CN108931440A - 一种小样品单轴拉伸蠕变测试用夹具 - Google Patents

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Abstract

本发明属于拉伸及蠕变力学性能的测试技术领域，具体涉及一种小样品单轴拉伸蠕变测试用夹具。本发明的夹具，包括：上支架、上夹具、通用夹块、夹块销、下支架、下夹具、外引伸杆、下拉杆、内引伸杆、导架、测量脚、螺母、位移测量装置和引伸架。本发明主要解决了现有的小样品测试用夹具，在样品夹持时普遍存在样品拉伸阶段滑移的问题，本发明采用插销定位，并在接触面设置横纹，避免了样品在夹装过程中导致的倾斜歪曲和滑移，同时保证了样品在拉伸过程中不会影响测量的同轴度；将热电偶***测试样品夹具，能够直接准确的测试样品真实试验温度；采用石英棒连接线性可变差动变压器(LVDT)，可适用于最高1200℃环境下的样品高温力学性能测试。

Description

一种小样品单轴拉伸蠕变测试用夹具
技术领域
本发明属于拉伸及蠕变力学性能的测试技术领域，具体涉及一种小样品单轴拉伸蠕变测试用夹具。
背景技术
小样品测试技术是在满足相关测试要求的前提下，极大程度的节约测试材料，并适用尺寸要求严格的实验环境，例如辐照实验中有限的实验空间中，采用小样品进行实验，则能够极大的利用辐照空间，同时对珍惜、薄膜等量小样品也非常适用。同时世界各国也在积极的开展建立小样品的测试标准，各种类型的小样品测试设备也逐渐开始发展起来，但大多数小样品测试设备所用夹具在样品夹持时普遍存在样品拉伸阶段滑移、不能直接准确测量样品部位温度、传感器不能够同时满足拉伸行程及蠕变精度的问题，因此需要提供一种能够克服以上样品测试问题的夹具。
发明内容
本发明需要解决的技术问题为：现有的小样品测试用夹具，在样品夹持时普遍存在样品拉伸阶段滑移的问题。
本发明的技术方案如下所述：
一种小样品单轴拉伸蠕变测试用夹具，包括：上支架、上夹具、通用夹块、夹块销、下支架、下夹具、外引伸杆、下拉杆、内引伸杆、导架、测量脚、螺母、位移测量装置和引伸架；其中，所述上夹具为长方体形状，其下端设置有用于定位的夹块销；一个所述通用夹块通过螺钉固定设置于上夹具的下端，通用夹块上设置有夹块销孔，夹块销孔的设置位置与设置于上夹具下端的夹块销的空间位置相匹配，夹块销孔与夹块销配合定位通用夹块在上夹具下端的安装位置；通用夹块通过螺钉固定安装于上夹具的下端；在该通用夹块和上夹具下端的两个相接触的面上，还均设置有若干横纹，用于增加对试样的夹持力；
所述下夹具为长方体形状，其上端也设置有用于定位的夹块销；在下夹具的上端通过螺钉固定设置有另一个通用夹块，通用夹块上设置有夹块销孔，夹块销孔的设置位置与设置于下夹具上端的夹块销的空间位置相匹配，夹块销孔与夹块销配合定位通用夹块在上夹具下端的安装位置；在该通用夹块和下夹具上端的两个相接触的面上，还均设置有若干横纹，用于增加对试样的夹持力；
所述上支架和下支架均为条状形状，上夹具通过螺钉固定安装于所述上支架之上，下夹具通过螺钉固定安装于所述下支架之上；
所述外引伸杆和内引伸杆各有一对；两根外引伸杆的上端分别固定安装于上支架的两端，两根外引伸杆沿竖直方向设置，并且两根外引伸杆平行；两根内引伸杆的上端分别固定安装于下支架的两端，两根内引伸杆沿竖直方向设置，并且两根内引伸杆平行，两根内引伸杆位于两根外引伸杆之间；
所述下拉杆为圆柱状杆，下夹具通过插销固定安装于下拉杆的顶端；在下拉杆的中下部位置处，还固定有导架；导架的中部设置有大通孔，下拉杆从大通孔中穿过；导架的两侧还各有两个小通孔，两根外引伸杆分别从位置相对靠外侧的两个小通孔中穿出，两根内引伸杆分别从位置相对靠内侧的两个小通孔中穿出；其中两根外引伸杆与导架位置相对固定，两根内引伸杆能够在其穿过的小通孔中沿轴向来回滑动；
所述引伸架设置于下拉杆的下部位置处；引伸架为条状形状，在引伸架的中部也设置有大通孔，下拉杆从引伸架的大通孔中穿出，并且能够在引伸架的大通孔中沿自身轴向来回滑动；在引伸架上，位于大通孔两侧的位置处，还各设置有一个小通孔，两根内引伸杆的下端分别***引伸架上的此两个小通孔中并固定；在引伸架的两端，也分别设置有通孔，位移测量装置固定安装在于引伸架两端的通孔中；
所述位移测量装置具有壳体和探针，壳体固定安装在于引伸架两端的通孔中；
所述测量脚有两个，测量脚为片状结构，分别设置于下拉杆两侧；两个测量脚的一端分别固定连接至两个外引伸杆下端，两个测量脚的另一端上均设置有通孔，位移测量装置的探针从测量脚的通孔向上穿出，并通过螺母锁紧连接；所述螺母为滚花薄螺母，具有大的外径，能够阻止探针向下的位移。
优选的，本发明的家具还包括热电偶探头，在上夹具的侧边还设置有孔，孔内安装有热电偶探头，在夹持有试样时，热电偶探头直接与试样相接触，能够在保证夹具强度的同时，最大可能测量试样的真实温度。
优选的，设置于上夹具下端的所述夹块销有三个，在空间中呈倒三角形排布，且所呈倒三角形的高线位于竖直方向上。
优选的，在上夹具上，还设置有穿销，用于将整个夹具***与测试设备拉伸***相连，进行拉伸蠕变测试。
优选的，设置于下夹具上端的夹块销有三个，在空间中呈三角形排布，且所呈三角形的高线位于竖直方向上。
优选的，所述外引伸杆和内引伸杆均由石英材质制成，以保证高温下的刚性。
优选的，所述两根外引伸杆的上端分别通过两个耐热螺钉固定安装于上支架的两端。
优选的，所述两根内引伸杆的上端分别通过两个耐热螺钉固定安装于下支架的两端。
优选的，本发明的夹具还包括开口套，两个开口套分别安装于引伸架两端的这两个通孔中；每个开口套内均夹持有位移测量装置；在引伸架每端的侧面，均安装有调节螺栓，旋转调节螺栓能够调整开口套对位移测量装置的夹持力。
优选的，所述位移测量装置为线性可变差动变压器。
本发明的有益效果为：
(1)本发明采用插销定位，使用上下四个螺栓锁紧样品，并在接触面设置横纹，避免了样品在夹装过程中导致的倾斜歪曲和滑移，同时保证了样品在拉伸过程中不会影响样品测量的同轴度；
(2)将热电偶***测试样品夹具，能够直接准确的测试样品真实试验温度；
(3)采用石英棒连接线性可变差动变压器(LVDT)，可适用于最高1200℃环境下的样品高温力学性能测试。
附图说明
图1为本发明的夹具整体组成示意图；
图2为本发明的夹具上部放大示意图；
图3为本发明夹具的侧视图；
其中，1-上支架，2-穿销，3-上夹具，4-耐热螺钉，5-试样，6-通用夹块，7-夹块销，8-下支架，9-下夹具，10-插销，11-外引伸杆，12-下拉杆，13-内引伸杆，14-导架，15-测量脚，16-螺母，17-位移测量装置，18-开口套，19-引伸架，20-调节螺栓，21-热电偶探头。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的小样品单轴拉伸蠕变测试用夹具进行详细说明。
如图1和2所示，本发明的夹具包括上夹具3和下夹具9。上夹具3为长方体形状，其下端设置有用于定位的夹块销7，设置在上夹具3下端的夹块销7有三个，在空间中呈倒三角形排布，且所呈倒三角形的高线位于竖直方向上。在上夹具3的下端还设置有通用夹块6，该通用夹块6上设置有夹块销孔，夹块销孔的设置位置与设置于上夹具3下端的夹块销7的空间位置相匹配，夹块销孔与夹块销7配合定位通用夹块6在上夹具3下端的安装位置。该通用夹块6通过螺钉固定安装于上夹具3的下端。在该通用夹块6和上夹具3下端的两个相接触的面上，还均设置有若干横纹，用于增加对试样5的夹持力。
在上夹具3上，还设置有穿销2，用于将整个夹具***与测试设备拉伸***相连，进行拉伸蠕变测试。
下夹具9为长方体形状，其上端设置有用于定位的夹块销7，设置在下夹具9上端的夹块销7有三个，在空间中呈三角形排布，且所呈三角形的高线位于竖直方向上。在下夹具9的上端设置有另一个通用夹块6，该通用夹块6上设置有夹块销孔，夹块销孔的设置位置与设置于下夹具9上端的夹块销7的空间位置相匹配，夹块销孔与夹块销7配合定位通用夹块6在上夹具3下端的安装位置。该通用夹块6通过螺钉固定安装于上夹具3的下端。在该通用夹块6和下夹具9上端的两个相接触的面上，还均设置有若干横纹，用于增加对试样5的夹持力。
本发明的夹具还包括上支架1和下支架8，上支架1和下支架8均为条状形状，上夹具3通过螺钉固定安装于上支架1之上，下夹具9通过螺钉固定安装于下支架8之上。
本发明的夹具还包括外引伸杆11和内引伸杆13。外引伸杆11和内引伸杆13各有一对，且由石英材质制成，以保证高温下的刚性。两根外引伸杆11的上端分别通过两个耐热螺钉4固定安装于上支架1的两端，两根外引伸杆11沿竖直方向设置，并且两根外引伸杆11平行。两根内引伸杆13的上端也分别通过两个耐热螺钉4固定安装于下支架8的两端，两根内引伸杆13沿竖直方向设置，并且两根内引伸杆13平行，两根内引伸杆13位于两根外引伸杆11之间。
本发明的夹具还包括下拉杆12，下拉杆12为圆柱状杆。下夹具9通过插销10固定安装于下拉杆12的顶端。在下拉杆12的中下部位置处，还固定有导架14。导架14的中部设置有大通孔，下拉杆12从大通孔中穿过。导架14的两侧还各有两个小通孔，两根外引伸杆11分别从位置相对靠外侧的两个小通孔中穿出，两根内引伸杆13分别从位置相对靠内侧的两个小通孔中穿出。其中两根外引伸杆11与导架14位置相对固定，两根内引伸杆13能够在其穿过的小通孔中沿轴向来回滑动。
在下拉杆12的下部位置处，设置有引伸架19。引伸架19为条状形状，在引伸架19的中部也设置有大通孔，下拉杆12从引伸架19的大通孔中穿出，并且能够在引伸架19的大通孔中沿自身轴向来回滑动。在引伸架19上，位于大通孔两侧的位置处，还各设置有一个小通孔，两根内引伸杆13的下端分别***引伸架19上的此两个小通孔中并固定。在引伸架19的两端，也分别设置有通孔，两个开口套18分别安装于引伸架19两端的这两个通孔中。每个开口套18内还均夹持有位移测量装置17，所述位移测量装置为线性可变差动变压器。在引伸架19每端的侧面，均安装有调节螺栓20，旋转调节螺栓20能够调整开口套18对移测量装置17的夹持力。
位移测量装置17具有壳体和探针，壳体夹持于开口套18之内。
本发明的夹具还包括两个测量脚15，测量脚15为片状结构，分别设置于下拉杆12两侧。两个测量脚15的一端分别固定连接至两个外引伸杆11下端，两个测量脚15的另一端上均设置有通孔，位移测量装置17的探针从测量脚15的通孔向上穿出，并通过螺母16锁紧连接。所述螺母16为滚花薄螺母，具有大的外径，能够阻止探针向下的位移。
如图3所示，在上夹具3的侧边还设置有孔，孔内安装有热电偶探头21，在夹持有试样5时，热电偶探头21直接与试样5相接触，能够在保证夹具强度的同时，最大可能测量试样5的真实温度。
本发明的小样品单轴拉伸蠕变测试用夹具，在使用时将所需要测试的材料按照小样品尺寸要求加工制取后，装入适用于小样品力学性能测试相关设备，即可进行拉伸蠕变等力学性能测试。
以聚变堆结构材料钒合金为室温拉伸实验为例，本发明的夹具使用过程如下：
1)按照小样品标准加工好钒合金小样品，并在小样品的两端穿孔。将小样品穿在上夹具3和下夹具9上位置位于中部的夹块销7上。通过预加载一定小力值，调整连杆的同轴度，让样品与夹具连杆成一条直线，分别通过上夹具3和下夹具9上另外两个夹块销7在上夹具3和下夹具9定位安装上通用夹块6，使得通用夹块6贴紧样品表面，并通过螺钉固定，使得夹块表面横纹咬紧样品表面；
2)调节拉伸测试设备加载力，预夹紧样品，使整个夹具***间隙消除，之后卸载力值为零，同时将变形和位移数据归零；
3)软件端设定样品及拉伸数据参数，开始拉伸试验直至样品断裂，试验结束后，利用力值与变形数据可绘制材料应力应变曲线，可以分析得到材料的抗拉强度、屈服强度及延伸率等数据参数。
以聚变堆结构材料钒合金的高温拉伸实验为例，本发明的夹具使用过程如下：
1)小样品加工安装夹持如上例步骤1和2所述；
2)将热电偶***夹具设计位置，同时在小样品外部加入锆箔包围一周，用于高温条件下吸收氧气，在测试样品及夹具周围设置加热装置，将夹持好样品的夹具整体放入抽真空装置内；
3)开启机械泵进行初步抽真空，同时开启冷却装置，待真空腔室压力低于20Pa时，开启分子泵，待整个腔室真空度达到1×10-4Pa级时，开启加热，加热前通过程序设定5-10牛顿预紧力加载并进行保持，防止加热过程中夹具膨胀时样品压缩变形；
4)加热过程通过调节加热丝功率的方式控制加热，保证整个加热过程中真空度优于1×10-3Pa；
5)待温度达到750℃，保温15分钟，之后设定拉伸速率为0.2mm/min，开始拉伸实验直到试样断裂，软件***将实时记录整个实验过程中的温度、真空度及应力应变等实验参数；
6)实验结束后数据将自动保存以供分析，关闭加热***，待温度降至300℃以下关闭挡板阀隔断分子泵一侧，同时关闭分子泵，待分子泵完全停下来之后，同时温度降至100℃以下再关闭机械泵。待真空腔室温度降至80℃以下时，可松开螺栓，开启密封法兰，取出测试样品，实验完成。
以聚变堆结构材料钒合金的高温蠕变实验为例，本发明的夹具使用过程如下：
1)样品安装、抽真空及加热步骤如上例步骤1-4所述；
2)待温度达到750℃，保温6小时以完全释放夹具及样品高温膨胀变形，该过程中保持预紧力至变形数据曲线趋于完全平稳后，调整加载应力至蠕变试验目标值并保持，开始蠕变实验。
3)试验结束后，利用变形数据及试验时间数据进行蠕变试验曲线绘制，可以分析得到材料的最低蠕变速率等数据参数。

Claims (10)

1.一种小样品单轴拉伸蠕变测试用夹具，包括：上支架(1)、上夹具(3)、通用夹块(6)、夹块销(7)、下支架(8)、下夹具(9)、外引伸杆(11)、下拉杆(12)、内引伸杆(13)、导架(14)、测量脚(15)、螺母(16)、位移测量装置(17)和引伸架(19)；其特征在于：
所述上夹具(3)为长方体形状，其下端设置有用于定位的夹块销(7)；一个所述通用夹块(6)通过螺钉固定设置于上夹具(3)的下端，通用夹块(6)上设置有夹块销孔，夹块销孔的设置位置与设置于上夹具(3)下端的夹块销(7)的空间位置相匹配，夹块销孔与夹块销(7)配合定位通用夹块(6)在上夹具(3)下端的安装位置；通用夹块(6)通过螺钉固定安装于上夹具(3)的下端；在该通用夹块(6)和上夹具(3)下端的两个相接触的面上，还均设置有若干横纹，用于增加对试样(5)的夹持力；
所述下夹具(9)为长方体形状，其上端也设置有用于定位的夹块销(7)；在下夹具(9)的上端通过螺钉固定设置有另一个通用夹块(6)，通用夹块(6)上设置有夹块销孔，夹块销孔的设置位置与设置于下夹具(9)上端的夹块销(7)的空间位置相匹配，夹块销孔与夹块销(7)配合定位通用夹块(6)在上夹具(3)下端的安装位置；在该通用夹块(6)和下夹具(9)上端的两个相接触的面上，还均设置有若干横纹，用于增加对试样(5)的夹持力；
所述上支架(1)和下支架(8)均为条状形状，上夹具(3)通过螺钉固定安装于所述上支架(1)之上，下夹具(9)通过螺钉固定安装于所述下支架(8)之上；
所述外引伸杆(11)和内引伸杆(13)各有一对；两根外引伸杆(11)的上端分别固定安装于上支架(1)的两端，两根外引伸杆(11)沿竖直方向设置，并且两根外引伸杆(11)平行；两根内引伸杆(13)的上端分别固定安装于下支架(8)的两端，两根内引伸杆(13)沿竖直方向设置，并且两根内引伸杆(13)平行，两根内引伸杆(13)位于两根外引伸杆(11)之间；
所述下拉杆(12)为圆柱状杆，下夹具(9)通过插销(10)固定安装于下拉杆(12)的顶端；在下拉杆(12)的中下部位置处，还固定有导架(14)；导架(14)的中部设置有大通孔，下拉杆(12)从大通孔中穿过；导架(14)的两侧还各有两个小通孔，两根外引伸杆(11)分别从位置相对靠外侧的两个小通孔中穿出，两根内引伸杆(13)分别从位置相对靠内侧的两个小通孔中穿出；其中两根外引伸杆(11)与导架(14)位置相对固定，两根内引伸杆(13)能够在其穿过的小通孔中沿轴向来回滑动；
所述引伸架(19)设置于下拉杆(12)的下部位置处；引伸架(19)为条状形状，在引伸架(19)的中部也设置有大通孔，下拉杆(12)从引伸架(19)的大通孔中穿出，并且能够在引伸架(19)的大通孔中沿自身轴向来回滑动；在引伸架(19)上，位于大通孔两侧的位置处，还各设置有一个小通孔，两根内引伸杆(13)的下端分别***引伸架(19)上的此两个小通孔中并固定；在引伸架(19)的两端，也分别设置有通孔，位移测量装置(17)固定安装在于引伸架(19)两端的通孔中；
所述位移测量装置(17)具有壳体和探针，壳体固定安装在于引伸架(19)两端的通孔中；
所述测量脚(15)有两个，测量脚(15)为片状结构，分别设置于下拉杆(12)两侧；两个测量脚(15)的一端分别固定连接至两个外引伸杆(11)下端，两个测量脚(15)的另一端上均设置有通孔，位移测量装置(17)的探针从测量脚(15)的通孔向上穿出，并通过螺母(16)锁紧连接；所述螺母(16)为滚花薄螺母，具有大的外径，能够阻止探针向下的位移。
2.如权利要求1所述的小样品单轴拉伸蠕变测试用夹具，其特征在于：本发明的家具还包括热电偶探头(21)，在上夹具(3)的侧边还设置有孔，孔内安装有热电偶探头(21)，在夹持有试样(5)时，热电偶探头(21)直接与试样(5)相接触，能够在保证夹具强度的同时，最大可能测量试样(5)的真实温度。
3.如权利要求2所述的小样品单轴拉伸蠕变测试用夹具，其特征在于：设置于上夹具(3)下端的所述夹块销(7)有三个，在空间中呈倒三角形排布，且所呈倒三角形的高线位于竖直方向上。
4.如权利要求3所述的小样品单轴拉伸蠕变测试用夹具，其特征在于：在上夹具(3)上，还设置有穿销(2)，用于将整个夹具***与测试设备拉伸***相连，进行拉伸蠕变测试。
5.如权利要求4所述的小样品单轴拉伸蠕变测试用夹具，其特征在于：设置于下夹具(9)上端的夹块销(7)有三个，在空间中呈三角形排布，且所呈三角形的高线位于竖直方向上。
6.如权利要求5所述的小样品单轴拉伸蠕变测试用夹具，其特征在于：所述外引伸杆(11)和内引伸杆(13)均由石英材质制成，以保证高温下的刚性。
7.如权利要求6所述的小样品单轴拉伸蠕变测试用夹具，其特征在于：所述两根外引伸杆(11)的上端分别通过两个耐热螺钉(4)固定安装于上支架(1)的两端。
8.如权利要求7所述的小样品单轴拉伸蠕变测试用夹具，其特征在于：所述两根内引伸杆(13)的上端分别通过两个耐热螺钉(4)固定安装于下支架(8)的两端。
9.如权利要求8所述的小样品单轴拉伸蠕变测试用夹具，其特征在于：本发明的夹具还包括开口套(18)，两个开口套(18)分别安装于引伸架(19)两端的这两个通孔中；每个开口套(18)内均夹持有位移测量装置(17)；在引伸架(19)每端的侧面，均安装有调节螺栓(20)，旋转调节螺栓(20)能够调整开口套(18)对位移测量装置(17)的夹持力。
10.如权利要求9所述的小样品单轴拉伸蠕变测试用夹具，其特征在于：所述位移测量装置(17)为线性可变差动变压器。
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