非比例試樣拉伸試驗(yàn)用夾具的設(shè)計(jì)

史佳怡　金佳琳　徐仲呈

摘 要：拉伸試驗(yàn)機(jī)所進(jìn)行的拉伸試驗(yàn)，是材料科學(xué)和工程中一種基本物質(zhì)張力的測(cè)試。極限抗拉強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、最大伸長(zhǎng)量和斷面縮率等基本金屬力學(xué)性能可使用拉伸試驗(yàn)測(cè)量。楊氏模量、泊松比、屈服強(qiáng)度、加工硬化也可以通過(guò)直接或間接的測(cè)量得到一個(gè)準(zhǔn)確的結(jié)果。但因拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)于拉伸試棒夾持段長(zhǎng)度的限制，夾持段較短的試樣拉伸時(shí)無(wú)法穩(wěn)定的完成拉伸試驗(yàn)。本研究項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種可拉伸短型試棒的新型拉伸夾具，該夾具通過(guò)內(nèi)自鎖緊設(shè)計(jì)能穩(wěn)定、均勻的拉伸試驗(yàn)試棒。

關(guān)鍵詞：拉伸試驗(yàn)機(jī) 夾具 試樣夾持段 自鎖緊

The Fixture Design of Non Proportional Sample for Tensile Test

Shi Jiayi，Jin Jialing，Xu Zhongcheng

Abstract：The tensile test carried out by tensile testing machine is a basic material tension test in material science and engineering. The ultimate tensile strength， breaking strength， maximum elongation and reduction of section can be measured by tensile test. Young's modulus， Poisson's ratio， yield strength and work hardening can also be measured directly or indirectly. However， due to the limitation of the length of the clamping section of the tensile testing machine， the sample with short clamping section can not complete the tensile test stably. In this research project， a new type of tensile fixture for tensile short test bar is designed. The fixture can stably and evenly stretch the test bar through internal self-locking design.

Key words：tensile testing machine， fixture， sample clamping section， self-locking

1 引言

拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)，是研究金屬力學(xué)性能最基本的試驗(yàn)器材，被檢材料可制成比例試樣或非比例試樣，在條件許可的情況下，優(yōu)先選用比例試樣。比例試樣被定義為其原始標(biāo)距與原始橫截面積成一定比例的試樣，短比例試樣的比例系數(shù)K的值為5.65，原始標(biāo)距應(yīng)不小于15mm。當(dāng)試樣橫截面積較小，當(dāng)使用比例系數(shù)k=5.65的值時(shí)，若不符合最小標(biāo)距要求，可以采用k=11.3的長(zhǎng)比例試樣代替試驗(yàn)。原始標(biāo)距在未進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)試樣長(zhǎng)度的原始長(zhǎng)度，此數(shù)值是在制作試樣時(shí)就固定的，而在夾持段的長(zhǎng)度沒(méi)有明確的要求的情況下，故造成購(gòu)買的短比例試樣出現(xiàn)了實(shí)際夾持段較短的情況。由于較短的夾持段，試棒與夾具的接觸面積較小，拉伸試驗(yàn)機(jī)的鋸齒無(wú)法提供足夠的摩擦力，與試驗(yàn)要求的拉斷試棒的力有較大差距，使得試驗(yàn)機(jī)無(wú)法提供足夠的拉力，拉斷試棒。

在要求試棒必須夾持至夾具三分之二處位置的前提下，為了獲得提供給試棒足夠軸向拉力所需要的摩擦力，平行段處于夾具內(nèi)部，如圖1所示，對(duì)于試驗(yàn)斷點(diǎn)的判斷存在阻礙，試樣形狀不正確、夾頭的結(jié)構(gòu)和安裝不正確等原因會(huì)產(chǎn)生偏心力，偏心力會(huì)使試樣產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力，從而使試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生誤差，對(duì)脆性材料，這種影響更為顯著。

在滿足平行段夾持的試驗(yàn)時(shí)，如圖2所示，平行段要求滿足，試棒的夾持位置小于夾持要求的三分之二，因?yàn)閵A持距離短，接觸面小，試驗(yàn)過(guò)程中極易打滑，脫落，使固定方式失效，對(duì)人員，設(shè)備產(chǎn)生危險(xiǎn)，故現(xiàn)需要通過(guò)類似加長(zhǎng)桿的裝置，加長(zhǎng)試樣，增加接觸面積，問(wèn)題的產(chǎn)生是因?yàn)闊o(wú)法同時(shí)滿足夾持段與平行段的要求造成試驗(yàn)無(wú)法正常進(jìn)行，解決這個(gè)問(wèn)題的方法就是增加試棒與夾具的受力面積，盡可能的增加受力點(diǎn)，為此設(shè)計(jì)了具有開(kāi)合機(jī)構(gòu)，限位機(jī)構(gòu)，緊密貼合試棒尺寸形狀，帶有防滑紋的夾套，如圖3。

在拉伸試驗(yàn)機(jī)的力是由液壓油缸產(chǎn)生的，經(jīng)由萬(wàn)能夾塊借助，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的夾套傳導(dǎo)到試棒上，減少力在這個(gè)系統(tǒng)中的損耗就能讓試驗(yàn)力更加穩(wěn)定全面的傳遞到試棒的平行段上。

利用加工時(shí)試棒所形成的R10的減應(yīng)力圓弧過(guò)渡，其在于夾具配和時(shí)形成限位，利用固定于小夾具接合部分的彈簧，給試棒一個(gè)試驗(yàn)機(jī)拉伸力反方向的力，進(jìn)一步保證小夾具與試棒的接觸穩(wěn)定，保證其擁有足夠的拉力和穩(wěn)定的接觸（如圖5）。

對(duì)于夾套的選材，要考慮到其工作時(shí)的狀態(tài)，在假設(shè)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)45號(hào)鋼抗拉強(qiáng)度≥600 （MPa） 的前提下，拉伸力大量集中在套筒前端，應(yīng)力集中易導(dǎo)致金屬微裂紋的擴(kuò)張，造成斷裂，且拉伸試驗(yàn)的過(guò)程屬于循環(huán)應(yīng)力，極易造成金屬疲勞，疲勞斷裂（如圖6），對(duì)此要在確保經(jīng)濟(jì)性和可加工性的前提下盡量的選擇屈服強(qiáng)度高，抗拉強(qiáng)度大，伸長(zhǎng)率小的材料，綜合一系列材料的性質(zhì)，最終選擇了40Cr合金鋼，其是按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的，具有明確性能指標(biāo)的鋼種，素體胚料經(jīng)過(guò)處理后能得到良好的力學(xué)性能，在低溫下有良好的耐沖擊韌性和較低的缺口敏感性，經(jīng)熱處理后可強(qiáng)化其塑性、韌性和耐磨性。對(duì)于彈簧材料的選擇，采用輕荷重的KF14*40的彈簧，在鉗口兩側(cè)開(kāi)出對(duì)稱的固定銷，經(jīng)過(guò)模擬使合線偏移1度，增加接觸壓強(qiáng)。

2 結(jié)語(yǔ)

在備選夾具材料經(jīng)過(guò)回火，退火，調(diào)質(zhì)，表面硬化，銑削加工后，能在滿足工作需要的前提下確保其安全性和穩(wěn)定性，可以用于拉伸試驗(yàn)。

本文系參與2019江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)201913114016Y。

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