CN111289357B - 一种可用于真空高温压痕蠕变试验的夹具装置 - Google Patents

一种可用于真空高温压痕蠕变试验的夹具装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可用于真空高温压痕蠕变试验的夹具装置，包括夹具的上下模、配套的零部件以及和夹具装配的上下拉杆结构。上模设有外伸台阶式同心圆柱开孔，内置膨胀石墨轴套，在保证润滑的同时可完成压头的准确定位。下模试样测试台上通过安置膨胀石墨垫片来实现整体结构的自紧。测试台底部与下拉杆组合装配。下模内外侧分别与下拉杆和上模进行可调式螺纹连接。本发明的优点在于：结构紧凑，既保障了试验时的均温性又提高了加热效率；装配方便，同时升降式结构可满足不同尺寸压痕试样的测试需求；膨胀石墨轴套保障了压头的准确定位，提高了测试精度；自紧式结构；结构改装方便，同轴式结构适用于上置或底部传动电机加载。

Description

一种可用于真空高温压痕蠕变试验的夹具装置
技术领域
本发明涉及金属材料力学性能测试技术领域，具体地指一种可用于真空高温压痕蠕变试验的夹具装置。
背景技术
近年来，航空、核电产业的迅速发展对材料高温蠕变性能的评估提出了更高的要求。目前对于高温单轴拉伸蠕变试验的研究已经相对成熟，但局限性在于所需试样较大，且会造成材料的浪费。因此，诸如压痕蠕变试验的微试样蠕变性能评价技术逐渐走入人们的视野，并在不断地发展中。与此同时，各类用于压痕测试的装置在不断地被研发，而用于压痕蠕变试验的夹具一直有待改进。
在高温压痕蠕变试验环境下，由于测量精度的要求，需要保证试样和压头温度的稳定性和均匀性。尤其是在真空高温条件下的试验测试中，构件间需要充分接触来保障整个试验过程的均温性。而常规的开放式夹具难以保证两者间的温差足够小，从而导致了测量结果的偏差。作为一种微试样评价技术，试样的尺寸较小是压痕蠕变试验的优越性之一，而通过外螺栓固定长条试样的夹具无疑加大了试样的无用尺寸。此外，部分压头夹具装置复杂，需要设计大体积的加热炉来进行复杂的拆卸操作，这不但导致了加热效率的降低，还造成了材料、能源的浪费。
发明内容
为了克服现有压痕蠕变测试夹具的不足，本发明的目的是提供一种精度高、结构紧凑、拆卸方便的可用于真空高温压痕蠕变试验的夹具装置。同时，该夹具结构简单，同轴化设计既适用于上置传动电机加载又适用于底部电机加载，可以将常规拉伸蠕变试验装置改造成高温压痕蠕变试验装置，具有广泛的适用性。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种可用于真空高温压痕蠕变试验的夹具装置，包括夹具上模、上拉杆、轴套、压头、夹具下模、试样测试台、试样固定角块、压痕试样、下拉杆和垫片；压痕试样置于已放置垫片的试样测试台上，并通过尺寸匹配的试样固定角块进行配合固定，通过下模与下拉杆的可调式螺纹结构升降压痕试样，结合夹具上下模的螺纹配合进一步压紧压痕试样。压头组合于夹具上模与上拉杆的外伸同心圆柱开孔处，并通过轴套固定，在保障压入过程中润滑性的同时可完成其准确定位。随后通过电机传动即可完成对压痕压痕试样的加载。该夹具装置在拆卸方便的同时保障了压头的同轴度，同时整体结构保证了夹具上下模和压头以及压痕试样的充分接触，保障了试验时压痕试样温度的均匀性和稳定性，提高了高温测试环境下的测量精度，同时可以满足真空环境下压痕蠕变测试的需求。
进一步地，由于易拆卸式结构中压头对中度难以保障，所述夹具上模上端通过设置外伸的台阶式同心圆柱开孔，配合轴套进行压头的准确定位，台阶孔下段的内径与压头的主轴直径相匹配。为了方便装卸，轴套采用对半式结构，材质使用膨胀石墨。由于在高温试验中夹具装置可能会出现粘连现象，使试验后夹具拆卸困难，因此在上模装配部分上端设有六角螺柱结构以方便拆卸。为了保障压头和压痕试样在试验过程中有充分的接触空间，在上模中心底部进行平滑圆弧开槽，开槽直径大于压杆主轴，但略小于压痕试样的直径(边长)。上模装配部分内侧设有螺纹开槽，用于与下模螺纹的配合装配。
进一步地，所述夹具装置下模外侧上部设有螺纹开槽，用于与上模的配合；同样为了方便高温试验后的拆卸，在外螺纹下端设有六角螺柱结构；试样测试台上安置用于结构预紧的膨胀石墨垫片，并一同内置于下模装配部分内部，试样测试台底部与下拉杆顶部组合装配，配合不同形状的试样固定角块可以完成不同尺寸压痕试样的安置固定；装配部分内侧与下拉杆进行可调式螺纹连接，用于测试台的升降以进行不同厚度试样的压痕蠕变测试。
进一步地，与所述夹具装置配套使用的压头设为三段式，最上部为主轴段，用于整体定位，主轴段直径与夹具上端外伸同心圆柱开孔内径匹配；底部为外伸测试段，根据试验需求可以设计圆柱平头、球形压头等不同形状压头；中部为过渡段，通过平滑圆弧设计加强外伸测试段强度。主轴段长度设计需综合考量上模外伸开孔段长度、上拉杆下方开槽深度以及试样变形量，原则是保证在试验过程中上拉杆底部和上模外伸部分不直接接触。
进一步地，所述与夹具装置配套的上拉杆底部设有与上模尺寸匹配的外伸圆柱开孔，开孔内径与压头的主轴直径相匹配，通过上拉杆的开槽和上模内置的膨胀石墨轴套进行压头的准确定位；下拉杆顶端与下模测试台进行组合装配，并在顶部设有和下模配合的螺纹开槽，用于调节试样测试台高度以适应不同厚度试样的压痕蠕变测试。所述上下拉杆装配结构可改装至常规单轴拉伸蠕变试验机，结合夹具装置可以将设备改造成高温压痕蠕变试验装置，具有广泛的适用性。
综上所述，本发明的优点在于：结构新颖，通过保证夹具装置和压头以及压痕试样的充分接触，保障了高温压痕蠕变试验时试样温度的均匀性和稳定性，使测量精度进一步提高，并使真空条件下的准确压痕蠕变测试成为了可能；装配方便，通过上压杆和上模外伸台阶孔上段的膨胀石墨轴套的组合装配可以实现压头准确定位和固定；夹具结构紧凑，可以配合小型加热炉保障加热效率；夹具下模与下拉杆进行可调式螺纹配合，结合配对形状的角块可以进行不同形状尺寸压痕试样的测试，压痕试样以及压头选型替换方便灵活；膨胀石墨垫片实现了夹具装置的自预紧；整体结构简单，结构同轴化设计，既适用于上置传动电机加载又适用于底部电机加载，可通过改装上下拉杆配合夹具结构，将传统拉伸蠕变试验机改装成压痕蠕变试验机，具有广泛的适用性。
附图说明
图1为本发明的可用于真空高温压痕蠕变试验的夹具装置示意图；
图2为本发明夹具上模的结构示意图；
图3为本发明夹具下模的结构示意图；
图4为本发明涉及的优选压头及配套的润滑轴套示意图；
图5为本发明涉及的可选试样固定角块示意图；
图6为本发明涉及的上下拉杆装配部分结构示意图；
图1中：1为夹具上模；2为上拉杆；3为轴套；4为压头；5为夹具下模；6为试样测试台；7为试样固定角块；8为压痕试样；9为下拉杆；10为垫片。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释并不局限于以下实施例。
如图1所示，本发明实例提供的可用于真空高温压痕蠕变试验的夹具装置，其主体部分包括夹具上模1，夹具下模5和试样测试台6，与上拉杆2和下拉杆9装配构成整套夹具装置。考虑到压痕蠕变试验是一种微损材料评价技术，在测试过程中需要考量试样厚度、试样形状等因素对测量结果的敏感性，优选地设计可选形状的角块7完成对圆形、方形甚至于异形压痕试样的固定，同时依靠下模5内侧与下拉杆的可调式螺纹结构满足不同厚度试样的测试需求。具体操作步骤如下：首先将下模5初步安装至下拉杆9上，随后依次在下拉杆9上方放置试样测试台6、垫片10、压痕试样8以及匹配尺寸的试样固定角块7，通过可调试螺纹结构将试样升至与下模主体部分平齐或略高于下模主体部分，方便试样的后续固定；为了减少电机移动距离，将三段式压头4和轴套3整体套入上模1上端的台阶式同心圆柱开孔，然后整体装配至下模5并进行旋紧操作完成试样的固定。装配完成后依次进行抽真空、加热操作，通过上置传动电机驱动上拉杆2缓慢接触压头4，待热稳定后即可进行对压痕试样8的加载。对于同一厚度、形状的压痕试样8，下模5只需进行一次安装调试。试验结束后通过电机控制将上拉杆2向上移动一段距离，随后可通过扳手结合上下模的六角螺柱部分完成上模1及压痕试样8的拆卸。
如图2所示，由于易拆卸式结构中压头4对中度难以保障，所述夹具上模1上端通过设置外伸的台阶式同心圆柱开孔，配合轴套3进行压头4的准确定位，台阶孔下段的内径与压头4的主轴直径相匹配。为了方便装卸，轴套3采用对半式结构，材质使用膨胀石墨。由于在高温试验中夹具装置可能会出现粘连现象，使试验后夹具拆卸困难，因此在夹具上模1上端设有六角螺柱结构以方便拆卸。为了保障压头4和压痕试样8在试验过程中有充分的接触空间，在夹具上模1中心底部进行平滑圆弧开槽，开槽直径大于压头4主轴，但略小于压痕试样8的直径(边长)。夹具上模1装配部分内侧设有螺纹开槽，用于与下模5螺纹的配合装配。
如图3所示，所述夹具装置下模5外侧上部设有螺纹开槽，用于与夹具上模1的配合；同样为了方便高温试验后的拆卸，在外螺纹下端设有六角螺柱结构；试样测试台6上安置用于结构预紧的膨胀石墨垫片10，并一同内置于下模5装配部分内部，试样测试台6底部与下拉杆9顶部组合装配，配合不同形状的试样固定角块7可以完成不同尺寸压痕试样8的安置固定；装配部分内侧与下拉杆9进行可调式螺纹连接，用于试样测试台6的升降以进行不同厚度试样的压痕蠕变测试。
如图4所示，与所述夹具装置配套使用的压头4设为三段式，最上部为主轴段，用于整体定位，主轴段直径与夹具上模1外伸同心圆柱开孔内径匹配；底部为外伸测试段，根据试验需求可以设计圆柱平头、球形压头等不同形状压头；中部为过渡段，通过平滑圆弧设计加强外伸测试段强度。主轴段长度设计需综合考量上模外伸开孔段长度、上拉杆下方开槽深度以及试样变形量，原则是保证在试验过程中上拉杆底部和上模外伸部分不直接接触。
如图5和图6所示，所述与夹具装置配套的上拉杆2底部设有与夹具上模1尺寸匹配的外伸圆柱开孔，开孔内径与压头4的主轴直径相匹配，通过上拉杆2的开槽和上模1内置的膨胀石墨轴套3进行压头4的准确定位；下拉杆9顶端设有凸起并与试样测试台6底部的凹槽进行组合装配，并在顶部设有和下模5配合的螺纹开槽，用于调节试样测试台6高度以适应不同厚度压痕试样8的压痕蠕变测试。所述上下拉杆装配结构可改装至常规单轴拉伸蠕变试验机，结合夹具装置可以将设备改造成高温压痕蠕变试验装置，具有广泛的适用性。
构件尺寸设计的一些原则：压头在完成与上拉杆和上模组合的基础上，暴露部分长度需大于压痕试样可能产生的最大变形量，并留有一定余量，以避免上拉杆与上模的直接接触对试验机造成损伤；综合考量构件间的接触和试样的固定，固定角块厚度设计为略小于测试试样的最小厚度；下模装配部分内侧和下拉杆螺纹设计的原则是保证试样在预估测试厚度范围内任意可调。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。由于使用该夹具装置进行压痕蠕变测试时的参数设定、加载控制、变形位移测量方式等与常规拉伸蠕变测试相同，只要对常规拉伸试验机的上下拉杆装配部分进行合理改造即可进行压痕蠕变测试，除此之外，构件的尺寸根据试验需求的不同有很大的可调性。因此，凡是依据本发明技术实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可用于真空高温压痕蠕变试验的夹具装置，其特征在于：包括夹具上模(1)、上拉杆(2)、轴套(3)、压头(4)、夹具下模(5)、试样测试台(6)、试样固定角块(7)、压痕试样(8)、下拉杆(9)和垫片(10)；所述夹具上模(1)的上端设有与所述上拉杆(2)尺寸匹配的外伸同心圆柱开孔，孔内采用台阶式设计，用于安装所述轴套(3)，所述夹具上模(1)与所述上拉杆(2)和轴套(3)组合装配后完成压头(4)的准确定位和固定；所述试样测试台(6)置于夹具下模(5)内部，与所述下拉杆(9)顶部进行组合装配，所述试样固定角块(7)用于不同形状的压痕试样(8)的安置固定；所述下 模(5)内侧与下拉杆(9)进行可调式螺纹连接，用于所述试样测试台(6)的升降以进行不同厚度压痕试样(8)的压痕蠕变测试；所述试样测试台(6)上安置垫片(10)，用于试验正式开始前整体结构的预紧；所述夹具上模(1)的内侧与所述夹具下模(5)的外侧通过螺纹连接；所述夹具装置组装完成后，通过传动电机驱动拉杆作用于压头上，即可完成对压痕试样(8)的加载。
2.根据权利要求1所述的可用于真空高温压痕蠕变试验的夹具装置，其特征在于：所述夹具上模(1)的上端设有外伸的台阶式同心圆柱开孔，并与所述上拉杆(2)底部不接触，所述台阶孔上段用于安置轴套(3)，下段的内径与压头(4)主轴的直径相匹配。
3.根据权利要求1所述的可用于真空高温压痕蠕变试验的夹具装置，其特征在于：所述夹具上模(1)上端设有六角螺柱结构，方便进行夹具装置的拆卸；所述夹具上模(1)中心底部进行圆弧过渡开槽，开槽直径大于压头(4)主轴的直径，但略小于压痕试样(8)的直径；所述夹具上模(1)的主体部分内侧设有螺纹开槽，用于与所述夹具下模(5)的装配。
4.根据权利要求1所述的可用于真空高温压痕蠕变试验的夹具装置，其特征在于：所述夹具下模(5)外侧上部设有螺纹开槽，用于与所述夹具上模(1)的配合；螺纹开槽下端设有六角螺柱，用于方便进行夹具装置的拆卸；所述夹具下模(5)内侧底部进行螺纹开槽与下拉杆(9)进行配合，用于进行试样测试台(6)的升降；试样测试台(6)的底部与下拉杆(9)顶部进行组合装配，配合不同形状的试样固定角块(7)可完成不同形状、厚度压痕试样(8)的安置固定。
5.根据权利要求1所述的可用于真空高温压痕蠕变试验的夹具装置，其特征在于：所述压头(4)为三段式结构，最上部为主轴段，用于整体定位，直径与所述上拉杆(2)外伸的台阶式同心圆柱开孔下段内径匹配；底部为外伸测试段，根据试验需求设计不同形状的压头；中部为过渡段，通过平滑圆弧设计保障底部测试段的强度。
6.根据权利要求1所述的可用于真空高温压痕蠕变试验的夹具装置，其特征在于：所述下拉杆(9)顶端设有凸起，与所述试样测试台(6)底部的凹槽组合装配，顶部设有和所述夹具下模(5)配合的螺纹开槽，该拉杆结构可用于传统拉伸蠕变试验机向压痕蠕变试验机的改装。
7.根据权利要求1所述的可用于真空高温压痕蠕变试验的夹具装置，其特征在于：所述压头(4)在完成与上拉杆(2)和夹具上模(1)组合的基础上，暴露部分长度需大于压痕试样(8)可能产生的最大变形量，并留有一定余量，以避免上拉杆(2)与夹具上模(1)的直接接触对试验机造成损伤；所述试样固定角块(7)厚度设计为略小于测试压痕试样(8)的最小厚度。
8.根据权利要求1所述的可用于真空高温压痕蠕变试验的夹具装置，其特征在于：所述夹具上模(1)、夹具下模(5)以及压头(4)均由耐高温的高强度合金材料制成，所述试样固定角块(7)由耐高温的硬质合金制成。
9.根据权利要求1所述的可用于真空高温压痕蠕变试验的夹具装置，其特征在于：所述轴套(3)为对半式膨胀石墨轴套。
10.根据权利要求1所述的可用于真空高温压痕蠕变试验的夹具装置，其特征在于：所述垫片(10)由膨胀石墨制成。
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