非比例试样拉伸试验用夹具的设计

史佳怡　金佳琳　徐仲呈

摘 要：拉伸试验机所进行的拉伸试验，是材料科学和工程中一种基本物质张力的测试。极限抗拉强度、断裂强度、最大伸长量和断面缩率等基本金属力学性能可使用拉伸试验测量。杨氏模量、泊松比、屈服强度、加工硬化也可以通过直接或间接的测量得到一个准确的结果。但因拉伸试验机对于拉伸试棒夹持段长度的限制，夹持段较短的试样拉伸时无法稳定的完成拉伸试验。本研究项目设计了一种可拉伸短型试棒的新型拉伸夹具，该夹具通过内自锁紧设计能稳定、均匀的拉伸试验试棒。

关键词：拉伸试验机 夹具 试样夹持段 自锁紧

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

拉伸实验机，是研究金属力学性能最基本的试验器材，被检材料可制成比例试样或非比例试样，在条件许可的情况下，优先选用比例试样。比例试样被定义为其原始标距与原始横截面积成一定比例的试样，短比例试样的比例系数K的值为5.65，原始标距应不小于15mm。当试样横截面积较小，当使用比例系数k=5.65的值时，若不符合最小标距要求，可以采用k=11.3的长比例试样代替试验。原始标距在未进行试验时试样长度的原始长度，此数值是在制作试样时就固定的，而在夹持段的长度没有明确的要求的情况下，故造成购买的短比例试样出现了实际夹持段较短的情况。由于较短的夹持段，试棒与夹具的接触面积较小，拉伸试验机的锯齿无法提供足够的摩擦力，与试验要求的拉断试棒的力有较大差距，使得试验机无法提供足够的拉力，拉断试棒。

在要求试棒必须夹持至夹具三分之二处位置的前提下，为了获得提供给试棒足够轴向拉力所需要的摩擦力，平行段处于夹具内部，如图1所示，对于试验断点的判断存在阻碍，试样形状不正确、夹头的结构和安装不正确等原因会产生偏心力，偏心力会使试样产生附加弯曲应力，从而使试验结果产生误差，对脆性材料，这种影响更为显著。

在满足平行段夹持的试验时，如图2所示，平行段要求满足，试棒的夹持位置小于夹持要求的三分之二，因为夹持距离短，接触面小，试验过程中极易打滑，脱落，使固定方式失效，对人员，设备产生危险，故现需要通过类似加长杆的装置，加长试样，增加接触面积，问题的产生是因为无法同时满足夹持段与平行段的要求造成试验无法正常进行，解决这个问题的方法就是增加试棒与夹具的受力面积，尽可能的增加受力点，为此设计了具有开合机构，限位机构，紧密贴合试棒尺寸形状，带有防滑纹的夹套，如图3。

在拉伸试验机的力是由液压油缸产生的，经由万能夹块借助，经过优化设计的夹套传导到试棒上，减少力在这个系统中的损耗就能让试验力更加稳定全面的传递到试棒的平行段上。

利用加工时试棒所形成的R10的减应力圆弧过渡，其在于夹具配和时形成限位，利用固定于小夹具接合部分的弹簧，给试棒一个试验机拉伸力反方向的力，进一步保证小夹具与试棒的接触稳定，保证其拥有足够的拉力和稳定的接触（如图5）。

对于夹套的选材，要考虑到其工作时的状态，在假设试验目标45号钢抗拉强度≥600 （MPa） 的前提下，拉伸力大量集中在套筒前端，应力集中易导致金属微裂纹的扩张，造成断裂，且拉伸试验的过程属于循环应力，极易造成金属疲劳，疲劳断裂（如图6），对此要在确保经济性和可加工性的前提下尽量的选择屈服强度高，抗拉强度大，伸长率小的材料，综合一系列材料的性质，最终选择了40Cr合金钢，其是按照国家标准生产的，具有明确性能指标的钢种，素体胚料经过处理后能得到良好的力学性能，在低温下有良好的耐冲击韧性和较低的缺口敏感性，经热处理后可强化其塑性、韧性和耐磨性。对于弹簧材料的选择，采用轻荷重的KF14*40的弹簧，在钳口两侧开出对称的固定销，经过模拟使合线偏移1度，增加接触压强。

2 结语

在备选夹具材料经过回火，退火，调质，表面硬化，铣削加工后，能在满足工作需要的前提下确保其安全性和稳定性，可以用于拉伸试验。

本文系参与2019江苏省大学生创新创业项目，项目编号201913114016Y。

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