CN108344645A - 一种高温弯曲试验挠度测量装置及测量方法 - Google Patents

一种高温弯曲试验挠度测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高温弯曲试验挠度测量装置及测量方法，环境箱内设置有三点或四点弯曲夹具，通过测量引伸杆和Z型架将被测试样的挠度传递给环境箱外部的位移传感器。弯曲夹具包括第一压杆组件和能够相对第一压杆组件运动的第二压杆组件，两组件的轴线重合；第一压杆组件的端部设置有用于支撑试样的测试端点的第一压辊和第二压辊；第二压杆组件上设置有用于向试样施加压力的上压辊。上述装置免去对光学测量系统依赖，在使用位移传感器时又避免了其与高温部件的直接接触，有效保证了高温弯曲试验挠度测量的准确性和可靠性。

Description

一种高温弯曲试验挠度测量装置及测量方法
技术领域
本发明公开了一种适用于在不超过1000℃的高温条件下实现材料弯曲试验并进行挠度测量的试验系统，属于涉及材料性能测试技术领域。
背景技术
弯曲试验是材料力学性能测试的重要手段，挠度是弯曲试验的核心测量参数之一，在常温弯曲试验中，通常将位移传感装置与试样直接抵接，对试样弯曲挠度进行测量。但是在航空航天相关材料研发中，一些材料的弯曲试验需要在高温(室温～1000℃)环境进行，此时位移传感器无法靠近高温试样，不能对试样的弯曲挠度进行有效的测量。目前高温弯曲试验挠度测量多用非接触式的激光图像法，该方法对高温炉体开窗有一定要求，对适配各类常见环境箱存在一定问题，往往需要定制特殊环境箱体，增加成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于高温(室温～1000℃)弯曲试验的非光学挠度测试装置，解决利用位移传感器测量高温弯曲试件挠度的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了适用于高温环境的弯曲挠度测试装置，包括环境箱，该环境箱内设置有三点或四点弯曲夹具；
所述弯曲夹具的结构为：夹具包括第一压杆组件14和能够相对第一压杆组件运动的第二压杆组件15，且第一压杆组件的轴心与第二压杆组件的轴心重合；弯曲夹具通过测量引伸杆9和Z型架10将试样1的变形量传递给环境箱外部的位移传感器13。
所述第一压杆组件14包括下夹具基座8、第一连杆6、压辊基座4、第一压辊2和第二压辊3；第一连杆6与下夹具基座8连接；压辊基座4设置在第一连杆6上；第一压辊2和第二压辊3设置在压辊基座4上；
所述第一压辊2和第二压辊3均为5/16圆柱体与长方体的组合形状，底部开槽与压辊基座4相配合，用于支撑弯曲试样1；第一压辊2和第二压辊3均垂直于压辊基座4，第一压辊2和第二压辊3对称设置在压辊基座4的两侧；
所述压辊基座4上部为长方体形状，下部收敛为空心圆柱形接口，与第一连杆6固定连接，所述压辊基座4中心留有贯通圆孔，供测量引伸杆9通过；
所述第一连杆6为圆柱杆件，中心留有贯通圆孔，供测量引伸杆9通过；
所述下夹具基座8底部为带孔圆环，与试验机底座通过法兰连接，圆环上有“门”型框架为第一连杆6提供支撑，并为测量引伸杆9和Z型架10的安装提供空间，“门”型框架中部设置向外侧凸出的U型结构，为位移传感器13提供固定支架，在下夹具基座8的顶端加工有螺纹孔，与第一连杆6螺纹连接，并在顶端设置两个向外侧凸出的圆柱杆，用于为Z型架10的上下运动提供定位。
所述第二压杆组件15包括第二连杆7和上压头5；第二连杆7与试验机横梁上的作动器连接，第二连杆7设置在上压头5上；上压头5用于向试样施加载荷；
所述第二连杆7为圆柱杆件，上端设置有用于冷却的水冷装置；
所述上压头5上部为圆柱形状，与第二连杆7固定连接，中部为长方体，下部为两个半圆形压辊，上压头5上的两个半圆形压辊和第一压辊2、第二压辊3之间互相平行；
所述第一压杆组件14内部设置有测量引伸杆9，为细长杆形状，测量引伸杆9的一端用于与试样1中心位置相抵接，测量引伸杆9的另一端连接至Z型架10和引伸杆基座12。
所述Z型架10通过顶丝固定在测量引伸杆9上，且在温度箱外部与位移传感器13相抵接。
所述Z型架10与引伸杆基座12之间设置有弹簧11，以保证测量引伸杆上端与试样中心时刻紧密抵接。
所述引伸杆基座12底部为带孔圆环，与试验机底座螺钉连接，圆环上有“门”型框架为测量引伸杆9运动提供定位，引伸杆基座12上端为圆柱状，中间有贯通圆孔，圆孔直径略大于测量引伸杆9的直径，略小于弹簧11中心直径。
本发明还公开了一种使用上述试验夹具的试验方法，包括以下步骤：
第一步，按照前述说明及图1所示适用于高温弯曲试验的挠度测试装置的整体结构示意图正确安装第一压杆组件14、第二压杆组件15、测量引伸干9、Z型架10、弹簧11、引伸杆基座12和位移传感器13，根据试样尺寸与实验方案确定上压头5的两个半圆形压辊中心线间距离，并设置第一压辊2和第二压辊3之间距离；
第二步，将第一压杆组件14与试验机底座通过法兰连接，将第二压杆组件15与电子万能拉伸试验机主机横梁上的作动器可以通过销钉与拉紧螺母连接；
第三步，测量试样1的实际尺寸，将试样1居中放置在第一压辊2和第二压辊3上面；
第四步，启动试验机，通过试验机作动器调整第一压杆组件14位置，使上压头5的两个半圆形压辊与试样1平稳接触；
第五步，启动环境箱，调节环境箱温度至目标试验温度(室温至1000℃之间，依据具体实验目的设定)；
第六步，设置试验机压下速率在0.1mm\min至0.5mm\min之间(根据具体试样材料选择)，开始试验，记录试验机载荷和位移传感器13采集的位移数据，直至试样1发生破坏失去承载能力，停止试验机压缩；
第七步，根据测试数据计算获得材料的弯曲性能参数；
第八步，关闭电子万能拉伸试验机，测试结束。
本发明优点及功效在于：上述高温弯曲试验挠度测量装置通过设置测量引伸杆，将测量引伸杆通过弹簧与引伸杆基座连接，保证引伸杆上端时刻与试样相抵接，同时在测量引伸杆上连接Z型架，将试样挠度传递至环境箱外面的位移传感器，实现对试样弯曲挠度的测量。该装置原理简单，使用位移传感器在环境箱外部采集挠度信息，有效保证了挠度信息的准确性和可靠性，非光学测量方法适配于各类环境箱，有效降低了试验建设成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的适用于高温弯曲试验的挠度测试装置的整体结构示意图(未示出环境箱)。
图2为本发明实施例提供的适用于高温弯曲试验的挠度测试装置的主视结构示意图(未示出环境箱)。
图3为本发明实施例提供的适用于高温弯曲试验的挠度测试装置的左视结构的示意图。
图4为本发明零件试样示意图。
图5为本发明零件第一压辊和第二压辊示意图。
图6为本发明零件压辊基座示意图。
图7为本发明零件上压头示意图。
图8为本发明零件第一连杆示意图。
图9为本发明零件第二连杆示意图。
图10为本发明零件下夹具基座示意图。
图11为本发明零件Z型架示意图。
图12为本发明零件引伸杆基座示意图。
图中标号说明如下：
1-试样、2-第一压辊、3-第二压辊、4-压辊基座、5-上压头、6-第一连杆、
7-第二连杆、8-下夹具基座、9-测量引伸杆、10-Z型架、11-弹簧、
12-引伸杆基座、13-位移传感器、14-第一压杆组件、15-第二压杆组件。
具体实施方式
下面结合附图中一个具体案例对本发明进一步详细说明。
如图1-图3所示，包括用于给试样1提供高温环境的环境箱，环境箱内设置有弯曲夹具，弯曲夹具通过测量引伸杆9和Z型架10将试样的变形量传递给环境箱外部的位移传感器13。
弯曲夹具包括第一压杆组件14和第二压杆组件15，该第二压杆组件15能够相对第一压杆组件14运动，且第一压杆组件14的轴心与第二压杆组件15的轴心重合。第二压杆组件与试验机横梁的作动器连接，通过升降作动器带动第二压杆组件相对第一压杆组件运动。
所述第一压杆组件14包括下夹具基座8、第一连杆6、压辊基座4、第一压辊2和第二压辊3；第一连杆6与下夹具基座8连接；压辊基座4设置在第一连杆6上；第一压辊2和第二压辊3设置在压辊基座4上；
所述第一压辊2和第二压辊3均为5/16圆柱体与长方体的组合形状，底部开槽与压辊基座4相配合，用于支撑弯曲试样1；第一压辊2和第二压辊3均垂直于压辊基座4，第一压辊2和第二压辊3对称设置在压辊基座4的两侧；
所述压辊基座4上部为长方体形状，下部收敛为空心圆柱形接口，与第一连杆6固定连接，所述压辊基座4中心留有贯通圆孔，供测量引伸杆9通过；
所述第一连杆6为圆柱杆件，中心留有贯通圆孔，供测量引伸杆9通过；
所述下夹具基座8底部为带孔圆环，与试验机底座通过法兰连接，圆环上有“门”型框架为第一连杆6提供支撑，“门”型框架中部设置向外侧凸出的U型结构，为位移传感器13提供固定支架，在下夹具基座8的顶端加工有螺纹孔，与第一连杆6螺纹连接，并在顶端设置两个向外侧凸出的圆柱杆，用于为Z型架10的上下运动提供定位。
所述第二压杆组件15包括第二连杆7和上压头5；第二连杆7与试验机横梁上的作动器连接，第二连杆7设置在上压头5上；上压头5用于向试样施加压力；
所述第二连杆7为圆柱杆件，上端设置有用于冷却的水冷装置；
所述上压头5上部为圆柱形状，与第二连杆7固定连接，中部为长方体，下部为两个半圆形压辊，上压头5上的两个半圆形压辊和第一压辊2、第二压辊3之间互相平行；
在进一步的实施方案中，上述测量引伸杆9设置在第一压杆组件的内部，且测量引伸杆9的一端用于与试样1中心位置相抵接，另一端连接至Z型架与引伸杆基座，从而将试样的挠度通过Z型架传递至位移传感器13。
所述Z型架10通过顶丝固定在测量引伸杆9上，且在温度箱外部与位移传感器13相抵接。
所述Z型架10与引伸杆基座12之间设置有弹簧11，以保证测量引伸杆上端与试样中心时刻紧密抵接。
所述引伸杆基座12底部为带孔圆环，与试验机底座通过螺栓连接，圆环上有“门”型框架为测量引伸杆9运动提供定位，引伸杆基座12上端为圆柱状，中间有贯通圆孔，圆孔直径略大于测量引伸杆9的直径，略小于弹簧11中心直径。
应当指出，上述测量引伸杆设置在第一压杆组件的内部仅仅是本发明实施例的一种举例，还可以是设置在第一压杆组件的外部，只是本发明优选采用设置在第一压杆内部的方式，这样更加节省空间，操作便捷。
在一些具体的实施方式中，上述第二压杆组件与试验机横梁上的作动器可以通过销钉连接。当然也可以是本领域技术人员常用的其他连接方式，比如螺纹连接等等。
本发明还公开了一种使用上述试验夹具的试验方法，包括以下步骤：
第一步，按照前述说明及图1所示适用于高温弯曲试验的挠度测试装置的整体结构示意图正确安装第一压杆组件14、第二压杆组件15、测量引伸干9、Z型架10、弹簧11、引伸杆基座12和位移传感器13；其中第一压辊2和第二压辊3之间距离设置为L，上压头5的两个半圆形压辊中心线距离设置为1/3L；
第二步，将第一压杆组件14与电子万能拉伸试验机底座通过法兰连接，将第二压杆组件15与电子万能拉伸试验机主机横梁上的作动器可以通过销钉连接；
第三步，测量试样1的实际几何参数，例如，宽度为W，厚度为H，将试样1居中放置在第一压辊2和第二压辊3上面；
第四步，启动电子万能拉伸试验机，通过试验机作动器调整第一压杆组件14位置，使上压头5的两个半圆形压辊与试样1平稳接触；
第五步，启动环境箱，通过环境箱调节试样温度至800℃；
第六步，设置电子万能拉伸试验机压下速率为0.2mm/min，开始试验，记录试验机压力和位移传感器13采集的位移数据，直至试样1发生破坏失去承载能力，停止电子万能拉伸试验机压缩。
第七步，由记录数据获得电子万能试验机在1/3四点弯曲测试过程中最大压力为Pfs，其中线性阶段最大压力为F，达到压力F的时候试样挠度为δ，计算得到该试样弯曲刚度D为
第八步，关闭电子万能拉伸试验机，测试结束。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种高温弯曲试验挠度测量装置，包括环境箱，该环境箱内设置有三点或四点弯曲夹具；其特征在于：
所述弯曲夹具的结构为：弯曲夹具包括第一压杆组件和能够相对第一压杆组件运动的第二压杆组件，且第一压杆组件的轴心与第二压杆组件的轴心重合；弯曲夹具通过测量引伸杆和Z型架将试样的变形量传递给环境箱外部的位移传感器；
所述第一压杆组件包括下夹具基座、第一连杆、压辊基座、第一压辊和第二压辊；第一连杆与下夹具基座连接；压辊基座设置在第一连杆上；第一压辊和第二压辊设置在压辊基座上；
所述第一压辊和第二压辊均为5/16圆柱体与长方体的组合形状，底部开槽与压辊基座相配合，用于支撑弯曲试样；第一压辊和第二压辊均垂直于压辊基座，第一压辊和第二压辊对称设置在压辊基座的两侧；
所述压辊基座上部为长方体形状，下部收敛为空心圆柱形接口，与第一连杆固定连接，所述压辊基座中心留有贯通圆孔，供测量引伸杆通过；
所述第一连杆为圆柱杆件，中心留有贯通圆孔，供测量引伸杆通过；
所述下夹具基座底部为带孔圆环，与试验机底座通过法兰连接，圆环上有“门”型框架为第一连杆提供支撑，并为测量引伸杆和Z型架的安装提供空间，
所述第二压杆组件包括第二连杆和上压头；第二连杆与试验机横梁上的作动器连接，第二连杆设置在上压头上；上压头用于向试样施加载荷；
所述第二连杆为圆柱杆件，上端设置有用于冷却的水冷装置；
所述上压头上部为圆柱形状，与第二连杆固定连接，中部为长方体，下部为两个半圆形压辊，上压头上的两个半圆形压辊和第一压辊、第二压辊之间互相平行；
所述第一压杆组件内部设置有测量引伸杆，为细长杆形状，测量引伸杆的一端用于与试样中心位置相抵接，测量引伸杆的另一端连接至Z型架和引伸杆基座；
所述Z型架通过顶丝固定在测量引伸杆上，且在温度箱外部与位移传感器相抵接；
所述引伸杆基座底部为带孔圆环，与试验机底座螺钉连接，圆环上有“门”型框架为测量引伸杆运动提供定位，引伸杆基座上端为圆柱状，中间有贯通圆孔，圆孔直径大于测量引伸杆的直径，小于弹簧中心直径。
2.根据权利要求1所述的一种高温弯曲试验挠度测量装置，其特征在于：“门”型框架中部设置向外侧凸出的U型结构，为位移传感器提供固定支架，在下夹具基座的顶端加工有螺纹孔，与第一连杆螺纹连接，并在顶端设置两个向外侧凸出的圆柱杆，用于为Z型架的上下运动提供定位。
3.根据权利要求1所述的一种高温弯曲试验挠度测量装置，其特征在于：所述Z型架与引伸杆基座之间设置有弹簧，以保证测量引伸杆上端与试样中心时刻紧密抵接。
4.一种根据权利要求1所述的高温弯曲试验挠度测量装置的试验方法，其特征在于：
第一步，安装第一压杆组件、第二压杆组件、测量引伸干、Z型架、弹簧、引伸杆基座和位移传感器，根据试样尺寸与实验方案确定上压头的两个半圆形压辊中心线间距离，并设置第一压辊和第二压辊之间距离；
第二步，将第一压杆组件与试验机底座通过法兰连接，将第二压杆组件与电子万能拉伸试验机主机横梁上的作动器通过销钉与拉紧螺母连接；
第三步，测量试样的实际尺寸，将试样居中放置在第一压辊和第二压辊上面；
第四步，启动试验机，通过试验机作动器调整第一压杆组件位置，使上压头的两个半圆形压辊与试样平稳接触；
第五步，启动环境箱，调节环境箱温度至目标试验温度；
第六步，设置试验机压下速率，开始试验，记录试验机载荷和位移传感器采集的位移数据，直至试样发生破坏失去承载能力，停止试验机压缩；
第七步，根据测试数据计算获得材料的弯曲性能参数；
第八步，关闭电子万能拉伸试验机，测试结束。
5.根据权利要求4所述的一种高温弯曲试验挠度测量装置的试验方法，其特征在于：实验温度为室温至1000℃之间。
6.根据权利要求4所述的一种高温弯曲试验挠度测量装置的试验方法，其特征在于：试验机压下速率在0.1mm\min至0.5mm\min之间。
7.根据权利要求4所述的一种高温弯曲试验挠度测量装置的试验方法，其特征在于：第一压辊和第二压辊之间距离设置为L，上压头的两个半圆形压辊中心线距离设置为1/3L。
8.根据权利要求4所述的一种高温弯曲试验挠度测量装置的试验方法，其特征在于：计算获得材料的弯曲性能公式为：
其中，试样弯曲刚度为D，测试过程中最大压力为Pfs，线性阶段最大压力为F，达到F的时候试样挠度为δ；第一压辊和第二压辊之间距离设置为L。
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