CN103792151A - 脆性材料动态拉伸裂纹扩展速度的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

脆性材料动态拉伸裂纹扩展速度的测量装置，包括SHPB装置，试样，高速摄像仪所述试样中心预制一个圆形通孔，夹持在SHPB装置的入射杆和透射杆之间；高速摄像仪安装在试样圆形通孔的轴线上。测量方法，是利用SHPB装置对试样施加冲击载荷，致使材料开裂；同时，实时拍摄试样表面图像，根据图片的记载确定裂纹起、止时间并实测裂纹长度，计算动态拉伸裂纹扩展速度。本发明的测量装置及测量方法可以控制脆性材料动态拉伸裂纹扩展方向，同时，可以精确确定裂纹扩展起始时间，有效提升脆性材料动态拉伸裂纹扩展速度的测量精度；为冲击载荷作用下岩石类脆性材料动态拉伸裂纹扩展速度的确定提供了一种新的操作方便、快速便捷、简单有效的方法。

Description

脆性材料动态拉伸裂纹扩展速度的测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种脆性材料动态拉伸裂纹扩展速度的测量装置及测量方法，特别是指一种岩石类脆性材料动态拉伸裂纹扩展速度的测量装置及测量方法；属于脆性材料性能测量技术领域。

技术背景

裂纹扩展速度是断裂力学中的一个基本参数。确定脆性材料的裂纹扩展速度对于预测脆性材料在偶然载荷（如爆炸、地震等）作用下的失效时间具有重要意义，对于提高采矿和隧道工程中的爆破破岩效率、提升石油钻井工程中岩石水力压裂效果等也具有重要工程实际价值。另一方面，脆性材料的抗拉强度远低于其抗压强度和抗剪强度，脆性材料在受载时通常先发生张拉破坏，因此确定脆性材料的拉伸裂纹扩展速度更具有现实意义。但是，脆性材料的裂纹扩展速度一般不易测定，在动载荷的作用下，脆性材料的裂纹扩展速度较高，且裂纹扩展的路径受材料不均质性的影响而具有很大的随机性，裂纹扩展的路径和时间均较难确定。传统测试裂纹扩展速度的方法为电阻断裂片法，利用冲击装置对待测试样施加冲击载荷，将含有平行线栅的应变片或者一排平行的铅笔芯（铅笔芯的电阻值为150Ω/m），粘贴在试样可能产生断裂的地方，当产生裂纹并扩展时，线栅或者铅笔芯就一条接一条的被拉断，每一瞬间所反应的电阻值就指示出裂纹尖端的位置，从而测得裂纹的扩展量、扩展时间和扩展速度。

但是由于应变片或铅笔芯中电阻丝的抗拉强度比较高,当裂纹开始张开时,电阻丝却未断,而是因其具有的延性特征被拉长。因电阻值R∝L(L为导线长度),故仅发生ΔR的改变。断裂信号的判读是靠测量的电压差来表现的,而ΔR的变化为一连续值,使电阻丝未断开前压差的变化为一斜线,而不成阶梯状,从而给断裂时间的判读带来了困难；而使用铅笔芯监测裂纹扩展，在粘结时，两铅笔芯的距离难以保证很小，从而测量到的值更趋于平均，在反应裂纹速度变化上不理想。无论是采用平行线栅的应变片还是黏贴铅笔芯，都遮挡了裂纹扩展的路径，不能清楚的观测到裂纹扩展的全过程，不利于对裂纹扩展特性的分析。此种方法需要自制电阻回路，黏贴带有平行线栅的应变片和铅笔芯，操作复杂，测试结果精确度低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种操作方便、快速便捷、简单有效的脆性材料动态拉伸裂纹扩展速度的测量装置及测量方法；本发明的测量装置及测量方法可以控制脆性材料动态拉伸裂纹扩展方向，同时，可以直接观察动态裂纹的扩展过程，从而更准确确定裂纹扩展起止时间，有效提升脆性材料动态拉伸裂纹扩展速度的测量精度。

本发明一种脆性材料动态拉伸裂纹扩展速度的测量装置，所述装置包括SHPB装置，试样，高速摄像仪；所述试样中心预制一个圆形通孔，所述试样按SHPB装置的操作要求夹持在SHPB装置的入射杆和透射杆之间；所述高速摄像仪安装在试样圆形通孔的轴线上，且高速摄像仪镜头端面平行于试样设有圆形通孔的表面，根据试样尺寸合理设置高速摄像仪参数，使得镜头窗口能刚好完全囊括整个试样。

本发明一种脆性材料动态拉伸裂纹扩展速度的测量装置，所述试样的形状为长方体、圆柱体（圆盘）中的一种；试样的材质为待测试材料。

本发明一种脆性材料动态拉伸裂纹扩展速度的测量装置，所述试样为长方体时，试样的高宽比h/l=1-1.5:1，其中h为试样平行于加载方向的长度，l为试样宽度，l≤h；试样厚度为w，w≤l≤h；试样的两个加载端面的平整度小于2‰；

所述试样为圆柱体时，试样的厚径比t/D=0.5-1:1，t为试样厚度，D为试样外径；圆盘试样，采用对径加载的方式夹持在SHPB装置的入射杆和透射杆之间；两种形状试样在平行于高速摄像仪镜头的表面均应平整洁净，可用砂纸打磨，无反光，若为玻璃等透明材料，可在观测背面粘贴遮光纸。

本发明一种脆性材料动态拉伸裂纹扩展速度的测量装置，所述试样中心预制的圆形通孔，其轴线方向垂直于加载方向，通孔表面光滑，无肉眼可见人工缺陷，以保证试样在冲击载荷作用下沿平行于加载方向的孔洞径向产生拉伸裂纹。

本发明一种脆性材料动态拉伸裂纹扩展速度的测量装置，所述圆形通孔半径为r，长方体试样，r取值范围为：h/10≤r≤h/6，圆柱体试样，r其取值范围为：D/10≤r≤D/6。

本发明一种脆性材料动态拉伸裂纹扩展速度的测量装置，所述圆形通孔的半径为：5≤r≤10mm。

本发明一种脆性材料动态拉伸裂纹扩展速度的测量装置，高速摄像仪的摄像镜头端面距试样表面的距离为S为200-1500mm；高速摄像仪的拍摄速度为80000-800000帧/秒；根据试样尺寸大小逐步调整摄像仪与试样之间的距离，以确保摄像镜头能全部涵盖试样表面，并得到最佳的拍摄清晰度。

本发明一种脆性材料动态拉伸裂纹扩展速度的测量方法，包括下述步骤：

首先将待测材料制作成中心预制圆形通孔的试样，圆形通孔半径为r，长方体试样，r取值范围为：h/10≤r≤h/6，圆柱体试样，r其取值范围为：D/10≤r≤D/6；然后，按SHPB装置的操作要求将试样安装在SHPB装置的入射杆和透射杆之间；调整好高速摄像仪的摄像镜头端面距试样表面的距离并设置好高速摄像仪的拍摄速度，启动SHPB装置对试样施加冲击载荷，施加的冲击载荷要求由小到大逐步递增，直至大于等于待测材料的动态抗拉强度，并致使材料开裂；施加冲击载荷的同时，高速摄像仪实时拍摄试样表面图像，自试样表面裂纹开始萌生至二次裂纹形成或裂纹扩展到试样边缘，终止试验，利用高速摄像仪标配软件PFV截取裂纹开始萌生到二次裂纹形成或裂纹扩展到试样边缘整个过程图片和视频；观察高速摄像仪拍摄的图片，图片中出现微小碎屑时的图片确定为裂纹扩展开始时间，动态拉伸裂纹扩展到二次裂纹形成或裂纹扩展到试样边缘的图片确定为裂纹扩展终止时间；根据裂纹开始萌生的图片至动态拉伸裂纹扩展到二次裂纹形成或裂纹扩展到试样边缘的图片之间的图片总数N及设定的高速摄像仪的拍摄间隔时间Δt，计算裂纹扩展时间T=NΔt；实际测量试样上按预先控制路径产生的动态拉伸裂纹长度L；按式：V_C=L/T计算动态拉伸裂纹扩展速度。

有益效果：

由于脆性材料在动态冲击载荷作用下的裂纹扩展方向具有随机性，和试样内的微观缺陷有关；因此，本发明采用上述测量试样的结构以及测量方法，利用圆形孔洞周边的应力分布特征，即对于长方体试样，在水平轴向冲击试验中，平行于孔洞加载方向的孔洞径向周边，径向应力、剪应力为零，切向拉伸应力数值上等于试件所受到的水平冲击应力；对于圆盘径向劈裂试验，圆盘孔洞平行于加载方向的径向应力、剪应力为零，切向产生动态拉伸应力。因此，对于孔洞试样，当孔洞周边径向拉应力超过被测材料的动态拉伸强度时，便会在孔洞试样内产生拉伸裂纹，且裂纹是沿着平行于加载方向的径向扩展，实现脆性材料裂纹扩展方向的控制；另外，利用高速摄像仪实时拍摄并监测动态拉伸裂纹扩展过程，通过设定高速摄像仪的合理采样时间间隔，可以确定动态拉伸裂纹扩展时间T；通过试样上预先控制动态拉伸裂纹路径的长度L，即可按下式计算得到动态裂纹扩展速度V_C=L/T；如在试样表面没有出现二次裂纹，动态拉伸裂纹直接扩展到了试样边缘，也可以采用以下公式计算得到动态裂纹扩展速度V_C=(h/2-r)/NΔt（长方体孔洞试样）或V_C=(D/2-r)/NΔt（圆盘孔洞试样）。利用本发明装置及方法，可以较清晰的判断拉伸裂纹起裂和终止位置，从而确定裂纹扩展长度和扩展时间，对于确定冲击载荷作用下脆性材料的裂纹扩展速度具有一定的普适性。

综上所述，本发明的测量装置及测量方法可以控制脆性材料动态拉伸裂纹扩展方向，同时，可以精确确定裂纹扩展起始时间，有效提升脆性材料动态拉伸裂纹扩展速度的测量精度；为冲击载荷作用下岩石类脆性材料动态拉伸裂纹扩展速度的确定提供了一种新的操作方便、快速便捷、简单有效的方法。

附图说明

附图1SHPB动态压缩试验示意图；

附图2含预制孔洞长方体试样三维示意图及冲击加载方向；

附图3含预制孔洞圆柱体（圆盘）试样三维示意图及冲击加载方向；

附图4SHPB动态冲击试样加载照片；

附图5高速摄像仪拍摄到的试样裂纹扩展照片；

图中标号说明：1-冲击载荷p(t)，2-入射杆，4-高速摄像仪，5-试样，6-透射杆，7-缓冲杆；

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施步骤对本发明作进一步详细说明：

实施例1：

参见附图1、2、3、4、5，本发明一种脆性材料动态拉伸裂纹扩展速度的测量装置，所述测量装置包括SHPB装置，试样5，高速摄像仪4；SHPB装置由入射杆2，透射杆6，缓冲杆7构成；所述试样5中心预制一个圆形通孔，所述试样5按SHPB装置的操作要求夹持在SHPB装置的入射杆和透射杆之间；所述高速摄像仪4安装在试样圆形通孔的轴线上，且高速摄像仪镜头端面平行于试样设有圆形通孔的表面，根据试样尺寸合理设置高速摄像仪参数，使得镜头窗口能刚好完全囊括整个试样。

本实施例中，试样为大理岩立方体试样，尺寸为：

h×l×w=60mm×60mm×15mm，圆形通孔半径r=7.5mm；高速摄像仪的摄像镜头端面距试样表面的距离为S约为1000mm，高速摄像仪的拍摄速度为100000帧/秒。

本实施例的试样动态拉伸裂纹扩展速度的测量方法，包括下述步骤：

首先将大理岩材料制作成中心余留有圆形通孔的试样，试样尺寸为h×l×w=60mm×60mm×15mm的立方体，圆形通孔半径r=7.5mm；然后，按SHPB装置的操作要求将试样夹持在SHPB装置的入射杆和透射杆之间（图4）；调整好高速摄像仪的摄像镜头的轴线上，且高速摄像仪镜头端面平行于试样设有圆形通孔的表面；设置好高速摄像仪的拍摄速度为100000帧/秒，启动SHPB装置对试样施加冲击载荷p(t)，施加的冲击载荷p(t)要求大于等于大理岩材料的动态抗拉强度，高速摄像仪实时拍摄试样表面图像；一次冲击试验结束后，利用高速摄像仪标配软件PVC截取裂纹开始萌生到二次裂纹形成整个过程图片和视频；观察高速摄像仪拍摄的图片，图片中出现微小碎屑时的图片确定为裂纹扩展开始时间，动态拉伸裂纹扩展到试样周边为裂纹扩展终止时间；根据裂纹开始萌生至动态拉伸裂纹扩展到试样周边的图片之间的图片总数N及设定的高速摄像仪的拍摄时间间隔，计算裂纹扩展时间T；通过试样上预先控制动态拉伸裂纹产生路径的长度L；按式：V_C=L/T，计算裂纹扩展速度；本实施例中，由于裂纹未发生分叉，直接延伸至试样边缘，因此，按式V_C=(h/2-r)/NΔt计算裂纹扩展速度；

本实例中，预制动态拉伸裂纹扩展路径长度：

L=60/2-7.5=22.5mm，

裂纹扩展时间T=NΔt=60μs；

将数据代入可得，该试样动态拉伸裂纹扩展速度V_C=375m/s；裂纹形状见图5。

实施例2

采用和实施例1相同的大理岩试样，中心圆形通孔直径减小为12.0mm，即r=6.0mm,试样尺寸和试验实施步骤同实施例1，拉伸裂纹在贯穿试样表面前发生分叉，通过照片实测拉伸裂纹扩展长度L=22.2mm，拉伸裂纹扩展时间T=NΔt=60μs；将数据代入可得，该试样动态拉伸裂纹扩展速度V_C=370m/s。

实施例3

采用和实施例1相同的大理岩试样，中心圆形通孔直径减小为10.0mm，即r=5.0mm,试样尺寸和试验实施步骤同实施例1，裂纹扩展时间T=NΔt=80μs，拉伸裂纹基本贯穿试样表面，实测拉伸裂纹扩展长度L=24.8mm；将数据代入可得，该试样动态拉伸裂纹扩展速度V_C=310m/s。

实施例4

采用混凝土圆盘试样预制中心圆形通孔，圆盘外径D=50mm，中心通孔半径r=6.0mm，将圆盘孔洞试样沿直径方向夹持在SHPB装置的入射杆和透射杆之间（如图3所示），采用和实施例1相同的冲击加载方式，并利用和实施例1相同的高速摄像仪实时拍照记录方法，观测圆盘试样在冲击载荷作用下的动态拉伸裂纹扩展过程。测得普通硅酸盐水泥制备的混凝土试样动态拉伸裂纹扩展时间T=NΔt=50μs，拉伸裂纹扩展长度L=D/2-r=19.0mm；将数据代入可得，该混凝土试样的动态拉伸裂纹扩展速度V_C=380m/s。

Claims (9)

1.脆性材料动态拉伸裂纹扩展速度的测量装置，所述装置包括SHPB装置，试样，高速摄像仪；其特征在于：所述试样中心预制一个圆形通孔，所述试样按SHPB装置的操作要求夹持在SHPB装置的入射杆和透射杆之间；所述高速摄像仪安装在试样圆形通孔的轴线上，且高速摄像仪镜头端面平行于试样设有圆形通孔的表面。

2.根据权利要求1所述的脆性材料动态拉伸裂纹扩展速度的测量装置，其特征在于：所述试样的形状为长方体、圆柱体中的一种；试样的材质为待测试材料。

3.根据权利要求2所述的脆性材料动态拉伸裂纹扩展速度的测量装置，其特征在于：

所述试样为长方体时，试样的高宽比h/l=1-1.5:1，其中h为试样平行于加载方向的长度，l为试样宽度，l≤h；试样厚度为w，w≤l≤h；试样的两个加载端面的平整度小于等于2‰。

4.根据权利要求2所述的脆性材料动态拉伸裂纹扩展速度的测量装置，其特征在于：

所述试样为圆柱体时，试样的厚径比t/D=0.5-1:1，t为试样厚度，D为试样外径；圆盘试样，采用对径加载的方式夹持在SHPB装置的入射杆和透射杆之间。

5.根据权利要求3或4所述的脆性材料动态拉伸裂纹扩展速度的测量装置，其特征在于：所述试样中心预制的圆形通孔，其轴线方向垂直于加载方向，通孔表面光滑，无肉眼可见人工缺陷。

6.根据权利要求5所述的脆性材料动态拉伸裂纹扩展速度的测量装置，其特征在于：所述圆形通孔半径为r，长方体试样，r取值范围为：h/10≤r≤h/6；圆柱体试样，r其取值范围为：D/10≤r≤D/6。

7.根据权利要求6所述的脆性材料动态拉伸裂纹扩展速度的测量装置，其特征在于：所述圆形通孔的半径为：5≤r≤10mm。

8.根据权利要求7所述的脆性材料动态拉伸裂纹扩展速度的测量装置，其特征在于：高速摄像仪的摄像镜头端面距试样表面的距离S为200-1500mm；高速摄像仪的拍摄速度为80000-800000帧/秒。

9.脆性材料动态拉伸裂纹扩展速度的测量方法，包括下述步骤：

首先将待测材料制作成中心预制圆形通孔的试样，圆形通孔半径为r，长方体试样，r取值范围为：h/10≤r≤h/6，圆柱体试样，r其取值范围为：D/10≤r≤D/6；然后，按SHPB装置的操作要求将试样安装在SHPB装置的入射杆和透射杆之间；调整好高速摄像仪的摄像镜头端面距试样表面的距离并设置好高速摄像仪的拍摄速度，启动SHPB装置对试样施加冲击载荷，施加的冲击载荷要求由小到大逐步递增，直至大于等于待测材料的动态抗拉强度，并致使材料开裂；施加冲击载荷的同时，高速摄像仪实时拍摄试样表面图像，自试样表面裂纹开始萌生至二次裂纹形成或裂纹扩展到试样边缘，终止试验，利用高速摄像仪标配软件PFV截取裂纹开始萌生到二次裂纹形成或裂纹扩展到试样边缘整个过程图片和视频；观察高速摄像仪拍摄的图片，图片中出现微小碎屑时的图片确定为裂纹扩展开始时间，动态拉伸裂纹扩展到二次裂纹形成或裂纹扩展到试样边缘的图片确定为裂纹扩展终止时间；根据裂纹开始萌生的图片至动态拉伸裂纹扩展到二次裂纹形成或裂纹扩展到试样边缘的图片之间的图片总数N及设定的高速摄像仪的拍摄间隔时间Δt，计算裂纹扩展时间T=NΔt；实际测量试样上按预先控制路径产生的动态拉伸裂纹长度L；按式：V_C=L/T计算动态拉伸裂纹扩展速度。

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