CN207472694U - 一种脉冲电流辅助棒状试样单轴拉伸的试验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种脉冲电流辅助棒状试样单轴拉伸的试验装置，包括脉冲电源和拉伸试验机，所述拉伸试验机包括与棒状试样两端固定连接的拉伸夹具以及用于带动拉伸夹具相互靠近或远离的驱动装置，在棒状试样的两端分别设有与脉冲电源正、负极连接的导电环；在所述拉伸夹具上设有楔形型腔且在每个型腔内设有两个相对设置的绝缘夹块，在两个绝缘夹块的相对面上设有卡槽且在每个卡槽内设有定位夹块，在两个定位夹块的相对面上设有用于容纳棒状试样两端及导电环的定位槽，在定位槽和棒状试样的接触面上设置有滚花防滑结构。所述装置适用于对棒状金属材料在脉冲电流作用下变形行为的研究，便于试样的加工，可避免材料的浪费并减少连接处焦耳热的产生。
Description
技术领域
本实用新型涉及金属材料变形行为测试装置技术领域，具体地，涉及一种脉冲电流辅助棒状试样单轴拉伸的试验装置。
背景技术
自从前苏联学者O.A.Troitskii等人发现脉冲电流对锌单晶的变形行为存在明显影响后，脉冲电流作为一种新的材料处理方式引起了人们的高度重视。经研究表明，脉冲电流可以增强材料的变形能力，即电致塑性。K.Okazaki和H.Conrad等人的研究结果已经证实脉冲电流可以降低纯Ti、Pb、Sn的变形抗力，从而提高其金属延展性；Jiang等人在研究了脉冲电流对AZ91镁合金轧制的影响后，发现脉冲电流提高了AZ91镁合金的成形能力，而且变形过程中无需再退火以消除加工硬化问题，同时还可以抑制β相的产生，提高合金性能；Tang等人将脉冲电流应用到奥氏体不锈钢、304L不锈钢等合金的冷拔工艺中，发现脉冲电流可以减小冷力(约为20％～50％)，并使得金属延伸率明显增加，表面质量也得到改善，而且大大提高了生产效率。
综上所述，脉冲电流在改善材料组织结构以及提高材料性能方面存在明显的改善效果，但在实验研究过程中还存在如下问题：
1、根据国家和行业标准，现有的研究方式都是将金属试样加工成1-3mm厚的板状结构，由于要在小尺寸范围内保证试样规格的精准度，因此加工难度很大；
2、用尺寸误差大的板状试样进行试验，最终得到的试验结果可靠性不高，不利于研究工作的开展；
3、为了得到精确的数据，无论是选择多次重复试验还是采用精细的加工方法，都抬高了试验成本并导致材料浪费，考虑到有些金属合成困难、价格昂贵，这就限制了相关研究的进行。
中国专利CN201510012160公开了一种通电热拉伸试验装置及拉伸试验方法，电子万能试验机的上、下夹具均包括夹持板、连杆以及用于实现二者间接连接的绝缘板，所述夹具通过连杆固定设置在电子万能试验机的上横梁或活动横梁上，所述夹持板用于固定连接试样的两端且分别与电源的正、负极连通。该实用新型结构简陋，绝缘安全性无法保证，且仅限于对板状试样的通电热拉伸试验，无法解决上述板状试样存在的问题；另外，由于夹具的夹持板本身是一个固定件，结构体积大，当有大电流(几百甚至几千安培)通过时，夹持板会产生大量的焦耳热。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种结构简单、安全性高、数据精确、焦耳热量少、试验成本低的用于脉冲电流辅助金属试样单轴拉伸试验的装置，以解决背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种脉冲电流辅助棒状试样单轴拉伸的试验装置，包括脉冲电源和拉伸试验机，所述拉伸试验机包括至少一组相对设置且分别与棒状试样两端固定连接的拉伸夹具、以及用于带动同组的两个拉伸夹具相互靠近或远离的驱动装置，在所述棒状试样的两个端头位置分别设有至少部分环设在棒状试样外圆面上的导电环，且所述导电环通过导线分别连接脉冲电源的正、负极；
在同组的两个拉伸夹具上均设有型腔且两个型腔的相对面开口以用于棒状试样穿过，在每个型腔内均设有两个相对设置的绝缘夹块，相对设置的两绝缘夹块与相对设置的两拉伸夹具是在不同方向上相对，在两个绝缘夹块的相对面上分别设有卡槽，在每个卡槽内均设有材质刚度大于绝缘夹块的定位夹块，在两个定位夹块的相对面上分别设有定位槽，所述棒状试样的两端及设于其两端的导电环容纳于所述定位槽内并与其卡接固定。
优选地，所述型腔为楔形结构且两个型腔较窄的一端相对设置，所述绝缘夹块与型腔内壁间存在活动空间，所述拉伸夹具还包括设置在型腔内且位于型腔较宽一端的紧固旋钮，所述紧固旋钮可沿棒状试样的长度方向往复运动，进而带动所述绝缘夹块与型腔内壁间的压紧或放松；当所述绝缘夹块受到型腔内壁的挤压时，相对设置的两个绝缘夹块相互靠近并通过定位夹块将棒状试样夹紧固定。
优选地，相对设置的两绝缘夹块为结构对称的两绝缘夹块；在所述定位槽和棒状试样的接触面上设置有至少一处滚花防滑结构。
在试验过程中要保持试样始终被牢固夹紧，因此设计楔形的型腔既可以达到该目的又可以方便对试样的装取；考虑到绝缘夹块的刚度达不到夹持力度的要求，因此在绝缘夹块的卡槽内又设置了定位夹块，所述定位夹块选用刚度大的材质且其与棒状试样的接触面上经过滚花处理，从而确保棒状试样的紧固夹持。
优选地，所述绝缘夹块和定位夹块间通过销钉固连，且在绝缘夹块和定位夹块上分别开有位置对应的销孔。
优选地，所述绝缘夹块的材质为环氧树脂，所述定位夹块的材质为钢板，所述导电环的材质为铜。
优选地，所述导电环包括套设在棒状试样上的未闭合环体以及设置在所述环体开口处的外延连接柱，所述导线的一端通过螺栓固定设置在该连接柱上。
优选地，所述试验装置还包括测温装置，所述测温装置包括数据记录器以及与棒状试样外表面直接接触的热电偶，以便于实时监测试样的表面温度。
由于电流流过会产生焦耳热，当电流密度比较高时(比如100A/mm2)，温度往往能达到200多度，监测其表面温度，一是为了防止试样温度超过材料本身的再结晶温度；二是为了引入温度数据，更好地分析实验结果；三是避免温度过高对试验仪器造成损坏。
优选地，所述试验装置包括至少一个棒状试样，所述棒状试样为金属件，且棒状试样长度方向的中段直径小，而棒状试样长度方向的两端直径大。
优选地，在所述棒状试样两个端部未设置导电环处的外圆面上设置有滚花防滑结构，棒状试样的滚花防滑结构均设置在比导电环更靠近棒状试样长度方向的中部处。
优选地，在所述棒状试样的长度方向上，所述棒状试样的滚花防滑结构的长度比所述导电环的长度大。
本实用新型提供的技术方案至少具有如下有益效果：
1、所述试验装置中的脉冲电源、导线、导电环和棒状试样共同构成了一个闭合的电流回路，导电环只起到导电作用而不具备固定作用，结构体积明显减小，加之对于同样宽度或直径的试样来说，导电环与棒状试样的接触面积远大于夹持板与板状试样的接触面积，减少了焦耳热的产生，改善了发热问题；
2、所述试验装置用绝缘材料将导电环基本上包裹起来，仅留下一个外延连接柱用于连接导线，最大程度地避免了触电事故的发生，提高了试验安全性；
3、所述试验装置拆装方便，且在试样的夹持位置处设置滚花防滑结构，使得试样连接紧固，有效避免了在拉伸过程中棒状试样容易出现的打滑问题；
4、所述试验装置适用于不同尺寸的棒状试样在脉冲电流作用下进行单轴拉伸变形试验，由于棒状试样相比于板状试样更容易加工，加工精度也更容易保证，因此试验数据可靠，材料损耗少，提高了试验效率，降低了试验成本。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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它的附图，其中：
图1是本实用新型所述试验装置的结构示意图；
图2是图1中棒状试样的结构示意图；
图3是图1所示试验装置的拉伸夹具的结构示意图；
图4是图3所示拉伸夹具的轴向剖开结构示意图；
图5是图4所示绝缘夹块和定位夹块组装时的结构示意图；
图中：01棒状试样，1脉冲电源，2拉伸试验机，3导线，4测温装置；21拉伸夹具，22驱动装置；211绝缘夹块，212定位夹块，213导电环，214紧固旋钮。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
参见图1～图5，一种脉冲电流辅助棒状试样单轴拉伸的试验装置，包括脉冲电源1和拉伸试验机2，所述拉伸试验机2包括一组在竖直平面内上下设置且分别与棒状试样01两端固定连接的拉伸夹具21、以及用于带动同组的两个拉伸夹具21相互靠近或远离的驱动装置22，在所述棒状试样01的两个端头位置分别设有导电环213，且所述导电环213通过导线3分别连接脉冲电源1的正、负极。
在两个拉伸夹具21上均设有楔形型腔，两个型腔较窄的一端相对设置且二者的相对面开口以用于棒状试样01穿过，在每个型腔内均设有两个在水平方向上左右设置且结构对称的绝缘夹块211，在两个绝缘夹块211的相对面上分别设有卡槽，在每个卡槽内均设有定位夹块212，在两个定位夹块212的相对面上分别设有定位槽。
所述卡槽为矩形结构且与定位夹块212的尺寸相匹配，所述绝缘夹块211和定位夹块212间通过销钉固连，且在绝缘夹块211和定位夹块212上分别开有位置对应的销孔。
所述定位槽靠近棒状试样端部的一侧设置为8mm深的矩形结构，以便于容纳棒状试样01的端部以及设于该端的导电环213，而靠近棒状试样中部的一端设置为开口大底面小的梯形结构，且在梯形结构的侧面上设置直纹滚花，在所述棒状试样01与定位槽梯形结构的接触面上设置螺纹滚花，二者相互配合以避免试样出现拉伸打滑现象。
所述棒状试样01为金属件，且棒状试样长度方向的中段直径小而两端直径大，在所述棒状试样两个端部未设置导电环处的外圆面上设置有滚花防滑结构，棒状试样的滚花防滑结构均设置在比导电环更靠近棒状试样长度方向的中部处，在所述棒状试样的长度方向上，所述棒状试样的滚花防滑结构的长度比所述导电环的长度大。
所述拉伸夹具21还包括设置在型腔内且位于型腔较宽一端的紧固旋钮214，所述绝缘夹块211与型腔间存在活动空间，所述紧固旋钮214可沿棒状试样01的长度方向往复运动，进而带动所述绝缘夹块211紧压在型腔内壁上或使二者间放松；当所述绝缘夹块211受到楔形型腔的倾斜内壁的挤压作用时，左右设置的两个绝缘夹块相互靠近并通过定位夹块212将棒状试样01夹紧固定。
所述导电环213包括套设在棒状试样01上的未闭合环体以及设置在所述环体开口处的外延连接柱，所述连接柱从两个绝缘夹块间的缝隙穿出，所述导线3的一端通过螺栓固定设置在该连接柱上。
在本实施例中，所述试验装置还包括测温装置4，所述测温装置4包括数据记录器以及与棒状试样01外表面直接接触的热电偶，以便于实时监测试样的表面温度；所述热电偶的头部使用绝缘胶带包裹(也可以采用其他绝缘性能好且耐高温的材料进行隔绝)，然后和棒状试样的表面直接接触，防止大电流流过热电偶对温度检测系统带来损坏。
在本实施例中，所述脉冲电源1可提供0～5400A的可调正脉冲电流，其中频率范围为100～1000HZ，占空比范围为0～99％，所述导线3是能承受大电流的非普通导线，且在其外部包裹有耐高温云母材料或其他耐高温绝缘材料，使得所述导线3在能大电流环境下安全工作。
在本实施例中，所述绝缘夹块211的材质为环氧树脂，所述定位夹块212的材质为钢板，所述导电环213的材质为铜。
在进行脉冲电流对金属试样的单轴拉伸试验时，首先调节两个紧固旋钮214相互远离，使得绝缘夹块211可以在型腔内自由移动，将定位夹块212放置在绝缘夹块211的卡槽内，并用销钉对二者进行固定，然后将两端套上导电环213的棒状试样01放入型腔内，并使得棒状试样01的两端与对应的定位夹块212卡接固定，接着调节两个紧固旋钮214相互靠近，通过推动绝缘夹块211紧压在型腔内壁上，使得棒状试样01被定位夹块212牢牢夹紧，最后用导线3连接脉冲电源1和导电环213的连接柱，用热电偶连接棒状试样01的中部位置，打开装置开关，开始试验。
试验完成后，断开电源，再次调节两个紧固旋钮214相互远离，依次松开绝缘夹块211和定位夹块212后，取出棒状试样01。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利保护范围，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。在本实用新型的精神和原则之内，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的任何改进或等同替换，直接或间接运用在其它相关的技术领域，均应包括在本实用新型的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种脉冲电流辅助棒状试样单轴拉伸的试验装置，其特征在于，包括脉冲电源(1)和拉伸试验机(2)，所述拉伸试验机(2)包括至少一组相对设置且分别与棒状试样(01)两端固定连接的拉伸夹具(21)、以及用于带动同组的两个拉伸夹具(21)相互靠近或远离的驱动装置(22)，在所述棒状试样(01)的两个端头位置分别设有至少部分环设在棒状试样外圆面上的导电环(213)，且所述导电环(213)通过导线(3)分别连接脉冲电源(1)的正、负极；
在同组的两个拉伸夹具(21)上均设有型腔且两个型腔的相对面开口以用于棒状试样(01)穿过，在每个型腔内均设有两个相对设置的绝缘夹块(211)，相对设置的两绝缘夹块与相对设置的两拉伸夹具是在不同方向上相对，在两个绝缘夹块(211)的相对面上分别设有卡槽，在每个卡槽内均设有材质刚度大于绝缘夹块(211)的定位夹块(212)，在两个定位夹块(212)的相对面上分别设有定位槽，所述棒状试样(01)的两端及设于其两端的导电环(213)容纳于所述定位槽内并与其卡接固定。
2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述型腔为楔形结构且两个型腔较窄的一端相对设置，所述绝缘夹块(211)与型腔内壁间存在活动空间，所述拉伸夹具(21)还包括设置在型腔内且位于型腔较宽一端的紧固旋钮(214)，所述紧固旋钮(214)可沿棒状试样的长度方向往复运动，进而带动所述绝缘夹块(211)与型腔内壁间的压紧或放松；当所述绝缘夹块(211)受到型腔内壁的挤压时，相对设置的两个绝缘夹块相互靠近并通过定位夹块(212)将棒状试样(01)夹紧固定。
3.根据权利要求2所述的试验装置，其特征在于，相对设置的两绝缘夹块为结构对称的两绝缘夹块；在所述定位槽和棒状试样(01)的接触面上设置有至少一处滚花防滑结构。
4.根据权利要求3所述的试验装置，其特征在于，所述绝缘夹块(211)和定位夹块(212)间通过销钉固连，且在绝缘夹块(211)和定位夹块(212)上分别开有位置对应的销孔。
5.根据权利要求4所述的试验装置，其特征在于，所述绝缘夹块(211)的材质为环氧树脂，所述定位夹块(212)的材质为钢板，所述导电环(213)的材质为铜。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的试验装置，其特征在于，所述导电环(213)包括套设在棒状试样(01)上的未闭合环体以及设置在所述环体开口处的外延连接柱，所述导线(3)的一端通过螺栓固定设置在该连接柱上。
7.根据权利要求1-5中任意一项所述的试验装置，其特征在于，所述试验装置还包括测温装置(4)，所述测温装置(4)包括数据记录器以及与棒状试样(01)外表面直接接触的热电偶，以便于实时监测试样的表面温度。
8.根据权利要求1-5中任意一项所述的试验装置，其特征在于，所述试验装置包括至少一个棒状试样，所述棒状试样为金属件，且棒状试样长度方向的中段直径小，而棒状试样长度方向的两端直径大。
9.根据权利要求1-5中任意一项所述的试验装置，其特征在于，在所述棒状试样两个端部未设置导电环处的外圆面上设置有滚花防滑结构，棒状试样的滚花防滑结构均设置在比导电环更靠近棒状试样长度方向的中部处。
10.根据权利要求9所述的试验装置，其特征在于，在所述棒状试样的长度方向上，所述棒状试样的滚花防滑结构的长度比所述导电环的长度大。
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|---|---|---|---|---|
| CN107727510A (zh) * | 2017-11-29 | 2018-02-23 | 中南大学 | 一种脉冲电流辅助棒状试样单轴拉伸的试验装置 |
| CN110849737A (zh) * | 2019-10-14 | 2020-02-28 | 北京航空航天大学 | 一种电辅助单拉试验温度控制装置及其使用方法 |
| CN111855432A (zh) * | 2020-07-20 | 2020-10-30 | 华中科技大学 | 高温高应变率下钛合金材料应力应变曲线测试装置及方法 |
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