CN217901337U - 用于测试层状金属复合材料层间强度的拉伸试样及夹具 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于测试层状金属复合材料层间强度的拉伸试样，属于复合材料技术领域，该拉伸试样包括两端用于与夹具固定的固定端、中部用作标距部分的拉伸段以及连接固定端与拉伸段的过渡区；拉伸段的中部为层状金属复合材料的结合界面。该拉伸夹具上设置有一个形状与拉伸试样结合界面一端形状相同的通孔区域以及一个用于和拉伸机相连的夹持结构，通孔区域包括一位于拉伸夹具侧边上的开口槽，开口槽的形状与拉伸段的形状相同，用于夹持拉伸段，且通过开口槽能够将拉伸试样嵌入通孔区域。该拉伸试样与拉伸夹具能够方便准确地测出层状金属复合材料的层间结合强度。
Description
技术领域
本实用新型属于复合材料技术领域，具体涉及一种用于测试层状金属复合材料层间强度的拉伸试样及夹具。
背景技术
层状金属复合材料是通过采用各种复合技术使两种或两种以上物理、化学及力学性能不同的金属在界面上实现牢固冶金结合而制备出的一种复合材料，广泛应用于航空航天、石油化工、军事、船舶等领域，其主要制备方法包括：爆炸复合法、轧制复合法、热压扩散法和沉积复合法。对于层状金属复合材料，层间结合强度是十分重要的性能指标。
而在层状金属复合材料制造领域，由于层状金属复合材料厚度方向的尺寸限制，测试层状金属复合材料层间结合强度是一个难点，目前评价层状金属复合材料结合强度的主要方法包括粘接拉伸法和剪切法，粘接拉伸法主要针对界面结合强度较低(须低于胶的粘接强度)的层状金属，但对于通过爆炸复合等方法制备的高界面结合强度的层状金属复合材料，该方法难以测试其界面结合强度；剪切法包括拉伸剪切和压缩剪切，一般可以测试层状金属复合材料的界面抗剪切强度，其试样易于加工，已得到广泛应用，但剪切强度并不能完全反映层状金属复合材料的层间结合强度。
为了有效评价层状金属复合材料的层间抗拉强度，需要设计一种简便的测试层状金属复合材料层间强度的拉伸试样及夹具。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供了一种用于测试层状金属复合材料层间强度的拉伸试样，该拉伸试样通过固定端、拉伸段以及过渡区组成，结构简单，能够直接通过对该拉伸试样进行拉伸试验获得对应层状金属复合材料的层间结合强度。
具体地，本实用新型采用以下技方案：
一种用于测试层状金属复合材料层间强度的拉伸试样，包括两端用于与夹具固定的固定端、中部用作标距部分的拉伸段以及连接所述固定端与所述拉伸段的过渡区；
所述拉伸段的中部为层状金属复合材料的结合界面。
进一步地，所述拉伸试样的过渡区为圆弧结构。
进一步地，所述拉伸试样的厚度大于宽度。
进一步地，所述拉伸试样的总长度小于10㎜。
进一步地，所述拉伸试样的厚度范围为2.2㎜～10㎜。
进一步地，所述拉伸段的表面粗糙度不超过0.4㎜。
此外，本实用新型还提供一种与上述拉伸试样适配的夹具，该夹具通过设置通孔区域，实现了与上述试样端部的固定，能够将该夹具与上述拉伸试样联合使用以进行拉伸试样，从而简便地获得对应层状金属复合材料的层间结合强度。
所述拉伸夹具上设置有一个形状与所述拉伸试样结合界面一端形状相同的通孔区域以及一个用于和拉伸机相连的夹持结构；
所述通孔区域包括一位于所述拉伸夹具侧边上的开口槽，所述开口槽的形状与所述拉伸段的形状相同，用于夹持所述拉伸段，且通过所述开口槽能够将所述拉伸试样嵌入所述通孔区域。
进一步地，所述开口槽的长度的小于所述拉伸试样拉伸段二分之一的长度。
进一步地，所述通孔区域还包括固定槽；
所述固定槽的长度大于所述拉伸试样固定端的长度，用于夹持所述固定端。
进一步地，所述通孔区域还包括连接所述固定槽与所述开口槽的悬挂台；
所述悬挂台能够与所述拉伸试样过渡区的两侧面贴合。
有益效果：
1、本实用新型的用于测试层状金属复合材料层间强度的拉伸试样，其组成包括两端用于与夹具固定的固定端、中部用作标距部分的拉伸段以及连接固定端与拉伸段的过渡区，在拉伸段中部为层状金属材料的结合界面，试样结构简单，能够通过对该试样进行拉伸试验，简便地获得对应层状金属复合材料的层间结合强度。
2、本实用新型的用于测试层状金属复合材料层间强度的拉伸试样，其厚度大于宽度，可以避免试样在加工、装卡时发生折弯曲或断裂的破坏，而且，这也符合层状金属复合材料面内方向的尺寸大、厚度方向小的尺寸特征。
3、本实用新型的用于测试层状金属复合材料层间强度的拉伸试样，设计了由圆弧结构组成的过渡区，可以避免过渡区的应力集中，当层状金属复合材料的抗拉强度较高时，可以有效避免拉伸试样固定端及与之适配的拉伸夹具被破坏。
4、本实用新型的用于测试层状金属复合材料层间强度的拉伸试样，充分考虑到了层状金属结合强度在拉伸方向的尺寸限制，拉伸试样的总长度小于10㎜，从而构成了一个微小型试样，通过该微小型试样可以进行拉伸试验获得对应层状金属复合材料的层间结合强度。
5、本实用新型的用于测试层状金属复合材料层间强度的拉伸试样，其拉伸段的表面粗糙度不超过0.4㎜，从而在拉伸段与拉伸夹具贴合时可以大幅减小贴合处的摩擦力，提高层状金属复合材料层间结合强度测试精度。
6、本实用新型的用于测试层状金属复合材料层间强度的拉伸夹具，通过在金属主体上设置能够使拉伸试样端部嵌入的通孔区域，便能实现对拉伸试样进行垂直拉伸，夹具结构简单、紧凑。
7、本实用新型的用于测试层状金属复合材料层间强度的拉伸夹具，其固定槽的长度大于拉伸试样固定端的长度，一方面可以使拉伸试样易于装卡，另一方面可以增加该拉伸夹具的适用性，即可适当改变拉伸试样固定端的长度就可以使用该拉伸夹具，而不必重新加工拉伸夹具。
8、本实用新型的用于测试层状金属复合材料层间强度的拉伸夹具，开口槽的长度小于拉伸试样拉伸段二分之一的长度，因而在成对使用该夹具对拉伸试样两端的端部固定时，可以更方便地对拉伸试样进行装卡。
附图说明
图1为本实用新型实施例一提供的拉伸试样的三维结构示意图；
图2为本实用新型实施例二提供的一种拉伸夹具的三维结构示意图；
图3为本实用新型实施例二提供的另一种拉伸夹具的三维结构示意图；
图4为本实用新型实施例二提供的图1中的拉伸试样与图3中的拉伸夹具的装配状结构的示意图；
图5为本实用新型实施例三提供的一种钨－铜爆炸焊接复合板的拉伸试样的准静态拉伸曲线；
图6为本实用新型实施例三提供的一种冷喷涂镍/铝－铜复合材料的拉伸试样的准静态拉伸曲线；
图7为本实用新型实施例三提供的一种纯铜材料的拉伸试样的准静态拉伸曲线；
其中，1－固定端，2－拉伸段，3－结合界面，4－过渡区，5－开口槽，6－固定槽，7－悬挂台，8－固定销孔。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本实用新型进行详细描述。
实施例一：
本实施例提供了一种用于测试层状金属复合材料层间强度的拉伸试样，如图1所示，该拉伸试样的形状整体为哑铃形，包括两端用于与夹具固定的固定端1、中部用作标距部分的拉伸段2以及连接所述固定端与所述拉伸段的过渡区 4，拉伸段2的中部为层状金属材料的结合界面3，且结合界面两端的结构(包括结合界面两端的拉伸段2、过渡区4、固定端1)为不同的金属材质，具体的金属材质与被测的层状金属复合材料结合界面两端的金属材质相对应。
可以看出，试样结构简单，通过对该试样进行拉伸试验，能够简便地获得对应层状金属复合材料的层间结合强度。
更具体地，图1中拉伸试样的厚度l3大于宽度l2，如此，可以避免试样在加工、装卡时发生折弯曲或断裂的破坏，而且，这也符合层状金属复合材料面内方向的尺寸大、厚度方向小的尺寸特征。
如图1所示，在本实施例中，拉伸试样设计的是由圆弧结构的过渡区4，使标距部分横截面积小于固定端1横截面积，而且，可以避免过渡区4的应力集中，当层状金属复合材料的抗拉强度较高时，能够有效避免拉伸试样固定端1 及与之适配的拉伸夹具被破坏。
在本实施例中，拉伸试样的总长度小于10㎜，拉伸试样的厚度范围为2.2 ㎜～10㎜，这充分到考虑到了层状金属结合强度在拉伸方向的尺寸限制，另外，拉伸试样的宽度l3与厚度l2也适应性地在都是10毫米以内，从而构成了一个微小型试样，通过该微小型试样可以进行拉伸试验获得对应层状金属复合材料的层间结合强度。而且，在本实施例，拉伸段2的表面粗糙度不超过0.4㎜，这个粗糙度在拉伸段2与拉伸夹具贴合时可以大幅减小贴合处的摩擦力，提高层状金属复合材料层间结合强度测试精度。
实施例二：
本实施例在实施例一的基础上提供了一种用于测试实施例一中拉伸试样的层间强度的拉伸夹具，如图2所示，拉伸夹具在金属主体上设置有一个通孔区域，通孔区域包括一位于金属主体侧边上的开口槽5，该通孔区域的形状与实施例一中的拉伸试样的端部即拉伸界面一端(包括固定端1、过渡区4以及约二分之一的拉伸段2)的形状相同，开口槽5的形状与拉伸段2的形状相同，开口槽5用于夹持拉伸段2，且通过开口槽5能够将实施例一中拉伸试样嵌入通孔区域。
更具体地，上述的金属主体可以是柱状或块状等结构，但在这些不同结构形式的金属主体上都应当设计有直接与不同的拉伸试验机连接的结构。如图3 所示，在块状，更具体地说是长方体的金属主体上，设置了固定销孔8作为与拉伸试验机连接的结构，以及由固定槽6、开口槽5、悬挂台7组成的通孔区域。
其中实施例一中拉伸试样的固定端1能够嵌入该固定槽6中，悬挂台7能够与实施例一中拉伸试样的过渡区4紧密贴合，开口槽5能够与实施例一中拉伸试样拉伸段2几乎二分之一长度的侧面保持紧密贴合。在拉伸试验时，如图4 所示，首先将拉伸夹具与拉伸试验机连接，之后将拉伸试样两端分别安装至上下两个拉伸夹具的通孔区域中，这时，便可沿a方向(也为垂直地面的方向) 进行拉伸试验测试。
上述开口槽5与实施例一中拉伸试样拉伸段几乎二分之一长度的侧面保持紧密贴合是因为开口槽5的长度l6的略微小于拉伸试样拉伸段二分之一的长度l4，这在成对使用该夹具对拉伸试样两端的端部固定时，可以更方便地对拉伸试样进行装卡。
作为进一步改进，图3中拉伸试样固定槽6的长度大于实施例一中拉伸试样固定端1的长度，如此，一方面可以使拉伸试样易于装卡，另一方面可以增加该拉伸夹具的适用性，即可适当改变拉伸试样固定端1的长度l7就可以使用该拉伸夹具，而不必重新加工拉伸夹具。
具体地，如图3所示，悬挂台7为能够与实施例一中拉伸试样过渡区4的两侧面紧密贴合的圆弧结构，达到固定实施例一中拉伸试样的目的，而且当层状金属复合材料抗拉强度较高时，可有效避免拉伸夹具破坏。
更具体地，可采用高强度模具钢制作图3中的微小型拉伸夹具，模具钢具有硬度大、强度高的特点，当拉伸试样强度较高时不至于使夹具破坏；由于拉伸夹具中固定槽6、悬挂台7及开口槽5等特征均为简单通孔，因而可使用电火花线切割来加工该拉伸夹具，这样也有利于保证加工精度；此外，开口槽5表面粗糙度要求Ra≤0.4mm，如此，在拉伸段2与拉伸夹具贴合时可以大幅减小贴合处的摩擦力，提高层状金属复合材料层间结合强度测试精度。
实施例三:
在上述实施例一与实施例二的基础上，本实施例提供了三种不同金属材料组成的拉伸试样，分别是：
参照图1中拉伸试样的结构使用电火花线切割所加工的钨-铜爆炸焊接复合板的拉伸试样，其中，钨板和铜板的厚度均为2mm，由此l1为4mm，圆弧过渡的半径为0.3mm，该拉伸试样厚度即l3为4mm，试样的宽度即l2为1.6mm，标距即l4为2mm。
将该钨-铜爆炸焊接复合板的拉伸试样与实施例二中的拉伸夹具组装后，在万能材料试验机上进行准静态拉伸实验，实验得到如图5的准静态拉伸曲线，可以看出，该钨-铜爆炸焊接复合板的拉伸试样在拉伸过程中主要发生弹性变形，最后发生脆性断裂，抗拉强度约100MPa，对断口进行观测，发现断裂发生在靠近界面的钨基体上。经过多次重复性实验，发现该准静态拉伸实验具有较好的可重复性。
参照图1中拉伸试样的结构使用电火花线切割所加工的冷喷涂镍/铝-铜复合材料的拉伸试样，其中冷喷涂镍/铝复合材料和铜板的厚度均为3mm，即总长度 l1为6mm，圆弧过渡的半径为0.3mm，该拉伸试样厚度即l3为4mm，试样的宽度即l2为1.6mm，标距即l4为3.4mm。
将该冷喷涂镍/铝-铜复合材料的拉伸试样与拉伸夹具组装后，在万能材料试验机上进行准静态拉伸实验，实验得到如图6的准静态拉伸曲线，该冷喷涂镍/ 铝-铜复合材料的拉伸试样在拉伸过程界面附近发生弹性变形，最后发生脆性断裂，抗拉强度约23MPa，对断口进行观测，发现断裂发生在界面上。经过多次重复性实验，发现该准静态拉伸实验具有较好的可重复性。
参照图3中拉伸试样的结构使用电火花线切割所加工的纯铜材料的拉伸试样，该拉伸试样除了无结合界面这一区域外，其余尺寸与上述冷喷涂镍/铝-铜复合材料的拉伸试样完全相同。将该纯铜材料的拉伸试样与实施例二中的拉伸夹具组装后，在万能材料试验机上进行准静态拉伸实验，实验得到如图7的准静态拉伸曲线，可以看出，该纯铜试样在拉伸过程首先发生弹性变形，之后塑性变形，最后破坏，抗拉强度约210MPa，对回收的该纯铜拉伸试样进行观测，发现在标距段发生了明显的颈缩现象。经过多次重复性实验，发现该准静态拉伸实验具有较好的可重复性。而且，可以看出，实施一与实施例二中的拉伸试样与拉伸夹具结构可以扩展应用于均质材料的抗拉强度测试。
综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于测试层状金属复合材料层间强度的拉伸试样，其特征在于，包括两端用于与夹具固定的固定端、中部用作标距部分的拉伸段以及连接所述固定端与所述拉伸段的过渡区；
所述拉伸段的中部为层状金属复合材料的结合界面。
2.如权利要求1所述的用于测试层状金属复合材料层间强度的拉伸试样，其特征在于，所述拉伸试样的过渡区为圆弧结构。
3.如权利要求1所述的用于测试层状金属复合材料层间强度的拉伸试样，其特征在于，所述拉伸试样的厚度大于宽度。
4.如权利要求3所述的用于测试层状金属复合材料层间强度的拉伸试样，其特征在于，所述拉伸试样的总长度小于10㎜。
5.如权利要求3所述的用于测试层状金属复合材料层间强度的拉伸试样，其特征在于，所述拉伸试样的厚度范围为2.2㎜～10㎜。
6.如权利要求1－5任一项所述的用于测试层状金属复合材料层间强度的拉伸试样，其特征在于，所述拉伸段的表面粗糙度不超过0.4㎜。
7.一种用于测试权利要求1－6任一项所述的拉伸试样的层间强度的拉伸夹具，其特征在于，所述拉伸夹具上设置有一个形状与所述拉伸试样结合界面一端形状相同的通孔区域以及一个用于和拉伸机相连的夹持结构；
所述通孔区域包括一位于所述拉伸夹具侧边上的开口槽，所述开口槽的形状与所述拉伸段的形状相同，用于夹持所述拉伸段，且通过所述开口槽能够将所述拉伸试样嵌入所述通孔区域。
8.如权利要求7所述的拉伸夹具，其特征在于，所述开口槽的长度的小于所述拉伸试样拉伸段二分之一的长度。
9.如权利要求8所述的拉伸夹具，其特征在于，所述通孔区域还包括固定槽；
所述固定槽的长度大于所述拉伸试样固定端的长度，用于夹持所述固定端。
10.如权利要求9所述的拉伸夹具，其特征在于，所述通孔区域还包括连接所述固定槽与所述开口槽的悬挂台；
所述悬挂台能够与所述拉伸试样过渡区的两侧面贴合。
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