CN115014944A - 陶瓷基复合材料高温拉伸疲劳性能夹具工装及其试验方法 - Google Patents

Abstract

陶瓷基复合材料高温拉伸疲劳性能夹具工装及其试验方法，该夹具工装采用夹头不直接接触试件的设计，将装置分为水冷非接触部分和接触部分，在水冷作用下，夹头的水冷接触部分很难因高温而损坏；通过两侧夹头夹持的方式，能够将夹头置于高温炉之外，进一步降低了高温损坏工装的可能性；采用月牙形夹块夹持试件，即使发生断水事故产生高温损坏，试验依然可以继续进行，利用机械自锁防松角度，避免在试验过程中发生松弛；高温垫片设计，实现不同厚度试样件前后方向上对中；发生损坏时，一般只需替换夹块和垫片，更加经济。

Description

陶瓷基复合材料高温拉伸疲劳性能夹具工装及其试验方法

技术领域

本发明涉及材料工程实验领域，具体的涉及一种陶瓷基复合材料空气环境高温拉伸疲劳性能夹具工装及其试验方法。

背景技术

陶瓷基复合材料作为一种新型的复合材料，是以陶瓷材料为基体，陶瓷纤维、晶须、颗粒等为增强体的复合物。该材料在高温环境下依然能保持良好的力学性能，在航空航天、核工业等国防工业领域发挥着重要的作用，因此也需要对各类陶瓷基复合材料在高温环境(大于800℃)下进行力学性能测试，以便得到准确的力学性能数据，进而指导陶瓷基复合材料结构设计。进行高温拉伸试验时，需要固定夹持板形工件的一端，并对其另一端循环施加设定拉力载荷。

现有的固定夹持机构结构组成为：通过在柱形本体上设置连接件与外部固定端进行连接，通过设置可拔插的垫片，对不同厚度的板形工件进行拉伸试验，通过定位销轴配合定位通孔将板形工件固定在凹槽中。

现有技术所采取的方案，结构过于简单，未考虑到高温试验过程中可能会出现的，高温导致夹头松弛变形甚至损坏的情况，该情况下试验失败，试验结果不可靠，同时损坏替换时更需替换整个装置，耗费成本高；此外部分夹具对试样的装夹方式简单，未考虑试样加工误差导致的夹持接触不良在循环载荷下对试样造成局部破坏，影响测试结果准确性；部分夹具未考虑上下加载机构位置偏差导致的试样非正常受载，影响测试结果准确性。

因此，如何改进试验的设备，避免在高温环境下夹头的变形损坏容易发生破坏，试件断裂位置不理想的问题，提高设备更换的便捷性，降低成本，成为亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种陶瓷基复合材料高温拉伸疲劳性能夹具工装及其试验方法，采用夹头不直接接触试件的设计，将装置分为水冷非接触部分和接触试件部分，降低了高温损坏工装的可能性，同时在发生损坏时，一般只需替换夹块和垫片，更加经济。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种陶瓷基复合材料高温拉伸疲劳性能夹具工装，包括：

包括水冷非接触部分和接触部分，其中，水冷非接触部分通过接触部分夹持固定试样件；

所述接触部分包括：两个月牙形夹块，

所述月牙形夹块对称设置在试样件夹持段的斜面两侧，夹持斜面与试样件相对且具有一定的角度，对试样件夹持加载，其外侧为月牙形的圆弧面，与夹头的铰链圆孔的连接面精密配合，从而对称的夹持试样件，并形成机械自锁防松；

水冷非接触部分包括拉杆、夹头、定位盖板和水冷通道，

所述拉杆固定在夹头的上部，并用于与加载架构连接；

夹头的中部具有铰链圆孔，所述铰链圆孔与所述月牙形夹块的圆弧面滑动配合，从而在拉伸的过程中通过具有自锁防松角度的斜面对试样件进行夹持加载；

在夹头面对铰链圆孔的表面上固定有定位盖板，用于固定在所述铰链圆孔中的月牙形夹块和试样件；

在夹头的铰链圆孔的两个侧壁上具有水冷通道，所述水冷通道安装有冷却水接嘴。

可选的，所述接触部分还包括两个所述高温金属垫片，两个所述高温金属垫片外形与试样件的夹持段外形一致，分别对称贴服于试样件夹持段两面。

可选的，所述月牙形夹块的夹持斜面夹角为6～8度，一对月牙形夹块的对称夹角为12～16度，为机械自锁防松角度。

可选的，所述夹头面对铰链圆孔的表面具有凹陷部，以容纳并固定安装所述定位盖板。

可选的，在所述夹头的对应于铰链圆孔的下部具有开槽结构，用于试样件安装通过。

可选的，所述水冷通道为两条，分别位于在夹头的铰链圆孔的两个侧壁，在夹头的正反两侧上分别具有与之对应的四个冷却水接嘴，或者

所述水冷通道为一条，从夹头的铰链圆孔一个侧壁延伸至另外一个侧壁，在夹头的表面具有与之对应的两个冷却水接嘴。

可选的，所述夹头上具有螺钉孔，所述定位盖板通过安装螺钉安装于夹头。

可选的，所述夹头为高温合金材质，所述高温金属垫片为耐高温金属材质，所述月牙形夹块为高温硬质合金或者高温陶瓷材质。

可选的，包括上夹具工装、下夹具工装与试样件，所述上夹具工装与下夹具工装为上述的夹具工装，能够分别夹持在试样件两端的夹持端，对试样件加载拉力。

本发明进一步公开了一种利用上述的陶瓷基复合材料高温拉伸疲劳试验工装进行高温试验的方法，具体包括如下步骤：

接触部分安装步骤S110：

对于上夹具工装和下夹具工装，在陶瓷基复合材料的试样件的夹持段两面对称粘贴高温金属垫片，在试样件的夹持段两侧斜面对称放置月牙形夹块，从而形成接触部分；

非接触部分安装步骤S120：

接触部分与试样件夹持后放入夹头的铰链圆孔的空间内，月牙形夹块的圆弧面与夹头的铰链圆孔内部的斜面滑动配合，在施加拉力载荷时，通过月牙形夹块的斜面结构对试样件夹紧，通过安装螺钉将所述定位盖板固定在夹头上，防止实验过程中月牙形夹块滑出；

高温拉伸试验步骤S130：

上夹具工装、下夹具工装通过拉杆连接到试验机加载机构，对试样件进行拉伸测试，试验测试过程中，试样件中间测试段部位放置于高温环境箱中，处于设计高温空气环境中，而上夹具工装、下夹具工装处于高温环境箱加热区域外，通过设计水冷降温结构保证上夹具工装、下夹具工装进行降温。

综上所述，本发明具有如下的优点：

1、试样的测试部分位于在高温空气环境内，与整体高温试验方法相比，在测试精度不下降的前提下，试验操作简便，试验效率高；

2、上下夹头零件采用水冷结构设计，实现上下夹头温度低于500摄氏度，可以在800～1500摄氏度试验环境下强度不下降、不变形，解决了高温合金800摄氏度以上强度急剧下降和热变形大的问题，结构简化可靠；

3、对称月牙形夹块实现斜面夹紧的自适应对中、防松，且楔形夹块采用高温硬质合金或高温陶瓷材料制备，实现高温下不变形、强度满足需求；

4、高温垫片设计，实现不同厚度试样件前后方向上对中；

5、夹头和作为夹块的接触装置的分离设计以及定位盖片连接设计，可在出现断水的极端情况下保证当前试验的一定精度，同时在维修方面只需更换夹块，节省了成本。

附图说明

图1是用于本发明具体实施例的试样件的视图；

图2是根据本发明具体实施例的试验工装的正视图；

图3是根据本发明具体实施例的试验工装工作状态示意图；

图4是根据本发明具体实施例的夹具工装夹紧状态的示意图；

图5是根据本发明具体实施例的夹具工装分离状态的示意图；

图6是根据本发明具体实施例的夹具工装零件分解爆炸图；

图7是根据本发明具体实施例的月牙形夹块的侧视图；

图8是根据本发明具体实施例的月牙形夹块的立体图；

图9是根据本发明具体实施例的水冷非接触部分的分解示意图；

图10是根据本发明具体实施例的夹头的立体图；

图11是根据本发明具体实施例的定位盖板的立体图；

图12是根据本发明具体实施例的接触部分的安装示意图；

图13是根据本发明具体实施例的接触部分的安装的另一个示意图；

图14是根据本发明具体实施例的夹具工装安装示意图；

图15是根据本发明具体实施例的夹具工装的剖视图。

图中的附图标记所分别指代的技术特征为：

1、水冷非接触部分；2、接触部分；3、试样件；4、高温环境箱；11、拉杆；12、夹头；13、定位盖板；14、安装螺钉；15、冷却水接嘴；16、铰链圆孔；17、水冷通道；21、月牙形夹块；22、高温金属垫片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

本发明主要在于：采用夹头不直接接触试件的设计，将装置分为水冷非接触部分和接触部分，在水冷作用下，夹头的水冷接触部分很难因高温而损坏；通过两侧夹头夹持的方式，能够将夹头置于高温炉之外，进一步降低了高温损坏工装的可能性；采用月牙形夹块夹持试件，即使发生断水事故产生高温损坏，由于夹块对高温变形不敏感以及挡片连接固定，试验依然可以继续进行，不会对试验结果产生较大影响，并且利用机械自锁防松角度，避免在试验过程中发生松弛；发生损坏时，一般只需替换夹块和垫片，更加经济。

陶瓷基复合材料高温拉伸疲劳测试方法，国内相关测试方法和标准空缺，借鉴美国陶瓷基复合材料高温拉伸性能测试方法(标准号ASTM C1275-15)，参见图1，本发明所需要进行试验示例性的，可以为平板哑铃形状，厚度为2～4mm；两端为夹持加载段，较宽，宽度尺寸为10～24mm，为角度12～16度的对称斜面；中间段为测试段，较窄，宽度尺寸设计为6～7mm；测试段与加持段采用大圆弧过渡，避免测试中出现应力集中破坏；各部分破坏具体设计尺寸，通过模拟计算分析，保证试验测试中试样件在测试段发生破坏。

参见图2，本发明设计了一种陶瓷基复合材料空气环境高温拉伸疲劳性能夹具工装，可以作为上夹具工装或者下夹具工装，分别夹持在试样件3的两端，将其放入高温环境箱4中进行高温拉伸强度试验。

从图3-图15，将分别介绍本发明的高温拉伸疲劳性能夹具工装的结构以及安装过程。

参见图4～6，所述夹具工装包括水冷非接触部分1和接触部分2，其中，水冷非接触部分1通过接触部分2夹持固定试样件3。

具体的，参见图6，示出了夹具工装所包含的各个零部件。

接触部分2包括：两个月牙形夹块21和两个高温金属垫片22；

所述月牙形夹块21对称设置在试样件3夹持段的斜面两侧，夹持斜面与试样件3相对且具有一定的角度，对试样件夹持加载，其外侧为月牙形的圆弧面，能够与水冷夹头12的铰链圆孔的连接面精密配合，从而对称的夹持试样件3，并形成机械自锁防松。

参见图7，图8，在一个可选的实施例中，所述月牙形夹块21的夹持斜面夹角为6～8度，一对月牙形夹块的对称夹角为12～16度，为机械自锁防松角度，可以避免在试验过程中发生松弛。

所述月牙形夹块21采用高硬度高温金属材料或高温陶瓷材料制造，例如钨渗铜。

对称月牙夹块通过工作斜面夹紧实现自适应对中、防松；采用高温高强陶瓷材料制备，实现高温下不变形、强度满足需求。

两个所述高温金属垫片22，外形与试样件3的夹持段外形一致，分别对称贴服于试样件3夹持段两面，作用为调整试样件与试验工装的前后方向对中。

在一个具体的实施例中，高温金属垫片21采用柔软质地的耐高温金属制造，例如紫铜合金，厚度0.2～0.5mm，可以根据试样件厚度设计制造。

参见图9，水冷非接触部分1包括拉杆11、夹头12、定位盖板13和水冷通道17，

所述拉杆11固定在夹头12的上部，并用于与加载架构连接，例如通过螺旋固定、焊接、或者一体制备的方式完成，本领域技术人员知道还应当具备其它的方法完成拉杆11与夹头12的固定；

夹头12的中部具有铰链圆孔16，所述铰链圆孔16与所述月牙形夹块21的圆弧面滑动配合，从而在拉伸的过程中通过自锁防松角度的斜面后对试样件3进行夹持加载。本领域技术人员应当知道，所述铰链圆孔16优选为沉孔，从而只需要使用一个定位盖板13，更好的固定所述接触部分和试样件3。

夹头12为高温合金制造，例如GH4169。

在夹头12面对铰链圆孔16的表面上固定有定位盖板13，用于固定在所述铰链圆孔16中的月牙形夹块21和试样件3。

参见图9，图10，在夹头12的铰链圆孔16的两个侧壁上具有水冷通道17，所述水冷通道安装有冷却水接嘴15，从而形成水冷通道循环制冷。

参见图10，在本发明的示例中，所述水冷通道16为两条，分别位于在夹头12的铰链圆孔16的两个侧壁，在夹头的正反两侧上分别具有与之对应的四个冷却水接嘴15。

但本发明不以此为限，所述水冷通道16也可以为一条，从夹头12的铰链圆孔16的一个侧壁延伸至另外一个侧壁，在夹头的表面具有与之对应的两个冷却水接嘴15。

在所述夹头12的对应于铰链圆孔16的下部具有开槽结构，用于试样件安装通过。

进一步的，所述夹头12上具有螺钉孔，参见图11，定位盖板13通过安装螺钉14安装于夹头。定位盖板为高温合金金属平板，例如GH4169，上面设计螺栓安装通孔，位置与夹头螺纹孔位置一致。

进一步的，所述夹头12面对铰链圆孔16的表面具有凹陷部，以容纳并固定安装所述定位盖板13。

在本发明中，定位盖板13的安装螺钉14采用标准规格螺钉，冷却水接嘴15为标准规格，安装于夹头的水冷通道，用于连接冷却水。

本发明进一步还公开了一种陶瓷基复合材料高温拉伸疲劳试验工装，包括上夹具工装、下夹具工装与试样件3，所述上夹具工装与下夹具工装为上述的夹具工装，能够分别夹持在试样件3两端的夹持端，对试样件3加载拉力。

本发明的夹头采用水冷结构设计，可以在800～1500摄氏度试验环境下强度不下降、不变形，解决了高温合金800摄氏度以上强度急剧下降和热变形大的问题，结构简化可靠。夹头和作为夹块的接触部分的分离设计以及挡片连接设计，可在出现断水的极端情况下保证当前试验的一定精度，同时在维修方面只需更换夹块，节省了成本。

参见图12-图14，进一步公开了利用本发明的陶瓷基复合材料高温拉伸疲劳试验工装进行高温试验的方法，具体包括如下步骤：

接触部分安装步骤S110：

参见图12、图13，在陶瓷基复合材料的试样件3的夹持段两面对称粘贴高温金属垫片22，在试样件3的夹持段两侧斜面对称放置月牙形夹块21，从而形成接触部分2。

非接触部分安装步骤S120：

参见图14，接触部分2与试样件3夹持后放入夹头12的铰链圆孔16的空间内，月牙形夹块21的圆弧面与夹头12铰链圆孔16内部的斜面滑动配合，在施加拉力载荷时，通过月牙形夹块21的斜面结构对试样件3夹紧，通过安装螺钉14固定所述定位盖板13，防止实验过程中月牙形夹块21滑出，起安全保护作用。最终的形状，如图4所述。

当试样件3的一端安装完成后，另一端按照步骤S110和步骤S120同样方式安装。

高温拉伸试验步骤S130：

参见图2、图3，上夹具工装、下夹具工装通过拉杆11连接到试验机加载机构，对试样件3进行拉伸测试，试验测试过程中，试样件3中间测试段部位放置于高温环境箱4中，处于设计高温(800～1500摄氏度)空气环境中，而上夹具工装、下夹具工装处于高温环境箱加热区域外，仅受热辐射温度影响，通过设计水冷降温结构保证上夹具工装、下夹具工装部位温度摄氏度不高于500摄氏度。

综上所述，本发明具有如下的优点：

1、试样的测试部分位于在高温空气环境内，与整体高温试验方法相比，在测试精度不下降的前提下，试验操作简便，试验效率高；

2、上下夹头零件采用水冷结构设计，实现上下夹头温度低于500摄氏度，可以在800～1500摄氏度试验环境下强度不下降、不变形，解决了高温合金800摄氏度以上强度急剧下降和热变形大的问题，结构简化可靠；

3、对称月牙形夹块实现斜面夹紧的自适应对中、防松，且楔形夹块采用高温陶瓷材料制备，实现高温下不变形、强度满足需求；

4、高温垫片设计，实现不同厚度试样件前后方向上对中；

5、夹头和作为夹块的接触装置的分离设计以及定位盖片连接设计，可在出现断水的极端情况下保证当前试验的一定精度，同时在维修方面只需更换夹块，节省了成本。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。

Claims (10)

1.一种陶瓷基复合材料高温拉伸疲劳性能夹具工装，其特征在于，包括：

水冷非接触部分和接触部分，其中，水冷非接触部分通过接触部分夹持固定试样件；

所述接触部分包括：两个月牙形夹块，

所述月牙形夹块对称设置在试样件夹持段的斜面两侧，夹持斜面与试样件相对且具有一定的角度，对试样件夹持加载，其外侧为月牙形的圆弧面，与夹头的铰链圆孔的连接面精密配合，从而对称的夹持试样件，并形成机械自锁防松；

水冷非接触部分包括拉杆、夹头、定位盖板和水冷通道，

所述拉杆固定在夹头的上部，并用于与加载架构连接；

夹头的中部具有铰链圆孔，所述铰链圆孔与所述月牙形夹块的圆弧面滑动配合，从而在拉伸的过程中通过具有自锁防松角度的斜面对试样件进行夹持加载；

在夹头面对铰链圆孔的表面上固定有定位盖板，用于固定在所述铰链圆孔中的月牙形夹块和试样件；

在夹头的铰链圆孔的两个侧壁上具有水冷通道，所述水冷通道安装有冷却水接嘴。

2.根据权利要求1所述的夹具工装，其特征在于，

所述接触部分还包括两个所述高温金属垫片，两个所述高温金属垫片外形与试样件的夹持段外形一致，分别对称贴服于试样件夹持段两面。

3.根据权利要求2所述的夹具工装，其特征在于，

所述月牙形夹块的夹持斜面夹角为6～8度，一对月牙形夹块的对称夹角为12～16度，为机械自锁防松角度。

4.根据权利要求2所述的夹具工装，其特征在于，

所述夹头面对铰链圆孔的表面具有凹陷部，以容纳并固定安装所述定位盖板。

5.根据权利要求2所述的夹具工装，其特征在于，

在所述夹头的对应于铰链圆孔的下部具有开槽结构，用于试样件安装通过。

6.根据权利要求2所述的夹具工装，其特征在于，

所述水冷通道为两条，分别位于在夹头的铰链圆孔的两个侧壁，在夹头的正反两侧上分别具有与之对应的四个冷却水接嘴，或者

所述水冷通道为一条，从夹头的铰链圆孔一个侧壁延伸至另外一个侧壁，在夹头的表面具有与之对应的两个冷却水接嘴。

7.根据权利要求2所述的夹具工装，其特征在于，

所述夹头上具有螺钉孔，所述定位盖板通过安装螺钉安装于夹头。

8.根据权利要求2所述的夹具工装，其特征在于，

所述夹头为高温合金材质，所述高温金属垫片为耐高温金属材质，所述月牙形夹块为高温硬质合金或高温陶瓷材质。

9.一种陶瓷基复合材料高温拉伸疲劳试验工装，其特征在于，

包括上夹具工装、下夹具工装与试样件，所述上夹具工装与下夹具工装为权利要求2-8中任意一项所述的夹具工装，能够分别夹持在试样件两端的夹持端，对试样件加载拉力。

10.一种利用权利要求9所述的陶瓷基复合材料高温拉伸疲劳试验工装进行高温试验的方法，具体包括如下步骤：

接触部分安装步骤S110：

对于上夹具工装和下夹具工装，在陶瓷基复合材料的试样件的夹持段两面对称粘贴高温金属垫片，在试样件的夹持段两侧斜面对称放置月牙形夹块，从而形成接触部分；

非接触部分安装步骤S120：

接触部分与试样件夹持后放入夹头的铰链圆孔的空间内，月牙形夹块的圆弧面与夹头的铰链圆孔内部的斜面滑动配合，在施加拉力载荷时，通过月牙形夹块的斜面结构对试样件夹紧，通过安装螺钉将所述定位盖板固定在夹头上，防止实验过程中月牙形夹块滑出；

高温拉伸试验步骤S130：

上夹具工装、下夹具工装通过拉杆连接到试验机加载机构，对试样件进行拉伸测试，试验测试过程中，试样件中间测试段部位放置于高温环境箱中，处于设计高温空气环境中，而上夹具工装、下夹具工装处于高温环境箱加热区域外，通过设计水冷降温结构保证上夹具工装、下夹具工装进行降温。

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