一种剪切夹具的制作方法

本实用新型涉及材料力学剪切试验夹具设计和应用技术领域，特别提供了一种剪切夹具。

背景技术：
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现有技术中，在实际工程应用中，许多零部件都会因许多因素而导致失效，比如剪切、拉伸、挤压、扭转等都会导致零件的失效，其中剪切的破坏最严重，绝大部分的零件失效都与剪切有关，比如螺栓、安全销以及铆钉等。所以剪切试验是分析材料力学性能的一个重要的指标。剪切试验主要在万能试验机上进行，主要分为单剪切、双剪切，单剪切的剪切力作用在零件的一个截面上，双剪切的剪切力作用在零件的两个截面上。

然而剪切试验除了检测零件的抗剪强度外，更重要的是通过剪切试验来研究为什么某些零件会失效，零件失效的原因是在于材料还是在于外界环境或者使用环境等的影响。同时，可以通过剪切试验来模拟外力对零件破坏的过程，以及发生局部剪切变形时对零件的寿命影响，以方便更好的评估某些重要零件的剪切损坏程度，在零件发生失效前时，及时检测和更换零件，减少损失。所以剪切试验是一种科学研究方法，不单单分析材料的力学性能，更能够通过剪切试验来研究材料的组成、热处理方式以及更加深层次地研究变形对材料的影响等方面。

从目前的剪切测试中，同时适用方形试样和圆形试样并且具备有单剪切和双剪切的装置比较少；尤其对于常规的双剪切装置而言，做一系列的剪切部分变形量研究并不容易实现，而且对于微型样品进行剪切时，容易产生扭转，晃动导致剪切失真。比如专利号为201520318 303.8的专利《双剪切试验夹具》，该方案虽然设计简单，但是适用范围比较小，装置的前后方向没有约束，而且对于小于剪切孔的试样在剪切时容易产生晃动，导致剪切失真，并且对于只发生部分变形但未断的试样，该夹具没有办法取出试样。对于专利号为201710186459.9的专利，该方法适用范围小，其剪切夹具根据不同试样大小来设计夹具，局限性比较大，并且没有紧固试样的装置，容易导致剪切失真。而文献“石培蕾,仲梁维,罗英平.单双面剪切试验装置的设计[J].起重运输机械,2011(11):21-23.”中试样受冲压力时，不一定保证销子的两个截面同时断裂，容易导致失真，且该夹具也只能做试样发生全部断裂，并不能研究试样发生部分变形量，具有局限性。对于国标GB/T 13683 1992中推荐的典型的销剪切试验夹具，燕尾槽剪切试验夹具虽然具有一些优势，但是适用范围比较小，且做部分变形量研究时，试样没有办法取出，具有一定局限性。

综上，人们期望获得一种剪切夹具。

技术实现要素：
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本实用新型的目的是提供一种技术效果优良的剪切夹具及应用它的材料剪切性能和变形量测定方法。尤其是能够实现单、双剪切试验，同一试样不同剪切变形量试验以及剪切疲劳试验，且适合大小不同的截面形状不同的各类实验样件的剪切夹具。

本实用新型提供了一种剪切夹具，其特征在于：其由2部分构成：外夹具9和内夹具3；其中：外夹具9主要由基础件1(如图1所示)和功能件2(如图2所示)组成，功能件2整体外形为长方体形结构，其上设置有一个沿长方体型结构的长度方向贯穿长方体形结构的正方形通孔23，正方形通孔23的尺寸与内夹具3相配合；以便其能够容纳深入到正方形通孔23中的内夹具3；

功能件2平行于长度方向共设置有4个侧面，其中：2个相互平行布置的侧面上设置有贯通这两个侧面的通槽21，且通槽一直延伸到与前述2个相互平行的侧面同时垂直的功能件2的下端面，且功能件2的下端面被通槽21分成两个相对独立且共面的端面；

功能件2的上部设置有与其构成固定连接关系的基础件1；

功能件2平行于长度方向所设置的4个侧面中，在有别于前述2个功能件2上的相互平行且平行于通槽21的侧面之外的另2个相互平行的侧面上也设置有贯通这2个侧面且轴线垂直于这2个侧面的共轴线的通孔22；通孔22的个数为1-10个；每个通孔22的横截面形状为以下几种之一：圆形、长方形、正方形、椭圆形、三角形、梯形、边数大于4的正多边形；通孔22都穿过前述的通孔23；

内夹具3(如图3所示)上设置有与通孔22形状、大小相适应的且装配后同轴线的内夹具通孔32；内夹具3、外夹9具的立体图和组合图如图4-6所示。

外夹具9和内夹具3上远离二者结合处还设置有用于连接材料剪切试验机的结构；

外夹具9和内夹具3装配组合后，通孔22和内夹具通孔32连通且轴线平行，此时由通孔22和内夹具通孔32共同连通构成的孔腔内部放入待剪切的实验用样件8。

本实用新型所述剪切夹具，优选要求保护的内容还有：

所述剪切夹具满足下述要求之一或其组合：

其一，分别设置在通槽21两侧的外夹具9上的通孔22的横截面积随着与通槽21距离的增大而横截面积逐渐减少；

其二，分别设置在通槽21两侧的外夹具9上的通孔22的下部边界始终保持为一个平面。

外夹具9侧面的通孔22的上部设置有用于固定待剪切的实验用样件8的辅助紧固结构10，且外夹具上的通槽21的两边有紧固试样结构7；内夹具3上部能够通过在通槽21设置的紧固试样结构7对内夹具3中的内夹具通孔32中的实验用样件8进行紧固。

所述紧固试样结构7具体为顶紧螺栓，其小头端设置有小平面或者圆弧面而非尖角，以防过度破坏实验用样件8；辅助紧固结构10具体为不同形状的插销，其横截面可能是圆弧形、四边形、三角形或者其他形状。

所述剪切夹具满足下述之一或其组合：

其一，外夹具包括2小部分：基础件1、功能件2；基础件1是轴形零件，其上部为上部螺纹连接段11、其下部为下部螺纹连接段13，其中央部分为法兰盘12；上部螺纹连接段11、法兰盘12、下部螺纹连接段13这三者顺次连接构成一体化整体结构件；

其二，功能件2的下部上设置有通槽21、通孔22；功能件2的上部设置有能够与法兰盘12或/和下部螺纹连接段13配合连接为一体的结构；

其三，内夹具3下部也设置有向下部凸出的内夹具螺纹连接段33。

所述剪切夹具在组装后，内夹具3与基础件1之间仍有一定的空隙，即在剪切实验时，可以施加压应力或者拉应力，即可以通过施加反复的拉-压力来实现剪切疲劳实验。

本实用新型同时公开一种使用所述剪切夹具的材料剪切性能及其变形量测定方法，其特征在于：其依次进行下述操作：

首先将剪切夹具中的外夹具9、内夹具3分别布置在材料剪切试验机中；然后将外夹具9、内夹具3组装在一起，待剪切的实验用样件8放入内夹具通孔32和位于通槽21两侧的通孔22中，并且施加一定的预紧力；依次放入辅助紧固结构10、紧固试样结构7(先放入紧固结构10，在放入紧固结构7，紧固结构7能够同时对紧固结构10和试样实行紧固作用，防止紧固结构10在紧固试样时松动】，实现对内夹具通孔32和位于通槽21两侧的通孔22中的待剪切的实验用样件8的紧固；然后开始进行材料剪切实验，并记录实验数据以便备用。

本实用新型所述材料剪切性能及其变形量测定方法，优选还要求保护下述内容：

剪切夹具还满足下述要求其中之一或其组合：

其一，分别设置在通槽21两侧的外夹具9上的通孔22的横截面积随着与通槽21距离的增大而横截面积逐渐减少；

其二，分别设置在通槽21两侧的外夹具9上的通孔22的下部边界始终保持为一个平面；

其三，外夹具9侧面的通孔22的上部设置有用于固定待剪切的实验用样件8的辅助紧固结构10，且外夹具上的通槽21的两边有紧固试样结构7；内夹具3上部能够通过在通槽21设置的紧固试样结构7对内夹具3中的内夹具通孔32中的实验用样件8进行紧固；

其四，所述紧固试样结构7具体为顶紧螺栓，其小头端设置有小平面或者圆弧面而非尖角，以防过度破坏实验用样件8；辅助紧固结构10具体为不同形状的插销，其横截面可能是圆弧形、四边形、三角形或者其他形状。

剪切夹具还满足下述要求其中之一或其组合：

所述剪切夹具满足下述之一或其组合：

其一，外夹具包括2小部分：基础件1、功能件2；基础件1是轴形零件，其上部为上部螺纹连接段11、其下部为下部螺纹连接段13，其中央部分为法兰盘12；上部螺纹连接段11、法兰盘12、下部螺纹连接段13这三者顺次连接构成一体化整体结构件；

其二，功能件2的下部上设置有通槽21、通孔22；功能件2的上部设置有能够与法兰盘12或/和下部螺纹连接段13配合连接为一体的结构；

其三，内夹具3下部也设置有向下部凸出的内夹具螺纹连接段33。

所述剪切夹具在组装后，内夹具3与基础件1之间仍有一定的空隙，即在剪切实验时，可以施加压应力或者拉应力，即可以通过施加反复的拉-压力来实现剪切疲劳实验。

内夹具通孔32和位于通槽21两侧的通孔22尺寸比较大，又因为辅助紧固结构10和紧固试样结构7；所以当剪切试验机的剪切力作用于待剪切的实验用样件8后，通过当待剪切的实验用样件8发生弹性变形或者发生塑性变形到一定程度时即待剪切的实验用样件8发生剪切变形但是未断的某一变形过程中，方便试样取出(尤其是双剪切试样)，即能够实现试样不同变形量的测定实验；过程中严格记录试验数据备用。

所述材料剪切性能及其变形量测定方法满足下述要求之一或其组合：

其一，待剪切的实验用样件8具体为横截面是方形的试样，且待剪切的实验用样件8的尺寸为宽度W’、长度L、厚度B’；由于作为辅助紧固结构10的插销的大小需要根据试样来调整设计，且功能件2上的通孔22两边设置的用于紧固实验用样件8的紧固试样结构7，功能件2上的通孔22的上部设置有用于紧固实验用样件8的辅助紧固结构10；即在保证剪切力的有效加载时，实验用样件8的尺寸能够依据通孔22、内夹具通孔32的大小变化；

试样尺寸范围为：2≤W’<W，L根据剪切的类型(单或双剪切)和夹具尺寸来调整，1≤B’≤B/(1+k)，其中k值是根据材料发生剪切断裂时的最大滑移应变来选取，例如对于锆合金而言，k值一般选择0.5；

其二，待剪切的实验用样件8是横截面为圆形直径为d的试样，其尺寸为：1≤d<D，D为通孔22的直径；

其三，待剪切的实验用样件8能够一次性放入2～8个同时进行弹性变形或者塑形变形或者剪切至切断的剪切试验。

本实用新型与现有技术相比，其优点有：

本实用新型所采用的待剪切的实验用样件8可以是为板材试样或者棒状试样(根据通孔22决定)等，实验用样件8加工简单方便。

当实验用样件8全部贯穿内夹具3和外夹具9时，实现双剪切；当待剪切的实验用样件8只通过外夹具9一半时和部分内夹具3时，实现单剪切。

内夹具3和外夹具9中间留有一定空间，使剪切力可为挤压力、也可为拉伸力，即可以通过施加反复拉伸和压缩力来达到剪切疲劳实验目的。

本实用新型中外夹具9优选设计为直角梯形孔且有2个优点：首先直角梯形孔的斜边可以放置插销类的辅助紧固结构10来紧固实验用样件8；直角梯形孔的侧面可以放置螺栓作为紧固试样结构7使用，一方面起紧固实验用样件8的作用，另一方面起紧固插销即辅助紧固结构10的作用，防止插销即辅助紧固结构10对实验用样件8的紧固过程中松弛。其次，直角梯形孔的空间大于待剪切的实验用样件8的尺寸，当待剪切的实验用样件8做不同变形量的剪切试验时(试样发生剪切变形但是未断)，方便待剪切的实验用样件8的取出(尤其是双剪切试样)，即能够实现不同变形量的剪切试验，具体过程如图7所示。

本实用新型中内夹具3和外夹具9属于间隙配合，在剪切时，能够相对滑动，并且内夹具3和外夹具9上的通孔22和内夹具通孔32的侧面可以有紧固实验用样件8的螺栓等作为紧固试样结构7使用，且外夹具9上的通孔22的上部有紧固实验用样件8的插销即辅助紧固结构10，保证了剪切力的有效加载。

对于方形横截面的实验用样件8样，由于插销即辅助紧固结构10的尺寸可根据待剪切的实验用样件8的尺寸来设计调整，且功能件2旁的螺栓尺寸比较大，即能固定待剪切的实验用样件8也能固定插销即辅助紧固结构10(避免插销即辅助紧固结构10紧固待剪切的实验用样件8的过程松弛)，更能够实现对小尺寸的待剪切的实验用样件8的紧固；内夹具3中的内夹具通孔32旁边的螺栓尺寸一般要求略小于试样孔的尺寸，这样能够保证对待剪切的实验用样件8有很好的紧固作用。对于横截面为圆形的待剪切的实验用样件8，功能件2、内夹具3上的螺栓的头部为圆弧状，能够更好地对横截面为圆形的待剪切的实验用样件8进行紧固；所以通孔22和内夹具通孔32可以放置小于试样孔的实验用样件8，增加了使用范围。

相对于现有技术而言，本实用新型结构简单，功能多样，实验的适用范围更大，对材料剪切实验的灵活应用和深度应用具有可预期的较为巨大的经济价值和社会价值。其综合技术效果优良。

相关设计技术原理：

金属材料的剪切试验主要有2种：单剪切和双剪切，单剪切的作用力作用在试样的一个截面上，双剪切的作用力作用在试样的2个截面上。其单、双剪切力计算公式如下：

单剪切试验：

τb＝Fm/S (1)

双剪切试验：

τb＝Fm/2S (2)

式中:Fm为载荷变形曲线图上的最大载荷，S为剪切面积。

对于该剪切装置，剪切的过程是通过固定外夹具9，通过内夹具3的向上或者向下移动实现对材料的剪切，首先内夹具3压入金属，并且随内夹具3压入金属深度的增加，其接触宽度AB也随之增加。同时，内夹具3、外夹具9的剪切力F组成一对力偶使试样沿O方向转动，而对于剪刀(内、外夹具)的侧面则产生反作用力T组成一对反力偶与前者平衡。随着剪刀不断切入深度，剪切力达最大(一定深度)时，金属开始滑移，此后剪切力逐渐变小，金属也直至切断，具体如图8所示。

对于金属板材，根据力的应力-应变曲线(如图9)，可以得知金属的剪切过程主要经历3个阶段，第一个阶段是弹性变形阶段，金属没有发生变形，第二阶段是塑性变形阶段，金属开始变形，第三阶段是断裂阶段，金属变形到一定程度断裂，双剪切的这3个阶段变形受力示意图如图10所示，单剪切的3个阶段变形示意图如图11所示。

通过以上3个阶段的剪切变形后，剪切断面的形貌如图12所示。图中a部分表示弹性变形部分，对于金属板大约为5％，t为板条的厚度。该部分主要受拉或者受压。b部分为塑性变形部分，对于金属板大约为1/3t，此部分因紧贴外夹具的周围，因此形成一光泽带。α角等于90度，即b面与材料表面垂直。γ角大于90度为撕断面的倾斜角度。c部分为撕断面部分，在该部分，材料因失去抵抗力而被撕断，此面倾斜且很粗糙并且形成了凹凸不平的坑状形貌，对于金属板，其深度约为62％t。d部分为毛边部分，对于金属板，其高度大约为5-10％t，而毛边的产生主要由于材料被撕断后残留的部分。

从金属板材的断面研究分析可知，影响剪切断面的因素主要由以下3个方面影响的：

(一)材料的性质：从图13可知，材料的弹性系数越大，则断面上的弹性变形部分(图13的a点)越小；如果材料的抗拉强度Sb越大，则断面上的塑性变形部分(图13的b点)越大。同时α、γ的角度越接近90度，毛边d也越小。

(二)模具间隙的影响：

在剪切过程中，材料变形分为3个阶段，弹性变形阶段、塑性变形阶段和断裂阶段。从图12可知其断口的几个主要变形区：弹性变形区、塑性变形区、撕断区和毛边区。当剪切夹具之间的间隙过小时(对于本夹具中部件2和部件3之间的间隙)，材料的塑性变形部分会比较大，并且在板材的上下部分都会呈现塑性变形，而撕断部分产生的凹凸不平的洼坑主要集中在剪切面的中间，具体如图14所示。当剪切夹具之间的间隙过大时，内、外夹具之间的撕断距离比较远，不能沿着斜线方向撕断，从而导致α角小于90度，γ角大于90度，具体如图15所示。同时，可通过理论公式计算夹具之间的间隙，计算单剪切夹具之间间隙公式如公式(3)所示。

公式(3)中c为单剪切夹具之间间隙；t为材料的厚度；Ss为材料剪断强度；K＝0.008-0.01。从公式(3)可知，当剪断强度一定时，材料的厚度t增大，则对应的单剪切夹具之间的间隙c也增大；当厚度t为一定时，夹具间隙c越小，则对应的剪切强度越小，即对应图9中的剪切曲线越完整，说明剪切越靠近纯剪切的理论值。

(三)板材的固定

一般来说，材料板材的尺寸小于夹具孔的大小，所以剪切板材的固定对剪切试验结果有一定的影响。当板材小于剪切孔时，如果没有对板材进行固定，那么在剪切过程中板材可能会晃动，容易导致剪切结果失真，从而在夹具中设置对剪切材料的固定很重要。

以上的原理部分主要从剪切的基本理论和宏观断口等方面分析材料的剪切变形过程。而从以往的研究可知：金属与合金的塑性变形是主要由位错的滑动、孪生与相变引起的。

1、位错的滑动：位错的滑动主要分为2种：位错绕割、位错切割。位错绕割过程如图16所示。材料中存在许多不容易变形的粒子，这些粒子对位错有排斥作用，位错运动时在粒子前面受阻、弯曲。随着外加切应力的增加，迫使位错以弯曲的形式向前前进，如何在粒子旁边生成一个位错环，其余的位错绕过粒子继续前进。位错切割过程如图17所示。材料中处理不容易变形的粒子外，还有一些容易变形的粒子，位错在遇到这些粒子时，就会切过粒子，在粒子中形成新的表面，然后位错继续运动。

2、孪生：材料的变形另一种形式是孪生，具体孪生过程如图18所示。晶体在切应力的作用下发生孪生时，晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分的晶体作相对的切变，即两部分的晶体以孪生面为对称面形成镜像对称。

2、相变：材料在工程应用时，总会通过一定的热处理和机械加工等过程，而在这些过程中，材料就会发生相变过程，进而改变材料的组织结构影响材料的力学性能等方面，具体过程如图19所示。即材料在一定热处理过程中，会产生新相，而这些新相对材料的力学性能等方面具有一定的影响，可能提高材料的力学性能，也可能减弱材料的力学性能。

从晶体学的角度考虑，在剪切力的作用下，通过位错的滑移、孪生等方式使金属材料发生塑性变形。然而金属在剪切变形过程中，随着变形量的增加，各个晶粒的滑移面和滑移方向会大致变成一致，即破坏了晶粒取向的无序性，而是沿着一定的方向发生滑移--晶粒的择优取向。而材料发生剪切变形的主要原因是与材料的微观结构有关。而要研究材料的剪切变形与微观结构的关系，那么就需要研究材料在不同变形量时，其微观结构的变化，如发生5％、10％、15％等剪切变形时，材料的微观结构的演变过程对材料的力学性能等方面的影响，进而了解材料剪切过程对微观组织的影响机制，然后针对这种影响机制，采用合适的方法去减少剪切力对材料的影响，对提高材料的综合性能和预防材料的失效具有一定的意义。

装置的设计和剪切样品的制备：

装置材料的选择：本实用新型的剪切夹具的材料硬度不低于60HRC，本剪切装置的材料选择为T10钢，在剪切材料发生变形时，剪切夹具没有出现宏观上的变形，即相对于剪切材料而言剪切夹具呈刚性的。剪切夹具的加工分3部分加工。

外夹具9主要由基础件1和功能件2组成：

基础件(1)的设计如图1所示，基础件1是轴形零件，其上部为上部螺纹连接段11、其下部为下部螺纹连接段13，其中央部分为法兰盘12；上部螺纹连接段11、法兰盘12、下部螺纹连接段13这三者顺次连接构成一体化整体结构件；

功能件(2)的设计如图2所示，功能件2整体外形为长方体形结构，其上下面有一个贯穿长方形的正方形通孔23，其尺寸与内夹具3相配合；其长度方向上的共计4个侧面中：其中的2个相互平行布置的侧面上设置有贯通这两个侧面的通槽21，通槽的宽度小于内夹具(3)的宽度；在有别于前述2个侧面之外的另外2个侧面上也设置有贯通这2个侧面的通孔22；且通孔22的个数为1-10个；每个通孔22的横截面形状为以下几种之一：圆形、长方形、正方形、椭圆形、三角形、梯形、边数大于4的正多边形；外夹具9侧面的通孔22的上部可以增加与通孔形状相似的辅助紧固装置10；通孔22都穿过前述的通孔23，且外夹具通槽21的两边有紧固试样装置7；

内夹具3的设计如图3所示，内夹具3上设置有与通孔22形状、大小相适应的内夹具通孔32，且内夹具3上部能够通过在通槽21增加紧固试样装置7对内夹具3中通孔32中的实验用样件8紧固；加工内夹具3时，用砂纸打磨内夹具3的表面，使其粗糙度小于0.5μm。内夹具3下部也设置有向下部凸出的内夹具螺纹连接段33。

通孔22、通孔23、内夹具通孔32宽度的相对面的平行度小于40μm，采用机械加工或者条状砂纸研磨等方法加工功能件2的内孔粗糙度小于0.5μm；当优选为横截面是方形的实验用样件8时，外夹具9的通孔22为直角梯形孔，直角梯形孔同轴；直角梯形孔的上底面与内夹具3的内夹具通孔32尺寸相等。

外夹具9、内夹具3试样孔的两边固定实验用样件8的紧固试样装置7性能等级为10.9级高强度螺栓；例如选用螺栓材料可为20MnTiB，螺栓的选取取决于实验用样件8的尺寸，比如通孔22是直角梯形孔，通孔22边的螺栓直径d’大于B；通孔32边的螺栓直径d’取决于凹槽的宽；通孔22为圆形孔，通孔22边的螺栓直径d’等于(D+h)，h值根据夹具尺寸来设计，对于微型样品，h值一般选1；紧固试样装置7边的螺栓设计图形如图20所示。插销即辅助紧固结构10所选的材料为T10钢，可根据实验用样件8的大小来调节设计插销即辅助紧固结构10的大小，其与直角梯形的通孔22的斜面和试样的接触面的粗糙度为0.5μm，其设计图如图21所示。

内夹具3旁边的通孔32的宽W和厚度B可以根据所测剪切试样大小来调整，对于微型样品，一般内夹具通孔32的大小为W＝2-20mm，B＝2-20mm。当为方形试样时，外夹具3的直角梯形的通孔22的上底面为W×B、下底面为W×(B+n)，n值即对应的斜边倾斜角θ的大小，也是根据剪切试样大小来设计调整，对于微型样品，n值一般选1；直角梯形的上、下底和直角边确定了，其倾斜角θ也确定了。

实验用样件8的形状如图22所示。

综上，本实用新型提出了一种可操作性很强的剪切夹具，并提出了使用它进行材料剪切性能及其变形量测定方法；其技术方案规范合理，技术效果优良；其具有可预期的较为巨大的经济价值和社会价值。

附图说明：

图1为本实用新型夹具中部件1的三视图；

图2为本实用新型夹具中部件2的三视图；

图3为本实用新型夹具中部件3的三视图；

图4为本实用新型夹具中内夹具的立体结构示意图；

图5为本实用新型夹具中外夹具的立体结构示意图；

图6为本实用新型单、双夹具的装配结构示意图；

图7为试样的装样、剪切与取样过程(部分剪切变形量)；

图8为试样剪切过程示意图；

图9为剪切时的应力—应变曲线；

图10为双剪切的变形过程；

图11为单剪切变形过程；

图12为剪切断口形貌；

图13为材料强度对板材剪切断面的影响；

图14为夹具间隙过小时，剪切断面形貌；

图15为夹具间隙过大时，剪切断面形貌；

图16为位错绕过机制；

图17为位错切过机制；

图18为孪生机制；

图19为相变过程；

图20为紧固螺栓的图形；

图21为插销尺寸；

图22为方槽和圆孔试样尺寸大小；

图23为试样1#的工程剪切应力-滑移应变曲线；

图24为试样2#的工程剪切应力-滑移应变曲线；

图25为试样3#的工程剪切应力-滑移应变曲线；

图26为试样4#的工程剪切应力-滑移应变曲线；

图27为试样5#的工程剪切应力-滑移应变曲线；

图28为试样6#的工程剪切应力-滑移应变曲线；

图29变形量为10％时，Zr-4合金试样的工程剪切应力-滑移应变曲线；

图30变形量为20％时，Zr-4合金试样的工程剪切应力-滑移应变曲线；

图31变形量为30％时，Zr-4合金试样的工程剪切应力-滑移应变曲线；

图32变形量为48.3％时，Zr-4合金试样的工程剪切应力-滑移应变曲线；

图33为剪切夹具组装结构原理示意简图之一。

具体实施方式：

实施例1

一种剪切夹具，其由2部分构成：外夹具9和内夹具3；其中：外夹具9主要由基础件1(如图1所示)和功能件2(如图2所示)组成，功能件2整体外形为长方体形结构，其上设置有一个沿长方体型结构的长度方向贯穿长方体形结构的正方形通孔23，正方形通孔23的尺寸与内夹具3相配合；以便其能够容纳深入到正方形通孔23中的内夹具3；

功能件2平行于长度方向共设置有4个侧面，其中：2个相互平行布置的侧面上设置有贯通这两个侧面的通槽21，且通槽一直延伸到与前述的2个相互平行的侧面同时垂直的功能件2的下端面，且功能件2的下端面被通槽21分成两个相对独立且共面的端面；

功能件2的上部设置有与其构成固定连接关系的基础件1；

功能件2平行于长度方向所设置的4个侧面中，在有别于前述2个功能件2上的相互平行且平行于通槽21的侧面之外的另2个相互平行的侧面上也设置有贯通这2个侧面且轴线垂直于这2个侧面的共轴线的通孔22；通孔22的个数为1-10个；每个通孔22的横截面形状为以下几种之一：圆形、长方形、正方形、椭圆形、三角形、梯形、边数大于4的正多边形；通孔22都穿过前述的通孔23；

内夹具3(如图3所示)上设置有与通孔22形状、大小相适应的且装配后同轴线的内夹具通孔32；内夹具3、外夹9具的立体图和组合图如图4-6所示。

外夹具9和内夹具3上远离二者相结合处还设置有用于连接材料剪切试验机的结构；外夹具9和内夹具3装配组合后，通孔22和内夹具通孔32连通且轴线平行，此时由通孔22和内夹具通孔32共同连通构成的孔腔内部放入待剪切的实验用样件8。

所述剪切夹具满足下述要求之一或其组合：其一，分别设置在通槽21两侧的外夹具9上的通孔22的横截面积随着与通槽21距离的增大而横截面积逐渐减少；其二，分别设置在通槽21两侧的外夹具9上的通孔22的下部边界始终保持为一个平面。

外夹具9侧面的通孔22的上部设置有用于固定待剪切的实验用样件8的辅助紧固结构10，且外夹具上的通槽21的两边有紧固试样结构7；内夹具3上部能够通过在通槽21设置的紧固试样结构7对内夹具3中的内夹具通孔32中的实验用样件8进行紧固。

所述紧固试样结构7具体为顶紧螺栓，其小头端设置有小平面或者圆弧面而非尖角，以防过度破坏实验用样件8；辅助紧固结构10具体为不同形状的插销，其横截面可能是圆弧形、四边形、三角形或者其他形状。

所述剪切夹具满足下述之一或其组合：

其一，外夹具包括2小部分：基础件1、功能件2；基础件1是轴形零件，其上部为上部螺纹连接段11、其下部为下部螺纹连接段13，其中央部分为法兰盘12；上部螺纹连接段11、法兰盘12、下部螺纹连接段13这三者顺次连接构成一体化整体结构件；

其二，功能件2的下部上设置有通槽21、通孔22；功能件2的上部设置有能够与法兰盘12或/和下部螺纹连接段13配合连接为一体的结构；

其三，内夹具3下部也设置有向下部凸出的内夹具螺纹连接段33。

所述剪切夹具在组装后，内夹具3与基础件1之间仍有一定的空隙，即在剪切实验时，可以施加压应力或者拉应力，即可以通过施加反复的拉-压力来实现剪切疲劳实验。

本实施例还披露一种使用所述剪切夹具的材料剪切性能及其变形量测定方法，其依次进行下述操作：首先将剪切夹具中的外夹具9、内夹具3分别布置在材料剪切试验机中；然后将外夹具9、内夹具3组装在一起，待剪切的实验用样件8放入内夹具通孔32和位于通槽21两侧的通孔22中，并且施加一定的预紧力；依次放入辅助紧固结构10、紧固试样结构7(先放入紧固结构10，在放入紧固结构7，紧固结构7能够同时对紧固结构10和试样实行紧固作用，防止紧固结构10在紧固试样时松动)，实现对内夹具通孔32和位于通槽21两侧的通孔22中的待剪切的实验用样件8的紧固；然后开始进行材料剪切实验，并记录实验数据以便备用。

剪切夹具还满足下述要求其中之一或其组合：

其一，分别设置在通槽21两侧的外夹具9上的通孔22的横截面积随着与通槽21距离的增大而横截面积逐渐减少；

其二，分别设置在通槽21两侧的外夹具9上的通孔22的下部边界始终保持为一个平面；

其三，外夹具9侧面的通孔22的上部设置有用于固定待剪切的实验用样件8的辅助紧固结构10，且外夹具上的通槽21的两边有紧固试样结构7；内夹具3上部能够通过在通槽21设置的紧固试样结构7对内夹具3中的内夹具通孔32中的实验用样件8进行紧固；

其四，所述紧固试样结构7具体为顶紧螺栓，其小头端设置有小平面或者圆弧面而非尖角，以防过度破坏实验用样件8；辅助紧固结构10具体为不同形状的插销，其横截面可能是圆弧形、四边形、三角形或者其他形状。

所述剪切夹具还满足下述要求其中之一或其组合：

其一，外夹具包括2小部分：基础件1、功能件2；基础件1是轴形零件，其上部为上部螺纹连接段11、其下部为下部螺纹连接段13，其中央部分为法兰盘12；上部螺纹连接段11、法兰盘12、下部螺纹连接段13这三者顺次连接构成一体化整体结构件；

其二，功能件2的下部上设置有通槽21、通孔22；功能件2的上部设置有能够与法兰盘12或/和下部螺纹连接段13配合连接为一体的结构；

其三，内夹具3下部也设置有向下部凸出的内夹具螺纹连接段33。

所述剪切夹具在组装后，内夹具3与基础件1之间仍有一定的空隙，即在剪切实验时，可以施加压应力或者拉应力，即可以通过施加反复的拉-压力来实现剪切疲劳实验。

内夹具通孔32和位于通槽21两侧的通孔22尺寸比较大，又因为辅助紧固结构10和紧固试样结构7；所以当剪切试验机的剪切力作用于待剪切的实验用样件8后，通过当待剪切的实验用样件8发生弹性变形或者发生塑性变形到一定程度时即待剪切的实验用样件8发生剪切变形但是未断的某一变形过程中，方便试样取出(尤其是双剪切试样)，即能够实现试样不同变形量的测定实验；过程中严格记录试验数据备用。

所述材料剪切性能及其变形量测定方法满足下述要求之一或其组合：

其一，待剪切的实验用样件8具体为横截面是方形的试样，且待剪切的实验用样件8的尺寸为宽度W’、长度L、厚度B’；由于作为辅助紧固结构10的插销的大小需要根据试样来调整设计，且功能件2上的通孔22两边设置的用于紧固实验用样件8的紧固试样结构7，功能件2上的通孔22的上部设置有用于紧固实验用样件8的辅助紧固结构10；即在保证剪切力的有效加载时，实验用样件8的尺寸能够依据通孔22、内夹具通孔32的大小变化；

试样尺寸范围为：2≤W’<W，L根据剪切的类型(单或双剪切)和夹具尺寸来调整，1≤B’≤B/(1+k)，其中k值是根据材料发生剪切断裂时的最大滑移应变来选取，例如对于锆合金而言，k值一般选择0.5；

其二，待剪切的实验用样件8是横截面为圆形直径为d的试样，其尺寸为：1≤d<D，D为通孔22的直径；

其三，待剪切的实验用样件8能够一次性放入2～8个同时进行弹性变形或者塑形变形或者剪切至切断的剪切试验。

综上，本实施例提出了一种可操作性很强的剪切夹具，并提出了使用它进行材料剪切性能及其变形量测定方法；其技术方案规范合理，技术效果优良；其具有可预期的较为巨大的经济价值和社会价值。

下述的实施例2、实施例3都是在实施例1的剪切夹具及应用它的材料剪切性能和变形量测定方法基础上具体展开实施的，特此说明。

实施例2

一种剪切夹具及应用它的材料剪切性能和变形量测定方法，通过实施例1描述的剪切试样夹具(适合多种形状试样样品并可进行拉伸和压缩实现剪切)对TC11钛合金进行剪切性能测定。

TC11钛合金是一种典型的α+β型双相钛合金(名义成分：Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si(wt.％))，具有良好的综合力学性能，是一种重要的航空和航天材料，被广泛应用在航空发动机的叶片、压气机盘等零件以及飞机的一些结构件上。

该单、双剪切装置的材料采用T10钢(硬度为60HRC)，起紧固作用的螺栓为10.9级高强度螺栓，螺栓材料为20MnTiB，按照图1-3进行剪切装置加工，其中内夹具方槽孔的宽度W＝10mm，厚度B＝8mm，外夹具直角梯形孔的上底面为W×B、下底面为W×(B+1)，圆形孔的直径D＝6mm。对于TC11钛合金，按照图22加工剪切样品(6种大小)，具体如表1所示。

表1 6种不同尺寸的试样

试样1#剪切实验：

实验用样件8，本实施例中试样1#，其长度为30mm，试样1#进行的是双剪切实验。首先将根据图1-3进行加工的剪切装置安装在SANS-CMT5205电子万能试验机上，然后将试样1#装入剪切装置的样品槽中(方形试样对应方孔槽，圆形试样对应圆形孔)，对试样1#施加一定的预紧力，使得剪切装置的内外剪切夹具紧密贴合在一起，接着旋转部件2中试样孔两边的螺栓对实验用样件8进行二次紧固，选应变速率为0.001s-1(应变速率<1s-1)，然后在SANS-CMT5205电子万能试验机上进行剪切操作。最后根据试验机采集到的载荷-位移数据，通过工程剪切应力和滑移应变的公式计算得出工程剪切应力-滑移应变的数据，并通过软件Origin绘制出工程剪切应力-滑移应变曲线。

双剪切的工程剪切应力和滑移应变的计算公式如下：

工程剪切应力:τb＝Fm/2(W'×B')

滑移应变:εl＝l/B'

τb为剪切应力，单位：MPa；Fm为试样承受的载荷，单位：N；W’为剪切试样的宽度，单位：mm；B’为剪切试样的厚度，单位：mm；l为样品在剪切方向的位移，单位：mm；εl为剪切试样的滑移应变，单位：％。

最后得出的TC11合金的工程剪切应力-滑移应变曲线如附图23所示。根据附图23可知，TC11合金的剪切强度(τm)约为667MPa，断裂时的滑移应变约为47.5％，即TC11钛合金在667MPa左右时，试样发生剪切断裂。所以根据此实用新型的双剪切方法得出的工程剪切应力-滑移应变曲线能很好地评价TC11合金的剪切性能。

试样2#剪切实验：试样2#的长度为1#的一半，宽度和厚度与试样1#相同，即试样放入剪切夹具的一半实现单剪切。

试样2#的剪切方法和试样1#的剪切方法一样，通过在SANS-CMT5205电子万能试验机上进行剪切操作，最后得出了试样2#的工程剪切应力-滑移应变曲线如附图24所示。根据附图24可知，试样2#的剪切强度(τm)约为665MPa，断裂时的滑移应变约为44.3％，级TC11钛合金在665MPa左右时，试样发生剪切断裂。

试样3#剪切实验：试样3#的长度和试样1#的一样长，但是宽度和厚度为试样1#的一半，对试样3#进行剪切实验是为了证明，实验用样件8小于试样孔时，可以通过功能件2两边的螺栓对实验用样件8的紧固，进而保证剪切力的有效实施，实现双剪切，即验证了该剪切夹具的使用范围。

试样3#的剪切方法和试样1#的剪切方法一样，通过在电子万能试验机SANS-CMT5205上进行剪切操作，最后得出了试样3#的工程剪切应力-滑移应变曲线如附图25所示。根据附图25可知，试样3#的剪切强度(τm)约为647MPa，断裂时的滑移应变约为46.6％，这与试样1#得出的剪切实验结果相近。这也说明的螺栓紧固的作用。

试样4#剪切实验：试样4#的长度和试样2#的一样长，但是宽度和厚度为试样2#的一半，对该试样进行剪切实验是为了证明，实验用样件8小于试样孔时，可以通过功能件2两边的螺栓对实验用样件8的紧固，进而保证剪切力的有效实施，实现单剪切，即验证了该剪切夹具的使用范围。

试样4#的剪切方法和试样2#的剪切方法一样，通过在电子万能试验机SANS-CMT5205上进行剪切操作，最后得出了试样4#的工程剪切应力-滑移应变曲线如附图26所示。根据附图26可知，试样4#的剪切强度(τm)约为642MPa，断裂时的滑移应变约为43.4％，试样4#的剪切结果与试样2#的剪切结果相近，这说明小于夹具孔的实验用样件8也可以通过功能件2两边的螺栓实现紧固，进而保证剪切的有效实施，实现单剪切。

试样5#剪切实验：试样5#的剪切方法与试样1#、试样3#的剪切方法相同，都是通过施加相反的拉伸力来实现剪切，唯一不同的就是试样5#的剪切试样是圆形横截面的实验用样件8，本实施例是为了证实圆形试样也能够在该剪切装置中实现双剪切。

试样5#也是通过在SANS-CMT5205电子万能试验机上进行剪切操作，最后得出了试样5#的工程剪切应力-滑移应变曲线如附图27所示。根据附图27可知，试样5#的剪切强度(τm)约为654MPa，断裂时的滑移应变约为45.2％。试样5#的剪切实验结果与试样1#、试样3#剪切实验结果大致相同，说明该夹具也适合圆形试样的双剪切实验。

试样6#剪切实验：试样6#的剪切方法与试样2#、试样4#的剪切方法相同，都是通过施加相反的拉伸力来实现剪切，唯一不同的就是试样6#的剪切试样是圆形横截面的实验用样件8，本实施例是为了证实圆形试样也能够在该剪切装置中实现单剪切。

试样6#也是通过在SANS-CMT5205电子万能试验机上进行剪切操作，最后得出了试样6#的工程剪切应力-滑移应变曲线如附图28所示。根据附图28可知，试样6#的剪切强度(τm)约为641MPa，断裂时的滑移应变约为44.3％。试样6#的剪切实验结果与试样2#、试样3#的剪切实验结果大致相同，说明该夹具也适合圆形试样的单剪切实验。

实施例3

本实施例与实施例2内容基本相同，其不同之处在于：根据实施例1所述的剪切试验过程，用该剪切装置接着对TC4钛合金进行部分剪切变形量控制的双剪切试验。

钛合金TC4材料的组成为Ti-6Al-4V，属于(α+β)型钛合金，有良好的综合力学机械性能。和实施例1一样，其中内夹具方槽孔的宽度W＝10mm，厚度B＝8mm，外夹具直角梯形孔的上底面为W×B、下底面为W×(B+1)，圆形孔的直径D＝6mm。

然后采用和实施例1一样的剪切过程，与TC11钛合金的剪切试验不同的是：本次对TC4钛合金做一系列的剪切变形量试验，依次做10％、20％、30％、48.3％的变形(最大滑移应变)，最后得出了不同变形量下，TC4合金的工程剪切应力-滑移应变曲线如附图29-32所示。图29可知：10％的剪切变形时，剪切强度(τm)约为180.1MPa；。图30可知：20％的剪切变形时，剪切强度(τm)约为396.8MPa；。图31可知：30％的剪切变形时，剪切强度(τm)约为505.6MPa；图32可知：48.3％的剪切变形时，剪切强度(τm)约为604.7MPa。然后分别把不同剪切变形的剪切面做成EBSD样品，可以发现TC4钛合金的晶面取向逐渐趋于某一个方向，即不同的剪切变形量对晶体的取向研究具有一定的意义。