一種金屬材料斷裂性能楔入測試方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種金屬材料斷裂性能楔入測試方法及裝置，傳力開口銷（200）作用于楔形加載頭（100），施加豎向載荷轉(zhuǎn)換為水平載荷并傳遞給C形環(huán)試樣（400）。加載裝置由楔形加載頭（100）、傳力開口銷（200）和支承底座（300）三部分構(gòu)成。本發(fā)明通過改變加載方式實現(xiàn)小尺寸金屬構(gòu)件的斷裂性能測試，效果理想，結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，用于大尺寸金屬構(gòu)件的斷裂性能測試，可以達(dá)到節(jié)省試驗材料降低實驗成本的效果。
【專利說明】一種金屬材料斷裂性能楔入測試方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料試驗裝置，尤其是金屬材料斷裂性能楔入測試方法及裝置制造領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]斷裂性能是衡量構(gòu)件抵抗斷裂破壞行為的重要力學(xué)性能參量，在工程構(gòu)件的結(jié)構(gòu)完整性評定中起著至關(guān)重要的作用。對于含I型張開裂紋的結(jié)構(gòu)件，獲取其斷裂性能的傳統(tǒng)方法是采用緊湊拉伸或單邊裂紋彎曲等標(biāo)準(zhǔn)斷裂試樣通過拉伸或三點彎曲的加載方式進(jìn)行測試。由于試樣的構(gòu)形特征，該類標(biāo)準(zhǔn)斷裂試樣的尺寸通常較大，從而要求被測構(gòu)件的尺寸也相應(yīng)較大，由此才能有效測定構(gòu)件的斷裂性能。對于原始尺寸較小的構(gòu)件，目前尚無有效的斷裂性能檢測技術(shù)。
[0003]對于小尺寸金屬構(gòu)件斷裂性能的測定，可能的途徑是改變加載方式并配合特殊的試樣構(gòu)形設(shè)計。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)方案(一)
[0005]Williams JG.The fracture mechanics of surface layer removal.1nternational Journal of Fracture, 2011, 170:37-48.基于機(jī)械加工中切削理論提出了以楔入加載方式測定低屈服應(yīng)力延性非金屬材料斷裂性能的切割法。如圖1所示，在該技術(shù)方案中，因切割工具可直接接觸到試樣的裂紋尖端而無需進(jìn)行疲勞裂紋預(yù)制，同時試樣尺寸也不受限制。但是，該技術(shù)方案僅適合于測定非金屬無裂紋構(gòu)件斷裂時的能量釋放率，無法應(yīng)用于含裂紋金屬構(gòu)件的斷裂性能測定。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)方案(二)
[0007]在混凝土斷裂性能的檢測中，一種楔入劈拉(Wedge-Splitting)法得到了廣泛 應(yīng) 用° Xiao JZ, Schneider H, Donnercke C，Konig G.Wedge splitting test onfracture behavior of ultra high strength concrete.Construction and BuildingMaterials, 2004，18:359-365.圖2為典型的楔入劈拉法試驗系統(tǒng)。該技術(shù)方案采用楔形加載板和帶滾軸的傳力板將施加的豎向載荷轉(zhuǎn)換為對試樣的水平拉力，一方面可以忽略試樣自重對斷裂性能測量結(jié)果的影響，另一方面僅需較小的豎向力便可產(chǎn)生較大的水平拉力，從而降低對試驗機(jī)剛度的要求。然而，該技術(shù)方案因帶滾軸傳力板的設(shè)計不能用于小尺寸金屬構(gòu)件的斷裂性能檢測。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]鑒于現(xiàn)有技術(shù)的以上不足，本發(fā)明的目的是，獲得一種通過楔入加載方式實現(xiàn)小尺寸金屬構(gòu)件斷裂性能測試的方法和裝置，并使之具有方法操作簡單、成本低、容易實現(xiàn)的優(yōu)點。
[0009]本發(fā)明的目的是通過以下的手段實現(xiàn)的:
[0010]一種金屬材料斷裂性能楔入測試方法，對含I型張開裂紋的小尺寸金屬構(gòu)件斷裂性能的測定，包含如下的手段:
[0011]傳力開口銷200作用于楔形加載頭100，施加豎向載荷轉(zhuǎn)換為水平載荷并傳遞給C形環(huán)試樣400 ;通過楔形加載頭的豎向運動而對C形環(huán)試樣實施張開加載，加載過程中將記錄施加在楔形加載頭上的豎向載荷F和C形環(huán)試樣刀口位置處的水平張開位移V，C形環(huán)試樣的水平張開載荷Fh由下式計算:
P
[0012]Fa = ———
Itan Θ
[0013]式中，Θ為傳力開口銷楔形槽與豎直方向的夾角。
[0014]本發(fā)明的目的還在于，為以上的試驗方法提供一種實施的硬件條件。所采用的方案如下:
[0015]一種金屬材料斷裂性能楔入測試裝置，由被測試樣及加載裝置組成，試樣400為采用C形環(huán)結(jié)構(gòu)，具有對稱的加載孔401，初始裂紋缺口 402和用于測量試樣張開位移的刀Π 403 ；
[0016]加載裝置由楔形加載頭100、傳力開口銷200和支承底座300三部分構(gòu)成，其中:傳力開口銷200為整體臺柱式結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)楔形槽202，，楔形槽的尺寸與楔形加載頭100相配合；開口銷外設(shè)3/4圓柱式加載輥201，加載輥同C形環(huán)試樣的加載孔401配合；開口銷中部設(shè)置有試樣臺204，試樣臺上設(shè)有用于放置滾珠的環(huán)形滾珠槽203，試驗時，試樣400通過滾珠支撐在環(huán)形滾珠槽203上，以將C形環(huán)試樣底面與開口銷底座頂面的滑動摩擦轉(zhuǎn)換為滾動摩擦；開口銷底部設(shè)置有滑動底座206;滑動底座206的頂面和底面均設(shè)置有滾珠槽205，安裝上滾珠后置于支承底座的導(dǎo)槽302內(nèi)；傳力開口銷可沿導(dǎo)槽302自由滑動。以將C形環(huán)試樣底面與開口銷底座頂面的滑動摩擦轉(zhuǎn)換為滾動摩擦，配合粘性潤滑劑的使用，從而將摩擦力對C形環(huán)試樣水平張開運動的影響降到最低，將楔形加載頭施加豎向載荷轉(zhuǎn)換為水平載荷并傳遞給C形環(huán)試樣。
[0017]所述刀口 403的間距根據(jù)位移計的標(biāo)距設(shè)計。
[0018]本發(fā)明的有益效果是，通過改變加載方式實現(xiàn)小尺寸金屬構(gòu)件的斷裂性能測試，效果理想。本發(fā)明原理清晰，結(jié)構(gòu)簡單，制作方便。本發(fā)明用于大尺寸金屬構(gòu)件的斷裂性能測試，可以達(dá)到節(jié)省試驗材料降低實驗成本的效果。
[0019]【專利附圖】
【附圖說明】如下:
[0020]圖1是現(xiàn)有技術(shù)方案I切割法的示意圖。
[0021]圖2是現(xiàn)有技術(shù)方案2楔入劈拉機(jī)構(gòu)示意圖。
[0022]圖3是本發(fā)明C形環(huán)試樣的示意圖。
[0023]圖4是本發(fā)明楔入式加載系統(tǒng)示意圖。
[0024]圖5楔形加載頭三維視圖。
[0025]圖6傳力開口銷的三維視圖。
[0026]圖7傳力開口銷剖視圖。
[0027]圖8支承底座三維外觀圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的方法和結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的詳述[0029]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案包括三個部分，即特殊構(gòu)形設(shè)計的試樣、加載裝置和基于楔入式加載的理論體系。
[0030](I)適于楔入加載的試樣構(gòu)形
[0031]用于本發(fā)明技術(shù)方案的試樣為C形環(huán)試樣(圖3)，具有對稱的加載孔401，初始裂紋缺口 402，刀口 403用于測量試樣的張開位移。
[0032]刀口 403的間距可根據(jù)位移計的標(biāo)距設(shè)計。
[0033](2)加載裝置
[0034]加載裝置由楔形加載頭(圖5)、傳力開口銷(圖6和圖7)和支承底座(圖8)三部分構(gòu)成，圖4給出了 C形環(huán)試樣楔入式加載的示意圖。楔形加載頭由高強(qiáng)高硬材料制成，其表面應(yīng)作耐磨處理。
[0035]傳力開口銷為整體臺柱式結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)楔形槽202且楔形槽的尺寸與楔形加載頭相配合；開口銷外設(shè)3/4圓柱式加載輥(201)，加載輥201同C形環(huán)試樣的加載孔401配合；開口銷分別有一試樣臺204和帶滾珠槽的滑動底座206，試樣臺204上設(shè)置一環(huán)形滾珠槽203用于安放滾珠，以將C形環(huán)試樣底面與開口銷底座頂面的滑動摩擦轉(zhuǎn)換為滾動摩擦，配合粘性潤滑劑的使用，從而將摩擦力對C形環(huán)試樣水平張開運動的影響降到最低；傳力開口銷底座的頂面和底面分別設(shè)置兩條滾珠槽，安裝上滾珠后置于支承底座的導(dǎo)槽302內(nèi)，傳力開口銷可沿導(dǎo)槽自由滑動；傳力開口銷的作用在于將楔形加載頭施加豎向載荷轉(zhuǎn)換為水平載荷并傳遞給C形環(huán)試樣。
[0036]支承底座上的中間深孔為楔形加載頭的豎向運動預(yù)留空間301，孔的直徑和深度應(yīng)綜合C形環(huán)試樣內(nèi)環(huán)尺寸、楔形加載頭錐度和C形環(huán)試樣張開量等因素合理設(shè)計；支承底座還設(shè)置了導(dǎo)槽，其作用在于讓`傳力開口銷側(cè)向自由滑動，同時約束傳力開口銷豎向位移以實現(xiàn)C形環(huán)試樣的疲勞加載。
[0037](3)基于楔入式加載的理論體系
[0038]在本發(fā)明技術(shù)方案中，通過楔形加載頭的豎向運動而對C形環(huán)試樣實施張開加載，加載過程中將記錄施加在楔形加載頭上的豎向載荷F和C形環(huán)試樣刀口位置處的水平張開位移V，C形環(huán)試樣的水平張開載荷Fh由式(I)計算:
[0039]Fa =——.-(I)式中，Θ為傳力開口銷
Ztmff
楔形槽與豎直方向的夾角。
[0040]在獲得C形環(huán)試樣楔入式加載條件下的水平載荷Fh和張開位移V實驗記錄后，可根據(jù)傳統(tǒng)的多試樣法理論或載荷分離法理論等進(jìn)行被測金屬材料的應(yīng)力強(qiáng)度因子K、J積分、CTOD等斷裂性能的測量。
[0041]試驗時:
[0042]I)將對稱布置的傳力開口銷穿過C形環(huán)試樣，傳力開口銷上的加載輥201與C形環(huán)試樣的加載孔401配合，可確保C形環(huán)試樣在張開過程中其受力部位相對集中；在傳力開口銷的環(huán)形滾珠槽203內(nèi)放入適當(dāng)數(shù)量的滾珠并填入粘性潤滑劑，以減少C形環(huán)底面同傳力開口銷之間的摩擦；
[0043]2)將傳力開口銷底座滾珠槽205安裝上滾珠并涂抹粘性潤滑劑后置于支承底座的導(dǎo)槽302內(nèi)，傳力開口銷的矩形孔對準(zhǔn)支承底座的中間深孔301 ；[0044]3)在傳力開口銷的楔形槽202內(nèi)和楔形加載頭表面均涂抹上粘性潤滑劑，楔形加載頭由傳力開口銷頂部的楔形槽口進(jìn)入；
[0045]4)對楔形加載頭施加載荷使其豎直向下移動，在楔形加載頭向下運動的過程中，傳力開口銷將水平方向張開，并帶動C形環(huán)試樣在水平方向上張開，從而實現(xiàn)了 C形環(huán)試樣的斷裂試驗加載；
[0046]5)記錄加載過程中楔形加載頭的豎向載荷F和C形環(huán)試樣的水平張開位移V，由式(I)換算得到C形環(huán)試樣的水平張開載荷Fh ；
[0047]6)根據(jù)傳統(tǒng)的多試樣法或載荷分離法等理論直接或間接獲得C形環(huán)試樣在加載過程中的實時裂紋長度a，進(jìn)而根據(jù)C形環(huán)試樣的(Fh，V, a)實驗記錄求得被測金屬材料的應(yīng)力強(qiáng)度因子K、J積分、CTOD等斷裂性能。
【權(quán)利要求】
1.一種金屬材料斷裂性能楔入測試方法，對含I型張開裂紋的小尺寸金屬構(gòu)件斷裂性能的測定，包含如下的手段: 傳力開口銷(200)作用于楔形加載頭(100)，施加豎向載荷轉(zhuǎn)換為水平載荷并傳遞給C形環(huán)試樣(400);通過楔形加載頭的豎向運動而對C形環(huán)試樣實施張開加載，加載過程中將記錄施加在楔形加載頭上的豎向載荷F和C形環(huán)試樣刀口位置處的水平張開位移V，C形環(huán)試樣的水平張開載荷Fh由下式計算:
P H 2tm0 式中，Θ為傳力開口銷楔形槽與豎直方向的夾角。
2.一種金屬材料斷裂性能楔入測試裝置，由被測試樣及加載裝置組成，其特征在于，試樣(400)為采用C形環(huán)結(jié)構(gòu)，具有對稱的加載孔(401)，初始裂紋缺口(402)和用于測量試樣張開位移的刀口(403)； 加載裝置由楔形加載頭(100)、傳力開口銷(200)和支承底座(300)三部分構(gòu)成，其中:傳力開口銷(200)為整體臺柱式結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)楔形槽(202)，楔形槽的尺寸與楔形加載頭(100)相配合；開口銷外設(shè)3/4圓柱式加載輥(201)，加載輥同C形環(huán)試樣的加載孔(401)配合；開口銷中部設(shè)置有試樣臺(204)，試樣臺(204)上設(shè)有用于放置滾珠的環(huán)形滾珠槽(203)，試驗時，試樣(400)通過滾珠支撐在環(huán)形滾珠槽(203)上，以將C形環(huán)試樣底面與開口銷底座頂面的滑動摩擦轉(zhuǎn)換為滾動摩擦；開口銷底部設(shè)置有滑動底座(206);滑動底座(206)的頂面和底面均設(shè)置有滾珠槽(205)，安裝上滾珠后置于支承底座的導(dǎo)槽(302)內(nèi)；傳力開口銷可沿導(dǎo)槽(302)自由滑動。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述之`金屬材料斷裂性能楔入測試裝置，其特征在于，所述刀口(403)的間距根據(jù)位移計的標(biāo)距設(shè)計。
【文檔編號】G01N3/08GK103558083SQ201310542920
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月5日
【發(fā)明者】包陳, 蔡力勛, 但晨 申請人:西南交通大學(xué)