一种适用于非标小试样蠕变性能测试的多功能夹具的制作方法

本发明是一种适用于非标小试样蠕变性能测试的多功能夹具，属于力学性能测试技术领域。

背景技术：

金属材料的蠕变指在恒定温度和恒定负荷作用下，材料随时间产生变形的现象。航空航天发动机、燃气轮机、压力容器等在服役过程中，其关键零部件长期承受高温恒载作用，极易产生蠕变现象，发生蠕变破坏。在材料工程化应用之前，对其蠕变性能进行测试和评价，获取材料在不同温度条件下的蠕变变形曲线和蠕变极限，对于上述装备的高温零部件设计、定寿、制造、维修和失效分析等具有重要意义。材料蠕变性能测试的具体方法是：在规定温度下，对光滑等截面试样施加恒定载荷，利用引伸计测量试样标距段随时间产生的变形，记录时间-变形数据。为了便于引伸计装夹，被测试样两端需加工凸耳，并保留一定长度的装夹空间，试样应具有较长的标距段(一般至少为16mm)以适应引伸计最小量程，标距段直径一般至少为5mm，以防止凸耳与标距段直径悬殊，导致凸耳强度降低，这样以来，一根蠕变试样的总长度往往约需100mm甚至更多。航空发动机以及燃气轮机内部使用大量的复杂薄壁结构(如空心涡轮叶片的最薄壁厚约为零点几个毫米等)，由于材料蠕变性能存在尺寸效应，传统标准试样的蠕变性能数据无法满足复杂薄壁结构的设计需求，这就需要开展零部件(如叶片)本体取样或者设计与零部件壁厚相当的薄壁(或圆棒)小试样的蠕变试验，获取适应零部件本体尺寸范围的蠕变性能数据。

长期以来，由于机械式引伸计对试样尺寸的要求高，非接触测量方法准确度低，高温测量效果差等原因，增加了小试样蠕变变形的测量难度，缺乏成熟可靠的小试样蠕变测试技术及方案，成为影响发动机以及燃气轮机复杂薄壁结构设计的主要因素之一。

技术实现要素：

本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种适用于非标小试样蠕变性能测试的多功能夹具，其目的是满足非标小试样蠕变性能测试的需求。该夹具充分考虑当前结构设计和强度计算所需的多种试样形式，如薄壁板状小试样、小直径圆棒试样、薄壁管材等，突破小试样蠕变测试技术瓶颈，并实现一副夹具，多种用途，以便降低测试成本、简化测试步骤、提高测试效率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种适用于非标小试样蠕变性能测试的多功能夹具，其特征在于：该夹具包括两个与试验机拉杆连接的连接杆，两个连接杆的形状及结构相同，连接杆是由上、中、下三段构成，其中：

上段1为圆柱状，直径为8～10mm，外表面加工有螺纹与试验机拉杆连接，沿中轴线从顶端向内加工一螺纹孔2，该螺纹孔2这盲孔，在该螺纹孔2的侧面加工一个沿径向贯通上段1圆柱体的销孔Ⅰ3，沿上段1为圆柱状；

下段4为圆柱体，直径为10～20mm，外表面加工有螺纹与试验机拉杆连接，沿中轴线从顶端向内加工一带台阶的台阶螺纹孔5，沿中轴线从顶端向内加工一沿径向贯通的夹槽6，在该夹槽6的侧面加工一个沿径向贯通下段4圆柱体的销孔Ⅱ7；

上段1和下段4之间为环状的凸起8用于连接引伸计。

进一步，上段1和下段4的长度相等。

进一步，夹槽6的深度沿中轴线到达台阶螺纹孔5的台阶位置。

进一步，该夹具采用耐高温陶瓷材料制造以满足1800℃蠕变性能测试的要求。

进一步，螺纹孔2的直径为孔径2.5mm，孔深10mm～15mm。

进一步，台阶螺纹孔5的深度为20mm，台阶面上部的孔径为3mm，台阶面上部的孔径为2mm。

进一步，夹槽6的宽度为2mm。

进一步，环状的凸起8的侧面为直径2mm的半圆，环状的凸起8突出下段4的圆柱体侧面5mm。

本发明的设计理念是利用夹具替代非标小试样两端用于固定和连接引伸计的部分，将原来属于试样的这部分结构转移到夹具上，避开直接测量小试样标距段变形的固有逻辑，由于夹具在试验中相对非标小试样来说几乎不发生形变，所以，夹具的变形可忽略不计，所以，通过连接在夹具上的引伸计所测量的夹具与小试样的总变形，就可以作为小试样的蠕变变形结果。

本发明中夹具的选材与所适用的试样材料与温度范围如下：

附图说明

图1是本发明夹具主体结构示意图

图2为图1的剖视图

图3是本发明所适用的薄板小试样、圆棒小试样、薄壁圆管试样示意图

图4是本夹具上段与试验机拉杆连接的装夹方式与变形测量结构示意图

图5是本夹具下段与试验机拉杆连接的装夹方式与变形测量结构示意图

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。

参见图1至图5，该种适用于非标小试样蠕变性能测试的多功能夹具，其特征在于：该夹具采用耐高温陶瓷材料制造以满足1800℃蠕变性能测试的要求，该夹具包括两个与试验机拉杆连接的连接杆，两个连接杆的形状及结构相同，连接杆是由上、中、下三段构成，上段1和下段4的长度相等，其中：

上段1为圆柱状，直径为8～10mm，外表面加工有螺纹与试验机拉杆连接，沿中轴线从顶端向内加工一螺纹孔2，该螺纹孔2这盲孔，螺纹孔2的直径为孔径2.5mm，孔深10mm～15mm，在该螺纹孔2的侧面加工一个沿径向贯通上段1圆柱体的销孔Ⅰ3，沿上段1为圆柱状；

下段4为圆柱体，直径为10～20mm，外表面加工有螺纹与试验机拉杆连接，沿中轴线从顶端向内加工一带台阶的台阶螺纹孔5，台阶螺纹孔5的深度为20mm，台阶面上部的孔径为3mm，台阶面上部的孔径为2mm，沿中轴线从顶端向内加工一沿径向贯通的夹槽6，夹槽6的宽度为2mm，夹槽6的深度沿中轴线到达台阶螺纹孔5的台阶位置，在该夹槽6的侧面加工一个沿径向贯通下段4圆柱体的销孔Ⅱ7；

上段1和下段4之间为环状的凸起8用于连接引伸计。环状的凸起8的侧面为直径2mm的半圆，环状的凸起8突出下段4的圆柱体侧面5mm。

本发明所述夹具的使用方法是：

试验前，根据待测试样的规格和尺寸确定合适的装夹方式，然后取出本发明夹具一副，两个，将一个一端圆柱与试验机拉杆进行螺纹连接；随后开始在上夹具安装试样，对于薄板小试样8，通过夹槽6和销钉进行装夹；对于圆棒小试样9，通过夹具的上段1的螺纹孔2或下段4的台阶螺纹孔5进行螺纹装夹；对于薄壁圆管试样9，通过夹具的上段1的销孔Ⅰ3或下段4的销孔Ⅱ7进行装夹；上方的一个夹具完成试样安装后，将引伸计的套环装夹在的环状的凸起8上，然后依次完成下方夹具的试样装夹和引伸计在下方夹具的环状的凸起8上的安装，即完成整个测试系统的安装。

试验时，随着时间的延续，引伸计测量两个夹具的环状的凸起8之间区域的变形，包括夹具的变形和试样工作段之间的变形两部分，通过本发明的合理设计，夹具的变形εj可以完全忽略，则所测得的总变形εt即为试样工作段的变形εs。

整个夹具的结构简单，安装过程简便易行，在实现试验目的的同时有效提升了试验效率、确保了系统的稳定运行。

实施例1

本实施例中，采用碳化硅陶瓷材料制成夹具。

所述的上段1的直径为8mm，外表面带有螺纹，螺纹长度占上段1长度的2/3，其余1/3无螺纹部分靠近环状的凸起8，螺纹孔2的孔径2.5mm，孔深10mm，孔内表面带有螺纹，销孔Ⅰ3孔径3mm，其中心距上段圆柱1顶端面3mm，该圆孔配有与其内径紧配合的圆柱形销钉，长度大于上段1直径5mm。

所述的下段4直径10mm，外表面带有螺纹，螺纹长度占下段长度的2/3，其余1/3无螺纹部分靠近环状的凸起8，台阶螺纹孔5孔深20mm，台阶面位于中间，上方的孔径为3mm，下方的孔径为2mm，台阶螺纹孔5内表面带有螺纹，夹槽6槽宽2mm，槽深10mm，销孔Ⅱ7孔径3mm，其中心距台阶面3mm，配有与其内径紧配合的圆柱形销钉，长度大于下段2直径5mm；

所述的环状的凸起8厚2mm，直径比下段4大5mm，侧面形状为直径2mm的半圆。

本实施例中，被测试样是总长34mm、厚度0.8mm的镍基单晶合金薄板小试样，试验温度1000℃，试样为哑铃状，平行段长度10mm，夹持端长度10mm，孔径3mm。将试样通过夹槽6和销钉进行连接，可实现该试样的蠕变性能测试，试样主要变形部位为中间的平行段。

实施例2

本实施例中，采用定向凝固镍基高温合金DZ125制成夹具；

所述的上段1的直径为8mm，外表面带有螺纹，螺纹长度占上段1长度的2/3，其余1/3无螺纹部分靠近环状的凸起8，螺纹孔2的孔径2.5mm，孔深10mm，孔内表面带有螺纹，销孔Ⅰ3孔径3mm，其中心距上段圆柱1顶端面3mm，该圆孔配有与其内径紧配合的圆柱形销钉，长度大于上段1直径5mm。

所述的下段4直径10mm，外表面带有螺纹，螺纹长度占下段长度的2/3，其余1/3无螺纹部分靠近环状的凸起8，台阶螺纹孔5孔深20mm，台阶面位于中间，上方的孔径为3mm，下方的孔径为2mm，台阶螺纹孔5内表面带有螺纹，夹槽6槽宽2mm，槽深10mm，销孔Ⅱ7孔径3mm，其中心距台阶面3mm，配有与其内径紧配合的圆柱形销钉，长度大于下段2直径5mm；

所述的环状的凸起8厚2mm，直径比下段4大5mm，侧面形状为直径2mm的半圆。

本实施例中，被测试样是总长50mm，直径3mm的TiAl金属间化合物合金圆棒，试验温度750℃，试样两端分别加工有长度10mm的螺纹。将试样两端拧入夹具下段4的台阶螺纹孔5内，可实现该试样的蠕变性能测试，试样主要变形部位为螺纹中间的光滑圆棒区域。

实施例3

本实施例中，采用DD6单晶合金制成夹具。

所述的上段1的直径为8mm，外表面带有螺纹，螺纹长度占上段1长度的2/3，其余1/3无螺纹部分靠近环状的凸起8，螺纹孔2的孔径2.5mm，孔深10mm，孔内表面带有螺纹，销孔Ⅰ3孔径4mm，其中心距上段圆柱1顶端面3mm，该圆孔配有与其内径紧配合的圆柱形销钉，长度大于上段1直径5mm。

所述的下段4直径10mm，外表面带有螺纹，螺纹长度占下段长度的2/3，其余1/3无螺纹部分靠近环状的凸起8，台阶螺纹孔5孔深20mm，台阶面位于中间，上方的孔径为3mm，下方的孔径为2mm，台阶螺纹孔5内表面带有螺纹，夹槽6槽宽2mm，槽深10mm，销孔Ⅱ7孔径3mm，其中心距台阶面3mm，配有与其内径紧配合的圆柱形销钉，长度大于下段2直径5mm；

所述的环状的凸起8厚2mm，直径比下段4大5mm，侧面形状为直径2mm的半圆。

本实施例中，被测试样是总长40mm，内径8mm，厚度1mm的钛合金圆管，试验温度400℃，圆管两端加工有直径4mm的贯穿孔，靠近圆管口的孔边距离管口6mm。将圆管试样套在夹具的上段1外螺纹区，用销钉进行连接，可实现该试样的蠕变性能测试，试样主要变形部位为销孔之间的圆管区域。