CN114750088B - 一种薄壁试样测试夹具 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种薄壁试样测试夹具，涉及薄壁试样测试相关技术领域；包括上夹头、下夹头和垫块；上夹头一端设置有螺纹头，另一端侧壁上开设有方形孔，方形孔远离螺纹头的一端侧壁上开设有与方形孔连通的方槽，方槽一侧开口，另一侧封闭，上夹头远离螺纹头一端的端面上开设有条形孔，条形孔贯穿方槽和方槽的封闭侧后与方形孔连通，方形孔和方槽的径向投影分别对称位于条形孔的径向投影两侧；下夹头与上夹头结构相同；垫块用于将穿过条形孔的薄壁试样两端分别固定抵接于上夹头和下夹头的方槽内。本发明提供的薄壁试样测试夹具，能够将待加工薄壁试样固定在夹头轴心，极大提高了实验准确性。

Description

一种薄壁试样测试夹具

技术领域

本发明涉及薄壁试样测试相关技术领域，特别是涉及一种薄壁试样测试夹具。

背景技术

航空发动机是高速高温旋转的机械部件。“宽涵道比可调、宽增压比调节率、高涡轮前温度”是未来新一代航空发动机的典型技术特征。

为满足当前2100-2200K涡轮前温度设计需求，高压涡轮叶片采用“超气冷”结构，通过降低叶片厚度并设计双层壁结构、复杂内腔通道并增加气膜冷却以达到显著提高了冷却效率的目的。未来新一代航空发动机涡轮前温度将高达2400K，高压涡轮叶片将采用最先进的双层壁超气冷结构，单晶铸造薄壁成为先进叶片的关键特征结构，因此亟需深入探究其凝固行为、使役性能和近工况损伤等基础科学问题。

目前对于铸造薄壁的使役性能，国内外已经开展相关薄壁效应的研究，发现单晶合金力学性能具有随壁厚减小而降低的趋势。然而研究成果尚不足以充分反映铸造薄壁高温力学特征，导致目前对单晶高温合金薄壁服役行为与微观机制的认识仍不够深入，尚未建立“壁厚-性能”的数学物理模型，无法确定给定条件下的临界壁厚。

由于薄壁构件在进行高温力学实验时，在同等应力水平下所需施加的应力较小，因此与标准蠕变试样相比薄壁试样的表面状态、残余应力、力学试验机对中度将对试样力学数据产生更为显著的影响，这不仅造成了严重的资源、时间的浪费，更降低了数据的可靠性。因此需要一种实验时，能够对试样表面状态破坏小，对中度好的装置，将试样进行固定。

发明内容

本发明的目的是提供一种薄壁试样测试夹具，以解决上述现有技术存在的问题，能够将待加工薄壁试样固定在夹头轴心，极大提高了实验准确性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种薄壁试样测试夹具，包括上夹头、下夹头和垫块；所述上夹头一端设置有螺纹头，另一端侧壁上开设有方形孔，所述方形孔远离所述螺纹头的一端侧壁上开设有与所述方形孔连通的方槽，所述方槽一侧开口，另一侧封闭，所述上夹头远离所述螺纹头一端的端面上开设有条形孔，所述条形孔贯穿所述方槽和所述方槽的封闭侧后与所述方形孔连通，所述方形孔和方槽的径向投影分别对称位于所述条形孔的径向投影两侧；所述下夹头与所述上夹头结构相同；所述垫块用于将穿过所述条形孔的薄壁试样两端分别固定抵接于所述上夹头和下夹头的方槽内，即薄壁试样一端通过垫块固定设置于上夹头内，薄壁试样另一端通过另一个垫块固定设置于下夹头内。本发明旨在服务薄壁试样高温力学性能测试，提高数据准确性、便于获取大量可靠数据建立材料数据库，为将来双层壁超气冷叶片设计提供数据基础。

可选的，所述方槽开口侧的径向尺寸小于所述方形孔开口侧的径向尺寸。

可选的，所述上夹头的方槽内还设有阻块，所述阻块的宽度尺寸与所述方槽开口侧的径向尺寸相同，所述阻块内侧的左右两端对称设置有连接凸起，所述方槽的两个侧壁上对称开设有沿所述上夹头轴向方向延伸的滑槽，所述滑槽一端与所述方形孔连通，所述连接凸起能够滑动设置于所述滑槽内；位于所述上夹头的方槽内的所述垫块通过所述阻块与其所在方槽的封闭侧固定抵接。

可选的，所述薄壁试样包括夹持段和标距段，两个所述夹持段对称设置于所述标距段两端，且所述夹持段与所述标距段之间通过平滑的圆弧段连接，所述垫块与所述夹持段连接。

可选的，所述垫块包括第一垫块和第二垫块，所述第一垫块一侧开设有与所述夹持段相匹配的凹槽，所述第二垫块一侧开设有与所述夹持段相匹配的凸台，所述夹持段用于固定设置于所述凹槽和凸台之间。

可选的，所述上夹头为直径30mm的圆柱状结构，所述方形孔开口侧的径向尺寸为17mm，所述方形孔轴向尺寸为23mm；所述方槽开口侧的径向尺寸为14mm，所述方槽自开口侧至封闭侧的长度为20mm，所述方槽和滑槽的轴向尺寸均为10mm，所述滑槽宽度为2mm，所述滑槽位于所述方槽自封闭侧向开口侧延伸10mm位置处；所述条形孔的端面投影宽度尺寸为6mm。

可选的，所述标距段长度为25mm，宽度为3mm；所述夹持段宽度为12mm，所述夹持段自靠近所述标距段的一端至远离所述标距段的一端的尺寸为6mm；所述圆弧段的圆弧半径为1.5mm，试样厚度可设计为0.3-2mm，覆盖薄壁效应研究所涉及全部厚度；薄壁试样制备方法为，首先在棒材或块材上利用电火花法加工出薄壁预制块体样，随后将侧面铣光，在不引入较大加工应力的同时确保圆弧与标距段光滑无划痕，避免因线切割或手工磨制圆弧导致的表面缺陷影响试样高温性能；随后利用线切割将上一步加工完成试样切成最薄1mm小试样，防止线切割时的加工应力导致小截面试样发生翘曲。此步加工完成后的试样需要进行进一步的加工使试样表面达到光滑无划痕的状态。

可选的，所述第一垫块长14mm，高10mm，宽7mm；所述第二垫块长14mm，高10mm，宽3mm。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明规范了薄壁试样加工流程，避免加工过程中导致的表面缺陷、加工应力等问题导致的薄壁试样高温力学性能数据波动性大，可重复性差等问题，避免了薄壁试样数据不准确和资源、能源浪费问题，极大提高了实验的成功率。

本发明薄壁试样与垫块之间采用了固定夹持段的方法，此方法好处在于：避免销钉连接带来的销钉变形、断裂或试样夹持端破裂等问题造成的实验失败；极大降低了试样夹持段的形变量，基于此可利用陶瓷杆法记录试样位移完成高温蠕变实验，解决板状试样无法测量标距段位移的问题；本发明设计的模块化垫块组件通过与上夹头、试样、阻块的巧妙尺寸配合，可将试样牢固固定在夹头轴心，极大提高了实验准确性。通过调整垫块的凹槽与凸台尺寸，既确保了装卡试样的牢固性，又满足了从0.3mm-2mm厚试样的测试需求，具有极强的灵活性。

本发明设计内容不仅可以适用于板状试样的高温持久和蠕变实验，还可以通过设计模块化垫块组件完成板状试样的室温、中高温拉伸实验，棒状试样的高温力学实验等多种实验测试需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明薄壁试样测试夹具主视图；

图2为本发明薄壁试样测试夹具侧视图；

图3为本发明薄壁试样测试夹具立体结构示意图；

图4为本发明薄壁试样测试夹具的上夹头结构示意图；

图5为本发明薄壁试样测试夹具的垫块结构示意图；

图6为本发明薄壁试样测试夹具的阻块结构示意图；

图7为本发明薄壁试样测试夹具的下夹头结构示意图；

图8为本发明薄壁试样测试夹具的薄壁试样结构示意图；

附图标记说明：1、上夹头；2、下夹头；3、薄壁试样；301、夹持段；302、标距段；303圆弧段；4、阻块；5、垫块；501、第一垫块；502、第二垫块；503、凹槽；504、凸台；6、螺纹头；7、方形孔；8、方槽；9、条形孔；10、连接凸起；11、滑槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

本发明的目的是提供一种薄壁试样测试夹具，以解决上述现有技术存在的问题，能够将待加工薄壁试样固定在夹头轴心，极大提高了实验准确性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种薄壁试样测试夹具，如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8所示，包括上夹头1、下夹头2、阻块4和垫块5；上夹头1和下夹头2由单晶高温合金制成，上夹头1一端设置有螺纹头6，用于与测试机器连接，另一端侧壁上开设有方形孔7，方形孔7远离螺纹头6的一端侧壁上开设有与方形孔7连通的方槽8，方槽8一侧开口，另一侧封闭，方槽8开口侧的径向尺寸小于方形孔7开口侧的径向尺寸，上夹头1远离螺纹头6一端的端面上开设有条形孔9，条形孔9贯穿方槽8和方槽8的封闭侧后与方形孔7连通，条形孔9为贯通孔，确保薄壁试样3顺利挂入，方形孔7和方槽8的径向投影分别对称位于条形孔9的径向投影两侧；下夹头2与上夹头1结构相似；垫块5用于将穿过条形孔9的薄壁试样3两端分别固定抵接于上夹头1和下夹头2的方槽8内，即薄壁试样3一端通过垫块5固定设置于上夹头1内，薄壁试样3另一端通过另一个垫块5固定设置于下夹头2内。阻块4设于上夹头1的方槽8内，阻块4由高温陶瓷制成避免与上夹头1在高温下发生粘连，阻块4一方面可以安装时将垫块5与薄壁试样3固定在夹头轴心位置，另一方面可以避免薄壁试样3在实验过程中发生移动，如图6所示，阻块4的宽度尺寸与方槽8开口侧的径向尺寸相同，阻块4高度与方槽8轴向尺寸相同，阻块4内侧的左右两端对称设置有连接凸起10，方槽8的两个侧壁上对称开设有沿上夹头1轴向方向延伸的滑槽11，连接凸起10与滑槽11相匹配，滑槽11一端与方形孔7连通，阻块4自方形孔7进入，然后向下，使得连接凸起10能够滑动设置于滑槽11内；位于上夹头1的方槽8内的垫块通过阻块4与其所在方槽8的封闭侧固定抵接；滑槽11与阻块4相配合确保试样在进行高温力学实验时不会发生移动。下夹头2与上夹头1形状类似，由于上夹头1极佳限制试样运动，故下夹头2未配有与阻块4相配合的滑槽11。

具体的，如图8所示，薄壁试样3包括夹持段301和标距段302，两个夹持段301对称设置于标距段302两端，且夹持段301与标距段302之间通过平滑的圆弧段303连接，垫块5与夹持段301连接。标距段302长度为25mm，宽度为3mm；夹持段301宽度为12mm，夹持段301自靠近标距段302的一端至远离标距段302的一端的尺寸为6mm；圆弧段303的圆弧半径为1.5mm。

如图5所示，垫块4由陶瓷制成，以防止在高温下与夹具发生粘连，垫块5包括第一垫块501和第二垫块502，第一垫块501长14mm，高10mm，宽7mm；第二垫块502长14mm，高10mm，宽3mm。第一垫块501一侧开设有与夹持段301相匹配的凹槽503，第二垫块502一侧开设有与夹持段301相匹配的凸台504，夹持段301用于固定设置于凹槽503和凸台504之间，凹槽503与凸台504之间的距离为试样的厚度，凹槽503和凸台504可根据试样厚度灵活加工，既确保试样与夹具同轴又可与阻块夹头相配合将试样完全固定；凹槽503深度为2+x/2，x为试样宽度；凸台504高度为2-x/2，x为试样宽度。

上夹头1为直径30mm的圆柱状结构，方形孔7开口侧的径向尺寸为17mm，方形孔7轴向尺寸为23mm；方槽8开口侧的径向尺寸为14mm，方槽8自开口侧至封闭侧的长度为20mm，方槽8和滑槽11的轴向尺寸均为10mm，滑槽11宽度为2mm，滑槽11位于方槽8自封闭侧向开口侧延伸10mm位置处；条形孔9的端面投影宽度尺寸为6mm。方槽8最深处为夹头中心点向内延伸5mm处，与10mm垫块相配合，以确保试样与夹头保持同轴。

本发明使用时，首先在所测材料的棒材或块材上利用电火花法加工出薄壁预制块体样，随后将侧面铣光，在不引入较大加工应力的同时确保圆弧与标距段光滑无划痕；随后利用线切割将上一步加工完成试样根据实验需求切成最薄1mm小试样。

然后以高温蠕变实验为例，将垫块5置于高温陶瓷所制模块化垫块组件中，将模块化垫块组件置于上、下夹头中，将高温陶瓷制阻块4嵌入上夹头1的滑槽11中，将铂铑热电偶通过镍铬丝固定在上、下夹头上，将陶瓷杆下端顶住引伸计，关闭炉膛，启动蠕变机程序开始蠕变实验。试验结束后打开炉膛，滑出阻块即可取出模块化垫块组件与试样。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明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；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种薄壁试样测试夹具，其特征在于：包括上夹头、下夹头和垫块；所述上夹头一端设置有螺纹头，另一端侧壁上开设有方形孔，所述方形孔远离所述螺纹头的一端侧壁上开设有与所述方形孔连通的方槽，所述方槽一侧开口，另一侧封闭，所述上夹头远离所述螺纹头一端的端面上开设有条形孔，所述条形孔贯穿所述方槽和所述方槽的封闭侧后与所述方形孔连通，所述方形孔和方槽的径向投影分别对称位于所述条形孔的径向投影两侧；所述下夹头与所述上夹头结构相同；所述垫块用于将穿过所述条形孔的薄壁试样两端分别固定抵接于所述上夹头和下夹头的方槽内；所述上夹头的方槽内还设有阻块，所述阻块的宽度尺寸与所述方槽开口侧的径向尺寸相同，所述阻块内侧的左右两端对称设置有连接凸起，所述方槽的两个侧壁上对称开设有沿所述上夹头轴向方向延伸的滑槽，所述滑槽一端与所述方形孔连通，所述连接凸起能够滑动设置于所述滑槽内；位于所述上夹头的方槽内的所述垫块通过所述阻块与其所在方槽的封闭侧固定抵接；所述方槽开口侧的径向尺寸小于所述方形孔开口侧的径向尺寸；所述上夹头为直径30mm的圆柱状结构，所述方形孔开口侧的径向尺寸为17mm，所述方形孔轴向尺寸为23mm；所述方槽开口侧的径向尺寸为14mm，所述方槽自开口侧至封闭侧的长度为20mm，所述方槽和滑槽的轴向尺寸均为10mm，所述滑槽宽度为2mm，所述滑槽位于所述方槽自封闭侧向开口侧延伸10mm位置处；所述条形孔的端面投影宽度尺寸为6mm。

2.根据权利要求1所述的薄壁试样测试夹具，其特征在于：所述薄壁试样包括夹持段和标距段，两个所述夹持段对称设置于所述标距段两端，且所述夹持段与所述标距段之间通过平滑的圆弧段连接，所述垫块与所述夹持段连接。

3.根据权利要求2所述的薄壁试样测试夹具，其特征在于：所述垫块包括第一垫块和第二垫块，所述第一垫块一侧开设有与所述夹持段相匹配的凹槽，所述第二垫块一侧开设有与所述夹持段相匹配的凸台，所述夹持段用于固定设置于所述凹槽和凸台之间。

4.根据权利要求2所述的薄壁试样测试夹具，其特征在于：所述标距段长度为25mm，宽度为3mm；所述夹持段宽度为12mm，所述夹持段自靠近所述标距段的一端至远离所述标距段的一端的尺寸为6mm；所述圆弧段的圆弧半径为1.5mm。

5.根据权利要求3所述的薄壁试样测试夹具，其特征在于：所述第一垫块长14mm，高10mm，宽7mm；所述第二垫块长14mm，高10mm，宽3mm。