一种适用于板状试样高温持久蠕变试验夹具的制作方法

本发明属于力学性能测试技术，涉及一种适用于板材试样高温持久蠕变试验夹具。

背景技术：

持久和蠕变是用于描述金属材料在高温条件下耐受长时恒定载荷时的性能。为了获得材料的持久和蠕变性能，需将材料加工成持久和蠕变试样，然后利用持久和蠕变试验机进行测试。在进行持久和蠕变试验时，需配备相应的夹具用于固定试样。

目前常见的持久和蠕变试样为圆柱试样和板状试样，圆柱试样主要用于材料充足、对试样尺寸无要求时的持久和蠕变试验，试样与夹具通常采用螺纹连接或悬挂连接的方式；板状试样主要用于材料尺寸有限或薄板的持久和蠕变试验，试样与夹具目前普遍采用销子连接的方式(见图1)，即：在U型夹具1-1和板状试样1-3夹持端加工同心圆孔，试验时利用与圆孔同直径的销子1-2穿过夹具与试样加持端，实现试样与夹具的连接。采用此种连接方式进行持久和蠕变试验时，容易产生如下问题：(1)试验时，试样夹持端圆孔承力侧极易被拉断；(2)对连接试样的销子强度和直径要求高，否则销子极易断裂，该情况在较高试验温度下更为明显；(3)销子在长期使用后易发生变形，影响试验同轴度及试样装夹，使性能数据可靠性降低；(4)当板状试样较薄时，试样与U型夹具之间空隙较大，试验时同轴度较难保证，从而对试验结果造成影响；(5)对试样夹持端尺寸有最低要求，无法实现小尺寸试样的测试。这些问题的存在，增加了试验失败的几率，降低了数据可靠性，提高了试验成本，尤其对于长寿命持久和蠕变试验，更会造成试验时间和资源的严重浪费。

技术实现要素：

本发明提出了一种适用于板状试样的高温持久蠕变试验夹具，试样与夹具主体采用夹持端悬挂连接方式。

本发明的技术解决方案是，该夹具包括夹具主体和垫块组件两部分，夹具主体为回字形长方体，内部为腔体，腔体短边尺寸大于垫块组件宽度，长边尺寸大于垫块组件高度，腔体开口一侧下端与夹具主体的下端之间开有贯通凹槽，贯通凹槽位于夹具主体下端的中心位置，贯通凹槽的宽度与板状试样平行段宽度相当，贯通凹槽的深度大于腔体深度50％，腔体的底部中心位置开有与垫块组件底部匹配的弧形槽；垫块组件分为两个元件，第一元件的形状与板状试样夹持端的形状相对应，第二元件在与板状试样过渡圆弧段相对应的位置处设有凸台，凸台的中心位置开纵向通槽，槽壁的外形面与板状试样过渡圆弧段的外形面相匹配，通槽的宽度与试样平行段宽度相匹配，通槽的深度为板状试样与第一元件厚度之和，通槽的深度保证板状试样的纵向轴线始终位于夹具主体的纵向轴线上，第二元件底部为与夹具主体的内部腔体底部弧形槽形状相同的弧面，第一元件和第二元件上均开有同心圆孔，夹具主体、垫块组件及板状试样的纵向轴线均在同一直线上；装夹板状试样时，将板状试样的平行段置于第二元件的凸台的通槽内并使板状试样夹持端上的圆孔与第二元件上的圆孔对正，再将第一元件扣在第二元件上并用螺栓将第一元件、板状试样及第二元件固定在一起，然后整体置入夹具主体的腔体内并使第二元件底部位于弧形槽内。

所述夹具主体为回字形长方体，内部为腔体，腔体短边尺寸略大于垫块组件宽度1～2mm，长边尺寸大于垫块组件的高度。

所述贯通凹槽位于夹具主体下端的中心位置，贯通凹槽的深度超过主体内腔深度一半位置2-3mm。

所述弧形槽槽面的宽度为内部腔体深度的1/3，半径与垫块元件2底部半径一致。

所述夹具主体内腔底部弧形槽槽底与主体底部之间的最小厚度范围为5～20mm。

所述垫块第二元件给板状试样预留的通槽深度范围为0.5～4.0mm，以0.5mm为一个间隔配置不同规格的垫块组件，并且确保针对任一规格垫块组件，板状试样均处于第一元件和第二元件的中间位置。

本发明具有的优点和有益效果

(1)试样与夹具的连接采用夹持端悬挂方式，克服了销子连接带来的试样夹持端断裂、销子断裂、销子变形等弊端，降低了试验失败几率、避免了数据不准和资源浪费等问题。

(2)采用不同规格垫块组件装夹试样，满足了不同厚度板状试样的测试需求，降低了测试成本，提高了试验灵活度。

(3)采用螺栓固定垫块组件与板状试样，可通过调节螺母松紧度使得整个连接系统达到最佳同轴度，避免了销子连接时板状试样同轴度不准对试验结果造成不利影响。

(4)底部为弧面的垫块组件与板状试样整体置入夹具内腔底部的弧形槽内，试验时可沿弧形槽底面调节垫块组件位置，便于整个连接系统达到最佳同轴度。

(5)本发明的结构不仅适用于板状试样高温持久和蠕变试验，还适用于板状试样室温、高温单轴拉伸、拉-拉疲劳等力学性能试验。

附图说明

图1是现有销子连接结构示意图。

图2是本发明夹具主体结构示意图，其中，a是平面图，b是立体图。

图3是本发明垫块组件结构示意图。

图4是本发明夹具主体、垫块组件及试样装配结构示意图。

图5是本发明夹具与试样装配完成后整个连接系统的结构示意图。

具体实施方式

以下参照附图解释根据本发明的具体实施案例。

该夹具包括夹具主体和垫块组件两部分，夹具主体(见图2)为回字形长方体2-1，内部为腔体，腔体短边2-3尺寸大于垫块宽度，长边2-2尺寸大于垫块高度，腔体开口一侧下端与夹具主体的下端之间开有贯通凹槽2-4，贯通凹槽位于夹具主体下端的中心位置，贯通凹槽的宽度与板状试样平行段宽度相当，贯通凹槽的深度大于腔体深度50％，腔体的底部中心位置开有与垫块组件底部匹配的弧形槽2-5；垫块组件(见图3)分为两个元件，元件3-1的形状与板状试样夹持端3-2的形状相对应，元件3-3在与板状试样过渡圆弧段3-4相对应的位置处设有凸台3-5，凸台3-5的中心位置开纵向通槽3-6，槽壁的外形面与板状试样过渡圆弧段3-4的外形面相匹配，通槽3-6的宽度与试样平行段3-7宽度相匹配，通槽3-6的深度为板状试样与元件3-1厚度之和，通槽3-6的深度保证板状试样的纵向轴线始终位于夹具主体的纵向轴线上，元件3-3底部为与夹具主体的内部腔体底部弧形槽2-5形状相同的弧面，元件3-1和元件3-3上均开有同心圆孔，夹具主体、垫块组件及板状试样的纵向轴线均在同一直线上。

试验前，可预先在操作台上完成垫块组件与板材试样的装夹，具体见图4。将板状试样的平行段3-7置于元件3-3的凸台3-5的通槽3-6内并使板状试样夹持端3-2上的圆孔与元件3-3上的圆孔对正，再将元件3-1扣在元件3-3上并用螺栓3-8将元件3-1、板状试样及元件3-3固定在一起，然后整体置入夹具主体2的腔体内并使元件3-3底部位于腔体底部的弧形槽2-5内，即完成板状试样与夹具主体的连接，整个连接系统的结构示意图见图5。

夹具主体内腔的短边2-3尺寸略大于垫块元件3-3宽度1～2mm，其目的是：(1)便于垫块组件与板状试样整体顺利置入主体内腔；(2)试验前可沿内腔底部弧形槽2-5的弧线方向调节垫块组件，保证连接系统具有最佳同轴度。

夹具主体内腔开口一侧下端与夹具主体的下端之间所开贯通凹槽2-4的深度超过内腔深度一半位置2-3mm，该凹槽是装夹完成后板状试样平行段3-7所处的位置，其深度超过内腔深度一半位置2-3mm可保证板状试样处于整个连接系统的轴线上且不会接触到凹槽底。

夹具主体内腔底部用于放置垫块组件的弧形槽2-5的宽度与垫块元件3-3底部厚度一致，均为内腔深度的1/3，其目的是：(1)垫块组件在试验时会承受载荷，易发生损坏，更换频率高，最大限度减小垫块元件3-3底部厚度尺寸，可有效降低试验成本；(2)垫块元件3-3底部亦需保持一定的厚度，确保试验时与弧形槽2-5有较大的接触面，降低夹具主体底部的受力，避免其破坏，弧形槽2-5底面与夹具主体底部之间的最小厚度范围为5～20mm，确保夹具主体底部有足够的承载力。

为了适应不同厚度板状试样的测试需求，垫块元件3-3给板状试样预留的通槽深度范围为0.5～4.0mm，以0.5mm为一个间隔，可加工8种规格的垫块组件，并且确保针对任一规格垫块组件，板状试样均处于元件3-1和3-3的中间位置。试验时，通过更换不同规格垫块组件实现不同厚度试样的测试，降低测试成本，提高试验灵活度。

夹具主体(见图2)可采用等轴晶高温合金、定向凝固高温合金和单晶高温合金等可耐受1000C以上温度的高温结构材料直接铸造而成，当然，也可选用其它具有更高耐温能力、更高强度的材料。

垫块组件(见图3)可选用与夹具主体材料相同的材料，通过机械加工的方法加工而成，也可选用其他具有更高耐温能力、更高强度的材料(如：耐高温陶瓷等)加工而成。

实施例

例中试样厚度尺寸为1.5mm，选取相应规格的垫块组件开展试验。试验前，先在操作台上完成板状试样与垫块组件的装夹。装夹试样时，螺母不用拧太紧，使元件3-1、3-3与试样夹持端3-2达到良好接触即可。然后，将垫块组件与板状试样整体置入夹具内腔底部的弧形槽内，完成夹具与板状试样的连接。

对于尺寸有限的材料，可适当缩减板状试样夹持端尺寸，必要时板状试样夹持端可以不加工圆孔，不影响试样的装夹及持久蠕变试验。