CN106932267A - 一种复合加载模式的材料微观力学性能测试夹持装置 - Google Patents

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CN106932267A CN201710090937.6A CN201710090937A CN106932267A CN 106932267 A CN106932267 A CN 106932267A CN 201710090937 A CN201710090937 A CN 201710090937A CN 106932267 A CN106932267 A CN 106932267A
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蔡权
路家斌
阎秋生
朱奕玮
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Abstract

本发明公开一种复合加载模式的材料微观力学性能测试夹持装置，夹持装置包括可固定于工作台顶面的底座、与底座顶部相连的下连接主轴、与下连接主轴顶部相连的下扇形法兰盘、位于下扇形法兰盘上方且与下扇形法兰盘分离的上扇形法兰盘、与上扇形法兰盘相连的上连接主轴；夹持装置还包括用于夹持试件的夹持结构。相对于现有技术，本发明的复合加载模式的材料微观力学性能测试夹持装置通过上连接主轴与上扇形法兰盘、下连接主轴与下扇形法兰盘的通孔栓接位置变换，以及配用不同夹持方式的试件夹持结构，试验人员即可便捷地完成拉伸断裂、剪切断裂、撕裂断裂、拉伸剪切复合断裂、拉伸撕裂断裂等不同类型的材料断裂性能测试。

Description

一种复合加载模式的材料微观力学性能测试夹持装置
技术领域
本发明涉及材料力学性能测试工装设备领域，特别涉及一种复合加载模式的材料微观力学性能测试夹持装置。
背景技术
在断裂力学中，根据应力与裂纹面的相对取向关系，可将断裂结果分为三种基本的类型，即I型(张开型)、II型(滑开型)以及III型(撕开型)。
I型对应在拉应力的作用下发生的断裂面垂直分离，并且裂纹面的上下表面沿着作用面的方向进行张开，裂纹前缘沿着裂纹面往前进行扩展。在工程上，属于这种断裂形式的有板材的拉断、压力容器的纵向断裂。
II型对应于在裂纹面之间发生垂直于裂纹前缘方向的纵向相对剪切，切应力平行于裂纹面并垂直于裂纹前缘，裂纹前缘沿着裂纹面平行划开扩展。在工程上，属于该类断裂的有板材的冲裁、齿轮或花键的根部扭转断裂。
III型对应于裂纹面之间发生的平行于裂纹前缘方向的相对剪切，裂纹前缘产生沿着裂纹面的撕开扩展。
目前，对于断裂的研究最多的是I型断裂，只需通过缺口的拉伸即可实现I型断裂强度的测定。而对于II型的断裂研究，主要是通过切割成0°角缺口试件，通过拉伸进行测试。
在工程实际应用中，多以I型裂纹破坏为主，所以在断裂力学研究中，I型裂纹占据了比较大的比例。但是，工程实际应用中，结构部件的受力方式是非常复杂的，如果以单一的断裂形式进行讨论断裂的结构，容易造成较大的结果偏差。
因此，对于复合型裂纹的测试，需要配备简易并且可靠的试验工装设备，以对试件进行完整并且系统的力学性能测试，以保证试验结构的准确性。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种结构简单、使用可靠的复合加载模式的材料微观力学性能测试夹持装置，旨在对试件进行完整并且系统的力学性能测试，以保证试验结构的准确性。
为实现上述目的，本发明提出一种复合加载模式的材料微观力学性能测试夹持装置，所述夹持装置包括可固定于工作台顶面的底座、与所述底座顶部相连的下连接主轴、与所述下连接主轴顶部相连的下扇形法兰盘、位于所述下扇形法兰盘上方且与所述下扇形法兰盘分离的上扇形法兰盘、与所述上扇形法兰盘相连的上连接主轴；所述夹持装置还包括用于夹持试件的夹持结构。
优选地，所述夹持结构包括用于夹持试件一端并固定于下扇形法兰盘扇形侧面的下固定块、用于夹持试件另一端并固定于上扇形法兰盘扇形侧面的上固定块，所述下固定块和所述上固定块呈上下对称设置。
优选地，所述夹持结构包括固定于下扇形法兰盘扇形侧面的下L型固定块、与所述下L型固定块一端相连并可夹紧试件一端的下夹紧块、固定于上扇形法兰盘扇形侧面的上L型固定块、与所述上L型固定块一端相连并可夹紧试件另一端的上夹紧块，所述下L型固定块与所述上L型固定块为中心对称且侧面边沿平齐。
优选地，所述下扇形法兰盘和所述上扇形法兰盘均设有若干沿着弧形边沿排布的通孔，所述下连接主轴顶部可与所述下扇形法兰盘的所述通孔、所述上连接主轴底部可与所述上扇形法兰盘的所述通孔栓接相连。
优选地，最接近所述下扇形法兰盘或所述上扇形法兰盘的直线边沿的两个所述通孔分别与法兰盘的圆弧中心连线相互垂直。
优选地，所述下固定块与所述下扇形法兰盘共同夹持试件的相对侧面、所述上固定块与所述上扇形法兰盘共同夹持试件的相对侧面、所述下夹紧块与所述下L型固定块共同夹持试件的相对侧面、所述上夹紧块与所述上L型固定块共同夹持试件的相对侧面均设有滚花。
优选地，所述下固定块与所述下扇形法兰盘共同夹持试件的相对侧面、所述上固定块与所述上扇形法兰盘共同夹持试件的相对侧面、所述下夹紧块与所述下L型固定块共同夹持试件的相对侧面、所述上夹紧块与所述上L型固定块共同夹持试件的相对侧面均设有用于夹紧试件的微型锯齿。
优选地，所述下固定块与所述下扇形法兰盘、所述上固定块与所述上扇形法兰盘、所述下夹紧块与所述下L型固定块、所述上夹紧块与所述上L型固定块、所述上L型固定块与所述上扇形法兰盘、所述下L型固定块与所述下扇形法兰盘均以栓接相连。
本发明技术方案的复合加载模式的材料微观力学性能测试夹持装置包括可固定于工作台顶面的底座、与底座顶部相连的下连接主轴、与下连接主轴顶部相连的下扇形法兰盘、位于下扇形法兰盘上方且与下扇形法兰盘分离的上扇形法兰盘、与上扇形法兰盘相连的上连接主轴以及用于夹持试件的夹持结构。
相对于现有技术，本发明的复合加载模式的材料微观力学性能测试夹持装置通过上连接主轴与上扇形法兰盘、下连接主轴与下扇形法兰盘的通孔栓接位置变换，以及配用不同夹持方式的试件夹持结构，试验人员即可便捷地完成拉伸断裂、剪切断裂、撕裂断裂、拉伸剪切复合断裂、拉伸撕裂断裂等不同类型的材料断裂性能测试。另外，本发明的夹持装置对试件的夹持位置设有滚花或者锯齿结构，可增大对试件夹持后的内摩擦力，从而保证试验的安全以及数据可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例1的夹持装置的立体结构示意图；
图2为本发明实施例3的夹持结构的立体结构示意图；
图3为本发明实施例1的夹持装置的拉伸断裂试验结构示意图；
图4为本发明实施例1的夹持装置的剪切断裂试验结构示意图；
图5为本发明实施例1的夹持装置的拉伸剪切复合断裂试验结构示意图；
图6为本发明实施例3的夹持装置的撕裂断裂试验结构示意图；
图7为本发明实施例3的夹持装置的拉伸断裂试验结构示意图；
图8为本发明实施例3的夹持装置的拉伸撕裂复合断裂试验结构示意图。
附图标号说明：
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种复合加载模式的材料微观力学性能测试夹持装置。
实施例1
参见图1，本发明实施例1中，夹持装置包括可固定安装于工作台顶面的底座1、与底座1顶部相连的下连接主轴2、与下连接主轴2顶部相连的下扇形法兰盘3、位于下扇形法兰盘3上方并与下扇形法兰盘3分离的上扇形法兰盘4、与上扇形法兰盘4相连的上连接主轴5，本发明实施例中的夹持装置还包括用于夹持试件13的夹持结构。
本发明实施例中的夹持结构包括用于夹持试件13一端并固定于下扇形法兰盘3扇形侧面的下固定块7、用于夹持试件13另一端并固定于上扇形法兰盘4扇形侧面的上固定块8，下固定块7和上固定块8为上下对称设置。
参见图3至图5，本发明实施例中的下扇形法兰盘3和上扇形法兰盘4均为外形呈扇形结构，并且两者均设有若干沿着弧形边沿排布设置的通孔6，下扇形法兰盘3设有的通孔6包括A、B、C、D、E、F、G共7个通孔，而上扇形法兰盘4相应地设有的通孔6包括A1、B1、C1、D1、E1、F1、G1共7个通孔。为了实现本发明实施例中的夹持装置对试件13进行拉伸断裂、剪切断裂、拉伸与剪切复合断裂的效果，下扇形法兰盘3和上扇形法兰盘4为中心对称结构设置。本实施例的夹持装置中，上连接主轴5和下连接主轴2的中心轴线重合，为了使得试件13在试验过程中受到作用力方向和上连接主轴5与下连接主轴2的中心轴线重合，因此下扇形法兰盘3的通孔6与上扇形法兰盘4的通孔6应该也为中心对称设置，即A-A1、B-B1、C-C1、D-D1、E-E1、F-F1、G-G1为相互一一对应的关系。
参见图3至图5，本发明实施例中，下扇形法兰盘3和上扇形法兰盘4设有的通孔6，最接近下扇形法兰盘3的直线边沿的两个通孔A和G分别与下扇形法兰盘圆弧中心O的连线为相互垂直，而最接近上扇形法兰盘的直线边沿的两个通孔A1和G1分别与下扇形法兰盘圆弧中心O1的连线为相互垂直，这是为了后续对试件进行相应的拉伸、剪切、拉伸和剪切复合试验时，比较容易进行相应位置调整。具体地，即下扇形法兰盘3的通孔A与圆弧中心O的连线A-O和通孔G与侧面圆弧中心O的连线G-O为相互垂直，对应地，上扇形法兰盘4的通孔A1与侧面圆弧中心O1的连线A1-O1和通孔G1与侧面圆弧中心O1的连线G1-O1也为相互垂直。
本发明实施例中，下固定块7与下扇形法兰盘3共同夹持试件13的相对侧面、上固定块8与上扇形法兰盘4共同夹持试件13的相对侧面均设有滚花结构，以上结构相对表面均设有滚花结构可提高部件与试件13夹持固定之间内摩擦力，以避免试件13在试验过程中脱落而造成试验结果不准确。
本发明实施例中，下连接主轴2上部与下扇形法兰盘3、上连接主轴5下部与上扇形法兰盘4、下固定块7与下扇形法兰盘3、上固定块8与上扇形法兰盘4均以栓接相连。
本发明实施例复合加载模式的材料微观力学性能测试夹持装置的工作原理：
参见图3，为了对试件13进行拉伸断裂的试验，首先将下固定块7通过栓接形式固定于下扇形法兰盘3的扇形侧面中部，从而将试件13的一端夹紧并固定，将上固定块8通过栓接形式固定于上扇形法兰盘4的扇形侧面中部，从而将试件13的另一端夹紧并固定，使得试件13呈垂直被夹持。然后将下连接主轴2的上端与下扇形法兰盘3的通孔A栓接固定相连，将上连接主轴5的下端与上扇形法兰盘4的通孔A1栓接固定相连。最后将上连接主轴5的上端与外接的万能试验机的垂直拉伸轴端部相连，从而使得上连接主轴5获得向上抬升作用力。因为下固定块7和上固定块8位置为上下对称设置，通孔A中心与通孔A1中心相连的直线与上连接主轴5和下连接主轴2受到的向上抬升作用力方向重合，试件的13中部受到大小相同方向相反的向上拉力N1以及向下拉力N1’，因此试件13中部产生相应的拉伸断裂。
参见图4，为了对试件13进行剪切断裂试验，首先通过下固定块7将试件13的一端固定于下扇形法兰盘3中部，通过上固定块8将试件13的另一端固定于上扇形法兰盘4中部。然后将下连接主轴2的上端与下扇形法兰盘3的通孔G栓接相连，将上连接主轴5的下端与上扇形法兰盘4的通孔G1栓接相连。因为上连接主轴5的上端与万能试验机的垂直拉伸轴端部相连，并且上连接主轴5与下连接主轴2的中心轴线相互重合且均垂直于工作台面。而试件13被固定的两端相连的轴线和上连接主轴5与下连接主轴2的中心轴线相互垂直，因此试件在进行剪切试验时，试件13左半部分受到向下作用力N2’，试件13的右半部分受到向上作用力N2，其中N2和N2’的大小相同方向相反，向下作用力N2’和向上作用力N2共同对试件13施以剪切作用效果，最终使得试件13发生剪切断裂。
参见图5，为了对试件13进行拉伸剪切复合断裂试验，首先通过下固定块7将试件13的一端固定于下扇形法兰盘3中部，通过上固定块8将试件13的另一端固定于上扇形法兰盘4中部。然后将下连接主轴2的上端与下扇形法兰盘3的通孔B、C、D、E、F中任一一个通孔6栓接相连，将上连接主轴5的下端与上扇形法兰盘4的通孔B1、C1、D1、E1、F1中任一一个通孔6栓接相连，其中通孔B、通孔C、通孔D、通孔E、通孔F分别与通孔B1、通孔C1、通孔D1、通孔E1、通孔F1一一对应，即下连接主轴2上端与通孔D栓接相连，上连接主轴5下端必须与通孔D1相连。因为试件13被固定两端相连的轴线和上连接主轴5与下连接主轴2的向上和向下作用力方向不相互垂直且不相互重合，将试件13右上方部分受到向上作用力正交分解为作用力N3和N4，试件13左下方部分受到向下作用力正交分解为作用力N3’和N4’，其中作用力N4和N4’共同对试件13实现剪切断裂，作用力N3和N3’共同对试件13实现拉伸断裂，最终使得试件13产生拉伸剪切复合断裂。
参见图3至图5，通过三种连接方式，试验人员只需通过调整下连接主轴2和下扇形法兰盘3连接位置并配合调整上连接主轴5和上扇形法兰盘4连接位置，从而可方便对试件13施以相应作用力，最终对试件13实现简便且可靠的拉伸断裂、剪切断裂、拉伸剪切复合断裂的试验。
另外，试验人员可加载高速摄像仪等观察设备进行动态观察，或加载扫描电子显微镜等设备进行在线检测，以满足不同的材料性能测试。
实施例2
本实施例除以下特征外与实施例1相同：所述下固定块与所述下扇形法兰盘共同夹持试件的相对侧面、所述上固定块与所述上扇形法兰盘共同夹持试件的相对侧面均设有微型锯齿结构。
本实施例通过设置微型锯齿结构，可提高下固定块和下扇形法兰盘共同夹持固定试件的一端、以及上固定块和上扇形法兰盘共同夹持固定试件另一端的作用效果，防止试件在试验过程中松脱而影响实际试验结果。
实施例3
本实施例除以下特征外与实施例1相同：
参见图2，所述夹持结构包括固定于下扇形法兰盘3扇形侧面的下L型固定块9、与所述下L型固定块9一端相连并可夹紧试件13一端的下夹紧块10、固定于上扇形法兰盘4扇形侧面的上L型固定块12、与所述上L型固定块12一端相连并可夹紧试件13另一端的上夹紧块11，所述下L型固定块9与所述上L型固定块12为中心对称且侧面边沿平齐。
参见图6至图8，所述下夹紧块10与所述下L型固定块9共同夹持试件13的相对侧面、所述上夹紧块11与所述上L型固定块12共同夹持试件13的相对侧面均设有滚花结构。所述下夹紧块10与所述下L型固定块9、所述上夹紧块11与所述上L型固定块12均以栓接相连。
本发明实施例复合加载模式的材料微观力学性能测试夹持装置的工作原理：
参见图6至图8，首先将下L型固定块9通过栓接固定于下扇形法兰盘3扇形侧面中部，将上L型固定块12通过栓接固定于上扇形法兰盘4扇形侧面中部。然后通过下夹紧块10将试件13一端夹紧并固定于下L型固定块9的一端，通过上夹紧块11将试件13另一端夹紧并固定于上L型固定块12的一端。因为下L型固定块9与上L型固定块12为中心对称且侧面边沿平齐，因此试件13被夹紧固定后呈水平方向设置。
参见图6，为了对试件13进行撕裂断裂试验，将下连接主轴2的上端与下扇形法兰盘3的通孔A栓接相连，将上连接主轴5的下端与上扇形法兰盘4的通孔A1栓接相连。当万能试验机的垂直拉伸轴对上连接主轴5施以向上作用力时，下L型固定块9和下夹紧块10对试件13右半部施以向下作用力，而上L型固定块12和上夹紧块11对试件13左半部施以向上作用力，从而使得试件13的左右两半部分受到大小相同方向相反的向上作用力N5和向下作用力N5’，从而使得试件13发生撕裂断裂现象。
参见图7，为了对试件13进行拉伸断裂试验，将下连接主轴2的上端与下扇形法兰盘3的通孔G栓接相连，将上连接主轴5的下端与上扇形法兰盘4的通孔G1栓接相连。当万能试验机的垂直拉伸轴对上连接主轴5施以向上作用力时，上L型固定块12与上夹紧块11夹紧试件13一端作用点，和下L型固定块9与下夹紧块10夹紧试件13另一端作用点之间连线，与上连接主轴5和下连接主轴2作用力轴线相互重合，试件13上部分结构受到向上作用力N6，试件13下部分结构受到向下作用力N6’，使得试件13在中部发生拉伸断裂现象。
参见图8，为了对试件13进行撕裂拉伸断裂复合试验，将下连接主轴2的上端与下扇形法兰盘3的通孔B、C、D、E、F中任一一个通孔6栓接相连，将上连接主轴5的下端与上扇形法兰盘4的通孔B1、C1、D1、E1、F1中任一一个通孔6栓接相连，其中通孔B、通孔C、通孔D、通孔E、通孔F 分别与通孔B1、通孔C1、通孔D1、通孔E1、通孔F1一一对应，即下连接主轴2上端与通孔D相连，上连接主轴5下端必须与通孔D1相连。因为试件13被固定的两端相连轴线和上连接主轴5与下连接主轴2的作用力方向不相互垂直且不相互重合，因此试件13左上半部分受到向上作用力，试件13另一半部分结构则受到向下作用力，而试件13左上部分受到的向上作用力可正交分解作用力N7和N8，而试件13右下部分受到向下作用力可正交分解为作用力N7’和N8’，作用力N7和作用力N7’大小相同方向相反，共同对试件13实现撕裂断裂，作用力N8和作用力N8’大小相同方向相反，共同对试件13实现拉伸断裂，最终使得试件13发生撕裂和拉伸复合断裂。
参见图6至图8，通过三种连接方式，试验人员只需通过调整下连接主轴2和下扇形法兰盘3连接位置并配合调整上连接主轴5和上扇形法兰盘4连接位置，从而可方便对试件13施以相应作用力，最终对试件13简便且可靠地发生拉伸断裂、撕裂断裂、拉伸和撕裂复合断裂，以便于进行试验。
另外，试验人员可加载高速摄像仪等观察设备进行动态观察，或加载扫描电子显微镜等设备进行在线检测，以满足不同的材料性能测试。
实施例4
本实施例除以下特征外与实施例3相同：
所述下夹紧块与所述下L型固定块共同夹持试件的相对侧面、所述上夹紧块与所述上L型固定块共同夹持试件的相对侧面均设有微型锯齿结构。
本实施例通过设置微型锯齿结构，可提高下夹紧块与下L型固定块共同夹持试件的一端、以及上夹紧块与上L型固定块共同夹持试件另一端的作用效果，防止试件在试验过程中松脱而影响实际试验结果。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种复合加载模式的材料微观力学性能测试夹持装置，其特征在于，所述夹持装置包括可固定于工作台顶面的底座、与所述底座顶部相连的下连接主轴、与所述下连接主轴顶部相连的下扇形法兰盘、位于所述下扇形法兰盘上方且与所述下扇形法兰盘分离的上扇形法兰盘、与所述上扇形法兰盘相连的上连接主轴；所述夹持装置还包括用于夹持试件的夹持结构。
2.如权利要求1所述的夹持装置，其特征在于，所述夹持结构包括用于夹持试件一端并固定于下扇形法兰盘扇形侧面的下固定块、用于夹持试件另一端并固定于上扇形法兰盘扇形侧面的上固定块，所述下固定块和所述上固定块呈上下对称设置。
3.如权利要求1所述的夹持装置，其特征在于，所述夹持结构包括固定于下扇形法兰盘扇形侧面的下L型固定块、与所述下L型固定块一端相连并可夹紧试件一端的下夹紧块、固定于上扇形法兰盘扇形侧面的上L型固定块、与所述上L型固定块一端相连并可夹紧试件另一端的上夹紧块，所述下L型固定块与所述上L型固定块为中心对称且侧面边沿平齐。
4.如权利要求2或3所述的夹持装置，其特征在于，所述下扇形法兰盘和所述上扇形法兰盘均设有若干沿着弧形边沿排布的通孔，所述下连接主轴顶部可与所述下扇形法兰盘的所述通孔、所述上连接主轴底部可与所述上扇形法兰盘的所述通孔栓接相连。
5.如权利要求4所述的夹持装置，其特征在于，最接近所述下扇形法兰盘或所述上扇形法兰盘的直线边沿的两个所述通孔分别与法兰盘的圆弧中心连线相互垂直。
6.如权利要求5所述的夹持装置，其特征在于，所述下固定块与所述下扇形法兰盘共同夹持试件的相对侧面、所述上固定块与所述上扇形法兰盘共同夹持试件的相对侧面、所述下夹紧块与所述下L型固定块共同夹持试件的相对侧面、所述上夹紧块与所述上L型固定块共同夹持试件的相对侧面均设有滚花。
7.如权利要求5所述的夹持装置，其特征在于，所述下固定块与所述下扇形法兰盘共同夹持试件的相对侧面、所述上固定块与所述上扇形法兰盘共同夹持试件的相对侧面、所述下夹紧块与所述下L型固定块共同夹持试件的相对侧面、所述上夹紧块与所述上L型固定块共同夹持试件的相对侧面均设有用于夹紧试件的微型锯齿。
8.如权利要求5所述的夹持装置，其特征在于，所述下固定块与所述下扇形法兰盘、所述上固定块与所述上扇形法兰盘、所述下夹紧块与所述下L型固定块、所述上夹紧块与所述上L型固定块、所述上L型固定块与所述上扇形法兰盘、所述下L型固定块与所述下扇形法兰盘均以栓接相连。
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