一種原位力學性能測試設備用熱電偶固定裝置的制作方法

本發明涉及高溫原位裝置技術領域，具體涉及一種原位力學性能測試設備用熱電偶固定裝置。

背景技術：

在材料疲勞與斷裂領域，樣品的靜態和動態損傷過程一直是損傷失效機制的研究重點。原位拉伸、壓縮以及疲勞可以直觀地將這一過程呈現，因此原位設備得到了越來越廣泛的應用。對于內燃機或燃氣輪機等服役環境為高溫的金屬材料，原位設備需要配備加熱單元以及測溫單元。目前，比較常用的一種原位設備為島津sεrvocontroller4830，其測溫單元為外置熱電偶。測試時熱電偶頭部焊接至試樣中部，另一端與原位設備相連。這種方法的缺點在于：一方面焊點會破壞材料的原有狀態，增加不可控變量；另一方面在試樣移動過程中，熱電偶容易與加熱電阻絲相接觸，形成測溫誤差。因此，尋找一種機械固定熱電偶的方法，既保證與試樣接觸，又能避免上述缺陷，是亟待解決的技術問題。

技術實現要素：

為了解決現有原位設備中熱電偶的安裝缺陷，特別是與試樣焊接連接缺陷，以及測溫穩定性差等缺陷問題，本發明的目的在于提供一種原位力學性能測試設備用熱電偶固定裝置，該裝置通過巧妙設計即可在現有原位設備上實現，成本很低，操作方便，可以反復使用。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案如下：

一種原位力學性能測試設備用熱電偶固定裝置，該固定裝置包括熱電偶夾持件和粗牙型螺栓；其中：所述熱電偶夾持件包括一體成形的夾頭和細牙型螺栓，所述細牙型螺栓內設有貫穿型柱狀空腔，熱電偶能夠穿入夾頭和細牙型螺栓內的貫穿型柱狀空腔中；所述粗牙型螺栓能夠套裝于熱電偶夾持件外部，并通過壓迫熱電偶夾持件的夾頭實現對熱電偶的夾緊固定。

所述夾頭為圓臺結構，夾頭的粗端與細牙型螺栓相連接，夾頭與細牙型螺栓的連接處為平滑過渡。

所述夾頭與細牙型螺紋連接處的平滑過渡區≥1mm。

所述夾頭內中心位置設有用于穿入熱電偶的通道，夾頭側表面上開設三個貫穿形側槽(側槽平行于圓臺結構軸向開設，側槽與夾頭內的熱電偶通道相連通)，以夾頭圓臺結構的中心軸線為基準，側槽寬度20°，側槽間隔120°。

所述粗牙型螺栓內部設有相連通的柱狀空腔和圓臺狀空腔，圓臺形狀空腔的錐度大于所述夾頭的錐度；熱電偶夾持件穿入粗牙型螺栓內部時，隨著熱電偶夾持件穿入長度的增加，粗牙型螺栓的圓臺狀空腔部位壓迫所述夾頭，實現對夾頭的夾緊，進而固定夾頭內的熱電偶。

所述細牙型螺栓設有外螺紋，所述粗牙型螺栓設有內螺紋，二者配合能夠調節夾持熱電偶位置，壓縮夾頭，夾緊熱電偶。

所述細牙型螺栓擰入粗牙型螺栓頭部時，細牙型螺栓頭部露出粗牙型螺栓頭部(所述細牙型螺栓頭部與粗牙型螺栓頭部間隔至少1mm)；所述粗牙型和細牙型螺栓頭部形狀均采用六角形，螺紋長度為非全螺紋。

所述粗牙型螺栓設有外螺紋，用于接入原位測量設備。

該固定裝置的材質為耐熱鋼或高溫合金，根據實驗溫度選擇。

本發明設計原理及使用過程如下：

(1)由于熱電偶的夾持固定部分距離電阻絲底部位置不少于5mm，制備裝置的材料選取耐熱鋼即可。熱電偶中的陶瓷套管直徑約為2.63mm，因此細牙型螺栓內徑設計為2.64mm。

(2)本發明通過加工制作熱電偶夾持件和粗牙型螺栓，二者相配合使用；將熱電偶連帶陶瓷套管穿入細牙型螺栓；將細牙型螺栓擰入粗牙型螺栓。

(3)把粗牙型螺栓接入原位設備上，陶瓷套管調節露出夾頭部分的尺寸，保證熱電偶與試樣相接觸，擰緊細牙型螺栓，通過壓迫夾頭，夾緊陶瓷套管。調節粗牙型螺栓接入原位設備深度，保證熱電偶不會頂到試樣。將熱電偶接入原位設備，校準熱電偶，設置相關參數進行原位試驗。

本發明的優點和有益效果如下：

本發明裝置通過熱電偶夾持件和帶螺紋內孔的粗牙型螺栓機械緊固實現。把合適的耐熱鋼圓棒通過機加工制備成熱電偶夾持件以及帶螺紋內孔的粗牙型螺栓；將熱電偶連帶陶瓷套管穿入細牙型螺栓；將細牙型螺栓擰入粗牙型螺栓。把粗牙型螺栓接入原位設備上，調節陶瓷套管露出夾頭部分的尺寸，保證熱電偶與試樣相接觸，擰緊細牙型螺栓，通過壓迫夾頭，夾緊陶瓷套管。調節粗牙型螺栓接入原位設備深度，保證熱電偶不會頂到試樣。將熱電偶接入原位設備，校準熱電偶，設置相關參數進行原位試驗。本發明解決了原位設備中熱電偶的安裝缺陷，特別是焊接連接缺陷，以及測溫穩定性差等缺陷，通過巧妙設計即可在既有原位設備上固定熱電偶，成本很低，操作方便，可以反復使用。

附圖說明

圖1為本發明裝置中熱電偶夾持件結構示意圖(主視圖)；

圖2為本發明裝置中熱電偶夾持件結構示意圖(對應于圖1的側視圖)；

圖3為本發明裝置中粗牙型螺栓結構示意圖(主視圖)；

圖4為本發明裝置中粗牙型螺栓結構示意圖(對應于圖3的側視圖)；

圖5為實施例1中熱電偶夾持件結構及尺寸圖；其中：(a)主視圖；(b)俯視圖；(c)側視圖。

圖6為實施例1中粗牙型螺栓結構及尺寸圖；其中：(a)主視圖；(b)俯視圖；(c)側視圖。

圖中：1-夾頭；2-細牙型螺栓；3-側槽；4-粗牙型螺栓的柱狀空腔；5-粗牙型螺栓的圓臺狀空腔。

具體實施方式

為了進一步理解本發明，以下結合實施例對本發明進行描述，但實施例僅為對本發明的特點做進一步闡述，而不是對本發明權利要求的限制。

本發明為原位測試設備用熱電偶固定裝置，該裝置包括熱電偶夾持件和粗牙型螺栓兩部分，其結構如圖1-4所示。其中，熱電偶夾持件包括夾頭1和細牙型螺栓2，所述夾頭底端與細牙螺紋小徑平滑過渡；所述夾頭處開有三個等間距分布側槽3；所述細牙型螺栓設有貫穿型柱狀空腔，用于裝入熱電偶；所述細牙型螺栓頭部形狀采用六角形，螺紋長度為非全螺紋。

所述粗牙型螺栓頭部形狀采用六角形，并設有外螺紋，螺紋長度為非全螺紋，內部設有相連通的粗牙型螺栓的柱狀空腔4和粗牙型螺栓的圓臺狀空腔5，粗牙型螺栓的圓臺狀空腔5用于壓迫夾頭進而夾緊熱電偶。所述粗牙型螺栓設置內螺紋，用于裝入熱電偶夾持件；熱電偶夾持件和粗牙型螺栓相配合實現熱電偶的固定。所述熱電偶夾持件擰入粗牙型螺栓后，熱電偶夾持件的頭部露出，兩者頭部間隔大于1mm。

所述熱電偶固定裝置通過粗牙型螺栓的外螺紋擰入原位設備上，調節陶瓷套管露出夾頭部分的尺寸，保證熱電偶與試樣相接觸，擰緊細牙型螺栓，通過壓迫夾頭，夾緊陶瓷套管。調節粗牙型螺栓接入原位設備深度，保證熱電偶不會頂到試樣。將熱電偶接入原位設備，校準熱電偶，設置相關參數進行原位試驗。

實施例1

采用本發明裝置，利用高溫原位掃描設備(本實施例采用日本島津公司的帶掃描電子顯微鏡的疲勞試驗機)對蠕墨鑄鐵試樣進行高溫原位疲勞掃描觀察試驗。

內燃機缸蓋是內燃機中最重要、最典型的燃燒室構件，其性能嚴重影響整機的使用壽命。隨著高功率密度內燃機的發展，缸蓋承受溫度和燃氣壓力不斷提高，因此研究內燃機缸蓋材料的高溫疲勞損傷行為受到科研和工程人員的重視。

內燃機缸蓋蠕墨鑄鐵試樣的具體測試過程如下：

(1)通過機加工把直徑25mm的耐熱鋼制作成熱電偶夾持件和粗牙型螺栓，具體尺寸分別如圖5-6所示，其中：熱電偶夾持件中夾頭的圓臺結構的錐度為為1:3.43，粗牙型螺栓的圓臺狀空腔的錐度為1:2。將穿有陶瓷套管的熱電偶裝入熱電偶固定裝置，并擰入粗牙型螺栓，調節陶瓷套管露出夾頭的尺寸，約為4mm，擰動熱電偶固定裝置，夾緊夾頭，固定熱電偶。

(2)將蠕墨鑄鐵試樣穿過電阻絲放置入原位疲勞設備試樣夾持部分，并對試樣進行預緊；將所述粗牙型螺栓接入原位疲勞設備，調節接入距離，保證熱電偶與試樣接觸的同時，不會給予試樣側向壓應力；將熱電偶插入原位疲勞設備。

(3)將原位疲勞設備裝入掃描電鏡樣品艙中，調整和設置測試條件以及相關參數進行高溫原位疲勞掃描觀察試驗。試驗過程中熱電偶始終與試樣接觸，測溫準確，同時熱電偶固定，不隨試樣移動，沒有出現熱電偶與電阻絲相接觸的現象。多次重復試驗，發現裝置使用良好。