件10的恒载荷拉伸试验装置以A面对B面的方式插接，装有不同试验周期受试件10的恒载荷拉伸试验装置以C面对D面的方式插接，多个恒载荷拉伸试验装置形成阵列式组合，在各承力框架1相邻A面和B面固定槽4拼合形成的圆孔中穿入固定螺栓14，用固定法兰螺母15紧固固定螺栓14，将组合好的恒载荷拉伸试验装置投放在海水中，实现受试件10实际海洋环境批量化暴露试验；试验周期较长，在矩形空腔2的四个顶点分别制有的圆弧形凹槽3中通过尼龙扎带或U型抱箍对多个恒载荷拉伸试验装置进行二次固定；试验到达预定周期后旋下固定法兰螺母15，拆卸相同试验周期的恒载荷拉伸试验装置，回收受试件10，重新旋紧固定法兰螺母15紧固剩余未达到预定周期的恒载荷拉伸试验装置。

实施例3：

本实施例涉及的单个恒载荷拉伸试验装置与实施例1结构相同，在实验室模拟海洋环境中，按照试验要求和实施例1的加载方式，给设定数量的受试件10加载设定的恒定载荷，恒载荷拉伸试验装置按照A面对D面和B面对C面的方式插接、并按逆时针或顺时针的次序旋转排列，相邻恒载荷拉伸试验装置互成90°直角形成环绕式组合；恒载荷拉伸试验装置数量较多时以A面对B面的方式插接后再进行环绕式组合插接；将插接好的恒载荷拉伸试验装置放置在模拟海洋环境中，实现受试件10实验室模拟海洋环境批量化试验。

本实施例进行电化学测试时，将参比电极和辅助电极环绕在恒载荷拉伸试验装置的矩形空腔2围合的槽中，作为工作电极的受试件10连接电化学工作站的不同通道，通过切换、测量通道实现各受试件10的电化学测试，不必每次更换电极和调整电极位置。

Claims (1)

1.一种恒载荷拉伸试验装置，主体结构包括承力框架、矩形空腔、圆弧形凹槽、固定槽、上夹头、下夹头、弹珠销钉、绝缘衬垫、绝缘衬套、受试件、加载弹簧、加载螺母和绝缘垫圈；包括A、B、C和D四个侧面的承力框架内制有中空结构的矩形空腔，矩形空腔的四个顶点制有能够分散矩形空腔的四个直角载荷的圆弧形凹槽，承力框架的上部横梁内侧的垂直中轴线上制有套装结构的上夹头，上夹头的螺纹端穿过承力框架套装式分别制有绝缘垫圈、加载弹簧和加载螺母，承力框架下部横梁内侧的垂直中轴线上制有套装结构的下夹头，下夹头的螺纹端固定连接承力框架，上夹头和下夹头的夹持端分别制有U型槽结构，U型槽结构的两侧中央制有绝缘衬垫，受试件的两端分别固定在上夹头和下夹头上，两个弹珠销钉与U型槽结构、绝缘衬垫和受试件相匹配式串接并实现固定功能；安装矩形截面受试件时，将套装有绝缘衬垫的受试件的夹持端竖向置于上夹头和下夹头的夹持端的U型槽结构中，两个套装式结构的绝缘衬套分别通过弹珠销钉依次穿过U型槽结构和受试件夹持端，实现受试件的上下两端分别与上夹头和下夹头的固定连接，防止试验过程中因受试件断裂造成其脱落丢失；承力框架的A面、B面、C面和D面四个侧面均为槽口榫结构，沿轴向制有相互平行的倒梯形榫槽，A面与B面、C面与D面互为榫卯面，A面和B面中轴沿横向制有半圆形固定槽，A面与B面和C面与D面插接形成阵列式组合，A面与D面和B面与C面插接形成环绕式组合，实现恒载荷拉伸试验装置沿垂直于插接方向的锁紧；加载螺母为防松动法兰螺母，能够防止加载螺母在试验过程中发生松动；旋紧加载螺母时，将上夹头的夹持端切削为一对平行面，能够防止加载螺母带动上夹头及与之相连的受试件的扭转；

其特征在于恒载荷拉伸试验时，先用市售的常规千分尺测量加载弹簧未受压缩时的原始长度x0，根据胡克定律F＝k·(x0-x1)计算加载弹簧达到设定载荷F时的长度x1，其中k为弹簧常数；然后将安装有受试件的恒载荷拉伸试验装置固定安装在常规的台钳上，用市售的常规套筒扳手缓慢旋紧加载螺母，使其压缩加载弹簧产生轴向拉伸载荷，同时用市售的常规千分尺测量加载弹簧受压后的长度达到x1时停止旋转加载螺母，实现恒载荷拉伸试验装置的恒载荷。