一种适应拉压载荷的CT试样裂纹扩展试验夹具

摘要

本发明公开了一种适应拉压载荷的CT试样裂纹扩展试验夹具，可以实现对CT试样施加稳定的拉压交变载荷。夹头与特制的CT试样通过销钉连接；楔形块的斜面与夹头的斜槽贴合，楔形块的上表面与压块的底面贴合；压块的圆弧形凸出卡住特制的CT试样的缺口；套箍套住夹头，紧固螺钉与套箍通过螺纹连接，并顶住楔形块侧面；金属杆上端的螺纹穿过紧固螺母，与夹头底部的螺纹孔连接，金属杆下端的螺纹穿过紧固盘中心的螺纹孔，与疲劳机夹具连接；紧固螺母与夹头底面贴合；紧固盘上安装一圈螺钉；螺钉顶住疲劳机夹具。本发明可以保证拉压交变载荷加载时夹具、试样间不产生间隙，并保持加载轴线不变。同时，本发明适应不同尺寸的CT试样，且安装方便。

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料疲劳性能试验设备，尤其是金属材料的单轴拉伸/压缩疲劳试验夹具的设计制造领域，特别涉及一种适应拉压载荷的CT试样裂纹扩展试验夹具。

背景技术

航空发动机转子部件承受巨大的疲劳载荷，且大多处于高温、腐蚀的环境，容易产生裂纹。在压气机叶片、压气机盘、涡轮叶片、涡轮盘等部件上的裂纹会对航空发动机使用的安全性造成严重影响。因此有必要对旋转部件在疲劳载荷下的裂纹扩展速率进行研究。有研究表明，裂纹扩展的速率与疲劳载荷的应力比等特征参数有密切的关系，处于拉-拉疲劳载荷与拉-压疲劳载荷下的裂纹扩展速率有较大区别。因此需要设计不同应力比的疲劳载荷下的裂纹扩展试验，这就要求试验夹具能够适应拉-压、拉-拉等不同应力比的疲劳载荷。

GB-T6398中推荐的标准紧凑拉伸试样(简称CT试样)，可以进行一类裂纹的扩展速率的试验研究。通过销钉孔施加轴向的疲劳载荷，在预制裂纹的位置产生应力集中，引起裂纹的萌生和扩展。但是在施加拉-压疲劳载荷时，试验夹具存在着显著的问题：载荷在拉力和压力之间变化的过程中，不可避免地会经过载荷为零的状态。如果采用销钉间隙配合安装试件，则会在载荷为零时出现一段空程，不利于疲劳机的加载，也与实际的疲劳载荷不符，同时还会造成对销钉的冲击载荷，引起销钉疲劳失效。

中国发明专利CN 105004607A公开了一种万能试验机拉压一体化实验夹具，但其主要解决的问题是受压时板件屈曲的问题，不能直接解决CT试样拉压载荷变化时的空程问题。

中国发明专利CN 106885729A公开了一种平板试件的高温拉压疲劳试验夹具，可以解决楔形摩擦夹头反向加载时松动的问题。但是CT试样原本通过销钉与夹具连接，若改用摩擦连接，则会引起加载轴线改变，影响实验结果。因此也不能解决CT试样拉压试验中的问题。

中国发明专利CN 104792612A公开了一种空心圆棒试件的高温拉压疲劳试验夹具，解决了空心圆棒试件拉压过程中螺纹间隙的问题。但是夹具只适用于圆棒标准试样，不能应用于CT试样。

中国实用新型CN 205898563U公开了一种用于薄壁平板试件高频疲劳试验液压夹持装置。但是该夹持方式不能适用于CT试样的试验，尤其是其无法保证加载轴线为试验设计的方向。

综上，现有试验夹具的设计不能用于CT试样裂纹扩展试验过程中拉压载荷的实现，需要另行设计夹具以适应拉压疲劳载荷。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术上的问题，提供一种适应拉压载荷的CT试样裂纹扩展试验夹具，满足CT试样拉压疲劳载荷下夹持的需求，具体要求包括：(1)解决拉压疲劳载荷变化过程中夹具的空程；(2)保证无论是拉力还是压力，加载轴线保持不变；(3)对不同尺寸的CT试样，夹具更换方便；(4)装配方便。

本发明的解决方案是：一种适应拉压载荷的CT试样裂纹扩展试验夹具，包括：夹头、楔形块、压块、套箍、紧固螺钉、销钉、特制的CT试样、金属杆、紧固螺母、紧固盘和螺钉；夹头上开销钉孔，通过销钉与特制的CT试样连接；楔形块的斜面与夹头内侧的斜面接触；压块下表面与楔形块的上表面接触，压块上表面有圆弧形凸出，卡住特制的CT试样的下表面的缺口；套箍套住夹头；紧固螺钉与套箍上的螺纹孔连接，并拧紧顶住楔形块的侧面；金属杆的上端穿过紧固螺母，与夹头下表面的螺纹孔连接；紧固螺母拧紧，顶住夹头下表面；金属杆的下端穿过紧固盘，通过螺纹与疲劳机夹具连接；紧固盘上安装一圈螺钉，螺钉拧紧，顶住疲劳机夹具。

当疲劳机施加的载荷为拉力时，拉力由疲劳机夹具通过螺纹传递给金属杆；金属杆通过上端螺纹与夹头连接，将拉力传递到夹头；夹头通过销钉将拉力传递到特制的CT试样上。

当疲劳机施加的载荷为压力时，压力由疲劳机夹具通过拧紧的螺钉传递给紧固盘，进而通过螺纹传递给金属杆；金属杆通过上端螺纹将压力传递给紧固螺母，紧固螺母将压力传给夹头；夹头通过斜面将压力传递给楔形块，进而将压力传递给与楔形块接触的压块；压块通过圆弧形凸出将压力传给特制的CT试样。

本发明与现有CT试样裂纹扩展试验夹具方案相比的优点在于：

(1)本发明可以适应拉压疲劳载荷，拉压载荷变化过程中夹具没有空程；

(2)本发明对所施加的拉压载荷，可以保证加载轴线保持不变；

(3)本发明对不同尺寸试样，夹具更换方便。对不同尺寸的CT试样，只需更换不同尺寸的楔形块与压块，即可满足试验需求；

(4)本发明装配方便。

附图说明

图1为本发明夹具装配图(仅画出了整套夹具的下半部分，上半部分与上半部分完全相同)，其中，图1(a)为外观图；图1(b)为剖分后的外观图；图1(c)为放大的剖分后外观图。

图2为本发明夹具的夹头1的示意图，其中，图2(a)为外观图；图2(b)为剖分后的外观图。

图3为本发明夹具的楔形块2的外观图；

图4为本发明夹具的压块3的外观图；

图5为本发明夹具的套箍4的外观图；

图6为本发明夹具的紧固螺钉5的外观图；

图7为本发明夹具的销钉6的外观图；

图8为特制的CT试样7的外观图；

图9为本发明夹具的金属杆8的外观图；

图10为本发明夹具的紧固螺母9的外观图；

图11为本发明夹具的紧固盘10的主视图；

具体实施方式

本发明对适应拉压载荷的CT试样裂纹扩展试验夹具进行了设计。

实际试验过程中，整套夹具包括两个本发明夹具，分为上夹具和下夹具，分别连接特制的CT试样7的两个销钉孔。

在使用本发明夹具时，具体的方法如下：

(一)分别组装上夹具与下夹具，并与特制的CT试样7相连。具体的方法是：

1.先将楔形块2、压块3与特制的CT试样7插入夹头1的斜槽中，保证楔形块2的斜面与夹头1的斜槽贴合，压块3下表面与楔形块2上表面贴合，CT试样7的缺口与压块3圆弧形凸出贴合。对准特制的CT试样7与夹头1的销钉孔，插入销钉6。

2.在夹头1外套上套箍4，使套箍4的螺纹孔对准楔形块2较长的侧面。在套箍4的螺纹孔中拧入紧固螺钉5，顶住楔形块2的侧面。

3.将紧固螺母9拧入金属杆8上端的螺纹，并将金属杆8上端的螺纹与夹头1相连。

4.将紧固盘10拧入金属杆8下端的螺纹，在紧固盘10周围的螺纹孔中拧入螺钉11。

(二)将疲劳机拉力清零，再上夹具与下夹具的金属杆8的螺纹分别与疲劳机上下两个带螺纹孔的通用夹具相连。

(三)通过疲劳机对整套夹具与试样施加拉力，使整套夹具受到拉力，消除螺纹与螺纹孔、销钉与销钉孔之间的间隙。要求施加的拉力不大于试验中的最大载荷，且不影响试验结果。

(四)在夹具受拉的情况下，拧紧以下三处螺钉与螺母：

1.拧紧紧固螺钉5，顶住楔形块2的侧面；

2.拧紧紧固螺母9，顶住夹头1的下表面；

3.拧紧螺钉11，顶住疲劳机夹具表面。

(五)疲劳机的拉力卸载至零。试验夹具安装完毕。