本发明涉及金属材料疲劳性能试验设备，尤其是金属材料的单轴高温拉伸/压缩疲劳试验夹具的设计制造领域。
背景技术：
航空发动机涡轮盘服役条件恶劣(高温、高压、高转速等)，涡轮盘材料承受着交变的机械载荷与热载荷。开展涡轮盘材料在复杂极端工况下的疲劳试验，以研究其疲劳性能，具有十分重要的意义，研究成果可支撑先进航空发动机涡轮盘材料的结构强度设计与疲劳寿命预测。
对圆棒试件的拉伸/压缩疲劳夹具的设计存在以下显著问题：(1)如何消除试件与夹具的螺纹连接间隙，以开展拉伸/压缩疲劳试验。(2)如何在试验时保证试件温度的均匀性，即试件主体和部分夹具需要同时置于高温炉内。(3)如何简化夹具和试件设计，保证夹具的通用性和适用性。查阅了已有专利文献，并未发现可以能够解决上述两个核心问题的圆棒试件高温夹具，因此有必要设计一种适用于圆棒试件的高温拉伸/压缩疲劳试验夹具。
实用新型CN 2767993Y设计了一种测试薄壁管材高温拉伸性能的夹具，用于测试薄壁管材(壁厚小于2mm)的全管段试样高温拉伸性能。由于全管段试样的结构与标准圆棒试件具有明显差异，导致该专利无法夹持圆棒试件，并且试件依赖于摩擦力夹紧，在较高载荷条件下容易发生打滑。此外，该专利的夹持方案也不能满足施加压缩载荷的需要。
发明专利CN 200810167020.2设计了一种金属薄壁管材试样轴向拉压疲劳试验夹具，通过一对分别具有凹凸面的楔形夹块压紧薄壁管试件，用于测试管壁拉压性能。该夹具设计方案不能用于标准圆棒试件的夹持，并且夹具需要较高的加工成本。
发明专利CN 104101532 A设计了一种金属薄壁管材试样高温高压水轴向拉压疲劳试验夹具。该专利同样也不适用于标准圆棒试件的夹持。
实用新型CN200920079962.5设计了一种金属薄壁等壁厚管材高温疲劳试验夹具。该专利无法满足标准圆棒试件的夹持，且不能提供压缩载荷。
实用新型CN 201867334 U设计了一种多功能材料疲劳试验引伸夹具。该专利无法满足标准圆棒试件的夹持，且不能提供压缩载荷。
实用新型CN201420569830.1设计了一种轴向疲劳性能试验用夹具。该专利考虑了试件螺纹段的间隙对疲劳试验过程的影响，但是从试件到疲劳机的螺纹转接结构较多，该部分的间隙未考虑消除，因此无法进行拉伸/压缩疲劳试验。
综上，现有技术不能满足圆棒试件在高温环境下的拉伸/压缩疲劳试验的需求。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种圆棒试件的高温拉压疲劳试验夹具及试验方法，满足空心圆棒试件高温条件下的拉伸/压缩疲劳试验需求，且夹具同样可以置于高温环境下，保证试件温度的均匀性和稳定性；同时夹具结构相对简单，可以适用于多种型号和类型的疲劳试验机。
本发明的技术解决方案是：一种空心圆棒试件的高温拉压疲劳试验夹具，包括：连杆(1)、转接头(2)、套筒(3)、承压圆盘(4)和短螺栓(5)；连杆(1)的一端可以为光棒，适用于液压疲劳机夹头夹紧，或者为带螺纹孔凸台，适用于电子万能试验机；转接头(2)通过螺纹与连杆(1)连接；套筒(3)穿过转接头(2)与连杆(1)接触，高度与转接头上半部分一致，外径不大于连杆直径；圆棒试件(6)一端的下半部分螺纹旋进转接头(2)中，另一半旋进承压圆盘(4)的中心孔；四个短螺栓(5)通过螺纹拧进承压圆盘(4)周向均布的四个螺纹孔，短螺栓(5)端部与套筒(3)顶部接触，将承压圆盘(4)顶起，使圆棒试件(6)一端的上半部分螺纹与下半部分螺纹之间存在一定拉力，消除了螺纹间隙。
在拉伸/压缩疲劳试验中的拉伸部分，拉力通过疲劳机夹头传递给连杆(1)，并通过螺纹连接将拉力传给转接头(2)；转接头(2)与圆棒试件(6)一端的下半部分螺纹连接传递拉力，从而实现了拉伸/压缩疲劳试验中拉伸载荷的施加。
在拉伸/压缩疲劳试验中的压缩部分，压力通过疲劳机夹头传递给连杆(1)，并进通过连杆(1)与套筒(3)之间的接触，将压力传给套筒(3)；套筒(3)顶部与4个短螺栓(5)端部接触，从而将压力传给承压圆盘(4)；承压圆盘(4)与圆棒试件(6)一端的上半部分螺纹连接传递压力，从而实现了拉伸/压缩疲劳试验中压缩载荷的施加。
由于承压圆盘(4)周向均布的四个短螺栓(5)拧紧前，预先使用疲劳机进行拉伸，使夹具承受一定的拉力，该拉力不超过圆棒试件(6)材料的弹性范围，然后再拧紧四个短螺栓(5)，导致圆棒试件(6)一端的上半部分螺纹与下半部分螺纹之间存在一定拉力，因此在圆棒试件(6)承受的载荷由拉伸载荷向压缩载荷转变时，当拉伸载荷低于一定值，圆棒试件(6)一端的下半部分螺纹将只承受一小部分压力，绝大多数压力由承压圆盘(4)连接的上半部分螺纹承受。这样可以保证载荷过零点的时候不会出现螺纹间隙，可以平稳过渡。
本发明与现有疲劳试验夹具方案相比的优点在于：
(1)本发明可用于圆棒试件在室温至高温800℃的温度范围内的拉伸/压缩疲劳试验；
(2)本发明的圆棒夹具主体部分可以直接置于高温炉内，保证圆棒试件受热均匀稳定；
(3)本发明形式简单，加工方便，可适用于多种类型的疲劳试验机。
附图说明
图1为本发明夹具在夹持圆棒试件时的结构示意图；
图2为本发明夹具的连杆示意图，其中(a)为外观图；(b)为左视图；(c)为俯视图；(d)为右视图；
图3为本发明夹具的转接头示意图，其中(a)为外观图；(b)为左视图；(c)为俯视图；(d)为右视图；
图4为本发明夹具的套筒示意图，其中(a)为外观图；(b)为左视图；(c)为俯视图；(d)为右视图；
图5为本发明夹具的承压圆盘示意图，其中(a)为外观图；(b)为左视图；(c)为俯视图；(d)为右视图；
图6为本发明夹具的短螺栓示意图，其中(a)为外观图；(b)为左视图；(c)为俯视图；(d)为右视图；
图7为本发明结构剖视图。
具体实施方式
本发明主要针对适用于圆棒试件的高温拉压疲劳夹具进行了设计。实际上试验时，整套夹具包括两个本发明夹具，分为上夹具和下夹具，完整安装的总图见图7。
如图1、2、3、4、5、6、7所示，首先分别组装上、下夹具，包括连杆1、转接头2、套筒3、承压圆盘4和短螺栓5。
上夹具的组装，使用疲劳机液压夹头或螺栓固定将连杆1的一端固定在疲劳机上，然后将转接头2与连杆1通过螺纹连接；通过螺纹连接将承压圆盘4拧至圆棒试件6一端接近考核段的上半部分螺纹处，然后将套筒3套入转接头，并将承压圆盘4和圆棒试件6的组合部件通过螺纹与转接头连接，此时不需要拧紧承压圆盘4。此时即完成了上夹具的组装。
安装下夹具时，首先需要将连杆1与转接头2螺纹连接，然后将套筒3套入；此时将承压圆盘4拧至圆棒试件6另一端接近考核段的上半部分螺纹处，然后将连杆1、转接头2和套筒3的组合部件通过转接头的螺纹与圆棒试件6另一端远离考核段的下半部分螺纹连接，然后将短螺栓5分别拧入两个承压圆盘4的周向螺纹孔中，此时无需拧紧，完成下夹具的组装。完成上、下夹具的组装后，将下夹具中连杆1的接头通过液压夹头或螺栓连接固定在疲劳机上，完成夹具的安装。
完成夹具安装后，使用疲劳机进行拉伸，使夹具承受一定的拉力，该拉力不超过圆棒试件6材料的弹性范围，此时圆棒试件6与转接头2的螺纹连接受力，然后旋紧两个承压圆盘4直至圆盘下端与转接头2上端接触压紧，然后拧紧两个承压圆盘4上的周向短螺纹5，使圆棒试件6两端螺纹段的上半部分和下半部分之间存在相反的拉力，即消除了螺纹间隙。在拉伸/压缩疲劳试验进行时，当在圆棒试件6承受的载荷由拉伸载荷向压缩载荷转变时，当拉伸载荷低于预先施加的拉力时，圆棒试件6两端的下半部分螺纹将只承受一小部分压力，绝大多数压力由承压圆盘4连接的上半部分螺纹承受。这样可以保证载荷过零点的时候不会出现螺纹间隙，可以平稳过渡。
最后，将高温炉合上，包含圆棒试件6和一部分夹具在内的组合部件将被加热，至此整套夹具的安装完成。
试验方法如下：
步骤1：完成上下夹具的组装并安装在疲劳机上；
步骤2：使用疲劳机进行拉伸，使夹具承受一定的拉力，该拉力不超过圆棒试件6材料的弹性范围，此时圆棒试件6与转接头2的螺纹连接受力；
步骤3：旋紧两个承压圆盘4直至圆盘下端与转接头2上端接触压紧，然后拧紧两个承压圆盘4上的周向短螺纹5，使圆棒试件6两端螺纹段的上半部分和下半部分之间存在相反的拉力，即消除了螺纹间隙；
步骤4：将高温炉合上，包含圆棒试件6和一部分夹具在内的组合部件将被加热，直至达到设定温度并保温1小时，此时圆棒试件的温度处于均匀状态；
步骤5：操作疲劳机，设置试验条件并开始拉伸/压缩疲劳试验。由于承压圆盘4周向均布的四个短螺栓5拧紧前，预先使用疲劳机进行拉伸，使夹具承受一定拉力，该拉力不超过圆棒试件6材料的弹性范围，然后再拧紧四个短螺栓5，导致圆棒试件6一端的上半部分螺纹与下半部分螺纹之间存在不超过圆棒试件材料的弹性范围的拉力，在拉伸/压缩疲劳试验过程中，当拉伸载荷超过预先给定的不超过圆棒试件材料的弹性范围的拉力时，四个短螺栓5与套筒3顶部分离，此时仅有圆棒试件6一端的下半部分螺纹承受拉伸载荷，在圆棒试件6承受的载荷由拉伸载荷向压缩载荷转变时，当拉伸载荷低于预先给定的不超过圆棒试件材料的弹性范围的拉力时，四个短螺栓5与套筒3顶部接触，圆棒试件6一端的下半部分螺纹将不承受压缩载荷，所有压缩载荷由承压圆盘4连接的上半部分螺纹承受，并通过四个短螺栓5将压缩载荷传递至套筒3，再由套筒3传递至连杆1。保证了载荷过零点的时候不会出现螺纹间隙，可以平稳过渡。
在拉伸/压缩疲劳试验中的拉伸部分，拉力通过疲劳机夹头传递给连杆1，并通过螺纹连接将拉力传给转接头2；转接头2与圆棒试件6一端的下半部分螺纹连接传递拉力，从而实现了拉伸/压缩疲劳试验中拉伸载荷的施加。
在拉伸/压缩疲劳试验中的压缩部分，压力通过疲劳机夹头传递给连杆1，并进通过连杆1与套筒3之间的接触，将压力传给套筒3；套筒3顶部与四个短螺栓5端部接触，从而将压力传给承压圆盘4；承压圆盘4与圆棒试件6一端的上半部分螺纹连接传递压力，从而实现了拉伸/压缩疲劳试验中压缩载荷的施加。
利用高温炉加热包含圆棒试件6和一部分夹具在内的组合部件，使考核段温度保持在650℃，开展高温合金疲劳试验，频率f＝0.2Hz，应力比R＝-1，试验过程中最大拉伸载荷大于1000MPa，最大压缩载荷大于1000MPa，累计开展超过105次循环的疲劳试验，夹具状况良好，说明本发明夹具能够满足圆棒试件高温拉伸/压缩疲劳试验的需求。
从上述具体实施过程可以发现，本发明夹具可以满足圆棒试件高温拉伸/压缩疲劳试验的需求。当然地，本发明夹具可用于常温下的拉伸/压缩试验。由于试验件的考核段周围没有其他夹具零部件的干扰，可以很容易地安装引伸计，进行应变控制下的圆棒试件高温拉伸/压缩疲劳试验。附加地，当需要进行不同尺寸的圆棒试件拉伸/压缩疲劳试验时，只需要替换相应的转接头即可，无需更换整套夹具。