CN201387404Y - 一种多物理耦合场下小样品力学性能测试用模具 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种多物理耦合场下小样品力学性能测试用模具，属于材料性能评价领域。本实用新型包括传载球(1)、上导向模(2)、压杆(3)、下导向模(4)、上承载模(5)和下承载模(6)，与动态材料力学性能试验机、高温炉及交直流一体化高压电源配套使用，可以实现多物理耦合场(力、热、电)中金属、陶瓷、复合材料等韧、脆性小样品(厚度0.3－0.7mm，圆片直径、方片边长8－10mm)的力学性能(强度、弹性模量、韧脆转变温度、断裂韧性、疲劳和蠕变等)测试。本实用新型通过上、下承载模的分体设计，可以解决承载模在高温测试中的损坏和取放不便的问题，上承载模两侧开槽，用于小样品与高压电源两极的有效连接。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种多物理耦合场下小样品力学性能测试用模具，属于材料性能评价领域。
背景技术
随着信息时代的来临，功能材料及器件的小型化和膜片化已成为材料应用发展的重要趋势之一，而传统的力学性能测试技术已不能满足微型化的功能材料及器件的发展需求，同时，为了适应功能材料及器件多场耦合的应用环境，迫切需要一种能够评价小样品在力、热、电及其耦合条件下力学性能的测试技术，而其中模具的设计是实现多场耦合条件下材料力学性能评价的关键因素。
目前，小样品材料力学性能测试用模具一般由传载球、导向模、承载模和压杆组成，基于小冲压(Small punch)试验方法，和材料力学性能试验机(静态)配合使用，可以完成力场下材料力学性能的测试，相关的报道较多；在上述力场试验条件的基础上，与高温炉配合使用，可以完成力热耦合场下材料力学性能的测试需求，但一体结构的承载模设计容易在高温测试中发生由热膨胀引起的模具损坏，同时，样品也不易取放，力热耦合条件下小样品力学性能测试的报道相对少一些；在上述力场试验条件的基础上，与高压电源配套使用，日本东北大学完成了力电耦合场下小样品断裂性能的测试，但力电耦合场下其它性能的测试未见报道；而力热电耦合场中小样品力学性能的测试也未见报道。由于功能材料一般处于比较复杂的工作环境，同时在工程应用中也往往利用其力、热和电等多场耦合的特性，因此，迫切需要相应的测试设备及配套模具。
发明内容
本实用新型的目的在于提出一种多物理耦合场下小样品力学性能测试用模具，为了实现上述目的，进行了如下设计：
本实用新型模具包括传载球(1)、上导向模(2)、压杆(3)、下导向模(4)、上承载模(5)和下承载模(6)六个部件，具体特征为：
上导向模(2)是一柱体结构，柱体上段尺寸大于下段尺寸；其上端面中部具有一半球形凹槽，凹槽尺寸与传载球(1)尺寸相当；柱体下段尺寸与下导向模(4)上部凹槽尺寸相当；上导向模(2)下端含一上方封闭的圆柱形内孔；
所述的柱体优选圆柱体或方形柱体。
压杆(3)为一细长圆柱状杆，上端面为半球头，与小样品(7)接触的下端为平头，压杆(3)直径小于下导向模(4)下部圆柱状通孔直径；压杆(3)与上导向模(2)、下导向模(4)配合，用于传递载荷。
下导向模(4)是一柱状结构，上段柱体尺寸大于下段尺寸；其上端面中部具有柱形凹槽，固定上导向模(2)；下段柱体为方形，与上承载模(5)上部凹槽尺寸相当，放置在上承载模(5)内；下导向模(4)内具有一上端与凹槽连通的圆柱状通孔，通孔中轴与下导向模(4)中轴重合；
所述的上段柱体及柱形凹槽优选圆柱体或方形柱体。
上承载模(5)是一柱状结构，上端面具有一方形凹槽，固定下导向模(4)；下段柱体中有一个凹槽，与上端面方形凹槽相通，凹槽与下承载模(6)尺寸相当，放置在下承载模(6)上；上承载模(5)下部两侧开有槽口；
所述的柱状优选圆柱状或方形柱状。
下承载模(6)是一柱状结构，柱状内部含有通孔，通孔中轴与下承载模(6)中轴重合，通孔尺寸大于压杆(3)尺寸；下承载模(6)下部具有柱状凹槽，凹槽上端与通孔相通，便于小样品(7)下表面变形的测试。
所述的柱状优选圆柱状或方形柱状。
小样品(7)包括圆片和方片，厚度可选用多种尺寸，优选厚度尺寸为0.3-0.7mm，优选圆片直径、方片边长为8-10mm。
本实用新型模具装置的有益效果：
1.将一体化结构的承载模设计改为上、下两部分的分体结构，具体包括上承载模(5)和下承载模(6)，这样可以解决高温测试中由于热膨胀引起的一体化承载模具的损坏以及小样品(7)取放不便的问题，以实现力热耦合条件下小样品(7)的力学性能测试。
2.在上承载模(5)两侧开槽，这一设计便于高压电源(10)两极及压电陶瓷小样品(7)上、下表面间的电路连接，同时给连接线路外部的绝缘处理预留空间，以实现力电耦合场中压电陶瓷小样品(7)的力学性能测试。
3.本实用新型模具与动态材料力学性能试验机(8)、高温炉(9)及交直流一体化高压电源(10)配合使用，可以实现小样品(7)在力、热、电及其耦合条件下力学性能的测试。
4.压杆(3)与小样品(7)接触端为平头，减少了加载过程中的应力集中，本实用新型模具可以满足金属、陶瓷、复合材料等多种韧、脆性小样品(7)的力学性能测试。
5.本实用新型模具可以用于小样品(7)的强度、弹性模量、脆韧转变温度、断裂韧性、疲劳和蠕变等力学性能的测试。
因此，本实用新型模具适于多种小样品(7)在多物理耦合条件下的多种力学性能的测试，以满足材料在多场耦合的工程应用中力学性能的评价需求。
附图说明
图1上导向模(2)结构图。
图2下导向模(4)结构图。
图3上承载模(5)(上、下正向放置)结构图。
图4上承载模(5)(上、下反向放置)结构图。
图5下承载模(6)结构图。
图6本模具整体设计结构图；其中1为传载球、2为上导向模、3为压杆、4为下导向模、5为上承载模6、下承载模和7为样品。
图7本模具与材料试验机(8)配合进行材料力学性能测试的示意图。
图8Al2O3陶瓷小样品(7)在力场条件下的负载-位移曲线。
具体实施方式
参见图6、7组装模具，下承载模(6)固定在材料力学性能试验机(8)上，上承载模(5)套在下承载模(6)上，Al2O3陶瓷小样品(7)抛光面朝下通过上承载模(5)上端的方形凹槽，置于下承载模(6)上表面，且使上承载模(5)方孔中心、小样品(7)中心与下承载模(6)通孔中心在一条直线上，下导向模(4)下段方形柱体套入上承载模(5)上端的凹槽，压杆(3)平头端通过下导向模(4)内圆柱状通孔压在小样品(7)上，上导向模(2)套进下导向模(4)内，并使压杆(3)半球头端抵在上导向模(2)下部的圆孔内，传载球(1)置于上导向模(2)的半球体内。
在此基础上，由材料力学性能试验机(8)提供的竖直向下的压力通过传载球(1)、上导向模(2)和压杆(3)以0.05mm/min的速率均匀施加到Al2O3陶瓷小样品(7)上，利用位于模具上方的载荷传感器(11)和下方的高精度位移传感器(12)，可实时获得小样品(7)的负载和小样品(7)下表面中心位移之间的关系，如图8所示，借助于相关的数学公式或模拟计算，可以获取小样品(7)的强度等力学性能。
Claims (5)
1、一种多物理耦合场下小样品力学性能测试用模具，包括传载球(1)、上导向模(2)、压杆(3)、下导向模(4)、上承载模(5)和下承载模(6)，其特征在于：
上导向模(2)为一柱体结构，柱体上段尺寸大于下段尺寸；其上端面中部具有一半球形凹槽，凹槽尺寸与传载球(1)尺寸相当；柱体下段尺寸与下导向模(4)上部凹槽尺寸相当；上导向模(2)下端含一上方封闭的圆柱形内孔；
压杆(3)为一细长圆柱状杆，上端面为半球头，下端为平头，压杆(3)直径小于下导向模(4)下部圆柱状通孔直径；
下导向模(4)为一柱状结构，上段柱体尺寸大于下段尺寸；其上端面中部具有柱形凹槽，固定上导向模(2)；下段柱体为方形，与上承载模(5)上部凹槽尺寸相当，放置在上承载模(5)内；下导向模(4)内具有一上端与凹槽连通的圆柱状通孔，通孔中轴与下导向模(4)中轴重合；
上承载模(5)为一柱状结构，上端面具有一方形凹槽，固定下导向模(4)；下段柱体中有一个凹槽，与上端面方形凹槽相通，凹槽与下承载模(6)尺寸相当，放置在下承载模(6)上；上承载模(5)下部两侧开有槽口；
下承载模(6)为一柱状结构，柱状内部含有通孔，通孔中轴与下承载模(6)中轴重合，通孔尺寸大于压杆(3)尺寸；下承载模(6)下部具有柱状凹槽，凹槽上端与通孔相通。
2、按权利要求1所述的一种多物理耦合场下小样品力学性能测试用模具，其特征在于，所述的上导向模的柱体结构为圆柱体或方形柱体。
3、按权利要求1所述的一种多物理耦合场下小样品力学性能测试用模具，其特征在于，所述的下导向模的上段柱体及柱形凹槽为圆柱体或方形柱体。
4、按权利要求1所述的一种多物理耦合场下小样品力学性能测试用模具，其特征在于，所述的上承载模的柱体结构为圆柱体或方形柱体。
5、按权利要求1所述的一种多物理耦合场下小样品力学性能测试用模具，其特征在于，所述的下承载模的柱体结构为圆柱体或方形柱体。
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