CN107421807A - 一种小尺寸塑性材料高温压缩屈服强度测量的压缩夹具及方法 - Google Patents

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Abstract

一种小尺寸塑性材料高温压缩屈服强度测量的压缩夹具及方法，方法简单，夹具及试样均易于加工，在能够保证测试精度的前提下实现灵活更换试样及快速开展实验。压缩夹具包括压缩夹具主体和高温垫片，压缩夹具主体包括呈圆柱状同轴相对设置上下夹具，上夹具一端固定设置有呈圆板状的上高温垫片；下夹具一端连接设置有下高温垫片。所述方法为：将上下夹具与万能实验机连接，将试样夹持在上下高温垫片之间；使试样置于高温加热炉中；通过万能实验机给试样一个初始预压力值；升温至目标值并保温；对被测试样匀速加载压应力，待应力—应变曲线出现屈服平台或试样塑性变形超过试样高度的0.2％后停止实验，根据曲线计算试样在实验温度下的屈服强度值。

Description

一种小尺寸塑性材料高温压缩屈服强度测量的压缩夹具及 方法
技术领域
本发明涉及料力学性能测试领域，具体为一种小尺寸塑性材料高温压缩屈服强度测量的压缩夹具及方法。
背景技术
在材料拉伸或压缩过程中，当应力达到一定值时，应力有微小的增加，而应变却急剧增长的现象，称为屈服，使材料发生屈服时的强度就是材料的屈服强度。屈服强度表征了材料抵抗微量塑性变形的应力，其值越大，说明材料抵抗变形的能力越强。对于塑性材料传统的强度设计方法多以屈服强度为标准，规定许用应力为屈服强度除以安全系数n(安全系数n一般取1.2或更大)。除上述的直接使用意义，在工程上屈服强度值也是材料的某些力学行为和工艺性能的大致度量。例如材料屈服强度增高，对应力腐蚀和氢脆就敏感；材料屈服强度低，冷加工成型性能和焊接性能就好等等。因此，屈服强度的测试对于塑性材料的设计、使用等均非常重要。
对材料屈服强度值的获取一般通过拉伸实验完成。拉伸实验对试样以及夹具的形状、尺寸的要求均较高。目前，大多数用于检测板材的拉伸实验机上的夹具的上、下夹头只适用于检测较长、较厚、较宽的板材试样，对于较窄或较薄的板材试样在做力学性能检测实验时，夹具不能夹紧板材试样，使其常常滑脱。对于某些材料贵重的板材用现有的拉伸实验机进行力学性能检测时，板材试样需要做的较长、较厚、较宽，这样既浪费材料，又增加了成本。对于非标准要求尺寸的小型棒状试样，虽可通过螺纹连接用夹具夹紧试样，但越小尺寸的试样对加工精度的要求越高，加工失误经常会导致试样断裂在非标距断内，导致实验结果不可信。有研究表明，机加工对材料的拉伸性能有较大的影响，如车削加工的进刀量、走刀速度和试样表面粗糙度等。当进刀量越小、走刀速度越低、试样表面粗糙度越高，材料的拉伸性能和数据的分散性就越好，反之亦然。因此，影响拉伸性能测试的外在影响因素较多，这些都会增加真实反应材料力学性能的困难程度。此外，在实际操作时，如果试样过小，无论是板状还是棒状均难以加工，对应的就无法通过拉伸实验检测其屈服强度。除拉伸实验外，压缩实验亦可表征此类材料的屈服强度，通用的材料实验机除拉伸实验外还可进行室温条件下的压缩实验。但受夹具形状、尺寸、材料及实验方法所限，无法开展高温压缩实验，特别是当温度高于600℃时。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种小尺寸塑性材料高温压缩屈服强度测量的压缩夹具及方法，方法简单，夹具及试样均易于加工，拆装方便，在能够保证测试精度的前提下实现灵活更换试样及快速开展实验，降低测试成本及时间，提高实验效率和测试结果的可重复性。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种小尺寸塑性材料高温压缩屈服强度测量的压缩夹具，包括压缩夹具主体和高温垫片；
所述的压缩夹具主体包括呈圆柱状同轴相对设置上夹具和下夹具，上夹具和下夹具的连接端分别设有与万能实验机相配合连接的螺纹孔，上夹具的另一端固定设置有呈圆板状的上高温垫片；下夹具的另一端连接设置有下高温垫片；当进行小尺寸塑性材料高温压缩屈服强度测量时，被测试样夹持在上高温垫片和下高温垫片之间。
优选的，上高温垫片通过高温胶粘接固定在上夹具的下端。
优选的，下高温垫片呈圆板状，通过高温胶粘接固定在下夹具的上端。
优选的，下高温垫片下端设置有连接凸起，上端边缘设置有环状凸台；下夹具的上端设置有与连接凸起配合的连接凹槽；环状凸台内放置被测试样。
优选的，所述压缩夹具主体采用热膨胀系数低于15×10-6/K的高温合金制成；所述上高温垫片和下高温垫片均采用SiC制成。
优选的，压缩夹具主体外径尺寸为20-50mm，上夹具、下夹具、上高温垫片和下高温垫片的外径尺寸相同。
一种小尺寸塑性材料高温压缩屈服强度测量方法，包括如下步骤，
步骤1，分别将上夹具和下夹具与万能实验机连接，并将被测试样夹持在上高温垫片和下高温垫片之间；
步骤2，移动万能实验机中的高温加热炉，使被测试样置于其中；并通过万能实验机给予被测试样一个初始预压力值；
步骤3，保持预压力值的恒定，并通过高温加热炉开始升温，待温度升至目标值并保温；
步骤4，达到设定的保温时间后，由万能实验机的计算机控制对被测试样匀速加载压应力，待应力—应变曲线出现屈服平台或试样塑性变形超过试样高度的0.2％后停止实验，并根据曲线计算被测试样在实验温度下的屈服强度值。
优选的，所述的预压力值为20～200N。
优选的，所述的目标值大于600℃，保温时间为5-15分钟。
优选的，被测试样的直径小于夹具外径，高度与直径比不超过10，沿压缩方向上下两端面的平行度公差不超过0.05mm，表面粗糙度不超过0.6μm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明所述的压缩夹具，通过设置为圆柱形结构的压缩夹具主体配合高温垫片对被测试样进行夹持，不仅易于加工和安装，而且能够直接同轴安装设置在高温加热炉中，并通过螺纹连接快速的与万能实验机进行连接，不需要对现有万能实验机及高温加热炉进行结构上的改造，即可直接使用；利用上、下高温垫片实现压缩夹具主体与被测试样端面的间接接触，保证夹具在高温下即使受到烧结和氧化，也可与被测试样顺利分离，不会发生特异性变形进而保证拆装的方便性及压缩夹具的重复利用率。而且由于压缩夹具与被测试样通过夹持连接，因此利用压缩夹具与被测试样的灵活拆装，可在上一轮高温实验结束后快速放入试样，避免了拉伸实验中等待高温炉冷却的过程，节省人力、物力，在保证安全的同时提高实验效率。
进一步的，上高温垫片和下高温垫片能够均呈圆板状设置，并通过高温胶粘接在夹具端面，在保证压缩夹具主体稳定性的同时，满足了试验要求，提高了重复利用率。
进一步的，通过下高温垫片的特殊结构设置，采用插接与下夹具连接固定，由于其只承担压力，因此在保证了轴向向下稳定的同时，使得在拆装和更换时更加方便快捷，同时能够通过环状凸台的大小，来配合多尺寸的被测试样，实现一个下夹具对多个下高温垫片的对应，以及下高温垫片和被测试样的一一对应；能够将下高温垫片和与其环状凸台配合的被测试样同时进行更换，安全快捷，对中方便。
进一步的，通过对压缩夹具主题和高温垫片的结构控制和材料选择，不仅能够方便的将其置于高温加热炉腔体内，而且能够保证高温试验下的性能稳定，满足试验要求。
本发明所述的方法，在高温加热炉升温过程中，利用计算机软件设置程序，给予被测试样一恒定预压力，一方面可以避免试样在升温过程中由于热膨胀从而受到过大的热膨胀压力进而损坏试样，另一方面也可以避免夹具主体热膨胀对实验机传感器造成损伤；此外，亦可保证同批次试样受到的初始力值相同，提高实验的可重复性和准确性；从而能够通过高温压缩实验获取小尺寸塑性材料的高温压缩屈服强度。
进一步的，通过对被测试样高度与直径比的限定用以保证试样的稳定性；对沿压缩方向上、下两端面的平行度公差的限定用以保证试样与垫片的充分接触。
附图说明
图1为本发明实例1中所述的压缩夹具的安装结构剖面图。
图2为本发明实例2中所述的压缩夹具的安装结构剖面图。
图3为实施例1中镍-铁基高温合金经不同温度压缩实验后的屈服强度变化图。
图4为实施例2中镍基高温合金经不同温度压缩及拉伸实验后屈服强度对比图。
图中：上夹具11，下夹具12，上高温垫片21，下高温垫片22，被测试样3，高温加热炉4。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种小尺寸塑性材料高温压缩屈服强度测量的压缩夹具及方法，所述的压缩夹具包括压缩夹具主体和高温垫片；所述的压缩夹具主体包括上夹具11和下夹具12两部分，二者对称，均为圆柱状结构，一端设有与万能实验机相配合的螺纹孔，通过螺纹结构与万能实验机连接，另一端与被测试样之间通过高温垫片连接；高温垫片包括上高温垫片21和下高温垫片22两部分。一种结构下，两者对称，垫片形状均呈圆板状，尺寸与所述上、下夹具的端部相同并通过高温胶与对应的上、下夹具固定；另一种结构下，上高温垫片21保持不变，下高温垫片22下端设置有连接凸起，上端边缘向上设置有环状凸台，下夹具12的上端设置有与连接凸起配合的连接凹槽；环状凸台内放置被测试样3；被测试样3为圆柱形。
其中，压缩夹具主体外径尺寸为20-50mm，被测试样直径小于夹具外径，试样的高度与直径比不超过10，用以保证试样的稳定性；试样沿压缩方向上、下两端面的平行度公差不超过0.05mm，用以保证试样与垫片的充分接触；试样表面粗糙度不超过0.6μm。
所述方法包括以下步骤：首先，制备夹具、垫片及被测试样；其次，利用高温胶或是通过插接将垫片与夹具进行固定，待固定一段时间后利用螺纹结构分别连接上、下夹具与万能实验机；夹具及试样安装完成后，移动高温加热炉4，使被测试样置于其中；随后，利用计算机给予被测试样一个初始预压力值；然后开始升温，待温度升至目标值并保温5-15分钟时间后，由计算机控制对试样匀速加载压应力，待应力—应变曲线出现屈服平台或试样塑性变形超过试样高度的0.2％后停止实验，并根据曲线计算被测试样在实验温度下的屈服强度值。在高温加热炉的升温过程中，始终对被测试样施以一恒定载荷，其值为20～200N。
所述压缩夹具主体使用DZ22等热膨胀系数较低的材质加工；高温垫片使用SiC等硬度较高的材质加工。所述压缩夹具主体的直径小于高温加热炉炉腔内径，用以保证高温炉加热的密封性；被测试样置于加热炉均温区的中心区域，用以保证温度控制的准确性。
实施例1
本实施例中，进行小尺寸塑性材料高温压缩屈服强度测量时，如图1所示，实验所采用的材料为一种镍-铁基高温合金，直径为3mm，高度为6mm的圆柱状压缩试样，表面粗糙度不超过0.6μm，试样沿压缩方向上、下两平面的平行度公差不超过0.05mm。上夹具11和下夹具12采用DZ22高温合金加工，外径为30mm，高度为300mm；上高温垫片21和下高温垫片22均采用SiC加工，呈圆板状，外径为30mm，厚度为3mm。
上夹具11、下夹具12、上高温垫片21和下高温垫片22及被测试样准备完成后，利用高温胶将上高温垫片21和下高温垫片22分别与上夹具11和下夹具12的对应端面进行固定，待固定一段时间后利用螺纹结构分别连接上夹具11和下夹具12与万能实验机；随后，将被测试样置于下高温垫片22中心位置处，移动高温加热炉使被测试样及部分夹具置于炉腔内；随后，利用万能实验机的计算机控制进行被测试样的预压力，始终受20～200N的恒定压力值，本优选实例中采用50N的恒定压力值。然后开始升温，在整个升温过程中保持预压力值的恒定，待温度升至700℃后保温10分钟，随后开始压缩实验，经观察该试样无明显的屈服点，因此在试样沿高度方向变形量超过0.012mm后停止实验，保存实验结果。随后，打开高温加热炉，快速取出试样并放入新试样，开始700℃条件下的重复实验以及后续800℃条件下的压缩实验。图3为该合金分别经700及800℃压缩实验后的屈服强度示意图。由图可见，对应温度下两次重复实验获得的屈服强度值极为接近，误差不超过5％；此外，随着实验温度的升高，屈服强度出现了明显的下降，符合在该温度区间内屈服强度的变化趋势。
实施例2
本实施例中，进行小尺寸塑性材料高温压缩屈服强度测量时，如图2所示，实验所采用的材料为一种镍基高温合金，直径为3mm，高度为5mm的圆柱状压缩试样，表面粗糙度不超过0.5μm，被测试样沿压缩方向上、下两平面的平行度公差不超过0.05mm。上夹具11和下夹具12采用DZ22合金加工，外径为30mm，高度为300mm；上高温垫片21和下高温垫片22均采用SiC加工，外径为30mm，中部厚度为3mm；下高温垫片22下端设置有连接凸起，上端边缘设置有环状凸台；下夹具12的上端设置有与连接凸起配合的连接凹槽。
上夹具11、下夹具12、上高温垫片21和下高温垫片22及被测试样准备完成后，利用高温胶将上高温垫片21与上夹具11下端面固定，将下高温垫片22放置在下夹具12的凹槽内，待固定一段时间后利用螺纹结构分别连接上、下夹具与材料实验机；随后，将被测试样置于下高温垫片22环状凸台内，优选的放置在中心位置处，移动高温加热炉使被测试样及部分夹具置于炉腔内；随后，利用万能实验机的计算机控制进行被测试样的预压力，始终受20～200N的恒定压力值，本优选实例中采用30N的恒定压力值。然后开始升温，在整个升温过程中保持预压力值的恒定，待温度升至600℃后保温15分钟，开始压缩实验，经观察该被测试样无明显的屈服点，因此在被测试样沿高度方向变形量超过0.01mm后停止实验，保存实验结果。此外，对该合金进行标准拉伸试样的制备并开展600℃条件下的拉伸实验，获得相应的屈服强度值。图4为该合金分别经600℃压缩实验获得的屈服强度值以及同等温度下拉伸实验获得的屈服强度值对比图。由图可见，对应温度下分别经压缩及拉伸实验获得的屈服强度值较为接近，误差小于8％。
以上的优选实例中给出的保温时间分别为10分钟和15分钟，分别替换为5分钟以及5-15分钟中的其他值也都是能够实现和满足要求的。

Claims (10)

1.一种小尺寸塑性材料高温压缩屈服强度测量的压缩夹具，其特征在于，包括压缩夹具主体和高温垫片(2)；
所述的压缩夹具主体包括呈圆柱状同轴相对设置上夹具(11)和下夹具(12)，上夹具(11)和下夹具(12)的连接端分别设有与万能实验机相配合连接的螺纹孔，上夹具(11)的另一端固定设置有呈圆板状的上高温垫片(21)；下夹具(12)的另一端连接设置有下高温垫片(22)；当进行小尺寸塑性材料高温压缩屈服强度测量时，被测试样夹持在上高温垫片(21)和下高温垫片(22)之间。
2.根据权利要求1所述的一种小尺寸塑性材料高温压缩屈服强度测量的压缩夹具，其特征在于，上高温垫片(21)通过高温胶粘接固定在上夹具(11)的下端。
3.根据权利要求1所述的一种小尺寸塑性材料高温压缩屈服强度测量的压缩夹具，其特征在于，下高温垫片(22)呈圆板状，通过高温胶粘接固定在下夹具(12)的上端。
4.根据权利要求1所述的一种小尺寸塑性材料高温压缩屈服强度测量的压缩夹具，其特征在于，下高温垫片(22)下端设置有连接凸起，上端边缘设置有环状凸台；下夹具(12)的上端设置有与连接凸起配合的连接凹槽；环状凸台内放置被测试样。
5.根据权利要求1所述的一种小尺寸塑性材料高温压缩屈服强度测量的压缩夹具，其特征在于，所述压缩夹具主体采用热膨胀系数低于15×10-6/K的高温合金制成；所述上高温垫片(21)和下高温垫片(22)均采用SiC制成。
6.根据权利要求1所述的一种小尺寸塑性材料高温压缩屈服强度测量的压缩夹具，其特征在于，压缩夹具主体外径尺寸为20-50mm，上夹具(11)、下夹具(12)、上高温垫片(21)和下高温垫片(22)的外径尺寸相同。
7.根据权利要求1所述的一种小尺寸塑性材料高温压缩屈服强度测量方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤1，分别将上夹具和下夹具与万能实验机连接，并将被测试样夹持在上高温垫片(21)和下高温垫片(22)之间；
步骤2，移动万能实验机中的高温加热炉，使被测试样置于其中；并通过万能实验机给予被测试样一个初始预压力值；
步骤3，保持预压力值的恒定，并通过高温加热炉开始升温，待温度升至目标值并保温；
步骤4，达到设定的保温时间后，由万能实验机的计算机控制对被测试样匀速加载压应力，待应力—应变曲线出现屈服平台或试样塑性变形超过试样高度的0.2％后停止实验，并根据曲线计算被测试样在实验温度下的屈服强度值。
8.根据权利要求7所述的一种小尺寸塑性材料高温压缩屈服强度测量方法，其特征在于，所述的预压力值为20～200N。
9.根据权利要求7所述的一种小尺寸塑性材料高温压缩屈服强度测量方法，其特征在于，所述的目标值大于600℃，保温时间为5-15分钟。
10.根据权利要求7所述的一种小尺寸塑性材料高温压缩屈服强度测量方法，其特征在于，被测试样的直径小于夹具外径，高度与直径比不超过10，沿压缩方向上下两端面的平行度公差不超过0.05mm，表面粗糙度不超过0.6μm。
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