CN110044692A - 一种用于脆性材料平板试件的高温拉伸试验夹具 - Google Patents

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李湘萍
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Abstract

一种用于脆性材料平板试件的高温拉伸试验夹具。其包括连接夹头、拉杆、试件夹头、水冷系统、连接销、悬挂头和固定螺母；本发明优点：安装方便、使用简单，既能减少或消除试件不对中引起的弯矩或扭矩的影响，也能减少或消除试件不对称的影响，确保单轴拉伸载荷的均匀性，试验结果精确。增加了脆性材料平板试件的夹持面，受力均匀，降低了试件在试验过程中损坏的风险。采用高温合金制成试件夹头，并采用水冷系统进行冷却，适合在高温环境下进行脆性材料拉伸试验；拉杆长度可调，适用于不同深度的高温炉，可进行室温至1000℃的高温拉伸试验。

Description

一种用于脆性材料平板试件的高温拉伸试验夹具
技术领域
本发明属于用于材料拉伸试验的高温试验夹持装置技术领域，具体涉及一种用于脆性材料平板试件的高温拉伸试验夹具。
背景技术
高温下材料的力学性能测试是评估材料性能的主要方法，其中由拉伸试验得到的抗拉强度和应力应变曲线是评估其性能好坏的重要指标。在高温环境工作的很多材料都为脆性材料，如先进陶瓷、陶瓷基复合材料等，这些材料在航空、航天等领域都有广阔的应用前景，因此通过高温拉伸试验准确得到这些材料的性能就显得尤为重要。
哑铃形状试件或狗骨形状试件广泛应用于陶瓷及陶瓷基复合材料等脆性材料的拉伸试验,试验时试件是通过试件两端的表面、斜面或圆弧面进行夹持并传递拉伸载荷。由于脆性材料对应力集中非常敏感，如果夹具设计不合理或夹持不当，尤其是在拉伸过程中由于不对称或不对中存在小的弯矩或扭矩，易导致试样在夹持端破坏或在标距段过渡处断裂，最终造成拉伸测试结果出现偏差或失败。
在现有的脆性材料拉伸夹具中，为防止试验过程中试件上弯曲应力的产生，通常是在试件安装过程中采取人工调整的方式进行对中，因此精度难以保证；现有的具有自对中的拉伸夹具能够在试验中对单一的弯矩或扭矩进行调整，但大多适用于具有轴对称结构的棒状试件，而不适用于板状试件，此外，适用于高温的脆性材料拉伸夹具也较少。
对于板状的试件来说，如果拉伸过程中出现不对称或不对中，其夹持面更容易出现点接触或线接触的情况，而且随着拉伸过程中载荷的增加，容易使试件拉碎或拉脱。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于脆性材料平板试件的高温拉伸试验夹具。
为了达到上述目的，本发明提供的用于脆性材料平板试件的高温拉伸试验夹具包括连接夹头、拉杆、试件夹头、水冷系统、连接销、悬挂头和固定螺母；其中，所述的连接夹头为阶梯状圆柱体形结构，外端圆柱体为与试验机相连的夹持端，内端圆柱体上设有一个U形插槽；U形插槽包括引槽和固定槽；其中固定槽是从内端圆柱体的一侧中部向内凹陷形成的长方体形槽；引槽是从内端圆柱体的外端面向内凹陷形成且与固定槽相连通的条形槽，并且引槽的外端口与固定槽的开口位于内端圆柱体上同一侧；
拉杆的一端形成有外螺纹，外螺纹的外部螺纹连接在圆柱状悬挂头的轴向螺孔中，外螺纹的内侧外表面上套有固定螺母；外螺纹上位于悬挂头和固定螺母之间的部位插入在引槽中，悬挂头悬挂在固定槽内；拉杆的另一端设有一个倒U形插槽，倒U形插槽的两侧插耳上分别设有一个同轴的销钉孔，销钉孔的中心线过拉杆的中心线并与其垂直；
拉杆的中部设有水冷系统，水冷系统包括安装底座和用于进水和出水的水管；
试件夹头包括夹头底座、夹持盖板、夹持垫片、紧固螺栓以及调节螺钉；其中夹头底座的一端为能够插入在拉杆上倒U形插槽内的销耳，销耳上形成有销耳销钉孔；利用贯穿拉杆上销钉孔以及销耳上销耳销钉孔的连接销将销耳安装在倒U形插槽内，夹头和拉杆构成平面铰连接；夹头底座的另一端整体为方形板状结构，一侧面下部向内凹陷形成有一个用于设置夹持盖板的安装槽；安装槽的内侧面中下部向内凹陷形成有一个用于设置试件上夹持端的楔形槽，四角部位分别设有一个固定螺纹孔，夹头底座的另一侧面中部设有一个与楔形槽相连通的位置调节螺纹通孔；夹持盖板的内侧面上设有一个与夹头底座上安装槽对应的安装凸台，安装凸台的外侧面上设有一个与夹头底座上楔形槽对应的楔形凸台，四角部位分别设有一个固定通孔；试件夹头与试件上夹持端以及夹持盖板与试件上夹持端之间分别设有一块夹持垫片；在试件安装状态下，两块夹持垫片分别与试件上夹持端的前后表面贴合，置于楔形槽内部时，能与试件一起与楔形槽内表面贴合；每根紧固螺栓分别连接在夹头底座上的一个固定螺纹孔以及夹持盖板上一个相应的固定通孔内；调节螺钉插入在位置调节螺纹通孔内，并且内端与一块夹持垫片相接触。
所述的夹持垫片具有多种不同的厚度，高度小于楔形槽的高度，截面形状与试件上夹持端相同，表面加工有齿纹，用来增加与试件之间的摩擦力。
所述的固定槽的开口宽度大于悬挂头的外径，引槽的宽度大于拉杆的直径。
所述的销耳的外角为圆弧状，高度小于倒U形插槽的高度；楔形槽的高度大于试件上夹持端的长度，这样便于试件的安装，并且楔形槽上与试件相接触的斜面上形成有齿纹，用来增加与试件之间的摩擦力；楔形槽的尖角部位设有应力释放孔。
所述的试件夹头、拉杆和连接销采用高温合金材料制成。
所述的试件为由脆性材料制成且外端为楔形夹持端的哑铃形平板结构。
本发明提供的用于脆性材料平板试件的高温拉伸试验夹具具有以下优点：
1.安装方便、使用简单，既能减少或消除试件不对中引起的弯矩或扭矩的影响，也能减少或消除试件不对称的影响，确保单轴拉伸载荷的均匀性，试验结果精确。
2.增加了脆性材料平板试件的夹持面，受力均匀，降低了试件在试验过程中损坏的风险。
3.采用高温合金制成试件夹头，并采用水冷系统进行冷却，适合在高温环境下进行脆性材料拉伸试验；拉杆长度可调，适用于不同深度的高温炉，可进行室温至1000℃的高温拉伸试验。
附图说明
图1是本发明提供的用于脆性材料平板试件的高温拉伸试验夹具主视图。
图2是图1中A—A向剖视图。
图3是本发明提供的用于脆性材料平板试件的高温拉伸试验夹具中夹持盖板主视图。
图4是图3中B—B向剖视图。
图5是本发明提供的用于脆性材料平板试件的高温拉伸试验夹具中夹持盖板主视图。
图6是本发明提供的用于脆性材料平板试件的高温拉伸试验夹具中试件夹头分解状态示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进行详细说明。
如图1—图6所示，本发明提供的用于脆性材料平板试件的高温拉伸试验夹具包括连接夹头1、拉杆2、试件夹头3、水冷系统4、连接销5、悬挂头6和固定螺母7；其中，所述的连接夹头1为阶梯状圆柱体形结构，外端圆柱体为与试验机相连的夹持端8，内端圆柱体上设有一个U形插槽9；U形插槽9包括引槽10和固定槽11；其中固定槽11是从内端圆柱体的一侧中部向内凹陷形成的长方体形槽；引槽10是从内端圆柱体的外端面向内凹陷形成且与固定槽11相连通的条形槽，并且引槽10的外端口与固定槽11的开口位于内端圆柱体上同一侧；
拉杆2的一端形成有外螺纹12，外螺纹12的外部螺纹连接在圆柱状悬挂头6的轴向螺孔中，外螺纹12的内侧外表面上套有固定螺母7；外螺纹12上位于悬挂头6和固定螺母7之间的部位插入在引槽10中，悬挂头6悬挂在固定槽11内；拉杆2的另一端设有一个倒U形插槽13，倒U形插槽13的两侧插耳14上分别设有一个同轴的销钉孔17，销钉孔17的中心线过拉杆2的中心线并与其垂直；
拉杆2的中部设有水冷系统4，水冷系统4包括安装底座15和用于进水和出水的水管16，用于对拉杆2进行冷却，以防止热量传递到试验机上；
试件夹头3包括夹头底座18、夹持盖板19、夹持垫片20、紧固螺栓21以及调节螺钉22；其中夹头底座18的一端为能够插入在拉杆2上倒U形插槽13内的销耳24，销耳24上形成有销耳销钉孔23；利用贯穿拉杆2上销钉孔17以及销耳24上销耳销钉孔23的连接销5将销耳24安装在倒U形插槽13内，夹头3和拉杆2构成平面铰连接；夹头底座18的另一端整体为方形板状结构，一侧面下部向内凹陷形成有一个用于设置夹持盖板19的安装槽26；安装槽26的内侧面中下部向内凹陷形成有一个用于设置试件31上夹持端的楔形槽25，四角部位分别设有一个固定螺纹孔28，夹头底座18的另一侧面中部设有一个与楔形槽25相连通的位置调节螺纹通孔29；夹持盖板19的内侧面上设有一个与夹头底座18上安装槽26对应的安装凸台32，安装凸台32的外侧面上设有一个与夹头底座18上楔形槽25对应的楔形凸台31，四角部位分别设有一个固定通孔27；试件夹头3与试件31上夹持端以及夹持盖板19与试件31上夹持端之间分别设有一块夹持垫片20；在试件31安装状态下，两块夹持垫片20分别与试件31上夹持端的前后表面贴合，置于楔形槽25内部时，能与试件31一起与楔形槽25内表面贴合；每根紧固螺栓21分别连接在夹头底座18上的一个固定螺纹孔28以及夹持盖板19上一个相应的固定通孔27内；调节螺钉22插入在位置调节螺纹通孔29内，并且内端与一块夹持垫片20相接触。
所述的夹持垫片20具有多种不同的厚度，高度小于楔形槽25的高度，截面形状与试件31上夹持端相同，表面加工有齿纹，用来增加与试件31之间的摩擦力。
所述的固定槽11的开口宽度大于悬挂头6的外径，引槽10的宽度大于拉杆2的直径。
所述的销耳24的外角为圆弧状，高度小于倒U形插槽13的高度；楔形槽25的高度大于试件31上夹持端的长度，这样便于试件31的安装，并且楔形槽25上与试件31相接触的斜面上形成有齿纹，用来增加与试件31之间的摩擦力；楔形槽25的尖角部位设有应力释放孔30。
所述的试件夹头3、拉杆4和连接销5采用高温合金材料制成，如镍基高温合金，从而保证本高温拉伸试验夹具能够在1000℃高温环境下开展拉伸试验。
所述的试件31为由脆性材料制成且外端为楔形夹持端的哑铃形平板结构。
现将本发明提供的用于脆性材料平板试件的高温拉伸试验夹具的安装和使用方法阐述如下：
在试件31安装时，上下端分别利用一套本高温拉伸试验夹具进行夹持。现以上套高温拉伸试验夹具为例进行说明。首先，将连接夹头1通过夹持端8与试验机相连，并将拉杆2上的悬挂头6固定在固定槽11内，松开固定螺母7使拉杆2可以自由转动；然后，将两块夹持垫片20分别贴合在试件31上一个夹持端的前后表面并一起装入夹头底座18的楔形槽25中，将夹持盖板19上的安装凸台32压入夹头底座18上的安装槽26内，并将每根紧固螺栓21分别连接在夹头底座18上的一个固定螺纹孔28以及夹持盖板19上一个相应的固定通孔27内；为保证夹持面受力均匀，紧固螺栓21应分步交叉拧紧。如夹持力不够，可利用插入在位置调节螺纹通孔29内的调节螺钉22增加夹持力；最后，将安装有试件31的试件夹头3通过连接销5与拉杆2连接。下套高温拉伸试验夹具的安装方式与上套高温拉伸试验夹具相同。试件31安装前，可根据其厚度选用不同厚度的夹持垫片20，以使试件31置于连接夹头1以及试件夹头3的中间位置，并可通过调节螺钉22微调试件31沿厚度方向的位置，以消除拉伸载荷不对称的影响，保证单轴拉伸载荷的均匀性。此外，调节螺钉22挤压夹持垫片20也可以进一步增加试件31的夹持力。
在试验过程中，试件31的中部将位于高温炉内。将冷却水通入水冷系统4的水管16内，以对拉杆2进行冷却，防止热量传递到试验机上；由于拉杆2可自由转动并存在平面铰，因此在试验机施加的拉伸载荷下能够使两个试件夹头3自转动并实现自对中。此外，由于悬挂头6上的轴向螺孔为通孔，因此可通过旋转的方式来调节拉杆2深入高温炉的长度，并通过固定螺母7固定其位置。

Claims (6)

1.一种用于脆性材料平板试件的高温拉伸试验夹具，其特征在于：所述的高温拉伸试验夹具包括连接夹头(1)、拉杆(2)、试件夹头(3)、水冷系统(4)、连接销(5)、悬挂头(6)和固定螺母(7)；其中，所述的连接夹头(1)为阶梯状圆柱体形结构，外端圆柱体为与试验机相连的夹持端(8)，内端圆柱体上设有一个U形插槽(9)；U形插槽(9)包括引槽(10)和固定槽(11)；其中固定槽(11)是从内端圆柱体的一侧中部向内凹陷形成的长方体形槽；引槽(10)是从内端圆柱体的外端面向内凹陷形成且与固定槽(11)相连通的条形槽，并且引槽(10)的外端口与固定槽(11)的开口位于内端圆柱体上同一侧；
拉杆(2)的一端形成有外螺纹(12)，外螺纹(12)的外部螺纹连接在圆柱状悬挂头(6)的轴向螺孔中，外螺纹(12)的内侧外表面上套有固定螺母(7)；外螺纹(12)上位于悬挂头(6)和固定螺母(7)之间的部位插入在引槽(10)中，悬挂头(6)悬挂在固定槽(11)内；拉杆(2)的另一端设有一个倒U形插槽(13)，倒U形插槽(13)的两侧插耳(14)上分别设有一个同轴的销钉孔(17)，销钉孔(17)的中心线过拉杆(2)的中心线并与其垂直；
拉杆(2)的中部设有水冷系统(4)，水冷系统(4)包括安装底座(15)和用于进水和出水的水管(16)；
试件夹头(3)包括夹头底座(18)、夹持盖板(19)、夹持垫片(20)、紧固螺栓(21)以及调节螺钉(22)；其中夹头底座(18)的一端为能够插入在拉杆(2)上倒U形插槽(13)内的销耳(24)，销耳(24)上形成有销耳销钉孔(23)；利用贯穿拉杆(2)上销钉孔(17)以及销耳(24)上销耳销钉孔(23)的连接销(5)将销耳(24)安装在倒U形插槽(13)内，夹头(3)和拉杆(2)构成平面铰连接；夹头底座(18)的另一端整体为方形板状结构，一侧面下部向内凹陷形成有一个用于设置夹持盖板(19)的安装槽(26)；安装槽(26)的内侧面中下部向内凹陷形成有一个用于设置试件(31)上夹持端的楔形槽(25)，四角部位分别设有一个固定螺纹孔(28)，夹头底座(18)的另一侧面中部设有一个与楔形槽(25)相连通的位置调节螺纹通孔(29)；夹持盖板(19)的内侧面上设有一个与夹头底座(18)上安装槽(26)对应的安装凸台(32)，安装凸台(32)的外侧面上设有一个与夹头底座(18)上楔形槽(25)对应的楔形凸台(31)，四角部位分别设有一个固定通孔(27)；试件夹头(3)与试件(31)上夹持端以及夹持盖板(19)与试件(31)上夹持端之间分别设有一块夹持垫片(20)；在试件(31)安装状态下，两块夹持垫片(20)分别与试件(31)上夹持端的前后表面贴合，置于楔形槽(25)内部时，能与试件(31)一起与楔形槽(25)内表面贴合；每根紧固螺栓(21)分别连接在夹头底座(18)上的一个固定螺纹孔(28)以及夹持盖板(19)上一个相应的固定通孔(27)内；调节螺钉(22)插入在位置调节螺纹通孔(29)内，并且内端与一块夹持垫片(20)相接触。
2.根据权利要求1所述的高温拉伸试验夹具，其特征在于：所述的夹持垫片(20)具有多种不同的厚度，高度小于楔形槽(25)的高度，截面形状与试件(31)上夹持端相同，表面加工有齿纹，用来增加与试件(31)之间的摩擦力。
3.根据权利要求1所述的高温拉伸试验夹具，其特征在于：所述的固定槽(11)的开口宽度大于悬挂头(6)的外径，引槽(10)的宽度大于拉杆(2)的直径。
4.根据权利要求1所述的高温拉伸试验夹具，其特征在于：所述的销耳(24)的外角为圆弧状，高度小于倒U形插槽(13)的高度；楔形槽(25)的高度大于试件(31)上夹持端的长度，这样便于试件(31)的安装，并且楔形槽(25)上与试件(31)相接触的斜面上形成有齿纹，用来增加与试件(31)之间的摩擦力；楔形槽(25)的尖角部位设有应力释放孔(30)。
5.根据权利要求1所述的高温拉伸试验夹具，其特征在于：所述的试件夹头(3)、拉杆(4)和连接销(5)采用高温合金材料制成。
6.根据权利要求1所述的高温拉伸试验夹具，其特征在于：所述的试件(31)为由脆性材料制成且外端为楔形夹持端的哑铃形平板结构。
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