CN103954496A - 一种高自由度脆性材料直拉试验测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高自由度脆性材料直拉试验测试装置及其基于这种试验测试装置的测试方法，该直拉试验测试系统包括精确变形监测装置和陀螺对中调整装置；利用精确变形监测装置，可排除试验机和拉伸装置的变形，只获取脆性材料本身的直接拉伸变形，尤其是小尺寸脆性材料的变形；而陀螺对中调整装置左右偏转和空间旋转灵敏度高，避免了岩石、混凝土和陶瓷等脆性材料偏心拉伸和扭曲拉伸问题，可获得脆性材料的真实直接拉伸强度。本发明构造简单、操作方便、装卸容易，解决了脆性材料直接拉伸过程中偏心拉伸、扭曲拉伸和变形无法直接监测的问题，可精确获得脆性材料的直接拉伸强度、直接拉伸变形和直接拉伸应力-应变曲线。

Description

一种高自由度脆性材料直拉试验测试装置及其测试方法

技术领域

本发明属于脆性材料力学性能测试领域，涉及一种具有精确变形监测装置的高自由度脆性材料直拉试验测试装置及其测试方法。

背景技术

一般来说，岩石、混凝土、陶瓷都被认为是脆性材料，这些脆性材料抗压不抗拉，其破坏区域常从拉应力区开始，因此对脆性材料拉伸力学特性的测试有着重要的理论和工程意义。以岩石拉伸性能测试为例，研究岩石抗拉力学特性主要方法主要为巴西圆盘劈裂试验，这是一种间接获得岩石抗拉力学特性的方法，但是其结果与岩石直接拉伸结果存在一定的差距，《岩石力学与工程学报》2007年第一期的相关研究就证明了这一点。受到拉伸装置和配套装置的影响，关于脆性材料直接拉伸力学特性（包括直接抗拉强度、直接拉伸变形、直接拉伸应力-应变曲线等）的研究还较少。开展脆性材料直接拉伸试验主要存在的问题包括以下5个方面：

1、直接拉伸试验中，脆性材料断裂位置不确定，用应变片等方法监测变形不准确，无法反映脆性材料试样的真实拉伸应变；

2、将试验机位移传感器的监测数值作为脆性材料试样的拉伸变形，包括了试验机和拉伸装置的变形，有误差；

3、大部分现有拉伸装置不具有偏转结构，不能解决偏心拉伸问题；

4、少数具有偏转结构的拉伸装置，调整灵敏度低，随着力的增加而逐步调整；

5、现有拉伸装置空间旋转能力差，易造成直接拉伸过程中的扭曲拉伸。 

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种高自由度脆性材料直拉试验测试装置及其测试方法，这种试验测试装置构造简单、操作方便、装卸容易，并可以精确获得脆性材料真实直接抗拉强度、直接拉伸变形和直接拉伸应力-应变曲线。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种高自由度脆性材料直拉试验测试装置，包括结构相同的两组陀螺对中调整装置和精确变形监测装置，两组陀螺对中调整装置和精确变形监测装置沿中心线位置对称。

所述陀螺对中调整装置包括球形座、连接套筒以及材料固定套筒，所述球形座包括上、下两个半球形陀螺腔，两个半球形陀螺腔可分离，并在两侧通过螺纹件连接，上、下两个半球形陀螺腔中分别包括有球铰拉杆以及球铰连接杆，球铰拉杆和球铰连接杆的端部均设置有一个半球体座，两个半球体座贴合在两个半球形陀螺腔内壁并分别在两个半球形陀螺腔的顶部伸出有拉杆杆体以及连接杆杆体，这种结构可有效保证试验机与拉伸装置连接处、拉伸装置自身连接处均具有自行调整的能力，避免脆性材料偏心拉伸；而所述连接套筒以及材料固定套筒均为凸型支座结构，连接套筒套装在材料固定套筒上部，并在其凸起部分通过螺纹与球铰连接杆伸出半球形陀螺腔的杆体下端相连；

所述精确变形监测装置由带刻度金属刀口、旋紧定位螺丝和连接底座组成，所述连接底座侧旁开有通孔，而带刻度金属刀口从开孔处插装在连接底座中，旋紧定位螺丝从连接底座上部插入，并深入至通孔位置处，使得旋动旋紧定位螺丝时能对带刻度金属刀口在连接底座通孔的位置进行调整；

精确变形监测装置设置在陀螺对中调整装置的材料固定套筒的凸型支座侧旁，两组精确变形监测装置的带刻度金属刀口在相对的一侧连接有一个引伸计，此引伸计的安装位置对应两组陀螺对中调整装置和精确变形监测装置的对称轴位置。

在本发明中，所述球铰拉杆以及球铰连接杆的半球体座的球体表面上设置有两排钢珠，保证直接拉伸装置在较小的受力下能自行调整，避免偏心拉伸。

在本发明中，连接套筒以及材料固定套筒的底部均设置有凹腔，连接套筒的凹腔用于连接材料固定套筒，且在其连接部分通过固定销子进行限位连接，而材料固定套筒的凹腔则用于夹持脆性材料试样。

在本发明中，所述引伸计为COD引伸计，利用COD引伸计进行脆性材料试样拉伸变形的精确监测，尤其是高度在20mm~50mm的小尺寸脆性材料试样的变形，能有效排除试验机和拉伸装置变形的影响，而不是将试验机的位移传感器监测到的位移作为脆性材料的变形。

本发明的一种高自由度脆性材料直拉试验测试装置可在万能试验机上精确测定脆性材料直接拉伸的抗拉强度、拉伸变形和拉应力-应变曲线，基于上述的高自由度脆性材料直拉试验测试装置的测试方法的具体步骤如下：

① 运用高强AB胶将脆性材料试样固定在材料固定套筒上，固定过程中利用管状水准仪确保材料固定套筒保持水平和垂直，即水准仪的气泡在中央；保证精确变形监测装置的上下连接孔在同一直线上；

② 在对陀螺对中调整装置进行连接时将材料固定套筒通过固定销子与连接套筒连接，连接套筒通过螺纹连接件固连在带钢珠球的球铰连接杆上，带钢珠球的球铰连接杆与带钢珠球的球铰连接杆套装在球形座的两个半球形陀螺腔中，并在半球形陀螺腔两侧利用螺纹连接件连接在一起；

③ 固定精确变形监测装置，在精确变形监测装置的带刻度的金属刀口端面连接COD引伸计；

④ 将测试装置固定在试验机工位上，调整脆性材料直接拉伸空间，施加较小预应力，让拉伸装置自行调整，避免偏心拉伸；

⑤ 待试验测试装置稳定后即可获取脆性材料的直接拉伸强度、拉伸变形和拉伸应力-应变曲线。

本发明与国内外同类型技术相比具有如下显著的技术优势在于：

① 该装置不仅可以测试脆性材料的直接拉伸极限强度，还可以运用COD引伸计监测脆性材料的真实变形，排除了试验机和拉伸装置变形的影响；

② 该直拉试验测试系统和试验机连接处、测试系统内连接处设置了球铰，可以使装置在一定范围内左右偏转，避免了拉伸破坏时的偏心拉伸；

③ 该装置在每个球铰上设置了两排钢珠，增加了装置左右偏转和空间旋转的灵敏性，在10N的受力下装置就可以自如左右偏转和360°空间旋转，保证拉伸过程中不出现偏心拉伸和扭曲拉伸；

④ 该装置可广泛应用于矿业工程、土木工程、隧道工程、水利工程、交通工程、国防工程等领域的脆性材料直接拉伸特性测试，适用范围广，经济效益可观。

附图说明

图1为本发明的较佳实施例的装配示意图。

图2为本发明的较佳实施例的单边结构示意图。

图3为本发明的较佳实施例的精确变形监测装置细节图。

其中：1、陀螺对中调整装置；2、脆性材料试样；3、COD引伸计；4、球形座；5、钢珠；6、球铰拉杆；7、固定螺丝；8、球铰连接杆；9、连接套筒；10、固定销子；11、材料固定套筒；12、精确变形监测装置；13、带刻度金属刀口；14、材料固定套筒连接座；15、连接底座；16、旋紧定位螺丝。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参见图1、图2一种高自由度脆性材料直拉试验测试装置的较佳实施例的示意图，在本实施例中，试验测试装置包括结构相同的两组陀螺对中调整装置1和精确变形监测装置12，两组陀螺对中调整装置1和精确变形监测装置12沿COD引伸计3的中心线位置对称。

每组陀螺对中调整装置1中均包括球形座4，此球形座4包括上、下两个半球形陀螺腔，在两个半球形陀螺腔的边缘通过固定螺丝7固定，球形座4中包裹有球铰拉杆6以及球铰连接杆8，球铰拉杆6以及球铰连接杆8的基底结构均为一半球体结构，其半球体结构上设置有两组钢珠5。在球铰连接杆8的伸出的杆体末端设置有外螺纹，而在连接套筒9凸起部分上表面设置有内凹槽，此内凹槽内攻有内螺纹，此螺纹配合可实现连接套筒9与球铰连接杆8的连接，连接套筒9底部设置有凹腔，材料固定套筒11安装在连接套筒9底部，并利用固定销子10固连，另外，在材料固定套筒11侧旁还设置有精确变形监测装置12。

在本实施例中，对称两组陀螺对中调整装置1中相对的材料固定套筒11的底部均设置有凹腔，通过两组材料固定套筒11可实现对脆性材料试样2的夹持固定。

参见图3所示的本实施例的精确变形监测装置细节图，在本实施例中，精确变形监测装置12的主体结构为一个连接底座15，通过材料固定套筒连接座14与材料固定套筒11相连。此连接底座15侧旁开有通孔，并在此通孔中插装有带刻度金属刀口13，通过连接底座15可将该装置与脆性材料直拉试验测试系统连接在一起。而在连接底座15的顶部则设置有旋紧定位螺丝16，旋紧定位螺丝16深入至通孔位置处，使得旋动旋紧定位螺丝16时能对带刻度金属刀口13的长度进行精确调整。

在本实施例中，两组陀螺对中调整装置中的球铰拉杆6、钢珠5、球铰连接杆8构成该脆性材料直拉试验测试系统具的核心构件，球铰拉杆6与球铰连接杆8的半球形基体的2/3体积埋入球形座4中。

本实施例的脆性材料直接拉伸试验步骤如下：

① 运用高强AB胶将脆性材料试样2固定在材料固定套筒11内。固定过程中利用管状水准仪进行水平位置校准，确保两侧的材料固定套筒11与脆性材料试样2的组合体保持水平和垂直；并保证与连接底座15的通孔在同一直线上；

② 利用固定销子10将连接套筒9和带刻度金属刀口13、连接套筒9、材料固定套筒11连接在一起，将两侧球铰连接杆8与对应的连接套筒9通过螺纹进行连接，利用固定螺丝7对球形座4两侧进行连接，使得球铰拉杆6以及球铰连接杆8限定在球形座4的腔内。

③ 固定好精确变形监测装置12的各个组件以及COD引伸计3，监测直接拉伸过程中脆性材料试样2的变形；

④ 将脆性材料直拉试验测试系统固定在试验机上，调整适当的脆性材料试样2直接拉伸空间，施加一定的预应力，让拉伸磨具自行调整，避免偏心拉伸和扭曲拉伸；

⑤ 获取脆性材料试样2的直接拉伸强度、拉伸变形和拉伸应力-变形的相关数据，并绘制曲线。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种高自由度脆性材料直拉试验测试装置，其特征在于，包括结构相同的两组陀螺对中调整装置和精确变形监测装置，两组陀螺对中调整装置和精确变形监测装置沿中心线位置对称，

所述陀螺对中调整装置包括球形座、连接套筒以及材料固定套筒，所述球形座包括上、下两个半球形陀螺腔，两个半球形陀螺腔可分离，并在两侧通过螺纹件连接，上、下两个半球形陀螺腔中分别包括有球铰拉杆以及球铰连接杆，球铰拉杆和球铰连接杆的端部均设置有一个半球体座，两个半球体座贴合在两个半球形陀螺腔内壁并分别在两个半球形陀螺腔的顶部伸出有拉杆杆体以及连接杆杆体；而所述连接套筒以及材料固定套筒均为凸型支座结构，连接套筒套装在材料固定套筒上部，并在其凸起部分通过螺纹与球铰连接杆伸出半球形陀螺腔的杆体下端相连；

所述精确变形监测装置由带刻度金属刀口、旋紧定位螺丝和连接底座组成，所述连接底座侧旁开有通孔，而带刻度金属刀口从开孔处插装在连接底座中，旋紧定位螺丝从连接底座上部插入，并深入至通孔位置处，使得旋动旋紧定位螺丝时能对带刻度金属刀口在连接底座通孔的位置进行调整；

精确变形监测装置设置在陀螺对中调整装置的材料固定套筒的凸型支座侧旁，两组精确变形监测装置的带刻度金属刀口在相对的一侧连接有一个引伸计，此引伸计的安装位置对应两组陀螺对中调整装置和精确变形监测装置的对称轴位置。

2.根据权利要求1所述的一种高自由度脆性材料直拉试验测试装置，其特征在于，所述球铰拉杆以及球铰连接杆的半球体座的球体表面上设置有两排钢珠。

3.根据权利要求1所述的一种高自由度脆性材料直拉试验测试装置，其特征在于，连接套筒以及材料固定套筒的底部均设置有凹腔，连接套筒的凹腔用于连接材料固定套筒，且在其连接部分通过固定销子进行限位连接，而材料固定套筒的凹腔则用于夹持脆性材料试样。

4.根据权利要求1所述的一种高自由度脆性材料直拉试验测试装置，其特征在于，所述引伸计为COD引伸计。

5.一种高自由度脆性材料直拉试验测试装置的测试方法，在万能试验机上精确测定脆性材料直接拉伸的抗拉强度、拉伸变形和拉应力-应变曲线，其特征在于，具体步骤如下：

① 运用高强AB胶将脆性材料试样固定在材料固定套筒上，固定过程中利用管状水准仪确保材料固定套筒保持水平和垂直，即水准仪的气泡在中央；保证精确变形监测装置的上下连接孔在同一直线上；

② 在对陀螺对中调整装置进行连接时将材料固定套筒通过固定销子与连接套筒连接，连接套筒通过螺纹连接件固连在带钢珠球的球铰连接杆上，带钢珠球的球铰连接杆与带钢珠球的球铰连接杆套装在球形座的两个半球形陀螺腔中，并在半球形陀螺腔两侧利用螺纹连接件连接在一起；

③ 固定精确变形监测装置，在精确变形监测装置的带刻度金属刀口端面连接COD引伸计；

④ 将测试装置固定在试验机工位上，调整脆性材料直接拉伸空间，施加较小预应力，让拉伸装置自行调整；

⑤ 待试验测试装置稳定后即可获取脆性材料的直接拉伸强度、拉伸变形和拉伸应力-应变曲线。