CN209927638U - 一种用于陶瓷基复合材料拉-拉疲劳测试的夹具 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于陶瓷基复合材料拉‑拉疲劳测试的夹具。夹具包括两部分，两部分结构相同，每个部分设有主夹头和副夹头；主夹头和副夹头均为圆柱形，副夹头设有楔形槽，楔形槽一端开口，一端闭口，楔形槽的开口位于副夹头的端面，楔形槽的长度和宽度与测试样件的长度和宽度相对应，楔形槽的深度与副夹头的半径相同。本实用新型首次提出了一种用于陶瓷基复合材料拉‑拉疲劳测试的夹具。利用该夹具进行高温拉‑拉疲劳性能的测试能够大大降低成本，样品两端与夹具连接，夹具与试验机夹具相连接，降低了材料的制备成本、工艺成本和加工成本，对于拉‑拉疲劳试验数据的大量积累非常有利。

Description

一种用于陶瓷基复合材料拉-拉疲劳测试的夹具

技术领域

本实用新型涉及一种高温疲劳试验夹具，具体地说涉及一种陶瓷基复合材料高温拉-拉疲劳试验夹具。

背景技术

陶瓷基复合材料具有轻质、高强度、耐高温等优势，是航空发动机、空天飞机、高超声速飞行器热端部件的理想候选材料。作为航空发动机热端部件服役时，材料将要承受拉伸、弯曲和压缩等载荷以及交变应力，对材料疲劳寿命的分析研究是确保陶瓷基复合材料构件可靠使用的必要条件。高温疲劳性能的测试是获得材料疲劳性能最主要的手段。拉-拉疲劳是最大应力和最小应力都处于拉应力下的疲劳测试。

在陶瓷基复合材料的高温拉-拉疲劳试验中，疲劳试验机通过夹具将样品固定在特定位置，同时利用试验机对样品施加交变拉伸载荷。夹具起到连接试验机与样品的作用，如果夹具设计不当，会使试样在非均温段破坏，导致试验失败。因此，夹具在陶瓷基复合材料高温拉-拉疲劳试验中起到关键的作用。

目前，陶瓷基复合材料高温拉-拉疲劳性能的测试尚未形成测试标准，高温拉-拉疲劳性能测试的夹具更是鲜有研究。目前对高温拉-拉性能的测试主要借鉴金属疲劳试验夹具以及陶瓷基复合材料拉伸试验夹具。

夹具与样品的连接方式分为直接夹持和销钉连接两种：

直接夹持是夹具沿样品厚度方向施力，通过自锁力将样品夹紧，为了传递载荷，通常需要在样品表面粘贴加强片。这种夹持方式的缺点在于：第一，高温试验通常在800℃以上，很难找到合适的垫片材料与粘结剂；第二，在找不到合适的垫片材料与粘结剂时，可将样品的均温段需要置于高温炉中，夹持端置于高温炉外。高温炉为了保持温度均匀性，加热区与保温区的总长度通常大于30厘米，因此需要制备样品长度通常大于40厘米，导致样品制备成本高，对于拉-拉疲劳这种需要大量数据积累的试验不经济。

通过销钉连接夹具与样品时，需要在样品两端开孔，穿入销钉，依靠销钉传递载荷。这种连接方式的缺点在于：样品开孔周围应力集中，会产生较大的剪切应力，孔周围容易首先发生破坏，导致试验失败。为了减轻孔周围的剪切应力可以将孔周围区域加厚，或缩小孔径，采用多个孔与销钉连接的方式，这些方式都会导致试样加工困难，成本大大增加。

发明内容

本实用新型的目的是，提出一种适用样品长度小，加工成本低的，用于800℃以上陶瓷基复合材料拉-拉疲劳试验的夹具。

本实用新型的技术解决方案是：

夹具包括两部分，两部分结构相同，每个部分设有主夹头和副夹头；主夹头和副夹头均为圆柱形，副夹头设有楔形槽，楔形槽一端开口，一端闭口，楔形槽的开口位于副夹头的端面，楔形槽的长度和宽度与测试样件的长度和宽度相对应，楔形槽的深度与副夹头的半径相同。

所述夹具材料为耐800℃以上高温合金。

所述的主夹头直径为10～30mm。

所述的副夹头直径为15～30mm。

所述主夹头长度为5～15cm。

所述副夹头长度为5～15cm。

本实用新型的优点和特点：

本实用新型首次提出了一种用于陶瓷基复合材料高温拉-拉疲劳测试的夹具。利用该夹具进行高温拉-拉疲劳性能的测试能够大大降低成本，样品两端与夹具连接，夹具与试验机夹具相连接，该夹具作为连接样品与试验机的桥梁，能够有效缩短样品的长度，降低了材料的制备成本、工艺成本和加工成本，对于拉-拉疲劳试验数据的大量积累非常有利。

该夹具副夹头设有凹槽，凹槽通过楔形的设计来装卡固定样品，样品只需夹持端设有与该夹具相匹配的楔形即可装卡固定，进行试验。样品的长度和外形都具有可设计性，一方面，能够根据测试温度设计样品均温段的长度；另一方面，夹具与样品通过楔形槽装卡，能够根据材料的最小结构单元设计样品均温段的宽度。

该夹具副夹头楔形槽一端开口，一端闭口，开口位置位于副夹头圆柱体中心轴线上。进行高温试验时，夹具成套使用，样品上下均夹持相同的夹具，通过控制样品在夹具中心轴线的位置，能够保证样品上下两端同轴。

该夹具的材料为耐800℃以上高温合金，在进行高温试验时，该夹具与试验机夹持端置于冷端，位于空气中；该夹具与样品夹持端置于热端，位于高温炉中。样品的均温段、均温段与夹持端过渡区域以及夹持端可全部置于高温炉中，这样可以避免因温度梯度导致的内应力，提高试验成功率，试验结果更加可靠。另外，该夹具制备成本低，能够重复使用，节约试验成本。

附图说明

图1为本实用新型所述陶瓷基复合材料高温拉-拉疲劳测试夹具的结构示意图；其中，(a)为主视图，(b)为右视图，(c)为左视图；

图2为本实用新型中陶瓷基复合材料高温拉-拉疲劳测试夹具与样品夹持示意图；

图3实施例一中试样外形尺寸示意图。

图4实施例二中试样外形尺寸示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的技术方案进行详细的描述，以使本领域技术人员能够更加清楚地理解本实用新型，但并不因此限制本实用新型的保护范围。

下面描述本实用新型所述一种用于陶瓷基复合材料高温拉-拉疲劳测试的夹具：

如图所示：一种用于陶瓷基复合材料高温拉-拉疲劳测试的夹具，夹具包括两部分，两部分结构相同，每个部分设有主夹头1和副夹头2；主夹头1和副夹头2均为圆柱形，副夹头2设有楔形槽4，楔形槽4一端开口，一端闭口，楔形槽4的开口位于副夹头的端面，楔形槽4的长度和宽度与测试样件5的长度和宽度相对应，楔形槽4的深度与副夹头的半径相同。夹具材料为耐800℃以上高温合金。主夹头1直径为10～30mm。副夹头2直径为15～30mm。主夹头1长度为5～15cm。副夹头2长度为5～15cm。

主夹头1为圆柱形与试验机夹具3连接，试验机施加拉力时，拉力由试验机传递给试验机夹具3，再由试验机夹具3传递给本实用新型所述夹具，夹具将拉力传递给测试样件5。

样件为等厚的板状试样，两端加工成与夹具匹配的楔形，夹持端与均温段通过圆弧和斜面过渡，装卡时将试样两端嵌入夹具的楔形槽中固定。

进行高温拉-拉疲劳试验时，先将高温炉6打开，将上下两个夹具的主夹头圆柱端与试验机自带的圆柱形夹头连接，固定在试验机上；再将试样上端楔形面嵌入夹具副夹头的楔形槽中固定，调节试验机夹具与高温炉的位置，使试样均温段位于高温炉加热区7内；调节试验机下夹具至合适位置，将试样下端夹持端楔形面嵌入副夹头2的楔形槽4中固定。

在陶瓷基复合材料拉-拉疲劳测试中，试样为哑铃状，包括两个楔形夹持段、两个弧形过渡段、两个梯形过渡段和中间测试的均温段。均温段与夹持段通过弧形和梯形段过渡。

为了更好的理解本实用新型，下面结合具体的实施例进一步阐述本实用新型的内容，但本实用新型的内容不仅仅局限于下面的实施例：

实施例1：

以二维编织碳纤维增强碳化硅复合材料为例，测试材料的高温(800℃)下的拉-拉疲劳性能，试验时应力比为0.25。疲劳试验机为INSTRON8801液压伺服疲劳试验机，高温炉采用硅钼棒方式加热。拉-拉疲劳试样外形尺寸如图3所示。

试验时安装夹具和试样的步骤为：

(1)将试验机上下夹具移动至合适的位置，并将高温炉打开；

(2)将夹具主夹头圆柱端与试验机自带的圆柱形夹头连接，固定在试验机的上下夹头上；

(3)将试样夹持端楔形面嵌入上方夹具副夹头的楔形槽中固定；

(4)调节试验机夹具与高温炉的位置，使试样均温段位于高温炉加热区内，并使试样关于高温炉加热区正中呈对称放置；

(5)调节试验机下夹具至合适位置，将试样下端夹持端楔形面嵌入夹具副夹头的楔形槽中，安装时注意试样的位置，确保试样、夹具和试验机夹具在同一条直线上。

(6)通过试验机施加拉力，使试样与夹具产生摩擦力。

(7)关闭高温炉。

该实施例中，根据高温测试温度800℃，选用的夹具的材料为耐800℃的高温合金材料。试验前，采用热电偶测量高温炉内加热区外部的实际温度，到达试验温度800℃时，高温炉U型加热棒边缘温度为(720±10)℃。试验时，夹具受热端位于高温炉U型加热棒边缘，另一端与试验机夹具相连，位于室温环境下。根据高温炉加热区、保温区以及炉壳的实际尺寸，设计试样的均温段长度，如图3所示。

实施例2：

以三维编织碳化硅纤维增强碳化硅复合材料为例，测试材料的高温(1200℃)下的拉-拉疲劳性能，试验时应力比为0.5。疲劳试验机为INSTRON8801液压伺服疲劳试验机，高温炉采用硅钼棒方式加热。拉-拉疲劳试样外形尺寸如图4所示。

试验时安装夹具和试样的步骤与实施例一相同，不再赘述。

该实施例中，根据高温测试温度1200℃，选用的夹具的材料为耐1000℃的高温合金材料。试验前，采用热电偶测量高温炉内加热区外部的实际温度，到达试验温度1200℃时，高温炉U型加热棒边缘温度为(1150±10)℃，高温炉U型加热棒边缘外侧1cm位置温度为(1000±10)℃，高温炉U型加热棒边缘外侧2cm位置温度为(920±10)℃。试验时，夹具受热端位于高温炉U型加热棒边缘外侧2cm位置处，另一端与试验机夹具相连，位于室温环境下。根据高温炉加热区、保温区以及炉壳的实际尺寸，设计试样的均温段长度，如图4所示。

以上仅是对本实用新型的优选实施方式进行了描述，并不将本实用新型的技术方案限制于此，本领域技术人员在本实用新型的主要技术构思的基础上所做的任何公知变形都属于本实用新型所要保护的技术范畴，本实用新型具体的保护范围以权利要求书的记载为准。

Claims (6)

1.一种用于陶瓷基复合材料拉-拉疲劳测试的夹具，其特征在于：夹具包括两部分，两部分结构相同，每个部分设有主夹头和副夹头；主夹头和副夹头均为圆柱形，副夹头设有楔形槽，楔形槽一端开口，一端闭口，楔形槽的开口位于副夹头的端面，楔形槽的长度和宽度与测试样件的长度和宽度相对应，楔形槽的深度与副夹头的半径相同。

2.根据权利要求1所述的一种用于陶瓷基复合材料拉-拉疲劳测试的夹具，其特征在于，所述夹具为采用耐800℃以上高温合金材料制作形成。

3.根据权利要求1所述的一种用于陶瓷基复合材料拉-拉疲劳测试的夹具，其特征在于，所述的主夹头直径为10～30mm。

4.根据权利要求1所述的一种用于陶瓷基复合材料拉-拉疲劳测试的夹具，其特征在于，所述的副夹头直径为15～30mm。

5.根据权利要求1所述的一种用于陶瓷基复合材料拉-拉疲劳测试的夹具，其特征在于，所述主夹头长度为5～15cm。

6.根据权利要求1所述的一种用于陶瓷基复合材料拉-拉疲劳测试的夹具，其特征在于，所述副夹头长度为5～15cm。

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