TWI487907B - Tension and compression test fixture for thin sheet - Google Patents

Description

薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具

本發明係關於一種材料試驗夾具，特別係關於一種薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具。

習知材料拉伸與壓縮試驗機在對材料試片進行拉伸或壓縮試驗之前，皆會先將材料試片固定於一試驗夾具上，再進行拉伸或壓縮試驗。如我國公告專利第I245120號所揭示之「拉伸試驗治具與拉伸試驗方法」，其係將材料試片置於一由底座、拉桿及施力件所組成之拉伸試驗治具上進行拉伸試驗。然而，上述之拉伸試驗治具雖可用以實施拉伸試驗，但在實施壓縮試驗時，材料試片會在反向負載壓縮過程中發生嚴重挫曲情形。此外，上述之拉伸試驗治具之結構組成複雜，故製造成本相對較高。

因此，有必要提供一創新且具進步性之薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具，以解決上述問題。

本發明提供一種薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具，其至少具有一試片插入面、一底面、一第一側面、一第二側面及一試片插槽，該底面相對於該試片插入面，該第二側面相對於該第一側面，該試片插槽凹設於該試片插入面且連通該第一側面及該第二側面，該試片插槽包括一入口凹槽及一內凹槽，該內凹槽連通該入口凹槽，且該內凹槽位於該入口凹槽與該底面之間。

本發明係以材料試片拉伸或壓縮時之體積改變量作為夾具設計考量，並針對該試片插槽進行特殊結構化設計。本發明之薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具係為單一結構體，其不僅大幅簡化夾具結構，更可降低夾具製造成本及防止材料試片於反向負載壓縮過程中發生挫曲情形。

為了能夠更清楚瞭解本發明的技術手段，而可依照說明書的內容予以實施，並且為了讓本發明所述目的、特徵和優點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，並配合附圖，詳細說明如下。

10‧‧‧薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具

11‧‧‧試片插入面

12‧‧‧底面

13‧‧‧第一側面

14‧‧‧第二側面

15‧‧‧第三側面

16‧‧‧第四側面

17‧‧‧試片插槽

171‧‧‧入口凹槽

171a‧‧‧導斜面

172‧‧‧內凹槽

172a‧‧‧側壁

18‧‧‧導線凹槽

20‧‧‧材料拉伸與壓縮試驗機

21‧‧‧夾頭組

22‧‧‧驅動裝置

30‧‧‧材料試片

31‧‧‧凹陷區域

32‧‧‧取樣區域

33‧‧‧夾持部

d ‧‧‧凹陷區域的長度

D1‧‧‧內凹槽之深度

D2‧‧‧入口凹槽之深度

f ‧‧‧夾具長度

G1‧‧‧最大槽口寬度

G2‧‧‧最小槽口寬度

G3‧‧‧內凹槽之槽口寬度

T ‧‧‧材料試片的厚度

w ‧‧‧材料試片的寬度

X ‧‧‧取樣區域的長度

圖1顯示本發明薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具之立體示意圖；圖2顯示本發明薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具之結構上視圖；圖3顯示本發明薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具之結構側視圖；圖4顯示本發明薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具裝設於材料拉伸與壓縮試驗機上之示意圖；圖5顯示本發明薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具與材料試片之位置對應圖；圖6顯示本發明材料試片之結構示意圖；圖7顯示本發明材料試片之尺寸設計圖；圖8顯示本發明不同夾具間隙造成材料試片挫曲之模擬與實驗結果圖；及圖9顯示本發明另一實施例薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具之立體示意圖。

圖1顯示本發明薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具之立體示意圖。圖2顯示本發明薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具之結構上視圖。圖3顯示本發明薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具之結構側視圖。配合參閱圖1、圖2及圖3，本發明之薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具10具有一試片插入面11、一底面12、一第一側面13、一第二側面14、一第三側面15、一第四側面16及一試片插槽17。較佳地，該薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具10之外形係為矩形六面體。

該底面12相對於該試片插入面11，該第二側面14相對於該第一側面13，該第四側面16相對於該第三側面15，該試片插槽17凹設於該試片插入面11且連通該第一側面13及該第二側面14，此外，該試片插槽17位於該第三側面15與該第四側面16之間。

在本實施例中，該試片插槽17包括一入口凹槽171及一內凹槽172，該內凹槽172連通該入口凹槽171，且該內凹槽172位於該入口凹槽171與該底面12之間。

該入口凹槽171兩側分別具有一導斜面171a，因此，該入口凹槽171之槽口寬度會由外往內漸縮。在本實施例中，該入口凹槽171具有一最大槽口寬度G1及一最小槽口寬度G2，較佳地，該內凹槽172之槽口寬度G3等於該入口凹槽171之最小槽口寬度G2，且該內凹槽172之深度D1大於該入口凹槽171之深度D2。此外，該內凹槽172兩側分別具有一側壁172a。

圖4顯示本發明薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具裝設於材料拉伸與壓縮試驗機上之示意圖。圖5顯示本發明薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具與材料試片之位置對應圖。配合參閱圖4及圖5，該薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具10係裝設於一材料拉伸與壓縮試驗機20上，且一材料試片30係設置於該薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具10之試片插槽17。在本實施例中，該材料拉伸與壓縮試驗機20係採用型 號MTS 810之萬能試驗機，該材料拉伸與壓縮試驗機20包括一夾頭組21及一驅動裝置22，該驅動裝置22係為可驅動該夾頭組21位移之油壓馬達系統。

圖6顯示本發明材料試片之結構示意圖。圖7顯示本發明材料試片之尺寸設計圖。配合參閱圖4、圖6及圖7，本發明係依據ASTM E8所制定標準試片尺寸規範作為該材料試片30縮小外觀尺寸參數化設計的依據，該材料試片30具有一凹陷區域31、一取樣區域32及二夾持部33。該凹陷區域31位於該材料試片30之中央部位，參數d 為該凹陷區域31的長度。該取樣區域32取自該凹陷區域31之中間區段，參數X 為該取樣區域32的長度。該等夾持部33分別位於該凹陷區域31的兩側，主要作為該材料拉伸與壓縮試驗機20之夾頭組21所夾制的部位。另外，參數f 為夾具長度(即該材料試片30被該薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具10所夾持的長度)，參數T 為該材料試片30的厚度，而參數w 為該材料試片30的寬度。本實施例中，該材料試片30之取樣區域32的長度設定為10mm，而拉伸最大應變範圍為±15%。

當進行材料拉伸與壓縮試驗時，若該薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具10長度過短，則無法克服該材料試片30之壓縮挫曲問題。因此，該薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具10之設計與該材料試片30之尺寸及其變形範圍有直接關係。該材料試片30之應變ε 、變形量△X 與該取樣區域32的長度X 的關係，可參下式(1.1)。

△X =X ．ε (1.1)

故在設計該薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具10之長度時，須考慮該材料試片30的最大應變範圍及該取樣區域32的長度，並從式(1.1)計算出該材料試片30之變形量△X ，之後，可依式(1.2)計算出該薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具10之夾具長度f 。

f =d +2△X (1.2)

除了上述之夾具長度f 外，該入口凹槽171的槽口寬度大小也與該材料試片30進行壓縮試驗時之挫曲有關。當該入口凹槽171之槽口寬度過大時，該材料試片30容易發生挫曲現象；反之，若該入口凹槽171之槽口寬度過小，則該材料試片30於施加反向負載時，將出現不易壓縮情況。

由於該材料試片30之挫曲現象係發生在該材料試片30受反向負載的壓縮過程，因此，必須針對該材料試片30受壓縮所造成之挫曲現象進行該入口凹槽171之槽口寬度設計。在該入口凹槽171之槽口寬度設計方面，參數G1為該入口凹槽171之最大槽口寬度，參數G2為該入口凹槽171之最小槽口寬度，該入口凹槽171與該材料試片30之間具有一夾具間隙y ，該夾具間隙y 為該入口凹槽171之最小槽口寬度G2與該材料試片30的厚度T 之差值。

從材料變形關係與材料壓縮前後體積不變的觀念下推導該夾具間隙y 之經驗公式，由材料應變公式可得最大應變ε _max 時之最大變形量△X _max 與該取樣區域32的長度X 的關係如式(1.3)所示。

△X _max =X ．ε _max (1.3)

此外，該薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具10於該材料試片30變形後所能允許容納之體積V _c 如式(1.4)所示：V _c =y ×A =y ×w ×f (1.4)

式(1.4)中之A係為該薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具10涵蓋該材料試片30之面積，且該材料試片30壓縮前之欲壓體積總量△V _m 如式(1.5)所示。

△V _m =X _max ×w ×T (1.5)

由於該凹陷區域31之端點處對該材料試片30於壓縮過程中之體 積變形影響不大，故在描述該材料試片30於壓縮過程之體積改變時，可簡化該凹陷區域31之端點位置為垂直角度。為描述該材料試片30於壓縮試驗過程中長度尺寸方向會呈現上下起伏微小波浪狀，故以函數P (x )描述長度方向的變化，而該材料試片30寬度方向壓縮時會呈現桶狀(barreling)，故以函數G (s )描述寬度方向的變化。此外，由於該材料試片30受壓縮時厚度方向會逐漸變厚，因此，以函數R (z )描述厚度方向的變化。另外，為描述該材料試片30於整個壓縮過程之體積改變量△V _cp ，係將該材料試片30拆成三塊體積來計算，其計算式如式(1.6)，其中W 1為該取樣區域32之原始寬度尺寸，W 2及W 3為壓縮後之寬度尺寸，而B 為夾頭與夾具間之允許間隙。

從體積不變觀念可知材料壓縮過程之體積改變量△V _cp 應等於材料壓縮前之欲壓體積總量△V _m ，如式(1.7)所示。

△V _m =△V _cp (1.7)

然而，從最大體積觀念可知材料完成壓縮後，其材料壓縮總體積變化量△V _cp 應不大於該試片插槽17內之總體積量△V _c ，如式(1.8)所示：

因此，可推導出該夾具間隙y 之經驗公式如式(1.9)所示，其中X _max 為該材料試片30的最大取樣長度。

由以上推導可知，該夾具間隙y 的大小與該材料試片30的最大取樣長度X _max 、該材料試片30的厚度T 及夾具長度f 有關。該夾具間隙y 若依式(1.9)設計，則可避免因該入口凹槽171之槽口寬度過大而導致該材料試片30發生挫曲現象。

參閱圖8，其係顯示本發明不同夾具間隙造成材料試片挫曲之模擬與實驗結果圖。圖8中之(a)結果顯示該夾具間隙y 過小而造成該材料試片30發生側邊挫曲現象；(b)結果顯示在適當之夾具間隙條件下，該材料試片30並未發生挫曲現象；(c)結果顯示該夾具間隙y 過大而造成該材料試片30於夾具內部發生挫曲現象。

圖9顯示本發明另一實施例薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具之立體示意圖。配合參閱圖5及圖9，本發明之該薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具10是利用應變規(strain gauge)作為測量材料應變的量測工具，因此，為了能夠順利測得該材料試片30的應變量，必須將應變規(圖未繪出)貼附於該取樣區域32。如圖9所示，在另一實施例中，該薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具10可具有二導線凹槽18，各該導線凹槽18分別凹設於該內凹槽172之各該側壁172a，且各該導線凹槽18兩端分別連通該第一側面13及該第二側面14。如此，應變規之量測導線(圖未繪出)可放置於各該導線凹槽18內，而不會干涉試驗之進行及影響試驗結果。

本發明係以該材料試片30拉伸或壓縮時之體積改變量作為夾具設計考量，並針對該試片插槽17進行特殊結構化設計。本發明之薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具10係為單一結構體，其不僅大幅簡化夾具結構，更可降低夾具製造成本及防止該材料試片30於反向負載壓縮過程中發生挫曲情形。

上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效，並非限制本發明，因此習於此技術之人士對上述實施例進行修改及變化仍不脫本發明之精神。本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。

10‧‧‧薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具

11‧‧‧試片插入面

12‧‧‧底面

13‧‧‧第一側面

14‧‧‧第二側面

15‧‧‧第三側面

16‧‧‧第四側面

17‧‧‧試片插槽

171‧‧‧入口凹槽

171a‧‧‧導斜面

172‧‧‧內凹槽

172a‧‧‧側壁

Claims (9)

1. 一種薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具，其至少具有一試片插入面、一底面、一第一側面、一第二側面及一試片插槽，該底面相對於該試片插入面，該第二側面相對於該第一側面，該試片插槽凹設於該試片插入面且連通該第一側面及該第二側面，該試片插槽包括一入口凹槽及一內凹槽，該入口凹槽兩側分別具有一導斜面，且該入口凹槽之槽口寬度由外往內漸縮，該內凹槽連通該入口凹槽，且該內凹槽位於該入口凹槽與該底面之間。
2. 如請求項1之薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具，另具有一第三側面及一第四側面，該第四側面相對於該第三側面，該試片插槽位於該第三側面與該第四側面之間。
3. 如請求項2之薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具，其外形係為矩形六面體。
4. 如請求項1之薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具，其中該入口凹槽具有一最大槽口寬度及一最小槽口寬度，該內凹槽之槽口寬度等於該入口凹槽之最小槽口寬度。
5. 如請求項1之薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具，其中該內凹槽之深度大於該入口凹槽之深度。
6. 如請求項1之薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具，另具有二導線凹槽，該內凹槽兩側分別具有一側壁，各該導線凹槽分別凹設於各該側壁。
7. 如請求項6之薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具，其中各該導線凹槽兩端分別連通該第一側面及該第二側面。
8. 如請求項1之薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具， 其係裝設於一材料拉伸與壓縮試驗機上。
9. 如請求項1之薄形板材反覆拉伸與壓縮試驗夾具，其中該試片插槽係設置一材料試片，該試片插槽之入口凹槽與該材料試片之間具有一夾具間隙，該夾具間隙滿足以下公式： 其中y 為夾具間隙，X _max 為該材料試片的最大取樣長度，T 為該材料試片的厚度，f 為夾具長度。