CN103558083B - 一种金属材料断裂性能楔入测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属材料断裂性能楔入测试方法及装置，传力开口销（200）作用于楔形加载头（100），施加竖向载荷转换为水平载荷并传递给C形环试样（400）。加载装置由楔形加载头（100）、传力开口销（200）和支承底座（300）三部分构成。本发明通过改变加载方式实现小尺寸金属构件的断裂性能测试，效果理想，结构简单，制作方便，用于大尺寸金属构件的断裂性能测试，可以达到节省试验材料降低实验成本的效果。

Description

一种金属材料断裂性能楔入测试方法及装置

技术领域

本发明属于材料试验装置，尤其是金属材料断裂性能楔入测试方法及装置制造领域。

背景技术

断裂性能是衡量构件抵抗断裂破坏行为的重要力学性能参量，在工程构件的结构完整性评定中起着至关重要的作用。对于含Ⅰ型张开裂纹的结构件，获取其断裂性能的传统方法是采用紧凑拉伸或单边裂纹弯曲等标准断裂试样通过拉伸或三点弯曲的加载方式进行测试。由于试样的构形特征，该类标准断裂试样的尺寸通常较大，从而要求被测构件的尺寸也相应较大，由此才能有效测定构件的断裂性能。对于原始尺寸较小的构件，目前尚无有效的断裂性能检测技术。

对于小尺寸金属构件断裂性能的测定，可能的途径是改变加载方式并配合特殊的试样构形设计。

现有技术方案（一）

Williams JG.The fracture mechanics of surface layer removal.InternationalJournal of Fracture,2011,170:37-48.基于机械加工中切削理论提出了以楔入加载方式测定低屈服应力延性非金属材料断裂性能的切割法。如图1所示，在该技术方案中，因切割工具可直接接触到试样的裂纹尖端而无需进行疲劳裂纹预制，同时试样尺寸也不受限制。但是，该技术方案仅适合于测定非金属无裂纹构件断裂时的能量释放率，无法应用于含裂纹金属构件的断裂性能测定。

现有技术方案（二）

在混凝土断裂性能的检测中，一种楔入劈拉（Wedge-Splitting）法得到了广泛应用。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.图2为典型的楔入劈拉法试验系统。该技术方案采用楔形加载板和带滚轴的传力板将施加的竖向载荷转换为对试样的水平拉力，一方面可以忽略试样自重对断裂性能测量结果的影响，另一方面仅需较小的竖向力便可产生较大的水平拉力，从而降低对试验机刚度的要求。然而，该技术方案因带滚轴传力板的设计不能用于小尺寸金属构件的断裂性能检测。

发明内容

鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的是，获得一种通过楔入加载方式实现小尺寸金属构件断裂性能测试的方法和装置，并使之具有方法操作简单、成本低、容易实现的优点。

本发明的目的是通过以下的手段实现的：

一种金属材料断裂性能楔入测试方法,对含Ⅰ型张开裂纹的小尺寸金属构件断裂性能的测定,包含如下的手段:

传力开口销200作用于楔形加载头100，施加竖向载荷转换为水平载荷并传递给C形环试样400；通过楔形加载头的竖向运动而对C形环试样实施张开加载，加载过程中将记录施加在楔形加载头上的竖向载荷F和C形环试样刀口位置处的水平张开位移V，C形环试样的水平张开载荷F_H由下式计算：

$F_H=\frac{F}{2\tan \mathrm{\θ}}$

式中，θ为传力开口销楔形槽与竖直方向的夹角。

本发明的目的还在于，为以上的试验方法提供一种实施的硬件条件。所采用的方案如下：

一种金属材料断裂性能楔入测试装置，由被测试样及加载装置组成，试样400为采用C形环结构，具有对称的加载孔401,初始裂纹缺口402和用于测量试样张开位移的刀口403；

加载装置由楔形加载头100、传力开口销200和支承底座300三部分构成，其中：传力开口销200为整体台柱式结构，内设楔形槽202，,楔形槽的尺寸与楔形加载头100相配合；开口销外设3/4圆柱式加载辊201，加载辊同C形环试样的加载孔401配合；开口销中部设置有试样台204，试样台上设有用于放置滚珠的环形滚珠槽203，试验时，试样400通过滚珠支撑在环形滚珠槽203上，以将C形环试样底面与开口销底座顶面的滑动摩擦转换为滚动摩擦；开口销底部设置有滑动底座206;滑动底座206的顶面和底面均设置有滚珠槽205，安装上滚珠后置于支承底座的导槽302内；传力开口销可沿导槽302自由滑动。以将C形环试样底面与开口销底座顶面的滑动摩擦转换为滚动摩擦，配合粘性润滑剂的使用，从而将摩擦力对C形环试样水平张开运动的影响降到最低，将楔形加载头施加竖向载荷转换为水平载荷并传递给C形环试样。

所述刀口403的间距根据位移计的标距设计。

本发明的有益效果是，通过改变加载方式实现小尺寸金属构件的断裂性能测试，效果理想。本发明原理清晰，结构简单，制作方便。本发明用于大尺寸金属构件的断裂性能测试，可以达到节省试验材料降低实验成本的效果。

附图说明如下：

图1是现有技术方案1切割法的示意图。

图2是现有技术方案2楔入劈拉机构示意图。

图3是本发明C形环试样的示意图。

图4是本发明楔入式加载系统示意图。

图5楔形加载头三维视图。

图6传力开口销的三维视图。

图7传力开口销剖视图。

图8支承底座三维外观图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的方法和结构作进一步的详述

本发明所采用的技术方案包括三个部分，即特殊构形设计的试样、加载装置和基于楔入式加载的理论体系。

（1）适于楔入加载的试样构形

用于本发明技术方案的试样为C形环试样（图3），具有对称的加载孔401,初始裂纹缺口402，刀口403用于测量试样的张开位移。

刀口403的间距可根据位移计的标距设计。

（2）加载装置

加载装置由楔形加载头（图5）、传力开口销（图6和图7）和支承底座（图8）三部分构成，图4给出了C形环试样楔入式加载的示意图。楔形加载头由高强高硬材料制成，其表面应作耐磨处理。

传力开口销为整体台柱式结构，内设楔形槽202且楔形槽的尺寸与楔形加载头相配合；开口销外设3/4圆柱式加载辊（201），加载辊201同C形环试样的加载孔401配合；开口销分别有一试样台204和带滚珠槽的滑动底座206，试样台204上设置一环形滚珠槽203用于安放滚珠，以将C形环试样底面与开口销底座顶面的滑动摩擦转换为滚动摩擦，配合粘性润滑剂的使用，从而将摩擦力对C形环试样水平张开运动的影响降到最低；传力开口销底座的顶面和底面分别设置两条滚珠槽，安装上滚珠后置于支承底座的导槽302内，传力开口销可沿导槽自由滑动；传力开口销的作用在于将楔形加载头施加竖向载荷转换为水平载荷并传递给C形环试样。

支承底座上的中间深孔为楔形加载头的竖向运动预留空间301，孔的直径和深度应综合C形环试样内环尺寸、楔形加载头锥度和C形环试样张开量等因素合理设计；支承底座还设置了导槽，其作用在于让传力开口销侧向自由滑动，同时约束传力开口销竖向位移以实现C形环试样的疲劳加载。

（3）基于楔入式加载的理论体系

在本发明技术方案中，通过楔形加载头的竖向运动而对C形环试样实施张开加载，加载过程中将记录施加在楔形加载头上的竖向载荷F和C形环试样刀口位置处的水平张开位移V，C形环试样的水平张开载荷F_H由式（1）计算：

$F_H=\frac{F}{2\tan \mathrm{\θ}}---\left(1\right)$ 式中，θ为传力开口销楔形槽与竖直方向的夹角。

在获得C形环试样楔入式加载条件下的水平载荷F_H和张开位移V实验记录后，可根据传统的多试样法理论或载荷分离法理论等进行被测金属材料的应力强度因子K、J积分、CTOD等断裂性能的测量。

试验时：

1）将对称布置的传力开口销穿过Ｃ形环试样，传力开口销上的加载辊201与Ｃ形环试样的加载孔401配合，可确保Ｃ形环试样在张开过程中其受力部位相对集中；在传力开口销的环形滚珠槽203内放入适当数量的滚珠并填入粘性润滑剂，以减少C形环底面同传力开口销之间的摩擦；

2）将传力开口销底座滚珠槽205安装上滚珠并涂抹粘性润滑剂后置于支承底座的导槽302内，传力开口销的矩形孔对准支承底座的中间深孔301；

3）在传力开口销的楔形槽202内和楔形加载头表面均涂抹上粘性润滑剂，楔形加载头由传力开口销顶部的楔形槽口进入；

4）对楔形加载头施加载荷使其竖直向下移动，在楔形加载头向下运动的过程中，传力开口销将水平方向张开，并带动C形环试样在水平方向上张开，从而实现了C形环试样的断裂试验加载；

5）记录加载过程中楔形加载头的竖向载荷F和C形环试样的水平张开位移V，由式（1）换算得到C形环试样的水平张开载荷F_H；

6）根据传统的多试样法或载荷分离法等理论直接或间接获得C形环试样在加载过程中的实时裂纹长度a，进而根据C形环试样的（F_H,V,a）实验记录求得被测金属材料的应力强度因子K、J积分、CTOD等断裂性能。

Claims (3)

1.一种金属材料断裂性能楔入测试方法,对含Ⅰ型张开裂纹的小尺寸金属构件断裂性能的测定,包含如下的手段:

传力开口销（200）作用于楔形加载头（100），施加竖向载荷转换为水平载荷并传递给C形环试样（400）；通过楔形加载头的竖向运动而对C形环试样实施张开加载，加载过程中将记录施加在楔形加载头上的竖向载荷F和C形环试样刀口位置处的水平张开位移V，C形环试样的水平张开载荷F_H由下式计算：

$F_H=\frac{F}{2\tan \mathrm{\θ}}$

式中，θ为传力开口销楔形槽与竖直方向的夹角。

2.一种金属材料断裂性能楔入测试装置，由被测试样及加载装置组成，其特征在于，试样（400）为采用C形环结构，具有对称的加载孔（401）,初始裂纹缺口（402）和用于测量试样张开位移的刀口（403）；

加载装置由楔形加载头（100）、传力开口销（200）和支承底座（300）三部分构成，其中：传力开口销（200）为整体台柱式结构，内设楔形槽（202），楔形槽的尺寸与楔形加载头（100）相配合；开口销外设3/4圆柱式加载辊（201），加载辊同C形环试样的加载孔（401）配合；开口销中部设置有试样台（204），试样台（204）上设有用于放置滚珠的环形滚珠槽（203），试验时，试样（400）通过滚珠支撑在环形滚珠槽（203）上，以将C形环试样底面与开口销底座顶面的滑动摩擦转换为滚动摩擦；开口销底部设置有滑动底座（206）;滑动底座（206）的顶面和底面均设置有滚珠槽（205），安装上滚珠后置于支承底座的导槽（302）内；传力开口销可沿导槽（302）自由滑动。

3.根据权利要求2所述之金属材料断裂性能楔入测试装置，其特征在于，所述刀口（403）的间距根据位移计的标距设计。