CN102620988A - 一种测试约束条件下陶瓷材料力学性能的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测试约束条件下陶瓷材料力学性能的装置及方法，属于材料力学性能测试领域。所述装置包括施力装置、约束装置和数据采集处理系统；其中施力装置包括交流电机、减速器、第一支撑架、第二支撑架、支撑板、轴承、联轴器、滚珠丝杠、移动螺母、传动平台、施力压头、工作平台、第一底座和第一压力传感器；约束装置包括第二底座、第一支撑板、第二支撑板、挡板B、加载组件一、加载组件二和第二压力传感器；约束装置的第二底座固定在施力装置的工作平台上，数据采集处理系统分别与第一压力传感器、第二压力传感器连接；所述装置利用刚性材料对陶瓷材料施加压应力，结构简单、灵活轻便，实现了陶瓷材料的力学性能测试。

Description

一种测试约束条件下陶瓷材料力学性能的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种测试约束条件下陶瓷材料力学性能的装置及方法，属于材料力学性能测试领域。
背景技术
陶瓷材料的致命弱点是脆性、低可靠性和低重复性，这些不足严重影响了陶瓷材料的广泛应用，材料的脆性主要表现为断裂韧性低。目前，陶瓷材料的增韧主要是从材料本身的角度出发，通过改变成分，组织，结构等提高韧性，比如纤维/晶须增韧、相变增韧、纳米增韧等，这些增韧措施虽然取得了一定的成就，但效果仍不显著。另外，先进陶瓷材料因具有高抗压强度、高硬度、低密度等突出特性而越来越广泛地应用于抗弹防护领域，但纯陶瓷靶板在弹体的冲击作用下会发生破碎和飞溅，这将大幅度降低靶板的抗弹性能。现有的陶瓷力学性能(抗弯强度、断裂韧性)测试主要在万能材料试验机上进行。以抗弯强度测试为例，如图1所示，常规的三点弯曲试验是将标准试样放在有一定跨距的两个支撑点上，在两个支撑点中点上方向试样施加向下的载荷，试样的3个接触点形成相等的两个力矩时即发生三点弯曲，试样将于中点处发生断裂，记录试样断裂时的最大载荷，根据公式即可计算出抗弯强度。对于在预应力约束条件下，陶瓷材料的力学性能将发生什么样的变化，有关的研究较少，相应的测试预应力约束条件下陶瓷材料的力学性能(抗弯强度、断裂韧性)的变化情况的装置还未见报道。同时，现有的万能材料试验机结构复杂、设备庞大，因此需要一种结构简单、灵活轻便的测试陶瓷材料力学性能的装置。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种测试约束条件下陶瓷材料力学性能的装置及方法，所述装置及方法实现了陶瓷材料在约束条件下的力学性能测试。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种测试约束条件下陶瓷材料力学性能的装置，所述装置包括：施力装置、约束装置和数据采集处理系统；
其中，施力装置包括交流电机、减速器、第一支撑架、第二支撑架、支撑板、轴承、联轴器、滚珠丝杠、移动螺母、传动平台、施力压头、工作平台、第一底座和第一压力传感器；
其中，第一底座为矩形平台，支撑板通过第一支撑架和第二支撑架与第一底座固定连接，其中第一支撑架对称支持支撑板的两端，第二支撑架支持支撑板的中部；工作平台两端开有通孔，第一支撑架穿过工作平台两端的通孔，将工作平台限位在第一底座和支撑板之间，工作平台可在垂直方向上运动；
在工作平台和第一底座之间设有第一压力传感器；第一压力传感器上的弹性体与施力压头的中轴线重合；
交流电机和减速器固定在支撑板顶部，交流电机和减速器之间通过转轴转动连接；减速器输出轴上套有轴承，通过轴承支座将轴承固定在第二支撑架上；轴承的作用为，防止减速器输出轴在工作过程中发生偏移，起限位作用；
通过联轴器，将减速器输出轴的下端和滚珠丝杠连接；
在滚珠丝杠上套有移动螺母，移动螺母与滚珠丝杠通过螺纹配合，在第二支撑架上开有沿竖直方向的滑道，移动螺母一侧与滑道滑动配合，另一侧与转动平台固连，通过移动螺母带动传动平台沿垂直方向上下移动；
传动平台底部与施力压头固定连接；
其中，减速器输出轴和滚珠丝杠的中轴线在同一条直线上；
约束装置包括第二底座、第一支撑板、第二支撑板、挡板B、加载组件一、加载组件二和第二压力传感器；
其中加载组件一包括把手A、中空螺栓A、固定板A、弹簧A、金属杆A、挡板A；加载组件二包括把手A’、中空螺栓A’、固定板A’、弹簧A’、金属杆A’、挡板A’；
其中第二底座为长方体结构，在第二底座上表面沿中轴线方向开有燕尾槽；
在第二底座中心位置两侧对称固定有第一支撑板和第二支撑板，第一支撑板和第二支撑板高度相等；在第一支撑板左侧设有加载组件一，其中：
挡板A位于第一支撑板左侧，金属杆A一端与挡板A抵触连接，另一端套装在中空螺栓A内部；
弹簧A套装在金属杆A上，弹簧A位于中空螺栓A和挡板A之间；
第二支撑板右侧设有加载组件二，以第二底座中心为对称点，加载组件二与加载组件一对称位于第二底座的左右两侧；
在第一支撑板和挡板A之间设有挡板B，其中挡板A、挡板A’、挡板B的下部为燕尾形，与第二底座上表面的燕尾槽配合；挡板A、挡板A’、挡板B可沿第二底座中轴线滑动；
第二压力传感器位于挡板A和挡板B之间；
其中，约束装置的第二底座固定在施力装置的工作平台上，施力装置的施力压头位于约束装置的第一支撑板和第二支撑板之间；
数据采集处理系统分别与第一压力传感器、第二压力传感器连接；
其中，施力装置的作用为，通过施力压头，以设定的加载速度在陶瓷试样上表面施加压力；
约束装置的作用为，对陶瓷试样在水平方向上施加预应力，同时提供陶瓷抗弯强度和断裂韧性测试(三点或四点弯曲法)所需的支撑作用；
数据采集处理系统的作用为，显示第一压力传感器、第二压力传感器所受压力并加以处理，得出在约束条件下陶瓷材料的抗弯强度和断裂韧性。
一种测试约束条件下陶瓷材料力学性能的方法，所述方法步骤如下：
步骤一、将约束装置的第二底座固定在施力装置的第一底座上，将第二压力传感器置于挡板A和挡板B之间；
步骤二、将陶瓷试样置于第一支撑板和第二支撑板上方，通过旋转把手A、把手A’，分别带动中空螺栓A、A’对弹簧A、A’进行压缩，使挡板A’和挡板B对陶瓷试样的两端面施加约束力，同时挡板A和挡板B挤压第二压力传感器，通过数据采集处理系统读出约束力的大小；
步骤三、开启交流电机，交流电机的输出转矩经减速器减速后，通过联轴器、滚珠丝杠、传动平台传给施力压头，施力压头以设定速度向下运动，对试样施加作用力至试样断裂；通过第一压力传感器记录试样断裂时的最大压力，并将数据传到数据采集与处理系统，计算得到试样的断裂韧性；
通过对陶瓷试样两端施加大小不同的约束力，重复步骤二和步骤三，测定不同约束力下试样的断裂韧性和抗弯强度。
其中，在步骤二中，保证陶瓷试样的中心和施力压头中轴线在同一直线上；
在步骤三中，优选所述施力压头的设定速度为0.5mm/min。
有益效果
1.本发明所述测试约束条件下陶瓷材料力学性能的装置中，约束装置利用刚性材料对陶瓷材料施加压应力，压应力的施加方式多样且大小可变；通过施加的压应力可以抵消或减轻裂纹尖端的张应力，从而阻止陶瓷材料内部裂纹扩展，起到改善陶瓷脆性的作用；
2.本发明所述测试约束条件下陶瓷材料力学性能的装置中，施力装置结构简单、灵活轻便，实现了陶瓷材料的力学性能测试。
附图说明
图1为常规三点弯曲试验示意图；
图2为本发明所述的施力装置的正视图；
图3为本发明所述的施力装置的侧视图；
图4为本发明所述的施力装置的俯视图；
图5为本发明所述的约束装置的正视图；
图6为本发明所述的约束装置的俯视图；
图7为本发明所述的约束装置的侧视图；
图8为本发明所述的测试约束条件下陶瓷材料力学性能的装置的结构示意图；
其中，1-交流电机、2-减速器、3-支撑板、4-减速器输出轴、5-轴承、6-联轴器、7-滚珠丝杠、8-移动螺母、9-滑道、10-传动平台、11-施力压头、12-工作平台、13-第一底座、14-第一压力传感器、15-第一支撑架、16-第二支撑架、17-第二底座、18-把手A、19-中空螺栓A、20-固定板A、21-弹簧A、22-金属杆A、23-挡板A、24-挡板B、25-第一支撑板、26-第二支撑板、27-挡板A’、28-弹簧A’、29-金属杆A’、30-固定板A’、31-中空螺栓A’、32-把手A’。
具体实施方式
下面通过具体实施例来详细描述本发明。
实施例
一种测试约束条件下陶瓷材料力学性能的装置，所述装置包括：施力装置、约束装置和数据采集处理系统；
其中，施力装置包括交流电机1、减速器2、第一支撑架15、第二支撑架16、支撑板3、轴承5、联轴器6、滚珠丝杠7、移动螺母8、传动平台10、施力压头11、工作平台12、第一底座13和第一压力传感器14；
其中，第一底座13为矩形平台，支撑板3通过第一支撑架15和第二支撑架16与第一底座13固定连接，其中第一支撑架15对称支持支撑板3的两端，第二支撑架16支持支撑板3的中部；工作平台12两端开有通孔，第一支撑架15穿过工作平台12两端的通孔，将工作平台12限位在第一底座13和支撑板3之间，工作平台12可在垂直方向上运动；
在工作平台12和第一底座13之间设有第一压力传感器14；第一压力传感器14上的弹性体与施力压头11的中轴线重合；
交流电机1和减速器2固定在支撑板3顶部，交流电机1和减速器2之间通过转轴转动连接；减速器输出轴4上套有轴承，通过轴承支座将轴承5固定在第二支撑架16上；轴承5的作用为，防止减速器输出轴4在工作过程中发生偏移，起限位作用；
通过联轴器6，将减速器输出轴4的下端和滚珠丝杠7连接；
在滚珠丝杠7上套有移动螺母8，移动螺母8与滚珠丝杠7通过螺纹配合，在第二支撑架16上开有沿竖直方向的滑道9，移动螺母8一侧与滑道9滑动配合，移动螺母8另一侧与传动平台10固连，通过移动螺母8带动传动平台10沿垂直方向上下移动；
传动平台10底部与施力压头11固定连接；
减速器输出轴4和滚珠丝杠7的中轴线在同一条直线上；
约束装置包括第二底座17、第一支撑板25、第二支撑板26、挡板B24、加载组件一、加载组件二和第二压力传感器；
其中加载组件一包括把手A18、中空螺栓A19、固定板A20、弹簧A21、金属杆A22、挡板A23；加载组件二包括把手A’32、中空螺栓A’31、固定板A’30、弹簧A’28、金属杆A’29、挡板A’27；
其中第二底座17为长方体结构，在第二底座17上表面沿中轴线方向开有燕尾槽；
在第二底座17中心位置两侧对称固定有第一支撑板25和第二支撑板26，第一支撑板25和第二支撑板26高度相等；在第一支撑板25左侧设有加载组件一，其中：
固定板A20固定在底座最左端，中空螺栓A19水平穿过固定板A20，中空螺栓A19和固定板A20之间通过螺纹配合，把手A18固定在中空螺栓A19外侧；
挡板A23位于第一支撑板25左侧，金属杆A22一端与挡板A23抵触连接，另一端套装在中空螺栓A19内部；
弹簧A21套装在金属杆A22上，弹簧A21位于中空螺栓A19和挡板A23之间；
第二支撑板26右侧设有加载组件二，以第二底座17中心为对称点，加载组件二与加载组件一对称位于第二底座17的左右两侧；
在第一支撑板25和挡板A23之间设有挡板B24，其中挡板A23、挡板A’27、挡板B24的下部为燕尾形，与第二底座17上表面的燕尾槽配合；挡板A23、挡板A’27、挡板B24可沿第二底座中轴线滑动；
第二压力传感器位于挡板A23和挡板B24之间；
约束装置的第二底座17固定在施力装置的工作平台12上，施力装置的施力压头11位于约束装置的第一支撑板25和第二支撑板26之间；数据采集处理系统分别与第一压力传感器14、第二压力传感器连接；
其中，第一、第二压力传感器均为CH-400轮辐式压力传感器，包括弹性体和金属电阻应变片，其中弹性体作为弹性敏感元件，将被测物体的压力转化为弹性体的形变值；金属电阻应变片作为传感元件，将弹性体的应变同步转换为电阻值的变化；金属电阻应变片粘贴在弹性体上并以适当的方式组成电桥，在力的作用下弹性体发生形变，导致金属电阻应变片的电阻增加，将作用力转换成电信号，由此计算出力的大小。
一种测试约束条件下陶瓷材料力学性能的方法，所述方法步骤如下：
步骤一、将约束装置的第二底座17固定在施力装置的第一底座12上，将第二压力传感器置于挡板A23和挡板B24之间；
步骤二、将陶瓷试样置于第一支撑板25和第二支撑板26上方，通过旋转把手A18、把手A’32，分别带动中空螺栓A19、中空螺栓A’31对弹簧A21、弹簧A’28进行压缩，使挡板A’27和挡板B24对陶瓷试样的两端面施加约束力，同时挡板A23和挡板B24挤压第二压力传感器，通过数据采集处理系统读出约束力的大小；
其中，在步骤二中，保证陶瓷试样的中心和施力压头11中轴线在同一直线上；
步骤三、开启交流电机1，交流电机1的输出转矩经减速器2减速后，通过联轴器6、滚珠丝杠7、传动平台10传给施力压头11，施力压头11以0.5mm/min的设定速度向下运动，对试样施加作用力至试样断裂；通过第一压力传感器14记录试样断裂时的最大压力，并将数据传到数据采集与处理系统，计算得到试样的断裂韧性和抗弯强度；
通过对陶瓷试样两端施加大小不同的约束力，重复步骤二和步骤三，测定不同约束力下试样的断裂韧性和抗弯强度。
其中断裂韧性计算公式为：
KIC＝(3PLa1/2)[1.93-3.07(a/h)+14.53(a/h)2-25.07(a/h)3+25.80(a/h)4]
式中：KIC-陶瓷试样的断裂韧性(MPa)
a-试样切口深度(mm)
b-陶瓷试样的宽度(mm)
h-陶瓷试样的高度(mm)
P-陶瓷试样断裂时的最大负载(N)
L-支撑试样的跨距(约束装置两支点之间的距离)mm。
抗弯强度计算公式为：бf＝3PL/2bh2
式中：бf-陶瓷的抗弯强度(MPa)
P-陶瓷试样断裂时的最大负载(N)
L-支撑试样的跨距(约束装置两支点之间的距离)mm
b-陶瓷试样的宽度(mm)
h-陶瓷试样的高度(mm)。
其中，a、b、h为已知值，P通过第一压力传感器测量得到，L取24mm，代入公式计算得到陶瓷试样的断裂韧性和抗弯强度。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种测试约束条件下陶瓷材料力学性能的装置，其特征在于：所述装置包括：施力装置、约束装置和数据采集处理系统；
其中，施力装置包括交流电机(1)、减速器(2)、第一支撑架(15)、第二支撑架(16)、支撑板(3)、轴承(5)、联轴器(6)、滚珠丝杠(7)、移动螺母(8)、传动平台(10)、施力压头(11)、工作平台(12)、第一底座(13)和第一压力传感器(14)；
其中，第一底座(13)为矩形平台，支撑板(3)通过第一支撑架(15)和第二支撑架(16)与第一底座(13)固定连接，其中第一支撑架(15)对称支持支撑板(3)的两端，第二支撑架(16)支持支撑板(3)的中部；工作平台(12)两端开有通孔，第一支撑架(15)穿过工作平台(12)两端的通孔，将工作平台(12)限位在第一底座(13)和支撑板(3)之间，工作平台(12)可在垂直方向上运动；
在工作平台(12)和第一底座(13)之间设有第一压力传感器(14)；第一压力传感器(14)上的弹性体与施力压头(11)的中轴线重合；
交流电机(1)和减速器(2)固定在支撑板(3)顶部，交流电机(1)和减速器(2)之间通过转轴转动连接；减速器输出轴(4)上套有轴承，通过轴承支座将轴承(5)固定在第二支撑架(16)上；
通过联轴器(6)，将减速器输出轴(4)的下端和滚珠丝杠(7)连接；
在滚珠丝杠(7)上套有移动螺母(8)，移动螺母(8)与滚珠丝杠(7)通过螺纹配合，在第二支撑架(16)上开有沿竖直方向的滑道(9)，移动螺母(8)一侧与滑道(9)滑动配合，移动螺母(8)另一侧与传动平台(10)固连，通过移动螺母(8)带动传动平台(10)沿垂直方向上下移动；
传动平台(10)底部与施力压头(11)固定连接；
其中，减速器输出轴(4)和滚珠丝杠(7)的中轴线在同一条直线上；
约束装置包括第二底座(17)、第一支撑板(25)、第二支撑板(26)、挡板B(24)、加载组件一、加载组件二和第二压力传感器；
其中加载组件一包括把手A(18)、中空螺栓A(19)、固定板A(20)、弹簧A(21)、金属杆A(22)、挡板A(23)；加载组件二包括把手A’(32)、中空螺栓A’(31)、固定板A’(30)、弹簧A’(28)、金属杆A’(29)、挡板A’(27)；
其中第二底座(17)为长方体结构，在第二底座(17)上表面沿中轴线方向开有燕尾槽；
在第二底座(17)中心位置两侧对称固定有第一支撑板(25)和第二支撑板(26)，第一支撑板(25)和第二支撑板(26)高度相等；在第一支撑板(25)左侧设有加载组件一，其中：
固定板A(20)固定在底座最左端，中空螺栓A(19)水平穿过固定板A(20)，中空螺栓A(19)和固定板A(20)之间通过螺纹配合，把手A(18)固定在中空螺栓A(19)外侧；
挡板A(23)位于第一支撑板(25)左侧，金属杆A(22)一端与挡板A(23)抵触连接，另一端套装在中空螺栓A(19)内部；
弹簧A(21)套装在金属杆A(22)上，弹簧A(21)位于中空螺栓A(19)和挡板A(23)之间；
第二支撑板(26)右侧设有加载组件二，以第二底座(17)中心为对称点，加载组件二与加载组件一对称位于第二底座(17)的左右两侧；
在第一支撑板(25)和挡板A(23)之间设有挡板B(24)，其中挡板A(23)、挡板A’(27)、挡板B(24)的下部为燕尾形，与第二底座(17)上表面的燕尾槽滑动配合；
第二压力传感器位于挡板A(23)和挡板B(24)之间；
其中，约束装置的第二底座(17)固定在施力装置的工作平台(12)上，施力装置的施力压头(11)位于约束装置的第一支撑板(25)和第二支撑板(26)之间；
数据采集处理系统分别与第一压力传感器(14)、第二压力传感器连接。
2.一种测试约束条件下陶瓷材料力学性能的方法，其特征在于：所述方法使用如权利要求1所述的测试约束条件下陶瓷材料力学性能的装置，具体步骤如下：
步骤一、将第二压力传感器置于挡板A(23)和挡板B(24)之间；
步骤二、将陶瓷试样置于第一支撑板(25)和第二支撑板(26)上方，通过旋转把手A(18)、把手A’(32)，分别带动中空螺栓A(19)、中空螺栓A’(31)对弹簧A(21)、弹簧A’(28)进行压缩，使挡板A’(27)和挡板B(24)对陶瓷试样的两端面施加约束力，同时挡板A(23)和挡板B(24)挤压第二压力传感器，通过数据采集处理系统读出约束力的大小；
其中，在步骤二中，保证陶瓷试样的中心和施力压头(11)中轴线在同一直线上；
步骤三、开启交流电机(1)，交流电机(1)的输出转矩经减速器(2)减速后，通过联轴器(6)、滚珠丝杠(7)、传动平台(10)传给施力压头(11)，施力压头(11)以设定速度向下运动，对试样施加作用力至试样断裂；通过第一压力传感器(14)记录试样断裂时的最大压力，并将数据传到数据采集与处理系统，计算得到试样的断裂韧性和抗弯强度。
3.根据权利要求2所述的一种测试约束条件下陶瓷材料力学性能的方法，其特征在于：在步骤三中，所述施力压头(11)的设定速度为0.5mm/min。
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