复合材料螺栓受力与热作用后剩余强度的测试方法及装置与流程

本发明涉及陶瓷基复合材料螺栓的强度测试方法及装置，具体涉及复合材料螺栓受力与热作用后剩余强度的测试方法及装置。

背景技术：

1、陶瓷基复合材料是一种集金属材料、陶瓷材料和碳材料性能优点于一身的热结构/功能一体化新型材料，具有耐高温、低密度、高比强、高比模、抗氧化、抗烧蚀、对裂纹不敏感以及不发生灾难性毁损等特点，在机械、航空航天、核、能源等领域有着广泛的应用。目前国内外复合材料构件成型方式主要有整体成型法和装配法两种。整体成型法是将构件通过整体缝合编织直接成型。装配法是将构件进行零件化分解，降低构件的成型难度，提高构件的可维修性，零件成型后进行构件的装配，同时使用复合材料连接件进行紧固连接，形成构件装配体，构件装配体再通过气相沉积法使零件装配体与复合材料连接件之间最终通过陶瓷基体结合形成最终构件产品。

2、采用装配法对构件进行装配过程中，经常使用不同规格的陶瓷基复合材料螺栓对零件进行紧固连接。装配过程中，陶瓷基复合材料螺栓紧固后需要在多次高温环境下进行长时间的气相沉积，构件产品服役过程中也需历经高温环境下的热冲击。在历经上述过程中后，陶瓷基复合材料螺栓在预紧应力和热应力共同作用下是否存在微结构损伤，目前检测手段均无法进行有效检测和评价。因此急需一种能够有效检测和准确评估陶瓷基复合材料螺栓在预紧应力和热应力共同作用下是否存在微结构损伤的方法，为评价构件产品是否具备重复使用条件提供重要依据。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决目前缺乏对陶瓷基复合材料螺栓在预紧力作用下历经热环境服役后是否存在微结构损伤进行有效检测的检测方法的技术问题，而提供复合材料螺栓受力与热作用后剩余强度的测试方法及装置。

2、本发明的构思是：通过制备陶瓷基复合材料螺栓连接标准样块，在历经气相高温沉积或其他构件产品服役环境工况后配套专用测试装置对螺栓剩余连接拉伸强度测试。通过与同规格螺栓非预紧状态下拉伸强度的对比分析，从而确定预紧条件下螺栓在经过高温环境下气相沉积及高温服役环境后是否存在微结构损伤，为评价构件产品是否具备重复使用条件提供依据。

3、本发明的技术解决方案是：

4、一种复合材料螺栓受力与热作用后剩余强度的测试方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

5、1)制备得到多个螺栓连接测试样块，均分成待测组和参照组；

6、所述螺栓连接测试样块模拟构件中螺栓与零件的连接状态；

7、2)对待测组中的螺栓连接测试样块，分别施加预紧力，施加的预紧力与螺栓在构件中的预紧力相同；

8、3)对待测组中的螺栓连接测试样块进行表面清理，保证洁净无异物，随后对待测组中的螺栓连接测试样块分别进行化学气相沉积，进行化学气相沉积的条件和指标要求与构件的相同；

9、4)将待测组中的螺栓连接测试样块安装在测试装置中，安装到位后，将测试装置装夹到拉伸测试设备上；进行拉伸测试并记录数据；重复操作，直至待测组的所有螺栓连接测试样块测完，剔除无效数据，计算得到拉伸强度，取平均值；

10、5)按照步骤4)的拉伸测试操作方法，将参照组的所有螺栓连接测试样块测完，剔除无效数据，计算得到拉伸强度，取平均值；

11、6)将步骤4)和步骤5)的拉伸强度平均值进行对比，若步骤4)的平均值小于步骤5)的平均值，则表示在预紧应力和气相沉积带来的热应力共同作用下存在微结构损伤；

12、若步骤4)的平均值大于等于步骤5)的平均值，则表示在预紧应力和气相沉积带来的热应力共同作用不存在微结构损伤。

13、进一步地，步骤4)和步骤5)中，计算得到拉伸强度的数据不少于十个。

14、进一步地，步骤1)中，所述螺栓连接测试样块包括复材螺栓、套设在复材螺栓上的两个复材螺母、预紧支撑块和两个台阶垫板；

15、所述预紧支撑块套设在复材螺栓中部；

16、所述两个台阶垫板分别套设在复材螺栓两端，且两个台阶垫板的内端分别与预紧支撑块的两端接触；

17、所述两个复材螺母与复材螺栓的螺纹配合，分别设置在复材螺栓两端，且两个复材螺母分别与两个台阶垫板的外端接触；

18、所述台阶垫板的外径尺寸大于预紧支撑块和复材螺母的外径尺寸。

19、进一步地，步骤1)中，制备得到多个螺栓连接测试样块的方法为：

20、s1)分别制备多个复材螺栓、多个复材螺母、多个预紧支撑块和多个台阶垫板；

21、s2)分别对多个复材螺栓、多个复材螺母、多个预紧支撑块和多个台阶垫板进行外观尺寸检测、密度检测和x射线无损检测，剔除不合格品，保证所留下的复材螺栓、复材螺母、预紧支撑块和台阶垫板，相同零件的材料质量是相同的；

22、s3)将复材螺栓、复材螺母、预紧支撑块和台阶垫板进行组装，重复组装操作，得到多个螺栓连接测试样块；

23、s4)分别对多个螺栓连接测试样块进行外观尺寸检测、密度检测和x射线无损检测，剔除不合格品，保证留下的每个螺栓连接测试样块材料质量的一致性；

24、s5)从留下的多个螺栓连接测试样块中选取偶数个。

25、进一步地，步骤4)和步骤5)中，所述拉伸测试按设定加载速率1mm/min均匀加载，直至螺栓连接测试样块断裂，记录数据；观察螺栓连接测试样块的断口、破坏形式及位置，若存在异常则视为无效数据剔除；

26、所述拉伸强度按如下公式计算：

27、

28、σb：拉伸强度，单位为兆帕(mpa)；

29、as：螺纹的应力截面积，单位为平方毫米(mm2)；

30、fmax：为螺栓的最大拉伸破坏载荷，单位为牛顿(n)。

31、进一步地，步骤4)中，所述剔除无效数据是指剔除断口、破坏形式及位置存在异常现象的螺栓连接测试样块的测试数据。

32、同时，本发明提供了一种复合材料螺栓受力与热作用后剩余强度的测试装置，用于上述复合材料螺栓受力与热作用后剩余强度的测试方法，在步骤4)中安装螺栓连接测试样块，其特殊之处在于：

33、包括头部安装件和尾部安装件；

34、所述头部安装件的上端面同轴设置第一圆柱凸台，第一圆柱凸台的外径与拉伸测试设备的上装夹口适配；

35、所述头部安装件内设置有一侧开口的第一中空腔室；所述头部安装件下端沿径向设置开口朝外且过轴心的第一安装孔，头部安装件下端位于第一安装孔的下方位置处，沿第一安装孔开口端到内端依次同轴设置有外径大于台阶垫板外径的第一安装槽和第二安装槽，且第二安装槽外径大于第一安装槽外径，第一安装槽和第二安装槽平滑过渡；

36、所述第二安装槽的内型面及尺寸与尾部安装件的外型面及尺寸适配，尾部安装件上端插入到第二安装槽内，尾部安装件上端外型面与第二安装槽内型面之间互相贴合，且头部安装件和尾部安装件同轴；

37、所述尾部安装件上端设置有一侧开口的第二中空腔室，且第二中空腔室与第一中空腔室开口朝向一致；所述尾部安装件上端设置有与第一安装孔对应的第二安装孔；

38、所述尾部安装件的下端设置有第二圆柱凸台，第二圆柱凸台的外径与拉伸测试设备的下装夹口适配；

39、所述第一安装孔和第二安装孔的外径与预紧支撑块的外径相适配，第一安装孔和第二安装孔用于螺栓连接测试样块安装时预紧支撑块插入，且第一安装孔和第二安装孔的内壁与预紧支撑块的外壁接触；

40、所述第一安装孔和第二安装孔沿径向的长度，保证安装后，螺栓连接测试样块与头部安装件和尾部安装件共轴；

41、所述第一中空腔室底部内表面和第二中空腔室顶部内表面分别用于与两个台阶垫板接触，且第一中空腔室底部内表面和第二中空腔室顶部内表面与轴线垂直。

42、进一步地，所述第一安装孔内端设置有与预紧支撑块外壁相适配的圆弧曲面，预紧支撑块安装到位后，其外壁与圆弧曲面贴合接触。

43、本发明的有益效果是：

44、(1)本发明复合材料螺栓受力与热作用后剩余强度的测试方法，螺栓连接测试样块模拟构件中螺栓与零件的连接状态，将施加预紧力和历经高温化学气相沉积的待测组和未施加预紧力和未历经高温化学气相沉积的参照组，分别进行拉伸强度测试并进行对比，可快速客观准确的知道预紧条件下螺栓在经过高温环境下气相沉积及高温服役环境后是否存在微结构损伤。

45、(2)本发明复合材料螺栓受力与热作用后剩余强度的测试方法，提供了一种可带预紧应力的陶瓷基复合材料螺栓连接测试样块，结构简单，可直观复现构件中螺栓与零件连接的状态，结构简单，易于制备，模拟度高，可以真实还原或模拟复合材料结构件在制备和使用过程中的历经环境和载荷工况。

46、(3)本发明复合材料螺栓受力与热作用后剩余强度的测试方法，提供了一种陶瓷基复合材料螺栓连接测试样块的制备方法，操作简单，快速，且能通过外观尺寸检测、密度检测和x射线无损检测保证材料的一致性，确保测试准确。

47、(4)本发明复合材料螺栓受力与热作用后剩余强度的测试装置，与螺栓连接测试样块配合使用，可以实现快速准确定位，有效减少定位不准带来的测试加载过程中偏载问题。解决了普通测试装置不能对中而导致的测试数据失真的问题。另外相对其它测试装置可以大幅减少测试的准备时间。此外，测试装置结构简单，稳定性高，与螺栓连接测试样块具有高度的同轴精度，确保拉伸数据的准确可靠。