CN115014945A - 一种陶瓷基复合材料高温真空环境拉伸疲劳性能夹具工装 - Google Patents

Abstract

一种陶瓷基复合材料高温真空环境拉伸疲劳性能夹具工装，采用夹头不直接接触试件的设计，将装置分为高温夹持部分和常温连接部分，主体采用高温陶瓷基复合材料制造，很难因高温而损坏；通过设计，仅将常温连接部分置于高温炉之外，其余部件均处于高温环境箱内，在保证试验夹具不会因高温损坏的同时，保证了试样件整体均匀受热，进一步提高测试精度；采用圆形铰链连接孔配合月牙楔形夹块的夹持结构，实现对试样尺寸误差的自适应理想贴合夹持，避免局部应力集中，对试样受载的自动对中，避免出现非正常载荷影响测试结果；采用高温陶瓷复合材料夹块夹持试件，对高温变形不敏感以及自锁防松夹持结构固定，发生损坏时，一般只需替换夹块，更加经济。

Description

一种陶瓷基复合材料高温真空环境拉伸疲劳性能夹具工装

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高温真空环境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℃)下进行力学疲劳性能测试，以便得到准确的力学疲劳性能数据，进而指导陶瓷基复合材料结构设计。进行高温拉伸疲劳试验时，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，通过设置可拔插的连接销钉，对不同厚度的板形工件进行拉伸疲劳试验，通过定位销轴配合定位通孔将板形工件固定在凹槽中。现有技术方案采用高温合金或高温石墨材料制备夹具。

现有技术所采取的方案，具有如下的缺陷：

(1)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。

(2)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。

(3)夹持结构简单，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。承受高温仅限于800摄氏度以下，夹具自身强度低、易碎、刚度低，无法满足高强度陶瓷基复合材料测试需求，且石墨夹具极易发生氧化烧毁，对试验过程中密封性要求极高，一旦漏气，瞬间全部损坏，使用成本极高。

因此，如何改进实验的设备，避免在高温环境下夹头的变形损坏问题，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真空环境拉伸疲劳性能夹具工装及其实验方法，采用夹头不直接接触试件的设计，将装置分为高温陶瓷复合材料非接触夹具部分和高温陶瓷复合材料接触试件部分，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，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真空环境拉伸疲劳性能夹具工装，包括：

高温夹持部分和常温连接部分，其中，常温连接部分通过高温夹持部分夹持固定试样件；

高温夹持部分包括：夹头和两个月牙楔形夹块，在夹头的下部具有圆形铰链连接孔；

两个月牙楔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，外侧为月牙形的圆弧面，两个月牙楔形夹块夹持试样件后放置在圆形铰链连接孔中，与所述圆形铰链连接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；

所述常温连接部分包括拉杆连接头、拉杆和连接销钉；

所述拉杆固定在拉杆连接头的上部，并用于与加载架构连接，所述拉杆连接头的下部与夹头的上部通过连接销钉以可拆卸的方式的固定连接。

可选的，所述拉杆连接头具有一容纳部以容纳所述夹头，在所述容纳部的两侧开设有销钉孔，在所述夹头上部对应的位置也开设有销钉连接孔，在所述夹头放置进所述容纳部后，所述连接销钉分别穿过所述容纳部的销钉孔和所述夹头的销钉连接孔，从而可拆卸的形式将所述夹头与所述拉杆连接头进行固定。

可选的，所述拉杆连接头的容纳部的顶部具有安装孔，拉杆具有台阶结构，拉杆从所述容纳部顶部的安装孔穿过后，利用所述台阶结构固定所述拉杆。

可选的，所述月牙楔形夹块的夹持斜面夹角为6～8度，一对月牙楔形夹块的对称夹角为12～16度。

可选的，在在夹头的圆形铰链连接孔的下部和周边位置开设有插入槽，用于试样件安装通过。

可选的，所述夹头为耐高温陶瓷基复合材料，所述月牙楔形夹块采用耐高温陶瓷基复合材料或高温陶瓷材料制造，所述拉杆连接头采用高温合金制造。

本发明进一步公开了一种陶瓷基复合材料高温真空环境拉伸疲劳性能试验工装，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真空环境拉伸疲劳性能试验工装进行高温试验的方法，具体包括如下步骤：

高温夹持部分安装步骤S110：

将试样件放入夹头的插入槽中，夹持段两侧斜面对称放置月牙楔形夹块，所述月牙楔形夹块与试样件夹持后放入夹头的圆形铰链连接孔内，所述月牙楔形夹块的弧面与夹头内部弧面滑动配合，在施加拉力载荷时，通过斜面结构对试样件夹紧，从而形成高温夹持部分，然后能够施加拉力载荷；

常温连接部分安装步骤S120：

将拉杆穿过拉杆连接头的安装孔内，通过拉杆的台阶结构，传递拉力载荷；通过连接销钉连接夹头与拉杆连接头；

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，试样件整体放置于真空高温环境箱中，处于设计高温真空环境中，而上夹具工装、下夹具工装大部分放置于真空高温环境箱中，处于设计高温真空环境中，上夹具工装、下夹具工装分别设计有拉杆部位，通过拉杆部位与试验机常规加载机构连接，拉杆及拉杆接头处于真空高温环境箱外。

本发明具有如下优点：

(1)试样整体在高温真空环境内，在测试精度高，试验操作简便，试验效率高；

(2)上下夹头零件采用采用高温陶瓷复合材料设计，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，以及高温石墨强度低、易碎等问题，结构简化可靠；

(3)对称月牙夹块实现斜面夹紧的自适应对中、防松；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)夹块夹头分离设计以及挡片连接设计，保证试验的一定精度，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示意图；

图7是根据本发明具体实施例的楔形夹块的侧视图；

图8是根据本发明具体实施例的楔形夹块的立体图；

图9是根据本发明具体实施例的夹头的示意图；

图10是根据本发明具体实施例的拉杆连接头的示意图；

图11是根据本发明具体实施例的连接销钉的示意图；

图12是根据本发明具体实施例的拉杆的示意图；

图13是根据本发明具体实施例的连接部分的立体图；

图14是根据本发明具体实施例的拉杆连接头的剖视图；

图15是根据本发明具体实施例的拉杆连接头的立体图；

图16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、常温连接部分；2、高温夹持部分；3、试样件；4、高温环境箱；11、拉杆；12、拉杆连接头；13、连接销钉；21、夹头；22、月牙楔形夹块；23、圆形铰链连接孔；24、插入槽；25、销钉连接孔。

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，将装置分为陶瓷复合材料的高温夹持部分和常温连接部分，试验夹具主体采用高温陶瓷基复合材料制造，很难因高温而损坏；通过设计，仅将常温连接部分置于高温炉之外，其余部件均处于高温环境箱内，在保证试验夹具不会因高温损坏的同时，保证了试样件整体均匀受热，进一步提高测试精度；采用圆形铰链连接孔配合月牙楔形夹块的夹持结构，可以实现对试样尺寸误差的自适应理想贴合夹持，避免局部应力集中，同时对试样受载的自动对中，避免出现非正常载荷影响测试结果；采用高温陶瓷复合材料夹块夹持试件，由于夹块对高温变形不敏感以及自锁防松夹持结构固定，不会对试验结果产生较大影响；发生损坏时，一般只需替换夹块，更加经济。

陶瓷基复合材料高温真空环境拉伸疲劳测试方法，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，示出了本发明所需要进行的示例性的试样件。该试样件，设计为平板哑铃形状，厚度厚度为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高温真空环境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16，将分别介绍本发明的高温真空环境拉伸疲劳性能夹具工装的结构以及安装过程。

参见图4～6，所述夹具工装包括高温夹持部分2和常温连接部分 1，其中，常温连接部分1通过高温夹持部分2夹持固定试样件3。

其中高温夹持部分2全部位于高温环境中，常温连接部分1仅仅受到热辐射。

具体的，参见图6，示出了夹具工装所包含的各个零部件。

高温夹持部分2包括：夹头21和两个月牙楔形夹块22，在夹头 21的下部具有圆形铰链连接孔23；

两个月牙楔形夹块22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，外侧为月牙形的圆弧面，两个月牙楔形夹块22夹持试样件3后放置在圆形铰链连接孔23中，与所述圆形铰链连接孔23的连接面精密配合，可以实现自由滑动，从而实现自适应调节，从而对称的夹持试样件3，并形成机械自锁防松。

夹头21可以为高温陶瓷基复合材料制造，例如C/SiC。高温陶瓷复合材料设计，可以在800～1500摄氏度试验环境下强度不下降、不变形、且不易氧化腐蚀，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，以及高温石墨强度低、易碎等问题，结构简化可靠

参见图7～8，在一个可选的实施例中，所述月牙楔形夹块22的夹持斜面夹角为6～8度，一对月牙楔形夹块22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。

所述月牙楔形夹块22采用耐高温陶瓷基复合材料或高温陶瓷材料制造，例如C/SiC。

对称的月牙楔形夹块22通过工作斜面夹紧实现自适应对中、防松；采用耐高温陶瓷基复合材料或高温陶瓷材料制备，实现高温下不变形、强度满足需求。

所述常温连接部分1包括拉杆连接头12、拉杆11和连接销钉13，所述拉杆11固定在拉杆连接头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21的固定，所述拉杆连接头12的下部与夹头21的上部通过连接销钉13以可拆卸的方式的固定连接。

参见图10，在一个可选的实施例中，所述拉杆连接头12具有一容纳部以容纳所述夹头21，在所述容纳部的两侧开设有销钉孔，在所述夹头21上部对应的位置也开设有销钉连接孔24，在所述夹头21 放置进所述容纳部后，所述连接销钉13分别穿过所述容纳部的销钉孔和所述夹头的销钉连接孔24，从而可拆卸的形式将所述夹头21与所述拉杆连接头12进行固定。

参见图11，所述连接销钉13可以为陶瓷基复合材料，用于连接夹头21和拉杆连接头12。

在另外一个可选的实施例中，所述拉杆连接头12的容纳部的顶部具有安装孔，参见图12，拉杆11具有台阶结构，拉杆11从所述容纳部顶部的安装孔穿过后，利用所述台阶结构固定所述拉杆11。

所述拉杆11采用金属制造，所述拉杆连接头采用高温合金制造

在在夹头21的圆形铰链连接孔23的下部和周边位置开设有插入槽24，用于试样件安装通过。

本发明进一步还公开了一种陶瓷基复合材料高温真空环境拉伸疲劳性能试验工装，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。

参见图13-图16，进一步公开了利用本发明的陶瓷基复合材料高温真空环境拉伸疲劳性能试验工装进行高温试验的方法，具体包括如下步骤：

高温夹持部分安装步骤S110：

参见图13，将试样件3放入夹头21的插入槽24中，夹持段两侧斜面对称放置月牙楔形夹块22，所述月牙楔形夹块22与试样件3 夹持后放入夹头的圆形铰链连接孔23内，所述月牙楔形夹块22的弧面与夹头内部弧面滑动配合，在施加拉力载荷时，通过斜面结构对试样件夹紧，从而形成高温夹持部分2，然后能够施加拉力载荷。

常温连接部分安装步骤S120：

参见图14，将拉杆11穿过拉杆连接头12的安装孔内，通过拉杆11的台阶结构，传递拉力载荷；通过连接销钉13连接夹头21与拉杆连接头12。

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整体放置于真空高温环境箱中，处于设计高温真空(800～1500摄氏度)空气环境中，而上夹具工装、下夹具工装大部分放置于真空高温环境箱中，处于设计高温真空(800～1500摄氏度)空气环境中，上夹具工装、下夹具工装分别设计有拉杆部位，通过拉杆部位与试验机常规加载机构连接，拉杆及拉杆接头处于真空高温环境箱外。

本发明具有如下优点：

(1)试样整体在高温真空环境内，在测试精度高，试验操作简便，试验效率高；

(2)上下夹头零件采用采用高温陶瓷复合材料设计，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，以及高温石墨强度低、易碎等问题，结构简化可靠；

(3)对称月牙夹块实现斜面夹紧的自适应对中、防松；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)夹块夹头分离设计以及挡片连接设计，保证试验的一定精度，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 (8)

1.一种陶瓷基复合材料高温真空环境拉伸疲劳性能夹具工装，其特征在于，包括：

高温夹持部分和常温连接部分，其中，常温连接部分通过高温夹持部分夹持固定试样件；

高温夹持部分包括：夹头和两个月牙楔形夹块，在夹头的下部具有圆形铰链连接孔；

两个月牙楔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，外侧为月牙形的圆弧面，两个月牙楔形夹块夹持试样件后放置在圆形铰链连接孔中，与所述圆形铰链连接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；

所述常温连接部分包括拉杆连接头、拉杆和连接销钉；

所述拉杆固定在拉杆连接头的上部，并用于与加载架构连接，所述拉杆连接头的下部与夹头的上部通过连接销钉以可拆卸的方式的固定连接。

2.根据权利要求1所述的夹具工装，其特征在于，

所述拉杆连接头具有一容纳部以容纳所述夹头，在所述容纳部的两侧开设有销钉孔，在所述夹头上部对应的位置也开设有销钉连接孔，在所述夹头放置进所述容纳部后，所述连接销钉分别穿过所述容纳部的销钉孔和所述夹头的销钉连接孔，从而可拆卸的形式将所述夹头与所述拉杆连接头进行固定。

3.根据权利要求2所述的夹具工装，其特征在于，

所述拉杆连接头的容纳部的顶部具有安装孔，拉杆具有台阶结构，拉杆从所述容纳部顶部的安装孔穿过后，利用所述台阶结构固定所述拉杆。

4.根据权利要求2所述的夹具工装，其特征在于，

所述月牙楔形夹块的夹持斜面夹角为6～8度，一对月牙楔形夹块的对称夹角为12～16度。

5.根据权利要求2所述的夹具工装，其特征在于，

在在夹头的圆形铰链连接孔的下部和周边位置开设有插入槽，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，

所述夹头为耐高温陶瓷基复合材料，所述月牙楔形夹块采用耐高温陶瓷基复合材料或高温陶瓷材料制造，所述拉杆连接头采用高温合金材料制造。

7.一种陶瓷基复合材料高温真空环境拉伸疲劳性能试验工装，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2-6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。

8.一种利用权利要求7所述的陶瓷基复合材料高温真空环境拉伸疲劳性能试验工装进行高温试验的方法，具体包括如下步骤：

高温夹持部分安装步骤S110：

将试样件放入夹头的插入槽中，夹持段两侧斜面对称放置月牙楔形夹块，所述月牙楔形夹块与试样件夹持后放入夹头的圆形铰链连接孔内，所述月牙楔形夹块的弧面与夹头内部弧面滑动配合，在施加拉力载荷时，通过斜面结构对试样件夹紧，从而形成高温夹持部分，然后能够施加拉力载荷；

常温连接部分安装步骤S120：

将拉杆穿过拉杆连接头的安装孔内，通过拉杆的台阶结构，传递拉力载荷；通过连接销钉连接夹头与拉杆连接头；

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，试样件整体放置于真空高温环境箱中，处于设计高温真空环境中，而上夹具工装、下夹具工装大部分放置于真空高温环境箱中，处于设计高温真空环境中，上夹具工装、下夹具工装分别设计有拉杆部位，通过拉杆部位与试验机常规加载机构连接，拉杆及拉杆接头处于真空高温环境箱外。

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