CN104048883B - 测试脆性材料动态剪切断裂韧度的方法及其实施装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试脆性材料动态剪切断裂韧度的方法及其实施装置，通过将含预制环形裂纹圆柱型试样安装在霍普金斯压杆动力实验装置上，利用冲击弹撞击入射杆对位于入射杆与透射杆之间含预制裂纹圆柱型试样两端施加动态剪切力，根据入射杆和透射杆上的应变片所测应变值、入射杆和透射杆的横截面面积、压杆弹性模量、试样所受围压值，按本发明提出的公式计算得到脆性材料的动态剪切断裂韧度K_IIC以及所对应的加载率利用本发明方法，可以获取准脆性材料的动态剪切断裂韧度，填补了该研究领域内的空白。

Description

测试脆性材料动态剪切断裂韧度的方法及其实施装置

技术领域

本发明属于脆性材料性能测试领域，具体涉及一种利用设计有预制裂纹的圆柱型试样测试脆性材料动态剪切断裂韧度的方法及其实施装置。

技术背景

岩石、混凝土等脆性材料的剪切断裂韧度是脆性材料的一种很重要的力学性质。据发明人检索到的文献调显示，目前测定岩石、混凝土等脆性材料剪切断裂韧度，大多为在材料实验机上进行静态或者准静态下的实验测定，试样为边裂纹试样、紧凑拉伸剪切试样等。同时，前述剪切型断裂实验测试有一个重要的难题，那就是试样几何构型以及相应的实验加载条件很难避免试验中裂纹尖端出现附加的拉伸应力分量，没有实现真正意义上的纯剪切断裂，其结果便是裂纹偏离原裂纹面扩展，拉伸应力对裂纹的启裂有很大影响。对于高加载率下脆性材料的动态剪切断裂韧度，由于应力波引起的惯性效应再叠加上裂纹尖端的应力奇异性，受目前测试手段和方法的限制，一直没有成熟可行的测定方法。因此，研究开发新的脆性材料的动态剪切断裂韧度测试方法，以实现准确地测试脆性材料的剪切断裂韧度，为脆性材料在土木工程中使用提供设计依据，具有重要的理论与现实意义。

发明内容

针对现有高加载率下岩石、混凝土等脆性材料的动态剪切断裂韧度测试方法的技术现状，本发明旨在提供一种高加载率下脆性材料动态剪切断裂韧度测定方法及其实施装置，以填补现有技术测试脆性材料动态剪切断裂韧度的缺失。

本发明提供的测试脆性材料动态剪切断裂韧度的方法，将脆性材料含预制裂纹的圆柱型试样安装在霍普金斯压杆测试装置上，利用入射杆和透射杆对试样两端施加动态剪切力，根据设置在入射杆和透射杆上的应变片所测得的应变值、入射杆和透射杆横截面直径、入射杆和透射杆的弹性模量和试样所受围压值，按公式K_II(t)＝0.03039E(ε_id²+ε_rd²+ε_tD²-ε_td²)-0.0018σ计算得到脆性材料的动态剪切应力强度因子K_II(t)，由其临界值，即动态剪切应力强度因子最大值K_II,max确定动态剪切断裂韧度K_IIC和所对应加载率为其中剪切应力强度因子和动态剪切断裂韧度的单位为E为入射杆和透射杆的弹性模量，单位为GP_a；ε_i（入射波），ε_r（反射波），ε_t（透射波）分别为入射杆和透射杆上应变片所测得的应变随时间变化值（其中，入射杆上的应变片同时测定入射波和反射波产生的应变）；d为入射杆直径，单位为mm；D为入透射杆外径，单位为mm；σ为围压，单位为MP_a。

为了取得更好的技术效果，在本发明上述测试脆性材料动态剪切断裂韧度方法技术方案的基础上，可进一步采取以下技术措施。下述各项技术措施，可单独采取，也可组合采取，甚至一并采取。

在本发明的上述技术方案中，所述入射杆和透射杆对试样两端施加动态剪切力，可优先考虑采用通过冲击弹撞击设置在入射杆前端的波形整形片对试样施加动态剪切力。

在本发明的上述技术方案中，所述含预制裂纹的圆柱型试样可优先考虑采用两端预制裂纹的圆柱型试样；圆柱型试样两端所述预制裂纹优先采用相对设置的环形裂纹；圆柱型试样两端预制的环形裂纹，其直径最好不小于入射杆的直径d；裂纹宽度优先设计为0.2～1.5mm，裂纹尖端刻槽深度优先设计为不小于1mm。

实施本发明上述室内脆性材料动态剪切断裂韧度实验方法的装置，为霍普金斯压杆测试装置，主要包括冲击弹发射装置、入射杆、设置在入射杆前端的波形整形片、透射杆、贴附在入射杆和透射杆上的应变片、试样安装装置、围压室和数据采集处理系统，入射杆后端位于围压室内，前端穿过围压室的前端室体与冲击弹发射装置的发射镗对应，透射杆的前端穿过围压室后端室体伸入到围压室内与入射杆的后端相对设置，形成夹持试样安装装置的夹持副，贴附在入射杆和透射杆上的应力片与数据采集处理系统信号连接。

在本发明室内脆性材料动态剪切断裂韧度实验装置的技术方案中，可进一步采取以下技术措施：

在本发明上述装置技术方案中，可优先将所述入射杆设计为实体杆，所述透射杆设计为管型杆，且管型透射杆的管径不小于入射杆的直径。

在本发明上述装置技术方案中，所述试样安装装置可设计为两端管径分别与入射杆和透射杆外径相匹配，中间部分与圆柱型试样外径相匹配的对接套管。对接套管的结构可具体设计为具有两个不同内径的阶梯管套，小管径部分与入射杆相匹配，大管径部分与样品和透射杆外径相匹配。所述试样安装装置也可设计成由对接套管和连接环构成，所述对接套管为同一内径管，两端管径分别与连接环和透射杆外径相匹配，中间管径部分与圆柱型试样外径相匹配，连接环的内径与入射杆的外径相匹配。

在本发明上述装置技术方案中，所述波形整形片的材质为可塑性变形的材质，如塑性良好的金属铜、金属铝、高分子塑料、橡胶等。波形整形片的厚度一般控制在1～4mm，直径控制在8mm～20mm范围，通过调整波形整形片的厚度和冲击弹的撞击速度，可以得到不同强度和周期的入射波形。波形整形片的直径一般不大于入射杆的直径。

在本发明上述装置技术方案中，所述冲击弹发射装置优先采用高压气冲击弹发射装置，其发射的冲击弹直径一般与入射杆的直径相同。冲击弹发射装置当然也可采用机械冲击弹发射装置。

在本发明上述装置技术方案中，围压室可独立提供0～50MP_a的液压。

采用本发明对岩石、混凝土等脆性材料进行动态剪切断裂韧度测试实验，其操作过程和原理如下：

1、设计和调节作用于试样的围压大小，围压由围压室调控液压进行调整，对脆性材料试样施加围压。

2、高压气冲击弹发射装置，通过高压气驱动冲击弹撞击位于入射杆前端的波形整形片，形成在入射杆中传播的入射应力波，入射波由入射杆传播作用于脆性材料试样。冲击弹的撞击经塑性良好材质的波形整形片缓冲产生的入射波上升较缓，有利于实现脆性材料试样两端的动态应力平衡。

3、脆性材料试样设计为含预制环形裂纹的圆柱，裂纹法线与脆性材料试样轴线一致，使沿入射杆轴向传递的入射波对岩石试样产生剪切动力荷载。

4、装置的围压室可独立提供变化的液压施加于岩石试样。

5、数据采集处理系统通过采集贴附在入射杆和透射杆上的应变片所测得应变信号数据进行后处理。数据后处理是基于一维应力波传播原理，通过获取的入射波、反射波和透射波计算脆性材料试样的应力时程历史。

本发明提供了一种岩石、混凝土等脆性材料的剪切断裂韧度实验方法，将试样设计为含预制环形裂纹的圆柱型试样，入射杆设计为实心圆柱杆，透射杆设计成中空的管型杆，圆柱型试样位于入射杆与透射杆形成的夹持副之间，围压室施加液压于圆柱型试样，保证实验中试样处于剪切变形和破坏模式；动力荷载由冲击弹撞击入射杆而形成的入射波作用于试样来提供，从而实现在实验室内进行脆性材料的剪切断裂韧度测试实验，测定高加载率下岩石等脆性材料的动剪切断裂韧度。采用本发明对脆性材料的剪切断裂韧度进行测试，能够保障断裂试样裂纹沿裂纹面剪断，而不出现偏离原裂纹面的情况，破坏过程为高加载率下的动力剪切破坏过程，从而实现准确地测试动态剪切型断裂韧度。本发明提供的测试脆性材料的剪切断裂韧度方法，填补了该研究领域内的空白。

附图说明

图1为本发明在霍普金斯压杆上进行动态剪切断裂韧度测试的实验装置结构示意图。

图2为试样在霍普金斯压杆上装配示意图。

图3-1为本发明的试样端面结构示意图；图3-2为本发明的试样柱面结构示意图。

上述附图中各图示标号表识的对象分别：1-冲击弹发射装置；2-冲击弹；3-波形整形片；4-入射杆；5-透射杆；6-岩石试样；7-应变片；8-围压室；9-连接环；10-对接套管；11-数据采集处理系统；12-刻槽。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的具体实施例，并通过实施例对本发明作进一步的具体描述。有必要在此指出，下面的实施例只是用于更好地阐述本发明的工作原理及其实际应用，以便于其它领域的技术人员将本发明用于其领域的各种设施中，并根据各种特定用途的设想进行改进。尽管本发明已通过文字揭露其首选实施方案，但通过阅读这些技术文字说明可以领会其中的可优化性和可修改性，并在不偏离本发明的范围和精神上进行改进，但这样的改进应仍属于本发明权利要求的保护范围。

实施例1

本实施例的室内行动态剪切断裂韧度测试实验装置，其结构如附图1所示，其构成主要包括，冲击弹发射装置1、入射杆4、设置在入射杆前端的波形整形片3、透射杆5、贴附在入射杆和透射杆上的应变片7、安持圆柱型试样的安装装置、围压室8和数据采集处理系统11，入射杆后端位于围压室内，前端穿过围压室的前端室体与冲击弹发射装置的发射镗对应，透射杆的前端穿过围压室后端室体伸入到围压室内与入射杆的后端相对设置，形成夹持试样安装装置的夹持副，透射杆的后端穿过围压室后端室体，贴附在入射杆和透射杆上的应力片与数据采集处理系统信号连接。所述入射杆为实体杆，所述透射杆为管型杆，管型透射杆的管径与入射杆的直径相等。所述试样安装装置由对接套管10和连接环9构成，所述对接套管为同一内径管，两端管腔分别与连接环和透射杆相匹配，中间管腔部分与圆柱型试样外径相匹配，连接环的内径与入射杆的外径相匹配。所述波形整形片3为直径2cm、厚度3mm的铜材质圆形垫片。所述岩石试样6为含预制裂纹圆柱型试样。

测试试样6为岩石材料的圆柱型试样，其结构如图3-1和图3-2所示，圆柱型试样的两端预制环形裂纹，两端预制的环形裂纹相对设置，环形裂纹尖端制有刻槽。圆柱型岩石试样的直径D=50mm，长度L=50mm，两端预制的环形裂纹环内径d=40mm，大于入射杆的直径，环形裂纹的宽度t=1mm，入射杆作用端的环形裂纹深度a=30mm，透射杆作用端的环形裂纹深度b=5mm。

实验时，将含预制裂纹岩石试样置于围压室8内入射杆后端面与透射杆前端面之间并受围压作用，启动高压气冲击弹发射装置1的击发机构，发射冲击弹2撞击位于入射杆前端面上的波形整形片3，入射应力波通过入射杆作用于预制裂纹圆柱型试样，形成对预制裂纹圆柱型试样的动态剪切作用，由在入射杆和透射杆上贴附的应变片采集施加在试样上的应变，传输到数据采集处理系统，按公式K_II(t)＝0.03039E(ε_id²+ε_rd²+ε_tD²-ε_td²)-0.0018σ计算得到脆性材料的动态剪切应力强度因子K_II(t)，由其临界值，动态剪切应力强度因子最大值K_II,max确定高加载率下岩石等脆性材料动态剪切断裂韧度K_IIC，获得对应的动态加载率

Claims (7)

1.一种测试脆性材料动态剪切断裂韧度的方法，其特征在于，将脆性材料含预制裂纹的圆柱型试样安装在霍普金斯压杆测试装置上，利用入射杆和透射杆对试样两端施加动态剪切力，根据设置在入射杆和透射杆上的应变片所测得的应变值、入射杆直径和透射杆外径、入射杆和透射杆的弹性模量和试样所受围压值，按公式K_II(t)＝0.03039E(ε_id²+ε_rd²+ε_tD²-ε_td²)-0.0018σ计算脆性材料的动态剪切应力强度因子K_II(t)，其临界值，即动态剪切应力强度因子最大值K_II,max为动态剪切断裂韧度K_IIC，其相应的加载率为其中动态剪切应力强度因子和动态剪切断裂韧度的单位为E为入射杆和透射杆的弹性模量，单位为GP_a；ε_i，ε_r，ε_t分别为入射杆和透射杆上应变片所测得的应变随时间变化值；d为入射杆直径，单位为mm；D为透射杆外径，单位为mm；σ为围压，单位为MP_a；所述含预制裂纹的圆柱型试样为在试样两端预制裂纹的圆柱型试样，所述两端预制裂纹为相对设置的环形裂纹，尖端制有刻槽；所述入射杆为实体杆，所述透射杆为管型杆，管型透射杆的内径不小于入射杆的直径。

2.根据权利要求1所述的测试脆性材料动态剪切断裂韧度的方法，其特征在于，入射杆和透射杆对试样两端施加动态剪切力是通过冲击弹先撞击设置在入射杆前端的波形整形片，再撞击入射杆杆端来施加动态剪切力。

3.根据权利要求1所述的测试脆性材料动态剪切断裂韧度的方法，其特征在于，圆柱型试样两端预制的环形裂纹的直径不小于入射杆的直径d。

4.根据权利要求3所述的测试脆性材料动态剪切断裂韧度的方法，其特征在于，裂纹宽度为0.2～1.5mm，裂纹尖端刻槽深度不小于1mm。

5.根据权利要求1至4之一所述的测试脆性材料动态剪切断裂韧度的方法，其特征在于，所述霍普金斯压杆测试装置，主要包括冲击弹发射装置(1)、入射杆(4)、设置在入射杆前端的波形整形片(3)、透射杆(5)、贴附在入射杆和透射杆上的应变片(7)、试样安装装置、围压室(8)和数据采集处理系统(11)，入射杆后端位于围压室内，前端穿过围压室的前端室体与冲击弹发射装置的发射镗对应，透射杆的前端穿过围压室后端室体伸入到围压室内与入射杆的后端相对设置，形成夹持试样安装装置的夹持副，贴附在入射杆和透射杆上的应变片与数据采集处理系统信号连接。

6.根据权利要求5所述的测试脆性材料动态剪切断裂韧度的方法，其特征在于，所述试样安装装置为两端内径分别与入射杆直径和透射杆外径相匹配，中间与圆柱型试样外径相匹配的对接套管(10)。

7.根据权利要求5所述的测试脆性材料动态剪切断裂韧度的方法，其特征在于，所述试样安装装置由对接套管(10)和连接环(9)构成，所述对接套管为同一内径管，两端内径分别与连接环和透射杆外径相匹配，中间内径与圆柱型试样外径相匹配，连接环的内径与入射杆的直径相匹配。