CN104181041A - 一种粘结界面ii型断裂能的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种粘结界面的II型断裂能的测试方法。该测试方法包括以下步骤：分别制作带有粘结界面的第一试件和带有相同粘结界面并在界面处有预制裂缝的第二试件，分别对第一试件和第二试件进行半侧拉伸或半侧压缩测试获得荷载-位移曲线，对所得曲线进行计算可以得到粘结界面的II型断裂能。本发明提供的测试方法可以有效避免测试过程中粘结界面可能出现的其他类型断裂分量，并且消除了由于其他原因引起的能量散耗对测试结果的影响，从而精确地测试粘结界面的纯II型断裂能。

Description

一种粘结界面II型断裂能的测试方法

技术领域

本发明涉及材料检测技术领域，尤其是涉及一种不同材料界面的II型断裂能的测试方法。

背景技术

材料的粘结界面对材料或结构整体的力学行为有着十分重要的影响。由于界面附近容易存在缺陷或产生应力集中，材料容易在粘结界面处或附近首先发生破坏。随着复合材料、功能材料等先进材料的应用逐渐增多，由不同材料组成的界面力学行为，特别是断裂性能，越来越受到人们的重视。

与均质材料类似，粘结界面断裂也分为三种类型，即张开型(I型)、滑移型(II型)和撕开型(III型)。断裂能定义为物体受外力作用，直至物体断裂时外力对每单位面积物体所做的功，是重要的断裂性能参数。现有方法已经能较准确测得粘结界面I型断裂的断裂能，然而对粘结界面的纯II型断裂的断裂能测定仍然缺乏有效方法。究其原因，主要是现有测试方法的几何结构和相应加载条件都难以避免测试中出现附加的I型分量，并且难以排除测试中其他原因导致的能量散耗。为了测量粘结界面的II型断裂能，需要一种可以消除测试中其他影响的有效测试方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量粘结界面的纯II型断裂能的方法。为此，本发明采用以下技术方案：

1)使用形成待测粘结界面的材料A和材料B来制作本发明的测试试件。测试试件包括第一试件和第二试件，分别如图1中1和2所示，其中11是第一试件中材料A和材料B的粘结界面，21是第二试件中材料A和材料B的粘结界面，22是第二试件中两道上下对称的预制裂缝。

第一试件是由材料A的长方体块和材料B的长方体块紧密结合共同组成的长方体，如图1中的第一试件所示。所述构成第一试件的材料A和材料B长方体块具有相同的高度(h)和厚度(b)。为了使所述试件在测试过程中具有相同刚度，材料A的长方体块长度(c₁)和材料B的长方体块长度(c₂)满足关系式：E₁c₁＝E₂c₂，采用半侧拉伸测试方法时，E₁和E₂分别取材料A和材料B的拉伸模量；采用半侧压缩测试方法时，E₁和E₂分别取材料A和材料B的压缩模量。

第二试件在第一试件的基础上在粘结界面增加两道上下对称的预制裂缝，所述的两道预制裂缝的长度与试件厚度(b)相同，且为等深裂缝。此外，为了避免由于材料不均匀性造成的初始柔度的变化远远小于由于预制裂缝不同造成的初始柔度的变化，裂缝深度(a)需要大于等于10mm，小于等于高度(h)的一半。

2)对所述的第一试件和第二试件分别进行半侧拉伸或半侧压缩测试，分别如图2(a)和图2(b)所示。

为了实现所述第一试件和第二试件粘结界面的纯II型破坏，所述的半侧拉伸或半侧压缩测试的荷载均为平行于粘结界面的均布荷载，且满布在所述试件粘结界面的同一侧。通过测量第一试件和第二试件在测试过程中的荷载以及两个加载面之间的位移，得到第一试件和第二试件的荷载-位移曲线，如图3所示。

与此同时，所述试件施加荷载一侧的材料的拉压强度比大于等于1时，采用半侧拉伸测试；反之，所述试件施加荷载一侧的材料的拉压强度比小于1时，采用半侧压缩测试。进一步地，对于半侧压缩测试，施加荷载时，所述测试试件受压侧的上下面均需放置与受压面尺寸相等，厚度大于受压面矩形较长边长度一半的钢板，以保证试验机荷载传递至受压面时荷载的均布。

3)计算粘结界面的II型断裂能

所述方法对第一试件和第二试件的测试过程中外力所做的功，在到达最大荷载前，主要被三部分能量所抵消，包括沿着粘结界面发展的II型裂缝所散耗的能量(粘结面II型断裂能)、加载端压应变能以及加载段局部破坏和塑性变形消耗的能量；在达到最大荷载之后，外力所做的功主要被受拉/受压破坏所消耗。

通过测试获得的第一试件和第二试件的荷载-位移曲线，计算如图3所示两条曲线下围的面积，从而测得粘结界面纯II型断裂能的大小。

由于第一试件和第二试件除了预制裂缝之外具有相同的几何结构、材料和加载条件，因此，第一试件和第二试件有近似相同的最大荷载，而预制裂缝使得最大荷载所对应的位移会有所不同，如图3所示。按照下式计算粘结界面的II型断裂能(G_IIF)：

$G_{\mathrm{IIF}}=\frac{1}{2\mathrm{ab}}[(F_{p2}{\mathrm{\δ}}_{p2}-{\∫}_0^{{\mathrm{\δ}}_{p2}}{F}_2\left(\mathrm{\δ}\right)\mathrm{d\δ})-(F_{p1}{\mathrm{\δ}}_{p1}-{\∫}_0^{{\mathrm{\δ}}_{p1}}{F}_1\left(\mathrm{\δ}\right)\mathrm{d\δ})]$

式中，a为预制裂缝长度，b为试件宽度，F₁(δ)为第一试件的荷载-位移曲线，F_p1为在测试过程中施加于第一试件上的最大荷载，δ_p1为在测试过程中施加于第一试件上的最大荷载对应的位移，F₂(δ)为第二试件的荷载-位移曲线，F_p2为在测试过程中施加于第二试件上的最大荷载，δ_p2为在测试过程中施加于第二试件上的最大荷载对应的位移。

通过采用上述本发明的技术方案，可以有效避免测试过程中粘结界面可能出现的I型断裂分量，并且消除了由于压缩变形等其他原因引起的能量散耗对测试结果的影响，测试方法简便，可以精确地测试粘结界面的纯II型断裂能。进一步地，当E₁和E₂为同种材料的同一模量时，所述测试方法可以测试同一种材料的II型断裂能以及同种材料的新旧部分之间的粘结界面的II型断裂能。

附图说明

图1是本发明所述测试方法所使用的试件示意图。

图2(a)是本发明所述试件的半侧拉伸测试方法示意图。

图2(b)是本发明所述试件的半侧压缩测试方法示意图。

图3是本发明所述测试方法的测试曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施例。

测定材料A和材料B的粘结界面II型断裂能，其中施加荷载一侧的材料A的拉压强度比大于1。

1)使用材料A和材料B制作第一试件和第二试件，如图1所示。

第一试件中材料A的长方体长度为c₁，厚度为b，高度为h；材料B的长方体长度为c₂，厚度为b，高度为h；粘结界面长度为b，宽度为h。其中，材料A的长方体块长度(c₁)和材料B的长方体块长度(c₂)满足关系式：E₁c₁＝E₂c₂，E₁和E₂分别是材料A和材料B的拉伸模量。

第二试件在第一试件的基础上在粘结界面增加两道上下对称的预制裂缝。两道预制裂缝是深度为a的等深裂缝，长度为b。

2)对所述的第一试件和第二试件分别进行半侧拉伸测试，如图2(a)所示。

半侧拉伸测试的荷载为平行于粘结界面的均布荷载，且满布在第一试件和第二试件的粘结界面的同一侧。测量在测试过程中施加于第一试件和第二试件上的荷载以及两个加载面之间的位移，得到第一试件和第二试件的荷载-位移曲线，如图3所示。

3)计算粘结界面的II型断裂能(G_IIF)：

$G_{\mathrm{IIF}}=\frac{1}{2\mathrm{ab}}[(F_{p2}{\mathrm{\δ}}_{p2}-{\∫}_0^{{\mathrm{\δ}}_{p2}}{F}_2\left(\mathrm{\δ}\right)\mathrm{d\δ})-(F_{p1}{\mathrm{\δ}}_{p1}-{\∫}_0^{{\mathrm{\δ}}_{p1}}{F}_1\left(\mathrm{\δ}\right)\mathrm{d\δ})]$

式中，a为预制裂缝长度，b为试件宽度；F₁(δ)为第一试件的荷载-位移曲线，如图3中的曲线1；F_p1为在测试过程中施加于第一试件上的最大荷载，如图3中的峰值点P₁；δ_p1为在测试过程中施加于第一试件上的最大荷载对应的位移；F₂(δ)为第二试件的荷载-位移曲线，如图3中的曲线2；F_p2为在测试过程中施加于第二试件上的最大荷载，如图3中的峰值点P₂；δ_p2为在测试过程中施加于第一试件上的最大荷载对应的位移。

Claims (7)

1.一种粘结界面II型断裂能的测试方法，其特征是，包括以下步骤：

1)制作所述测试方法的测试试件，包括第一试件和第二试件，第一试件是由材料A的长方体块和材料B的长方体块紧密结合共同组成的长方体，其中材料A和材料B为不同材料，第二试件在第一试件的基础上在粘结界面增加两道上下对称的预制裂缝；

2)对所述的第一试件和第二试件分别进行半侧拉伸或半侧压缩测试，并测量第一试件和第二试件在测试过程中的荷载以及两个加载面之间的位移，得到第一试件和第二试件的荷载-位移曲线；

3)按照下式计算粘结界面的II型断裂能(G_IIF)：

$G_{\mathrm{IIF}}=\frac{1}{2\mathrm{ab}}[(F_{p2}{\mathrm{\δ}}_{p2}-{\∫}_0^{{\mathrm{\δ}}_{p2}}{F}_2\left(\mathrm{\δ}\right)\mathrm{d\δ})-(F_{p1}{\mathrm{\δ}}_{p1}-{\∫}_0^{{\mathrm{\δ}}_{p1}}{F}_1\left(\mathrm{\δ}\right)\mathrm{d\δ})]$

式中，a为预制裂缝长度，b为试件宽度，F₁(δ)为第一试件的荷载-位移曲线，F_p1为在测试过程中施加于第一试件上的最大荷载，δ_p1为在测试过程中施加于第一试件上的最大荷载对应的位移，F₂(δ)为第二试件的荷载-位移曲线，F_p2为在测试过程中施加于第二试件上的最大荷载，δ_p2为在测试过程中施加于第二试件上的最大荷载对应的位移。

2.根据权利要求1所述的粘结界面Ⅱ型断裂能的测试方法中的第一试件和第二试件，其特征是，所述构成第一试件和第二试件的材料1和材料B的长方体块具有相同的高度(h)和厚度(b)，材料A的长方体块长度(c₁)和材料B的长方体块长度(c₂)满足关系式：E₁c₁＝E₂c₂，采用半侧拉伸测试方法时，E₁和E₂分别取材料A和材料B的拉伸模量，采用半侧压缩测试方法时，E₁和E₂分别取材料A和材料B的压缩模量。

3.根据权利要求1所述的粘结界面Ⅱ型断裂能的测试方法中的第二试件的两道预制裂缝，其特征是，所述的两道预制裂缝为等深裂缝，且深度(a)大于等于10mm，小于等于高度(h)的一半，长度与试件厚度(b)相同。

4.根据权利要求1所述的粘结界面Ⅱ型断裂能的测试方法中所述的半侧拉伸或半侧压缩测试，其特征是，所述的半侧拉伸或半侧压缩测试，拉伸或压缩荷载均为平行于粘结界面的均布荷载，且满布在所述第一试件和第二试件粘结界面的同一侧。

5.根据权利要求1所述的粘结界面Ⅱ型断裂能的测试方法中的半侧拉伸或半侧压缩测试，其特征是，所述试件施加荷载一侧的材料的拉压强度比大于等于1时，采用半侧拉伸测试；反之，所述试件施加荷载一侧的材料的拉压强度比小于1时，采用半侧压缩测试。

6.根据权利要求1所述的粘结界面Ⅱ型断裂能的测试方法中的半侧压缩测试，其特征是，施加荷载时，所述测试试件受压侧的上下面均需放置与受压面尺寸相等，厚度大于受压面矩形较长边长度一半的钢板。

7.根据权利要求2所述的第一试件和第二试件中的E₁和E₂，其特征是，当E₁和E₂为同种材料的同一模量，即E₁和E₂相等时，所述测试方法可以测试同一种材料的II型断裂能以及同种材料的新旧部分之间粘结界面II型断裂能。