CN107894365A - 一种测试导体材料超高温拉伸性能的夹具及夹持方法 - Google Patents

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Abstract

一种测试导体材料超高温拉伸性能的夹具及夹持方法，属于机械装夹技术领域。第一螺钉与第一连接头的中心孔之间绝缘，第一螺钉的头端与第一连接头之间绝缘，第一连接块设置在第一连接头内，第一连接块通过第一销钉与第一连接头连接，第一连接块与第二连接头连接，第二连接块设置在第二连接头内，第二连接块与第二连接头通过第二销钉连接；上拉伸接头通过第二连接块的螺纹柱与上水冷夹头的水冷夹头体的内螺纹孔连接；水冷夹头体四周固定有与水冷夹头体的环形密闭腔室相通的四根水冷管；金属定位盘设置在轴连接套内且二者可拆卸连接，金属定位盘与轴连接套之间绝缘，金属定位盘与下水冷夹头连接。本发明用于测试导体材料超高温拉伸性能。

Description

一种测试导体材料超高温拉伸性能的夹具及夹持方法
技术领域
本发明涉及一种超高温拉伸夹具及夹持方法，属于机械装夹技术领域。
背景技术
随着航空航天技术的发展，对飞行器的速度要求越来越高，高超声速飞行器成为未来发展的趋势之一。高超声速飞行器在飞行过程中，表面和大气产生剧烈的摩擦，产生严重的气动热，热防护***成为飞行器的关键子***。测试热防护材料在超高温环境下的力学性能对于热防护***的设计具有重要作用。
目前，对材料的加热方式主要有通电加热、辐射加热和感应加热。通电加热具有升温速率快、操作简单和试验效率高等优点。夹具设计成为采用通电加热测试导体材料在超高温环境下的力学性能的难点之一。公开号为CN104931342A、公开日为2015年09月23日的发明专利申请公开了“一种多功能高温拉伸夹具”，授权公告号为CN102288482B、授权公告日为2013年08月14日的发明专利公开了“一种高温拉伸夹具”，授权公告号为CN203365237U、授权公告日为2013年12月25日的实用新型专利公开了一种“万能试验机高温拉伸夹具”，授权公告号为CN202267628U、授权公告日为2012年06月06日的实用新型专利公开了一种“整管高温拉伸夹具”，授权公告号为CN203148774U、授权公告日为2013年08月21日的实用新型专利公开了一种“板状试样高温拉伸夹具”。
郑芳等在《Gleeble 3800热模拟试验机在宝钢的典型应用与功能开发》中介绍的Gleeble热模拟实验机的夹具，此夹具在模拟焊接方面功能较为齐全，但是导热性差，冷却速度太慢，且主要用于金属材料力学性能的研究。 陈栋在《万能试验机高温拉伸装置的改造升级》中，对常温下的拉伸夹具进行改进，以满足高温环境下的测试需求。此文献中的夹具冷却效果较差，需要在夹具上部分增加隔热板。夹具冷却效率较低。
以上发明和文献中的夹具主要针对金属材料高温环境下的拉伸测试，包括板材和管材等，温度大多在1000℃以下，且有些夹具冷却效率较低，无法满足超高温（≥1800℃）环境下的材料力学性能测试要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于通电加热的、测试导体材料在超高温环境下拉伸力学性能的夹具及夹持方法。
本发明设计了一种能够水冷的用于通电加热的高温拉伸夹具及夹持方法，主要用于测试耐超高温的材料(碳/碳复合材料、超高温陶瓷等)在超高温（≥1800℃）环境下的拉伸力学性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种测试导体材料超高温拉伸性能的夹具，包括上水冷夹头、上拉伸接头、下水冷夹头及下连杆；
所述的上水冷夹头和下水冷夹头结构及尺寸相同，并均包括水冷夹头体、四根水冷管及四个圆弧形垫块；所述的上拉伸接头包括第一螺钉、第一绝缘垫、第一连接头、第一绝缘套、第二绝缘垫、第一垫圈、第一销钉、第一连接块、第二螺钉、第二垫圈、第二连接头、第二销钉及第二连接块；所述的下连杆包括轴连接套、第二绝缘套、第三绝缘套、金属定位盘及第三垫圈；所述的第一连接头与力学试验机的上拉杆通过第一螺钉连接，所述的第一螺钉***第一连接头上端的中心孔内，第一螺钉与第一连接头的中心孔之间通过第一绝缘套绝缘，第一螺钉的头端与第一连接头之间通过第二绝缘垫绝缘，第一连接头通过第一绝缘垫与所述的上拉杆绝缘；所述的第一连接块设置在第一连接头下端设有的凹槽内，第一连接块通过第一销钉与第一连接头连接，第一连接块可绕第一销钉相对于第一连接头转动；第一连接块的下端与第二连接头的上端通过第二螺钉连接，所述的第二连接块设置在第二连接头下端设有的凹槽内，第二连接块与第二连接头通过第二销钉连接，第二连接块可绕第二销钉相对于第二连接头转动；第二连接块下端设有螺纹柱，所述的水冷夹头体两相对端的一端中部设有内螺纹孔，水冷夹头体两相对端的另一端设有安装孔，上拉伸接头通过第二连接块的螺纹柱与上水冷夹头的水冷夹头体的内螺纹孔连接；水冷夹头体内设有环形密闭腔室，水冷夹头体四周固定有与所述的环形密闭腔室相通的四根水冷管；所述的试样与水冷夹头体的安装孔之间通过四个圆弧形垫块夹持；所述的金属定位盘的上端设置在轴连接套下端设有的凹槽内，金属定位盘与轴连接套可拆卸连接，金属定位盘与轴连接套之间通过第二绝缘套绝缘，金属定位盘的上端中部和下端中部分别设有上连接螺杆和下连接螺杆，金属定位盘的下连接螺杆与力学试验机连接，金属定位盘的上连接螺杆与下水冷夹头的内螺纹孔连接。
一种实现测试导体材料超高温拉伸性能的夹持方法，所述的方法步骤如下：
第一步：首先将两个试样的其中一个试样的上夹持端放入上水冷夹头中，调整该其中一个试样的位置，使得圆弧形垫块能够轻松放入，然后再次调整该其中一个试样的位置，并且在该其中一个试样与圆弧形垫块之间垫一层薄的石墨纸，保证该其中一个试样的对中性；
第二步：通过试验机，调整上水冷夹头和下水冷夹头的距离，使另一个试样的下夹持端放入下水冷夹头中，并且保证圆弧形垫块能够放入下水冷夹头中，并且在该另一个试样与圆弧形垫块之间垫一层薄的石墨纸，保证该另一个试样的对中性；
第三步：微调所述的两个试样，使两个试样中轴线、上水冷夹头和下水冷夹头中轴线重合，保证两个试样的对中性。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
1.本发明针对基于通电加热的超高温环境下材料拉伸力学性能测试，升温速率快，提高了试验效率，上拉伸接头以及下连杆采用绝缘设计，保证试验过程的安全性。
2. 上水冷夹头和下水冷夹头的水冷夹头体采用水冷设计，降低了上水冷夹头和下水冷夹头的温度，提高了上水冷夹头和下水冷夹头的使用寿命和可靠性，降低了成本。
3.在拉伸试验中，上拉伸接头可绕销钉转动，实时调整拉伸试样的位置，保证了试样的对中性，提高了试验的精度。
4.采用圆弧形垫块对试样的端部进行夹持，避免了夹持对试样端部造成损伤，操作方便，装卸试样简单；同时，使试样具有一定的灵活性，保证了试样的对中。
5.通过以上设计，本夹具能满足导电类复合材料2800℃高温拉伸性能测试需求。
6.本发明的方法简单，容易操作，夹持效果好。
附图说明
图1为上拉伸接头主视示意图；
图2为上水冷夹头或下水冷夹头的主视示意图；
图3为图2的左视示意图；
图4为下连杆主视示意图；
图5为图4的俯视示意图；
图6为上拉伸夹具装配图
图7 下拉伸夹具装配图
图8为C/C复合材料1100℃高温拉伸力-位移曲线图；
图9为C/C复合材料2800℃高温拉伸力-位移曲线图。
图中各标号名称如下：
1为第一螺钉，2为第一绝缘垫，3为第一连接头，4为第一绝缘套，5为第二绝缘垫，6为第一垫圈，7为第一销钉，8为第一连接块，9为第二螺钉，10为第二垫圈，11为第二连接头，12为第二销钉，13为第二连接块，14为水冷夹头体，15为水冷管，16为圆弧形垫块，17为试样，18为轴连接套，19为第二绝缘套，20为第三螺钉，21为第三绝缘套，22为金属定位盘，23第三垫圈。
具体实施方式
以下将结合具体附图和具体实施例对本发明进行详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例：
具体实施方式一：如图1-图7所示，本实施方式披露了一种测试导体材料超高温拉伸性能的夹具，包括上水冷夹头、上拉伸接头、下水冷夹头及下连杆；
所述的上水冷夹头和下水冷夹头结构及尺寸相同，并均包括水冷夹头体14、四根水冷管15及四个圆弧形垫块16；所述的上拉伸接头包括第一螺钉1、第一绝缘垫2、第一连接头3、第一绝缘套4、第二绝缘垫5、第一垫圈6、第一销钉7、第一连接块8、第二螺钉9、第二垫圈10、第二连接头11、第二销钉12及第二连接块13；所述的下连杆包括轴连接套18、第二绝缘套19、第三绝缘套21、金属定位盘22及第三垫圈23；所述的第一连接头3与力学试验机的上拉杆通过第一螺钉1连接，所述的第一螺钉1***第一连接头3上端的中心孔内，第一螺钉1与第一连接头3的中心孔之间通过第一绝缘套4绝缘，第一螺钉1的头端与第一连接头3之间通过第二绝缘垫5绝缘（第一螺钉1的头端与第二绝缘垫5之间还设置有第一垫圈6），第一连接头3通过第一绝缘垫2与所述的上拉杆绝缘；所述的第一连接块8设置在第一连接头3下端设有的凹槽内，第一连接块8通过第一销钉7与第一连接头3连接，第一连接块8可绕第一销钉7相对于第一连接头3转动（第一连接头3与第一连接块8保持一定的缝隙绝缘）；第一连接块8的下端与第二连接头11的上端通过第二螺钉9连接，所述的第二连接块13设置在第二连接头11下端设有的凹槽内，第二连接块13与第二连接头11通过第二销钉12连接，第二连接块13可绕第二销钉12相对于第二连接头11转动（整个上拉伸接头能实现两个自由度的转动）；第二连接块13下端设有螺纹柱，所述的水冷夹头体14两相对端的一端中部设有内螺纹孔，水冷夹头体14两相对端的另一端设有安装孔，上拉伸接头通过第二连接块13的螺纹柱与上水冷夹头的水冷夹头体14的内螺纹孔连接；水冷夹头体14内设有环形密闭腔室，水冷夹头体14四周固定有与所述的环形密闭腔室相通的四根（直径相同的）水冷管15；所述的试样17与水冷夹头体14的安装孔之间通过四个圆弧形垫块16夹持（将试样17一端部设计成楔形，通过圆弧形垫块16卡在水冷夹头体14的安装孔内，并且保证试样17相对于水冷夹头体14能产生一定的转动）；所述的金属定位盘22的上端设置在轴连接套18下端设有的凹槽内，金属定位盘22与轴连接套18可拆卸连接，金属定位盘22与轴连接套18之间通过第二绝缘套19绝缘，金属定位盘22的上端中部和下端中部分别设有上连接螺杆和下连接螺杆，金属定位盘22的下连接螺杆与力学试验机连接，金属定位盘22的上连接螺杆与下水冷夹头的内螺纹孔连接。
具体实施方式二：如图3所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，每相邻两根水冷管15之间相差90°，位置相对的两根水冷管15在同一个平面，相邻两根水冷管15在不同的平面，位置较底的两根水冷管15为进水管，位置较高的两根水冷管15为出水管。试验中，在水冷管15中通入循环冷却水。
具体实施方式三：如图4、图5所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述的下连杆还包括四个第三螺钉20；所述的金属定位盘22与轴连接套18通过四个第三螺钉20连接，每个第三螺钉20与轴连接套18及金属定位盘22之间通过第三绝缘套21绝缘（每个第三绝缘套21的上端与第三螺钉20的头端之间以及每个第三绝缘套21的下端与锁紧在第三螺钉20上的螺母之间分别设置有第三垫圈23）。
具体实施方式四：如图1-图7所示，本实施方式利用具体实施方式一、二或三所述的夹具实现测试导体材料超高温拉伸性能的夹持方法，所述的方法步骤如下：
第一步：首先将两个试样17的其中一个试样17的上夹持端放入上水冷夹头中，调整该其中一个试样17的位置，使得圆弧形垫块16能够轻松放入，然后再次调整该其中一个试样17的位置，并且在该其中一个试样17与圆弧形垫块16之间垫一层薄的石墨纸，保证该其中一个试样17的对中性；
第二步：通过试验机，调整上水冷夹头和下水冷夹头的距离，使另一个试样17的下夹持端放入下水冷夹头中，并且保证圆弧形垫块16能够放入下水冷夹头中，并且在该另一个试样17与圆弧形垫块16之间垫一层薄的石墨纸，保证该另一个试样17的对中性；
第三步：微调所述的两个试样17，使两个试样17中轴线、上水冷夹头和下水冷夹头中轴线重合，保证两个试样17的对中性。
垫石蜡纸的目的是：为了保证在拉伸过程中，试样17能够自对中，需要减小试样17夹持端侧面与圆弧形垫块16之间的摩擦力，因此，需要在两者之间垫一层薄的石墨纸。
实施例1：本实施例采用图6、图7所示的夹具及其夹持方法，对C/C复合材料进行高温拉伸试验，加载速率为1mm/min,温度为1100℃，力-位移曲线如图8所示。
实施例2：本实施例采用图6、图7所示的夹具及其夹持方法，对C/C复合材料进行高温拉伸试验，加载速率为1mm/min,温度为2800℃，力-位移曲线如图9所示。

Claims (4)

1.一种测试导体材料超高温拉伸性能的夹具，其特征在于：包括上水冷夹头、上拉伸接头、下水冷夹头及下连杆；
所述的上水冷夹头和下水冷夹头结构及尺寸相同，并均包括水冷夹头体（14）、四根水冷管（15）及四个圆弧形垫块（16）；所述的上拉伸接头包括第一螺钉（1）、第一绝缘垫（2）、第一连接头（3）、第一绝缘套（4）、第二绝缘垫（5）、第一垫圈（6）、第一销钉（7）、第一连接块（8）、第二螺钉（9）、第二垫圈（10）、第二连接头（11）、第二销钉（12）及第二连接块（13）；所述的下连杆包括轴连接套（18）、第二绝缘套（19）、第三绝缘套（21）、金属定位盘（22）及第三垫圈（23）；所述的第一连接头（3）与力学试验机的上拉杆通过第一螺钉（1）连接，所述的第一螺钉（1）***第一连接头（3）上端的中心孔内，第一螺钉（1）与第一连接头（3）的中心孔之间通过第一绝缘套（4）绝缘，第一螺钉（1）的头端与第一连接头（3）之间通过第二绝缘垫（5）绝缘，第一连接头（3）通过第一绝缘垫（2）与所述的上拉杆绝缘；所述的第一连接块（8）设置在第一连接头（3）下端设有的凹槽内，第一连接块（8）通过第一销钉（7）与第一连接头（3）连接，第一连接块（8）可绕第一销钉（7）相对于第一连接头（3）转动；第一连接块（8）的下端与第二连接头（11）的上端通过第二螺钉（9）连接，所述的第二连接块（13）设置在第二连接头（11）下端设有的凹槽内，第二连接块（13）与第二连接头（11）通过第二销钉（12）连接，第二连接块（13）可绕第二销钉（12）相对于第二连接头（11）转动；第二连接块（13）下端设有螺纹柱，所述的水冷夹头体（14）两相对端的一端中部设有内螺纹孔，水冷夹头体（14）两相对端的另一端设有安装孔，上拉伸接头通过第二连接块（13）的螺纹柱与上水冷夹头的水冷夹头体（14）的内螺纹孔连接；水冷夹头体（14）内设有环形密闭腔室，水冷夹头体（14）四周固定有与所述的环形密闭腔室相通的四根水冷管（15）；所述的试样（17）与水冷夹头体（14）的安装孔之间通过四个圆弧形垫块（16）夹持；所述的金属定位盘（22）的上端设置在轴连接套（18）下端设有的凹槽内，金属定位盘（22）与轴连接套（18）可拆卸连接，金属定位盘（22）与轴连接套（18）之间通过第二绝缘套（19）绝缘，金属定位盘（22）的上端中部和下端中部分别设有上连接螺杆和下连接螺杆，金属定位盘（22）的下连接螺杆与力学试验机连接，金属定位盘（22）的上连接螺杆与下水冷夹头的内螺纹孔连接。
2.根据权利要求1所述的一种测试导体材料超高温拉伸性能的夹具，其特征在于：每相邻两根水冷管（15）之间相差90°，位置相对的两根水冷管（15）在同一个平面，相邻两根水冷管（15）在不同的平面，位置较底的两根水冷管（15）为进水管，位置较高的两根水冷管（15）为出水管。
3.根据权利要求1所述的一种测试导体材料超高温拉伸性能的夹具，其特征在于：所述的下连杆还包括四个第三螺钉（20）；所述的金属定位盘（22）与轴连接套（18）通过四个第三螺钉（20）连接，每个第三螺钉（20）与轴连接套（18）及金属定位盘（22）之间通过第三绝缘套（21）绝缘。
4.一种利用根据权利要求1、2或3所述的夹具实现测试导体材料超高温拉伸性能的夹持方法，其特征在于：所述的方法步骤如下：
第一步：首先将两个试样（17）的其中一个试样（17）的上夹持端放入上水冷夹头中，调整该其中一个试样（17）的位置，使得圆弧形垫块（16）能够轻松放入，然后再次调整该其中一个试样（17）的位置，并且在该其中一个试样（17）与圆弧形垫块（16）之间垫一层薄的石墨纸，保证该其中一个试样（17）的对中性；
第二步：通过试验机，调整上水冷夹头和下水冷夹头的距离，使另一个试样（17）的下夹持端放入下水冷夹头中，并且保证圆弧形垫块（16）能够放入下水冷夹头中，并且在该另一个试样(17)与圆弧形垫块(16)之间垫一层薄的石墨纸，保证该另一个试样（17）的对中性；
第三步：微调所述的两个试样（17），使两个试样（17）中轴线、上水冷夹头和下水冷夹头中轴线重合，保证两个试样（17）的对中性。
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