CN110849704B - 一种用于测量脉冲电流作用下材料力学性能的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于脉冲电流辅助塑性成形技术领域，公开了一种用于测量脉冲电流作用下材料力学性能的试验装置，包括电子万能试验机、脉冲电源和两个绝缘夹具，绝缘夹具对称设置在电子万能试验机的上横梁和下横梁之间；绝缘夹具包括第一连接杆、第一圆盘、第二圆盘、第二连接杆和夹持部，第一连接杆的一端与电子万能试验机的横梁固定连接，另一端与第一圆盘中心固定连接；第一圆盘通过螺栓与第二圆盘固定连接，第二圆盘的中心设置有通孔，第二连接杆的一端穿过第二圆盘中心的通孔后与夹持部固定连接，另一端与第二圆盘卡合连接，且第二连接杆与第一圆盘和第二圆盘的接触面均设置有用于绝缘的绝缘环和绝缘板。本发明结构简单，易拆卸更换，安全性高，可以广泛应用于材料领域。

Description

一种用于测量脉冲电流作用下材料力学性能的试验装置

技术领域

本发明属于脉冲电流辅助塑性成形技术领域，具体涉及一种用于测量脉冲电流作用下材料力学性能的试验装置。

背景技术

前苏联学者Troiskii和Likhtman研究锌的单晶单轴拉伸时首先发现电流可以降低金属材料变形的初始流动应力，提高塑性。经研究表明，脉冲电流能有效改善金属的成形性能，即电致塑性效应。近年来许多研究者开始考虑利用电流辅助进行成形，即在成形时给坯料通入电流，从而改善材料成形性能的一种先进塑性成形技术。Perkin通过电致塑性镦粗试验研究铝合金等金属的成形性能，研究结果表明，电致塑性能显著提高铝合金的塑性成形能力，断裂前的变形量得到了明显的提高，且变形抗力明显下降；Roth等在单向拉伸过程中通入脉冲电流，研究脉冲电流对5754铝合金的影响，发现随着脉冲周期的减少，5754铝合金单轴拉伸延伸率提高了近400%，流动应力也发生显著下降。电辅助成形技术不仅可以降低变形抗力，提高材料塑性，改善材料微观组织而且具有效率高、耗能少、成本低的特点，符合未来节能环保的发展潮流。

中国专利CN201721629085公开了一种脉冲电流辅助板状试样单轴拉伸的试验装置，在板状试样的两端分别设置固定压片，导线的一端为扁平状且被固定压片紧压在试样上，导线的另一端连接脉冲电源的正极或负极，拉伸夹具上设有楔形型腔且在每个型腔内设有两个相对设置的绝缘夹块，在两个绝缘夹块的相对面上设有卡槽且在每个卡槽内设有定位夹块，绝缘夹块在紧固旋钮的带动下紧压在型腔内壁上，进而迫使定位夹块将试样夹紧。该实用新型将电源线固定在试样上，一方面试样形状需要特制，来满足导线与试样的连接，不能为简单标准试样，另一方面导线与试样直接连接，需要充分接触，试样接触面积要大，才可防止接触不良或者局部过热，不适用较小试样拉伸且浪费板料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单，易拆卸更换，绝缘性好，安全性高，试样尺寸可调的用于测量脉冲电流作用下材料力学性能的试验装置，以解决测量脉冲电流作用下材料力学性能时安全性、便捷性、准确性等问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种用于测量脉冲电流作用下材料力学性能的试验装置，包括电子万能试验机、脉冲电源和两个绝缘夹具，所述绝缘夹具对称设置在电子万能试验机的上横梁和下横梁之间；所述绝缘夹具包括第一连接杆、第一圆盘、第二圆盘、第二连接杆和夹持部，所述第一连接杆的一端与电子万能试验机的横梁固定连接，另一端与所述第一圆盘中心固定连接；所述第一圆盘通过螺栓与所述第二圆盘固定连接，所述第二圆盘的中心设置有通孔，所述第二连接杆的一端穿过所述第二圆盘中心的通孔后与所述夹持部固定连接，另一端与所述第二圆盘卡合连接，且所述第二连接杆与所述第一圆盘和第二圆盘的接触面均设置有用于绝缘的绝缘环和绝缘板。

所述绝缘板为云母板，所述绝缘环材质为环氧树脂，所述第一连接杆、第一圆盘、第二圆盘、第二连接杆的材料为钢。

所述夹持部包括夹头和夹块，所述夹头上端设置有螺纹杆，螺纹杆下方对称设置有两个凹槽，凹槽之间设置有通电螺纹孔，通电螺纹孔下方设置用于与夹块配合的配合面，所述第二连接杆的一端底部设置有与所述螺纹杆配合的螺纹孔；所述夹块上靠近配合面的表面设置有卡槽，所述卡槽外形与试样端部匹配，所述夹块通过位于卡槽两侧的螺钉与所述夹头固定连接。

所述夹头的材质为高温合金钢，所述夹块材质为铜。

所述夹持部包括压头，所述压头的一端具有一平面，另一端固定设置有用于与所述第二连接杆连接的螺纹杆，螺纹杆下方对称设置有两个凹槽，凹槽之间设置有通电螺纹孔。

所述第一连接杆两端均设置有螺纹，中间设置有对称的平槽部，其一端通过螺纹与万能试验机横梁固定连接，另一端通过螺纹与第一圆盘固定连接。

所述的一种用于测量脉冲电流作用下材料力学性能的试验装置，其试验方法包括以下步骤：

第一步，安装拉伸试样；选择金属拉伸试样，试样表面用砂纸打磨，除去表面氧化膜与污渍，保持良好导电性；启动电子万能试验机，拉伸试样端部放在夹块卡槽中，通过螺钉固定在俩端夹头上，通过螺栓固定的方式把电源线与电源正负极和试验装置上下夹头连接，形成闭合回路；

第二步，设置试验参数；根据实验要求设定试验机拉伸速度以及其他单向拉伸试验参数；设置电源脉冲参数，选择合适的电脉冲参数；

第三步，进行拉伸试验；运行试验机，并启动电源，在拉伸同时，电流通入试样，得到电流辅助拉伸过程应力-应变曲线。改变电源的电流参数，可以实现测量不同电流参数条件下材料的拉伸力学性能。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明的试验装置由上端圆盘，下端圆盘和下连接杆组成了绝缘部分，利用绝缘环与绝缘板将下连接杆与上、下端圆盘完全绝缘，一方面很大程度上避免了触电事故发生，提高试验安全性，另一方面，采用钢材料制成的下连接杆和上下端圆盘来连接试样与试验机，满足了试验时的拉力需求。

2、本发明的试验装置，通过更换下连接杆连接的夹持部分，可以实现拉伸试验与压缩试验的转换，即可以测量材料拉伸力学性能，又可以测量材料的压缩力学性能。

3、本发明的试验装置中，紫铜夹块上设有与试样夹头相配合的卡槽且用螺钉紧固在夹头上，即保证试样与夹块的充分接触，减少接触发热，又保证试样加持牢固，不易打滑。

附图说明

图1是本发明所述用于测量脉冲电流作用下材料力学性能的试验装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中的绝缘部分的结构示意图；

图3是本发明实施例中绝缘部分的截面示意图；

图4是本发明实施例中夹头的结构示意图；

图5是本发明所述的夹块结构示意图；

图6是本发明所述的压缩压头结构示意图；

图7是本发明实施案例中的脉冲电流加载示意图；

图8是本发明实施案例中的应力-应变曲线图；

图中：1为万能试验机横梁，2为第一连接杆，3为绝缘部，4为夹持部，5为拉伸试样，6为电源线，31为第一圆盘，32为第二圆盘，33为第二连接杆，34为绝缘环，35为绝缘板，41为夹头，42为夹块，43为螺纹杆，44为凹槽，45为通电螺纹孔，46为卡槽，47为压头。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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做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。

如图1~3所示，本发明实施例提出了一种用于测量脉冲电流作用下材料力学性能的试验装置，包括电子万能试验机、脉冲电源和两个绝缘夹具，所述绝缘夹具对称设置在电子万能试验机的上横梁和下横梁之间；所述绝缘夹具包括第一连接杆2、绝缘部3和夹持部4，其中，绝缘部3包括第一圆盘31、第二圆盘32和第二连接杆33；所述第一连接杆2的一端与电子万能试验机的横梁固定连接，另一端与所述第一圆盘2中心固定连接；所述第一圆盘2通过螺栓与所述第二圆盘32固定连接，所述第二圆盘32的中心设置有通孔，所述第二连接杆33的一端穿过所述第二圆盘32中心的通孔后与所述夹持部4固定连接，另一端与所述第二圆盘33卡合连接，且所述第二连接杆33与所述第一圆盘31和第二圆盘32的接触面均设置有用于绝缘的绝缘环34和绝缘板35。

具体地，如图2~3所示，本实施例中，第一圆盘31和第二圆盘32四周都打有通孔，通过螺栓紧固的方式将两个圆盘可连接在一起；第二连接杆33，外形呈“T”形，可穿过下端圆盘32中心圆孔，并通过卡合方式连接，并在上下置有绝缘板35与环侧置有绝缘环34，使第二连接杆33与第一圆盘31和第二圆盘32完全绝缘。

具体地，本实施例中，所述绝缘板35为云母板，所述绝缘环34材质为环氧树脂，所述第一连接杆2、第一圆盘31、第二圆盘32、第二连接杆33的材料为钢。

具体地，如图4所示，所述夹持部4包括夹头41和夹块42，所述夹头41上端设置有螺纹杆43，螺纹杆43下方对称设置有两个凹槽44，凹槽44之间设置有通电螺纹孔44，通电螺纹孔44下方设置用于与夹块42配合的配合面，所述第二连接杆33的一端底部设置有与所述螺纹杆43配合的螺纹孔；所述夹块42上靠近配合面的表面设置有卡槽45，所述卡槽45外形与试样端部匹配，所述夹块42通过位于卡槽45两侧的螺钉与所述夹头41固定连接。本实施例中，所述夹头41的材质为高温合金钢，所述夹块42材质为铜。

此外，本实施例中，所述夹持部4还可以为压缩试验用的压头，具体地，所述夹持部4包括压头46，所述压头46的一端具有一平面，该平面用于接触试样进行压缩试验；另一端固定设置有用于与所述第二连接杆33连接的螺纹杆43，螺纹杆43下方对称设置有两个凹槽44，凹槽44之间设置有通电螺纹孔44。

具体地，本实施例中，所述第一连接杆2两端均设置有螺纹，中间设置有对称的平槽部，其一端通过螺纹与万能试验机横梁1固定连接，另一端通过螺纹与第一圆盘31固定连接。平槽部可以方便第一连接杆2的安装和拆卸。

安装时，先将第一圆盘31、第二圆盘32、下连接杆33组合，在第一圆盘31的中心孔内部垫绝缘环后，将下连接杆33穿过通过第二圆盘32，再在第二圆盘32上方设置绝缘板，最后通过螺栓将第一圆盘31与第二圆盘32连接在一起组成绝缘部3；第一连接杆2一端固定在万能试验机横梁1上，一端通过螺纹与第一圆盘31连接，使绝缘部3与试验机连接；夹头41上端螺纹杆与下连接杆33下端螺纹连接；将俩根电源线的一端分别与脉冲电源正负极连接，将电源线另一端接铜鼻子与上下夹头侧边连接；将试样放入夹块卡槽内，调节试验机上下夹头位置，通过螺钉将试样俩端分别固定在上下夹头上，整个装置安装完成。

本实施例中，脉冲电源为可调脉冲电源装置，可以通过调节通电时间、占空比和频率等参数，实现对不同电流参数作用下材料力学性能的测定。装置安装完成后，进行夹具与试验机的绝缘测试以及查看脉冲电源是否正常工作，确保安全情况下进行操作。

具体地，以厚度1mm的AZ31B镁合金薄板的拉伸试件为例，采用间断加载脉冲电流的方式进行试验。拉伸试件以国家标准G B/T 228- 2002设计。拉伸试件的宽度为10mm，标距为34mm，拉伸试样夹持端宽为22mm，过度圆角半径为20mm，拉伸试件的总体长度为106mm。拉伸试验的具体过程是：

第一步，安装拉伸试样；选择金属拉伸试样，试样表面用砂纸打磨，除去表面氧化膜与污渍，保持良好导电性；启动电子万能试验机，拉伸试样端部放在夹块卡槽中，通过螺钉固定在俩个夹头上，通过螺栓固定的方式把电源线与电源正负极和试验装置的两个绝缘夹具中的夹头连接，形成闭合回路；

第二步，设置试验参数；根据实验要求设定试验机拉伸速度以及其他单向拉伸试验参数；设置电源脉冲参数，选择合适的电脉冲参数；选择合适的电脉冲参数。本实例中拉伸速度为1mm/min，脉冲电流参数的频率为1000HZ，占空比为40%，电流加载时间为9s。

第三步，进行拉伸试验；运行试验机，并启动电源，在拉伸同时，电流通入试样，得到电流辅助拉伸过程应力-应变曲线。改变电源的电流参数，可以实现测量不同电流参数条件下材料的拉伸力学性能。进行拉伸试验。运行试验机，每间隔60s加载一次电流。在拉伸过程中，当电流通入试样，会导致流动应力下降，而不通电时，应力又增加，表现出加工硬化现象，得到电流辅助拉伸过程棘轮状的应力-应变曲线。改变电源的电流参数，可以实现测量不同电流参数条件下材料的拉伸力学性能。试验完成后，关闭脉冲电源，松开夹块处螺钉，取出板状试样；

此外，本实施例中，可以将夹持部更换为压头46，可用于测量脉冲电流作用下材料压缩力学性能。准备压缩试样，可进行压缩试验，其操作步骤与拉伸类似。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种用于测量脉冲电流作用下材料力学性能的试验装置，其特征在于，包括电子万能试验机、脉冲电源和两个绝缘夹具，所述绝缘夹具对称设置在电子万能试验机的上横梁和下横梁之间；所述绝缘夹具包括第一连接杆（2）、第一圆盘（31）、第二圆盘（32）、第二连接杆（33）和夹持部（4），所述第一连接杆（2）的一端与电子万能试验机的横梁固定连接，另一端与所述第一圆盘（31）中心固定连接；所述第一圆盘（31）通过螺栓与所述第二圆盘（32）固定连接，所述第二圆盘（32）的中心设置有通孔，所述第二连接杆（33）的一端穿过所述第二圆盘（32）中心的通孔后与所述夹持部（4）固定连接，另一端与所述第二圆盘（32）卡合连接，且所述第二连接杆（33）与所述第一圆盘（31）和第二圆盘（32）的接触面均设置有用于绝缘的绝缘环（34）和绝缘板（35）；

所述夹持部（4）包括夹头（41）和夹块（42），所述夹头（41）上端设置有螺纹杆（43），螺纹杆（43）下方对称设置有两个凹槽（44），凹槽（44）之间设置有通电螺纹孔（45），通电螺纹孔（45）下方设置用于与夹块（42）配合的配合面，所述第二连接杆（33）的一端底部设置有与所述螺纹杆（43）配合的螺纹孔；所述夹块（42）上靠近配合面的表面设置有卡槽（46），所述卡槽（46）外形与试样端部匹配，所述夹块（42）通过位于卡槽（46）两侧的螺钉与所述夹头（41）固定连接；

或者，

所述夹持部（4）包括压头（47），所述压头（47）的一端具有一平面，另一端固定设置有用于与所述第二连接杆（33）连接的螺纹杆（43），螺纹杆（43）下方对称设置有两个凹槽（44），凹槽（44）之间设置有通电螺纹孔（45）。

2.根据权利要求1所述的一种用于测量脉冲电流作用下材料力学性能的试验装置，其特征在于，所述绝缘板（35）为云母板，所述绝缘环（34）材质为环氧树脂，所述第一连接杆（2）、第一圆盘（31）、第二圆盘（32）、第二连接杆（33）的材料为钢。

3.根据权利要求1所述的一种用于测量脉冲电流作用下材料力学性能的试验装置，其特征在于，所述夹头（41）的材质为高温合金钢，所述夹块（42）材质为铜。

4.根据权利要求1所述的一种用于测量脉冲电流作用下材料力学性能的试验装置，其特征在于，所述第一连接杆（2）两端均设置有螺纹，中间设置有对称的平槽部，其一端通过螺纹与万能试验机横梁（1）固定连接，另一端通过螺纹与第一圆盘（31）固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种用于测量脉冲电流作用下材料力学性能的试验装置，其特征在于，其试验方法包括以下步骤：

第一步，安装拉伸试样；选择金属拉伸试样，试样表面用砂纸打磨，除去表面氧化膜与污渍，保持良好导电性；启动电子万能试验机，拉伸试样端部放在夹块卡槽中，通过螺钉固定在俩端夹头上，通过螺栓固定的方式把电源线与电源正负极和试验装置上下夹头连接，形成闭合回路；

第二步，设置试验参数；根据实验要求设定试验机拉伸速度以及其他单向拉伸试验参数；设置电源脉冲参数，选择合适的电脉冲参数；

第三步，进行拉伸试验；运行试验机，并启动电源，在拉伸同时，电流通入试样，得到电流辅助拉伸过程应力-应变曲线；改变电源的电流参数，可以实现测量不同电流参数条件下材料的拉伸力学性能。

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