CN112179758A - 一种力学性能测试夹具及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种力学性能测试夹具及装置，该力学性能测试夹具用于夹持试件，包括沿轴向相对设置的上顶杆和下支座、沿轴向相对设置的上夹头和下夹头；上顶杆包括杆部，杆部上设有多个向下支座延伸的上支脚，下支座包括座体，座体上设有多个向上顶杆延伸的下支脚，上支脚和下支脚相互错开；上夹头固定在下支脚上，试件的一端与上夹头固定连接，另一端与下夹头固定连接，下夹头上设有台阶，用于顶住上支脚。本发明提供的力学性能测试夹具及装置，可将施加于夹具上的压缩载荷转换为对试件的拉伸载荷，使夹具可在1600℃的高温下夹持试件而不被破坏，无需对试件加长即可完成其在1600℃高温下的拉伸、蠕变性能测试。

Description

一种力学性能测试夹具及装置
技术领域
本发明涉及材料的力学性能测试领域，更具体地涉及一种适用于高温大气环境的力学性能测试夹具及装置。
背景技术
近年来我国航空发动机发展迅速，航空发动机关键热端部件服役于高温大气环境中，如航空发动机叶片，服役于高温1000℃左右大气环境下。航空发动机工作温度每提高100℃，航空发动机推力呈现巨大增长，但航空发动机叶片耐温性能受限于叶片材料。目前，用于制造叶片的高温材料在1600℃高温环境中存在氧原子，材料将极剧氧化，研制新型高温材料和提高现存材料的在役性能迫在眉睫。针对这种情况，完成高温1600℃大气环境下高温材料性能测试极为重要。在高温1600℃大气环境中，几乎所有材料都不能承受较大拉伸载荷，导致完成高温材料拉伸和蠕变性能测试极为困难。
目前，国内外完成此严苛工况下试验均采用将试样加长加大(长度约为国家标准中试样长度的3～5倍)的方式，如图1所示，现有的力学性能测试装置包括主机台面60以及设置于其上的左、右立柱10和70，加热炉20固定在左立柱10上，，试件40通过加长，使其一部分位于加热炉20中，两端则伸出加热炉20并分别与上拉杆30和下拉杆50相连，通过上下拉杆对试件40施加载荷，从而完成力学性能测试。
现有的高温环境中力学性能测试装置具有以下缺点：(1)满足1600℃的加热炉的体积结构要求较大，需要对试件进行加长，也就是试件40要伸出加热炉外，由于工作在此高温环境下的材料昂贵，加长试件将导致试验成本急剧上升，且对于某些特种材料难以制作成大试件；(2)在1600℃的高温大气环境下，没有材料能够承受较大的拉伸载荷，现有的拉伸试验夹具在此高温环境下受到较大的拉伸载荷后将发生损坏，导致无法进行拉伸测试。
发明内容
本发明的目的在于提供一种力学性能测试夹具及装置，以完成在1600℃高温下小试件或标准试件的拉伸、蠕变性能测试。
本发明一方面提供一种力学性能测试夹具，用于夹持试件，包括：沿轴向相对设置的上顶杆和下支座、沿轴向相对设置的上夹头和下夹头；
所述上顶杆包括杆部，所述杆部上设有多个向所述下支座延伸的上支脚，所述下支座包括座体，所述座体上设有多个向所述上顶杆延伸的下支脚，
所述上支脚和下支脚相互错开；
所述上夹头固定在所述下支脚上，所述试件的一端与上夹头固定连接，另一端与所述下夹头固定连接，所述下夹头上设有台阶，用于顶住上支脚。
进一步地，所述上支脚沿所述杆部的周向均匀设置，所述下支脚沿所述座体的周向均匀设置。
进一步地，所述台阶的上表面为径向向外向上的倾斜面，所述上支脚的下表面与所述台阶的上表面平行。
进一步地，所述上夹头和下夹头均设置有容纳孔，所述容纳孔中设有两对称的夹环，所述试件的两端分别插入所述上夹头和下夹头的两夹环之间，以使所述试件与所述上夹头和下夹头固定连接。
进一步地，所述试件为两端宽、中间窄的对称结构。
进一步地，所述上夹头与所述下支脚通过销钉固定连接。
进一步地，所述上支脚上设有测温孔，所述测温孔的中心与试件的中心在同一水平面上。
进一步地，所述上顶杆的上表面和下支座的下表面均沿轴向开设有中心孔，所述上顶杆的中心孔内安装有上螺钉，所述下支座的中心孔内安装有下螺钉。
本发明另一方面提供一种力学性能测试装置，包括测温仪、真空机组、加热装置、电源、环境室、试验机和如上所述的力学性能测试夹具，所述环境室固定在所述试验机上，所述真空机组、测温仪均位于所述环境室外且与所述环境室连通，所述环境室的上端固定有一连通所述环境室内外的上接头，所述环境室的下端滑动设置有一连通环境室内外的下接头，所述力学性能测试夹具位于所述环境室内，所述上顶杆的顶端与所述上接头相连，所述下支座的底端与所述下接头相连，所述加热装置固定在所述环境室内，所述电源位于环境室外且与所述加热装置电连接，所述上顶杆和下支座穿过所述加热装置且所述试件位于所述加热装置内。
进一步地，所述加热装置包括石墨加热筒和环绕在所述石墨加热筒上的加热线圈，所述加热线圈与所述环境室固定连接，所述加热线圈的两端分别与所述电源电连接。
本发明提供的力学性能测试夹具及装置，可以将施加于夹具上的压缩载荷转换为对试件的拉伸载荷，使得夹具可以在1600℃的高温下夹持试件而不被破坏，无需对试件加长即可完成其在1600℃高温下的拉伸、蠕变性能测试；通过真空机组和环境室，还可以实现在真空环境的力学性能测试，应用范围更广。
附图说明
图1为现有技术的力学性能测试装置的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的力学性能测试夹具的半剖示意图；
图3为本发明一实施例提供的力学性能测试夹具的主视图；
图4为本发明一实施例提供的力学性能测试夹具的左视图；
图5为本发明一实施例提供的夹环的主视图；
图6为图5的俯视图；
图7为本发明一实施例提供的上夹头的主视图；
图8为图7的左视图；
图9为本发明一实施例提供的下夹头的主视图；
图10为图9的左视剖面图；
图11为图10的I部放大图；
图12为本发明一实施例提供的上顶杆的结构示意图；
图13为本发明一实施例提供的上顶杆的主视图；
图14为图13的II部放大图；
图15为本发明一实施例提供的试件的主视图；
图16为图15的俯视图；
图17为本发明另一实施例提供的力学性能测试装置的结构示意图；
图18为本发明另一实施例提供的加热装置与力学性能测试夹具的结构示意图。
附图标记：
1-力学性能测试夹具；
11-上顶杆；
111-杆部；
112-上支脚；
113-测温孔；
12-下支座；
121-座体；
122-下支脚；
13-上夹头；
131-销孔；
132-容纳孔；
14-下夹头；
141-台阶；
142-容纳孔；
15-夹环；
16-销钉；
17-上螺钉；
18-下螺钉；
2-试件；
3-加热装置；
31-加热线圈；
32-石墨加热筒；
4-电源；
5-真空机组；
6-测温仪；
7-环境室；
71-上接头；
72-下接头。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
实施例一
如图2-4所示，本发明一实施例提供一种力学性能测试夹具1，用于在对试件2进行力学性能测试时夹持试件2，包括沿轴向设置的上顶杆11、下支座12、上夹头13和下夹头14，其中，上顶杆11与下支座12相对设置，上夹头13与下夹头14相对设置。上顶杆11包括杆部111，其上设有多个向下支座12延伸的上支脚112；下支座12包括座体121，其上设有多个向上顶杆11延伸的下支脚122，上支脚112和下支脚122相互错开，以使上顶杆11和下支座12可以沿轴向相对运动。上夹头13固定在下支脚122上，试件2的一端与上夹头13固定连接，另一端则与下夹头14固定连接，下夹头14位于上夹头13的下方，下夹头14上设有台阶141，该台阶141与上支脚112相互配合，在上顶杆11和下支座12发生相对运动时，顶住上支脚112，使上顶杆11和下夹头14的位置保持固定，下支座12则带动上夹头13和试件2继续朝上顶杆11的方向运动。
继续参照图2，上顶杆11的上表面和下支座12的下表面均沿轴向开设有中心孔，上顶杆11的中心孔内安装有上螺钉17，下支座12的中心孔内安装有下螺钉18，该力学性能测量夹具1通过上螺钉17和下螺钉18安装在施加载荷的装置上，从而使得在测试过程中，上顶杆11、下支座12和试件2保持较好的同轴度。
上支脚112和下支脚122分别沿杆部111和座体112的周向均匀设置，且两者相互错开，上支脚112位于相邻两个下支脚122的间隙中，而下支脚122则位于相邻两个上支脚112的间隙中，即相互错开，避免在上顶杆11和下支座12相对运动时产生干涉。
如图5-10所示，在一可行的实施方式中，上夹头13和下夹头14均通过夹环15来实现对试件2的夹持，具体地，上夹头13上开设有容纳孔132，下夹头14上开设有容纳孔142，夹环15为半圆柱形且两个配套使用，夹环15的外径等于容纳孔(132，142)的内径，两个夹环15放置在容纳孔(132，142)中，试件2的两端则分别插入容纳孔(132，142)中的两夹环15之间，从而使试件2的两端分别与上夹头13和下夹头14固定连接。
继续参照图3和图7，上夹头13可以通过销钉16与下支脚122固定连接，其中，上夹头13上开设有贯通的销孔131，两个下支脚122上也开设有对中的销孔，销钉分别穿过上夹头13和下支脚122的销孔，从而使上夹头13固定在两个下支脚122之间。
如图11所示，下夹头14的台阶141的上表面可以设置为径向向外向上的倾斜面，该倾角α≤15°；相应的，如图12-14所示，上支脚112的下表面也为倾斜面，且与台阶141的上表面平行接触配合，从而保证在压缩过程中，载荷在同一轴线。
如图12和13所示，上支脚112可以均设置为两个，两个上支脚112自杆部111的外周缘相对相下延伸，相应的，下支脚122也设置为两个，两个下支脚122则自座体121的外缘相对向上延伸，上夹头13则位于两个下支脚122之间且与其固定连接。
上支脚112和下支脚122还可以设置为3个或更多个，这样可以使下夹头14受力更均匀，本发明对此不做限定。
继续参照图12，上支脚112上可以设置一测温孔113，该测温孔113的中心与试件2的中心在同一水平面上，测温装置通过该测温孔113测量试件2的温度，例如，采用红外线测温仪测量试件2的温度，测温仪的红外线通过测温孔113照射在试件2上，从而实现温度测量。
为了测量方便，测温孔113可以设置为椭圆形，也可以设置为圆形。
如图15和16所示，在一较佳的实施方式中，试件2为两端宽，中间窄的对称结构，两端为楔形，该楔形插入两夹环15之间，根据摩擦力学原理，楔形摩擦角滑动量最小，通过楔形与两夹环15之间的摩擦力，使夹环15将试件2夹紧。
在一可行的实施方式中，试样2的尺寸可以如下设置：L1＝98mm，L2＝30mm，L3＝17.4mm，L4＝8.43mm，L5＝6mm，A＝16℃±3′，
Figure BDA0002701856310000071
试样2上还设置有4个半径为3mm的倒圆角，作为试件2的中间部分和两端部分的过渡，继续参照图8和10，上夹头13和下夹头14具有一通道，使试件2通过该通道插入夹环15之间，相应的，它们的尺寸为
Figure BDA0002701856310000072
以使试件2与上夹头13和下夹头14夹紧。
应当注意的是，试件2的尺寸可以根据实际需要进行调整，本发明对此不做限定。
本发明实施例提供的力学性能测试夹具1的工作原理如下：
该力学性能测试夹具1在使用时，上顶杆11固定不动，下支座12则可以朝上顶杆11的方向移动，当需要对试件2进行拉伸、蠕变性能测试时，只需对下支座12施加压缩载荷，使下支座12朝上顶杆11运动，直至下夹头14的台阶141顶住上支脚112，继续施加压缩载荷，由于上顶杆11固定不动，上支脚112将对下夹头14产生一个远离上顶杆11的反作用力，而上夹头13固定在下支座12上，其所受的力与下夹头14所受的力方向相反，这样，相当于上夹头13受到一个向上的力(压缩载荷)，下夹头14受到一个向下的力(反作用力)，从而实现对试件2的拉伸，也就是说，通过本发明的力学性能夹具1，将施加给该夹具的压缩载荷转换为了对试件2的拉伸载荷，从而使得在1600℃高温下对小试件或标准试件进行拉伸、蠕变性能测试时，夹具不会损坏。
本发明实施例提供的力学性能测试夹具1，可以将施加于夹具上的压缩载荷转换为对试件2的拉伸载荷，使得夹具可以在1600℃的高温下夹持试件2而不被破坏，无需对试件2加长即可完成其在1600℃高温下的拉伸、蠕变性能测试。
实施例二
如图17所示，本实施例提供一种力学性能测试装置，包括加热装置3、电源4、真空机组5、测温仪6、环境室7、试验机(图中未示出)和如实施例一中所述的力学性能测试夹具1，其中，电源4、真空机组5、测温仪6均位于环境室7之外，真空机组5与环境室7内部连通，用于对环境室7内抽真空，测温仪6与环境室7内部连通，用于测量试件2的温度，加热装置3和力学性能测试夹具1则位于环境室7内，环境室7的上端固定有一连通环境室7内外的上接头71，力学性能测试夹具1的上顶杆11与上接头71固定连接；环境室7的下端设置有一下接头72，下接头72也连通环境室7室内外，但与环境室7为滑动连接，其可发生上下移动，下支座12则与下接头72固定连接；加热装置3环绕于力学性能测试夹具1的外周壁，并使其中的试件2位于加热装置3的范围内，从而保证加热装置3对试件2可加热至1600℃高温，电源4用于对加热装置3供电，使其正常工作；环境室7则固定在试验机上，试验机用于对试件2施加载荷，在测试时，试验机对下接头72施加压缩载荷，通过力学性能测试夹具1将该压缩载荷转换为对试件2的拉伸载荷，从而完成拉伸、蠕变性能测试。
具体地，上顶杆11通过上螺钉17与上接头71固定连接，下支座12通过下螺钉18与下接头72固定连接。
真空机组5可采用现有的任意抽真空装置，其可通过连接管与环境室7内部连通，这样，可以实现在真空环境的力学性能测试。
为了保证真空效果，真空机组5、测温仪6、上接头71、下接头72等所有与环境室7的连接处均需要进行密封处理。
测温仪6可以采用现有的任意测温装置，例如，红外线测温仪，测温仪6的红外线通过上顶杆11的测温孔113照射在试件2上，从而完成温度测试。通过测温仪6，可以实时监控试件2的温度，并根据需要对其进行调整。为了保证真空效果，测温仪6与环境室7的连接处需要进行密封处理。
在一可行的实施方式中，加热装置3包括加热线圈31和石墨加热筒32，加热线圈31绕设在石墨加热筒32上，加热线圈31的两端分别穿过环境室7的室壁后分别与电源4电连接，从而形成一闭合回路；石墨加热筒32通过加热线圈31固定，力学性能测试夹具1则穿过石墨加热筒32，试件2则位于石墨加热筒32的内部，电源4通电后，加热线圈31产生热量，传递给石墨加热筒32，然后再辐射至试件2，从而完成对试件2的加热。
如图18所示，其中显示了加热线圈31、石墨加热筒32、试件2的位置关系，力学性能夹具1穿过石墨加热筒32，并使试件2位于石墨加热筒32的筒内，加热线圈1则绕设在石墨加热筒32之外。这样，可以避免对力学性能夹具1的其他部位进行直接加热，尽可能的减少直接加热范围。
本实施例提供的力学性能测试装置，采用如实施例一种所述的力学性能测试夹具，可以将施加于夹具上的压缩载荷转换为对试件2的拉伸载荷，使得夹具可以在1600℃的高温下夹持试件2而不被破坏，无需对试件2加长即可完成其在1600℃高温下的拉伸、蠕变性能测试；通过真空机组5和环境室7，还可以实现在真空环境的力学性能测试，应用范围更广。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种力学性能测试夹具，用于夹持试件，其特征在于，包括：沿轴向相对设置的上顶杆和下支座、沿轴向相对设置的上夹头和下夹头；
所述上顶杆包括杆部，所述杆部上设有多个向所述下支座延伸的上支脚，所述下支座包括座体，所述座体上设有多个向所述上顶杆延伸的下支脚，所述上支脚和下支脚相互错开；
所述上夹头固定在所述下支脚上，所述试件的一端与上夹头固定连接，另一端与所述下夹头固定连接，所述下夹头上设有台阶，用于顶住上支脚。
2.根据权利要求1所述的力学性能测试夹具，其特征在于，所述上支脚沿所述杆部的周向均匀设置，所述下支脚沿所述座体的周向均匀设置。
3.根据权利要求1所述的力学性能测试夹具，其特征在于，所述台阶的上表面为径向向外向上的倾斜面，所述上支脚的下表面与所述台阶的上表面平行。
4.根据权利要求1所述的力学性能测试夹具，其特征在于，所述上夹头和下夹头均设置有容纳孔，所述容纳孔中设有两对称的夹环，所述试件的两端分别插入所述上夹头和下夹头的两夹环之间，以使所述试件与所述上夹头和下夹头固定连接。
5.根据权利要求4所述的力学性能测试夹具，其特征在于，所述试件为两端宽、中间窄的对称结构。
6.根据权利要求1所述的力学性能测试夹具，其特征在于，所述上夹头与所述下支脚通过销钉固定连接。
7.根据权利要求1所述的力学性能测试夹具，其特征在于，所述上支脚上设有测温孔，所述测温孔的中心与试件的中心在同一水平面上。
8.根据权利要求1所述的力学性能测试夹具，其特征在于，所述上顶杆的上表面和下支座的下表面均沿轴向开设有中心孔，所述上顶杆的中心孔内安装有上螺钉，所述下支座的中心孔内安装有下螺钉。
9.一种力学性能测试装置，其特征在于，包括测温仪、真空机组、加热装置、电源、环境室、试验机和如权利要求1-8任一项所述的力学性能测试夹具，所述环境室固定在所述试验机上，所述真空机组、测温仪均位于所述环境室外且与所述环境室连通，所述环境室的上端固定有一连通所述环境室内外的上接头，所述环境室的下端滑动设置有一连通环境室内外的下接头，所述力学性能测试夹具位于所述环境室内，所述上顶杆的顶端与所述上接头相连，所述下支座的底端与所述下接头相连，所述加热装置固定在所述环境室内，所述电源位于环境室外且与所述加热装置电连接，所述上顶杆和下支座穿过所述加热装置且所述试件位于所述加热装置内。
10.根据权利要求9所述的力学性能测试装置，其特征在于，所述加热装置包括石墨加热筒和环绕在所述石墨加热筒上的加热线圈，所述加热线圈与所述环境室固定连接，所述加热线圈的两端分别与所述电源电连接。
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