一种用于板状试样超高温拉伸和蠕变性能测试的夹具

本发明属于材料工程试验领域，具体涉及一种用于板状试样超高温拉伸和蠕变性能测试的夹具。

背景技术：

1、难熔金属及其合金、超高温陶瓷等超高温材料具有高比强度、高比模量、可设计性好等优点，广泛应用于航空航天、轨道交通、核能等领域的装备制造，其服役温度最高可达2000℃以上。高温拉伸及抗蠕变性能是评估超高温材料能否满足超高温长时服役条件的必要条件，因此需要对其进行超高温力学性能测试，以便得到准确的力学性能数据，进而指导超高温材料的设计与应用。

2、现有的卡槽式夹具采用与试样夹持端形状相同的凹槽固定试样，夹头通过凹槽直接向试样施加试验力，在超高温及试验力的作用下，夹头易产生变形、损坏，且夹具与试样接触面积大，试验过程中夹具易与试样发生粘连，难以在2000℃及以上温度和一定应力条件下实现长时间工作。

3、因此，亟需设计一种工装夹具，开展超高温材料2000℃及以上拉伸与蠕变性能测试。

技术实现思路

1、要解决的技术问题：

2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种用于板状试样超高温拉伸和蠕变性能测试的夹具，可完成2000℃及以上超高温拉伸与蠕变试验。本夹具工装通过加载销钉连接夹头与试样并向试样实施加载力，避免了夹头产生变形、损坏；试样与夹具接触面积小，有效减少了高温环境下夹具与试样的粘连；且发生损坏时，一般只需替换销钉，更加经济。加载销钉中部采用矩形设计进行加高，提高了销钉承载力，同时减少了销钉试验过程中变形产生。试样通过夹持端与标距段之间的圆弧过渡悬挂固定在夹头中，除圆弧半径外，夹具对试样夹持端形状及尺寸没有其他要求，可适用于多种板状试样的超高温拉伸与蠕变试验。

3、本发明的技术方案是：一种用于板状试样超高温拉伸和蠕变性能测试的夹具，包括加载模块和夹持模块，板状试样通过夹持模块与加载模块连接，加载模块和夹持模块之间通过六自由度限制结构连接，夹持模块和板状试样之间通过接触式限位结构连接，所述接触式限位结构与板状试样的接触面为对称圆弧面；测量过程中，除受力处，其他连接处均为间隙配合，留有热膨胀余量。

4、本发明的进一步技术方案是：所述板状试样为工字形平板结构，其两端为夹持端，中段为标距段，所述夹持端和标距段之间的连接处为圆弧过渡段。

5、本发明的进一步技术方案是：所述板状试样夹持端与标距段之间采用圆弧过渡，以本发明具体实施例的试样及夹具尺寸为例，推荐的圆弧半径大小为2～4mm。

6、本发明的进一步技术方案是：所述六自由度限制结构包括连接销钉、销钉安装孔、限位槽及限位面，通过销钉、销钉安装孔的配合限制板状试样xy方向的移动自由度，通过限位槽限制板状试样xy方向的转动自由度及z方向的移动自由度，通过限位面限制板状试样z方向的转动自由度。

7、本发明的进一步技术方案是：所述接触式限位结构包括加载销钉、销钉安装孔、限位槽及限位面，设加载方向为y方向；所述加载销钉插装于销钉安装孔内，通过加载销钉和限位槽的配合限制板状试样y方向的移动和转动自由度，通过两个对称设置的加载销钉限制板状试样x方向的移动自由度，通过限位槽限制板状试样x方向的转动自由度及z方向的移动自由度，通过限位面限制板状试样z方向的转动自由度。

8、本发明的进一步技术方案是：所述加载模块包括两个对称放置且结构相同的连接杆，连接杆的相对两端分别为固定端和执行端，均开有销钉安装孔，其两端端面为平面结构，作为限位面。

9、本发明的进一步技术方案是：所述夹持模块包括对称放置且结构相同的上夹头和下夹头，所述上夹头的上下端均开有矩形凹槽，并在矩形凹槽的侧壁上开有销钉安装孔，矩形凹槽作为限位槽；位于上端的矩形凹槽用于插装连接杆的执行端，连接杆执行端的端面与上端矩形凹槽的槽底面平行接触，将连接销钉插装于连接杆执行端的销钉安装孔和上端的矩形凹槽的销钉安装孔，完成连接杆和上夹头之间的六自由度限制结构安装；所述连接杆与下夹头的安装方式一致；

10、所述上夹头下端的矩形凹槽用于插装板状试样的夹持端，板状试样夹持端的端面与下端矩形凹槽的槽底面平行接触，将两个对称设置的加载销钉插装于下端矩形凹槽的销钉安装孔内，将板状试样的标距段夹于两个加载销钉之间，且加载销钉一侧外周面与板状试样的夹持端、标距段之间的过渡圆弧段接触，通过两个加载销钉将板状试样的夹持端限位于下端矩形凹槽内，完成板状试样和上夹头之间的接触式限位结构；所述板状试样与下夹头的安装方式一致。

11、本发明的进一步技术方案是：所述加载销钉的截面为跑道式结构。

12、一种用于板状试样超高温拉伸和蠕变性能测试的夹具的变形测量方法，具体步骤如下：

13、步骤1：通过销钉连接上拉杆与试验机加载机构；

14、步骤2：将板状试样的一侧夹持端放入上夹头的矩形凹槽内，通过两个对称设置的加载销钉限位试样的一侧夹持端；

15、步骤3：通过连接销钉将连接杆与步骤2安装好的上夹头、板状试样组合件连接；

16、步骤4：将板状试样的另一侧夹持端放入下夹头的矩形凹槽内，通过两个对称设置的加载销钉限位试样的另一侧夹持端；

17、步骤5：通过销钉连接下拉杆与试验机加载机构；

18、步骤6：通过连接销钉将连接杆与步骤4安装好的下夹头、板状试样组合件连接；

19、步骤7：启动试验机，根据试验机位移直接计算试样变形。

20、一种用于板状试样超高温拉伸和蠕变性能测试的夹具的应用，所述试验夹具适用于板状试样2000℃超高温拉伸和拉伸蠕变试验。

21、有益效果

22、本发明的有益效果在于：本发明夹具结构简单，易于加工，且操作便捷，提高了试验效率。具体优势如下：

23、1、夹具利用加载销钉将试验力传递至试样，夹头凹槽仅作限位使用，试验过程中夹头凹槽夹持面不受力，减小了高温试验过程中的夹头变形，解决了高温试验过程中夹头易变形损坏的问题，发生损坏时一般只需更换加载销钉，减少了试验成本。

24、2、区别于传统圆形截面销钉，加载销钉中部采用矩形加高设计，其形状较椭圆形更易加工，且有效提高了销钉的承载力，避免了销钉频繁损坏更换，同时减小销钉高温测试中变形程度，提高了测量的精准度。

25、3、试验过程中，试样与夹具接触部分仅有试样与加载销钉圆弧段，接触面积远远小于现有高温力学性能测试夹具，有效避免了超高温下夹头与试样的粘连。

26、4、上下夹头与试样夹持端连接处设有对称的平行销钉通孔，试样位置通过销钉悬挂固定，保证了试样各方向的对中性。

27、5、夹具对试样夹持端尺寸、标距段长度等没有严格限制，可满足多种形状与尺寸板状试样的超高温拉伸和拉伸蠕变性能测试。

28、6、本发明板状试样的圆弧过渡段圆弧半径范围优选为2～4mm，过渡半径r越大，应力集中系数越小，但随着半径增大，试样轴肩尺寸加大，增加了试样重量及成本；同时夹头开孔变大，承载力降低；且当圆弧半径较大时，应力集中系数随圆弧半径的增大变化并不明显，因此该结构尺寸限定即可有效减少应力集中，同时试样端部尺寸可保持较小，减少试样重量及成本，同时开孔较小，不影响夹头承载力。