CN106546482A - 用于脆性材料i‑iii复合型断裂韧度测试的试件组件及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于脆性材料I‑III复合型断裂韧度测试的试件组件及测试方法，测试组件包括带切槽的试件本体和用于支撑抵压试件本体的柱条，试件本体为正方形平板面的板块，切槽过试件本体板面的中心且切槽的槽面平行于试件本体的左右侧面、切槽贯穿试件本体的前后侧面；柱条包括位于试件本体切槽所在板面与万能试验机工作平台之间的两个支撑柱条和位于试件本体另一侧板面与万能试验机工作头之间的一个抵压柱条，支撑柱条和抵压柱条为结构相同的柱条，至少一侧为与试件本体板面构成线接触的直弧柱面。测试时采用万能试验机以位移控制的方式通过抵压柱条和支撑柱条对试件本体进行加载直至试件失效。

Description

用于脆性材料I-III复合型断裂韧度测试的试件组件及测试 方法

技术领域

本发明属于工程材料力学领域，特别涉及用于脆性材料I-III复合型断裂韧度测试的试件组件及测试方法。

背景技术

土木、石油、矿业、水利、交通等工程领域均涉及到混凝土或岩石等脆性材料的断裂问题。在油气开采、隧道掘进、爆破开挖中，需要利用断裂现象，并设法提高破岩效率，而为了保障工程结构的安全性、稳定性，又需要阻止断裂发生。断裂韧度作为表征材料抵抗裂纹扩展能力的力学参数，在工程应用与理论研究中均具有重要的价值。

在断裂力学中，根据裂纹体所受荷载方式的不同，可将断裂分为I型、II型和III型三种基本模式。I型模式指的是张开型断裂，在垂直于裂纹面的拉力作用下，两个裂纹面会张开；II型模式对应面内剪切型断裂，两个裂纹面会产生相对滑动，且滑动方向与裂纹前缘方向垂直；III型模式指的是面外剪切型(又称撕裂型)断裂，两个裂纹面的相对滑动方向与裂纹前缘方向平行。

近年来，众研究者对材料的断裂韧度测试进行了大量研究，但现有的大多数研究针对的是材料的纯I型断裂韧度，也有不少研究针对纯II型或I-II复合型断裂韧度，而对于含III型断裂的研究较少，这是因为在实验室中，对含裂纹试件施加I型和II型荷载比较容易，而要施加III型荷载通常需要十分复杂的装置。然而在实际工程中，材料所受荷载往往是I、II、III型三种基本模式中的两两组合或三者的组合，特别是对于混凝土与岩石等脆性工程材料，由于它们的抗拉性能较弱，结构往往因I型为主的复合型断裂而失效。因此，有必要开发出简便可靠的方法用于测试脆性材料的以I型断裂为主的I-III复合型断裂韧度。

朱莉提出了一种测试复合型断裂韧度的方法(三维复合型脆性断裂行为的数值计算与实验研究，哈尔滨工程大学2012年工学博士学位论文)，可测试I型、II型和III型荷载任意组合情况下的断裂韧度。该方法采用的试件形似哑铃，试件两端为用于夹持的圆柱体，每端的圆柱体带有两个相互垂直的圆形通孔，试件中间部分为带裂纹的长方体。内部夹具由两个衬套组成，衬套是通过一体加工而成的、带有圆形底座的套筒，衬套的套筒上有两个相互垂直的通孔，衬套的圆形底座上制有24个成15°等角径向分布的通孔，底座背面有一小凸台。试件通过4个销轴与两衬套进行装配。外部夹具主要由角度调节板和U型钩装配而成，其中，角度调节板由横向分度板和纵向分度板焊接而成。由以上内容可知，该方法使用的试件和配套的测试装置结构较为复杂，不便于工程应用。

发明内容

针对现有I-III复合型荷载施加难度大、需要使用结构复杂的试件并配合使用结构复杂的加载装置，以及脆性材料I-III复合型断裂韧度测试操作复杂的技术现状，本发明旨在提供用于脆性材料I-III复合型断裂韧度测试的试件组件及测试方法，以有效简化脆性材料I-III复合型断裂韧度的测试操作。

本发明提供的用于脆性材料I-III复合型断裂韧度测试的试件组件，包括带切槽的试件本体和用于支撑抵压试件本体的柱条，所述试件本体为正方形平板面的板块，板块的厚度与板面的边长之比为0.2～0.5，切槽过试件本体板面的中心且切槽的槽面平行于试件本体的左右侧面、切槽贯穿试件本体的前后侧面；所述柱条包括位于试件本体切槽所在板面与万能试验机工作平台之间的两个支撑柱条和位于试件本体另一侧板面与万能试验机工作头之间的一个抵压柱条，支撑柱条和抵压柱条为结构相同的柱条，至少一侧为与试件本体板面构成线接触的直弧柱面。

上述试件组件的技术方案中，切槽的深度与试件本体板块的厚度之比为0.4～0.6。

上述试件组件的技术方案中，切槽的宽度不超过1mm。

上述试件组件的技术方案中，试件本体板面的边长至少为100mm。

上述试件组件的技术方案中，所述支撑柱条和抵压柱条与试件本体板面相作用的直弧柱面为直圆柱面；支撑柱条和抵压柱条优选为半圆柱体或者圆柱体。

上述试件组件的技术方案中，支撑柱条和抵压柱条的长度≥试件本体板面对角线的长度。

本发明还提供了一种利用上述试件组件测试脆性材料I-III复合型断裂韧度的方法：将两个支撑柱条置于万能试验机的工作平台上，两个支撑柱条相互平行，将试件本体以切槽所在板面向下的方式置于支撑柱条上，使试件本体下板面中心到两支撑柱条的距离相等且切槽与支撑柱条之间的夹角θ控制为0°＜θ＜90°，然后将抵压柱条置于试件本体顶面上，使抵压柱条过试件上板面的中心且与支撑柱条相互平行，采用万能试验机以位移控制的方式通过抵压柱条和支撑柱条对试件本体进行加载直至试件失效，加载方向垂直于试件本体的板面，记录试件的峰值失效荷载P_max，然后根据式(I)～(III)计算I-III复合型荷载复合度为M_e时的临界I型应力强度因子K_Ic和临界III型应力强度因子K_IIIc：

式(I)～(III)中，P_max为试件的峰值失效荷载，L为试件本体板面边长，B为试件本体的厚度，a为切槽的深度，Y_I和Y_III分别为无量纲的I型和III型应力强度因子，Y_I和Y_III利用有限元数值软件计算得到，由此计算得到的K_Ic和K_IIIc即为I-III复合型荷载复合度为M_e时的I-III复合型断裂韧度。

上述脆性材料I-III复合型断裂韧度的测试方法的技术方案中，两个支撑柱条与试件本体板面的接触线之间的距离与试件本体板面的边长之比为0.80～0.95。

上述脆性材料I-III复合型断裂韧度的测试方法的技术方案中，采用万能试验机以位移控制的方式通过抵压柱条和支撑柱条对试件进行加载时，控制加载速率使试件在30～60秒失效。试件失效是指试件被破坏完全失去承载能力。

上述脆性材料I-III复合型断裂韧度的测试方法的技术方案中，无量纲的I型和III型应力强度因子Y_I和Y_III的大小与试件本体上切槽的深度，试件本体板块的厚度，两个支撑柱条与试件本体板面的接触线之间的距离与试件本体板面边长之比，以及切槽与支撑柱条之间的夹角大小等因素有关，利用有限元数值软件计算无量纲的I型和III型应力强度因子Y_I和Y_III的方法如下：

在工程界常用的ANSYS或ABAQUS等有限元数值计算软件中，建立与试件本体成任一比例的有限元数值模型，在试件本体的有限元数值模型上与试件本体加载位置对应的位置处施加任意荷载P，然后利用有限元数值计算软件计算输出裂纹尖端的I型和III型应力强度因子K_I和K_III，通过式(IV)和(V)计算得到无量纲的I型和III型应力强度因子Y_I和Y_III，

式(IV)和(V)中，L′、B′和a′为试件本体的有限元数值模型的几何参数，与试件本体中L、B和a的物理意义相同，并且这些对应的几何参数之间均呈同一比例。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提供了一种用于脆性材料I-III复合型断裂韧度测试的试件组件，由带切槽(2)的试件本体(1)和用于支撑抵压试件本体的柱条组成，该试件组件的结构简单，易于加工制作，使用该试件组件测试脆性材料I-III复合型断裂韧度时，配合普通的万能试验机即可对裂纹试件施加I-III复合型荷载，无需使用复杂的配套测试装置，有利于在工程中推广应用。

2.本发明还提供了一种测试脆性材料I-III复合型断裂韧度的新方法，该方法采用本发明所述试件组件，配合普通的万能试验机即可对裂纹试件施加I-III复合型荷载，在测试过程中也只需要记录试件的峰值失效荷载这一参数即可确定断裂韧度，避免了冗杂的多个参数测量，与现有技术相比，无需使用结构复杂的试件以及配套的加载装置，并且加载方式和测试过程简单，能有效简化脆性材料I-III复合型断裂韧度的测试操作，非常符合工程中对简便可靠的I-III复合型断裂韧度测试方法的实际需求。

3.本发明所述测试脆性材料I-III复合型断裂韧度的方法中，通过在切槽与支撑柱条之间设置夹角θ(0°＜θ＜90°)，不但能施加I-III复合型荷载，通过改变切槽与支撑柱条之间的夹角θ，而且能实现宽范围复合度下的断裂韧度测试，还能施加纯I型荷载(θ＝0°)测试材料的I型断裂韧度，具有实用性强、适用范围广的优势。

4.利用本发明所述测试脆性材料I-III复合型断裂韧度的方法，通过设置不同的切槽与支撑柱条之间的夹角θ，可获得多种荷载复合度下的I-III复合型断裂韧度，利用测得的系列I-III复合型断裂韧度结果，可用于工程结构的设计或安全评估，以及用于校验一些理论上的断裂发生判据以供工程应用，例如：当工程结构所受荷载的复合度与试件一致时，断裂韧度测试结果可以直接用于该工程结构的设计或安全评估；当工程结构所受荷载的复合度与试件不一致时，韧度测试结果可用于校验断裂力学中的一些理论上的断裂发生判据，比如最大切向应变能密度准则，再将适合的断裂判据应用于工程中。

附图说明

图1是本发明所述用于脆性材料I-III复合型断裂韧度测试的试件组件的立体图；

图2是本发明所述用于脆性材料I-III复合型断裂韧度测试的试件组件的俯视图；

图3是本发明所述用于脆性材料I-III复合型断裂韧度测试的试件组件的主视图；

图4是实施例1中不同θ角度对应的Y_I和Y_III取值曲线图；

图5是实施例1中不同θ角度对应的I-III复合型荷载的复合度M_e；

图中，1—试件本体、2—切槽、3—支撑柱条、、4—抵压柱条、L—板面的边长、B—板块的厚度、a—切槽的深度、S—两个支撑柱条与试件本体板面的接触线之间的距离、θ—切槽与支撑柱条之间的夹角、P—施加的荷载。

具体实施方式

以下通过实施例并结合附图对本发明所述用于脆性材料I-III复合型断裂韧度测试的试件组件及测试方法作进一步说明。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

本实施例中，用于脆性材料I-III复合型断裂韧度测试的试件组件的结构示意图如图1～3所示，该试件本体由混凝土块经金刚石切片机切割制作而成。

用于脆性材料I-III复合型断裂韧度测试的试件组件，由带切槽2的试件本体1和用于支撑抵压试件本体的柱条组成，所述试件本体为正方形平板面的板块，板块的厚度B＝25mm、板面的边长L＝100mm，切槽过试件本体板面的中心且切槽的槽面平行于试件本体的左右侧面、切槽贯穿试件本体的前后侧面，切槽的深度a＝10mm、切槽的宽度为1mm；所述柱条包括位于试件本体切槽所在板面与万能试验机工作平台之间的两个支撑柱条3和位于试件本体另一侧板面与万能试验机工作头之间的一个抵压柱条4，支撑柱条和抵压柱条为结构相同的柱条，均为半圆柱体，支撑柱条和抵压柱条的长度≥试件本体板面对角线的长度。

实施例2

本实施例中，用于脆性材料I-III复合型断裂韧度测试的试件组件的结构示意图如图1～3所示，该试件本体由岩石块经金刚石切片机切割制作而成。

用于脆性材料I-III复合型断裂韧度测试的试件组件，由带切槽2的试件本体1和用于支撑抵压试件本体的柱条组成，所述试件本体为正方形平板面的板块，板块的厚度B＝75mm、板面的边长L＝150mm，切槽过试件本体板面的中心且切槽的槽面平行于试件本体的左右侧面、切槽贯穿试件本体的前后侧面，切槽的深度a＝45mm、切槽的宽度为1mm；所述柱条包括位于试件本体切槽所在板面与万能试验机工作平台之间的两个支撑柱条3和位于试件本体另一侧板面与万能试验机工作头之间的一个抵压柱条4，支撑柱条和抵压柱条为结构相同的柱条，均为半圆柱体，支撑柱条和抵压柱条的长度≥试件本体板面对角线的长度。

实施例3

本实施例中，用于脆性材料I-III复合型断裂韧度测试的试件组件的结构示意图类似于图1～3，该试件本体由岩石块经金刚石切片机切割制作而成。

用于脆性材料I-III复合型断裂韧度测试的试件组件，由带切槽2的试件本体1和用于支撑抵压试件本体的柱条组成，所述试件本体为正方形平板面的板块，板块的厚度B＝40mm、板面的边长L＝200mm，切槽过试件本体板面的中心且切槽的槽面平行于试件本体的左右侧面、切槽贯穿试件本体的前后侧面，切槽的深度a＝12mm、切槽的宽度为0.8mm；所述柱条包括位于试件本体切槽所在板面与万能试验机工作平台之间的两个支撑柱条3和位于试件本体另一侧板面与万能试验机工作头之间的一个抵压柱条4，支撑柱条和抵压柱条为结构相同的柱条，均为圆柱体，支撑柱条和抵压柱条的长度≥试件本体板面对角线的长度。

实施例4

本实施例中，采用实施例1所述试件组件配合万能试验机测试脆性材料I-III复合型断裂韧度，步骤如下：

①将两个支撑柱条3置于万能试验机的工作平台上，两个支撑柱条相互平行，将试件本体以切槽所在板面向下的方式置于支撑柱条上，使试件本体下板面中心到两支撑柱条的距离相等、两个支撑柱条与试件本体板面的接触线之间的距离S与试件本体板面的边长之比为0.95，且切槽与支撑柱条之间的夹角θ控制为0°＜θ＜90°，θ的取值根据具体的试验需求进行确定，然后将抵压柱条4置于试件本体顶面上，使抵压柱条过试件上板面的中心且与支撑柱条相互平行，采用万能试验机以位移控制的方式通过抵压柱条和支撑柱条对试件本体进行加载直至试件失效，加载方向垂直于试件本体的板面，控制加载速率使试件在30～60秒失效，记录试件的峰值失效荷载P_max。

本实施例中，具体测试切槽与支撑柱条之间的夹角θ分别为0°、10°、20°、30°、40°、50°和60°时的I-III复合型断裂韧度，即共需要7个上述相同的试件组件，在测试时控制切槽与支撑柱条之间的夹角θ分别为0°、10°、20°、30°、40°、50°和60°。

②采用有限元数值软件计算0°≤θ≤65°时的无量纲的I型和III型应力强度因子Y_I和Y_III

利用有限元数值软件计算无量纲I型和III型应力强度因子Y_I和Y_III的方法如下：

在工程界常用的ANSYS或ABAQUS等有限元数值计算软件中，建立与试件本体成任一比例的有限元数值模型，在试件本体的有限元数值模型上与试件本体加载位置对应的位置处施加任意荷载P，然后利用有限元数值计算软件计算输出裂纹尖端的I型和III型应力强度因子K_I和K_III，通过式(IV)和(V)计算得到无量纲的I型和III型应力强度因子Y_I和Y_III，

式(IV)和(V)中，L′、B′和a′为试件本体的有限元数值模型的几何参数，与试件本体中L、B和a的物理意义相同，并且这些对应的几何参数之间均呈同一比例。

计算结果如图4所示，由图4可知，当切槽与支撑柱条之间的夹角θ分别为0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°时，无量纲的I型和III型应力强度因子Y_I和Y_III如表1所示。

表1θ为0°、10°、20°、30°、40°、50°和60°时的Y_I和Y_III

θ＝0°表示纯I型加载，此时Y_III＝0。

③计算特定的荷载复合度M_e时的I-III复合型断裂韧度

将步骤②中计算得到的不同θ值对应的无量纲Y_I和Y_III代入式(3)，可以求得不同θ值条件下对应的I-III复合型荷载复合度M_e，结果如图5所示。由图5可知，当切槽与支撑柱条之间的夹角θ分别为0°、10°、20°、30°、40°、50°和60°时，I-III复合型荷载复合度M_e如表2所示。

表2θ为0°、10°、20°、30°、40°、50°和60°时的M_e

M_e＝0表示裂纹试件受到纯I型荷载，M_e＝1表示裂纹试件受到纯III型荷载，0＜M_e＜1表示裂纹试件受到I-III复合型荷载。

将试件的几何参数a、L、B值(单位为mm)、步骤①中测得的峰值失效荷载P_max值(单位为N)以及步骤②中有限元数值软件计算得到的Y_I和Y_III值代入式(I)和(II)，

可计算出不同加载角度θ时的临界I型应力强度因子K_Ic和临界III型应力强度因子K_IIIc。由此计算得到的K_Ic和K_IIIc即为不同的I-III复合型荷载复合度M_e条件下的I-III复合型断裂韧度。

Claims (10)

1.一种用于脆性材料I-III复合型断裂韧度测试的试件组件，其特征在于包括带切槽(2)的试件本体(1)和用于支撑抵压试件本体的柱条，所述试件本体为正方形平板面的板块，板块的厚度(B)与板面的边长(L)之比为0.2～0.5，切槽过试件本体板面的中心且切槽的槽面平行于试件本体的左右侧面、切槽贯穿试件本体的前后侧面；所述柱条包括位于试件本体切槽所在板面与万能试验机工作平台之间的两个支撑柱条(3)和位于试件本体另一侧板面与万能试验机工作头之间的一个抵压柱条(4)，支撑柱条和抵压柱条为结构相同的柱条，至少一侧为与试件本体板面构成线接触的直弧柱面。

2.根据权利要求1所述的用于脆性材料I-III复合型断裂韧度测试的试件组件，其特征在于切槽的深度(a)与试件本体板块的厚度(B)之比为0.4～0.6。

3.根据权利要求1所述的用于脆性材料I-III复合型断裂韧度测试的试件组件，其特征在于切槽的宽度不超过1mm。

4.根据权利要求1所述的用于脆性材料I-III复合型断裂韧度测试的试件组件，其特征在于试件本体板面的边长(L)至少为100mm。

5.根据权利要求1至4之一所述的用于脆性材料I-III复合型断裂韧度测试的试件组件，其特征在于所述支撑柱条和抵压柱条与试件本体板面相作用的直弧柱面为直圆柱面。

6.根据权利要求5所述的用于脆性材料I-III复合型断裂韧度测试的试件组件，其特征在于所述支撑柱条和抵压柱条为半圆柱体或者圆柱体。

7.根据权利要求5所述的用于脆性材料I-III复合型断裂韧度测试的试件组件，其特征在于支撑柱条和抵压柱条的长度≥试件本体板面对角线的长度。

8.利用权利要求1至7之一所述试件组件测试脆性材料I-III复合型断裂韧度的方法，其特征在于：将两个支撑柱条(3)置于万能试验机的工作平台上，两个支撑柱条相互平行，将试件本体以切槽所在板面向下的方式置于支撑柱条上，使试件本体下板面中心到两支撑柱条的距离相等且切槽与支撑柱条之间的夹角θ控制为0°＜θ＜90°，然后将抵压柱条(4)置于试件本体顶面上，使抵压柱条过试件上板面的中心且与支撑柱条相互平行，采用万能试验机以位移控制的方式通过抵压柱条和支撑柱条对试件本体进行加载直至试件失效，加载方向垂直于试件本体的板面，记录试件的峰值失效荷载P_max，然后根据式(I)～(III)计算I-III复合型荷载复合度为M_e时的临界I型应力强度因子K_Ic和临界III型应力强度因子K_IIIc：

$K_{Ic}=\frac{P_{max}\sqrt{\mathrm{\π}a}}{LB}{Y}_I---\left(I\right)$

$K_{IIIc}=\frac{P_{max}\sqrt{\mathrm{\π}a}}{LB}{Y}_{III}---\left(II\right)$

$M_e=\frac{2}{\mathrm{\π}}{\tan }^{-1}\frac{Y_{III}}{Y_I}---\left(III\right)$

式(I)～(III)中，P_max为试件的峰值失效荷载，L为试件本体板面边长，B为试件本体的厚度，a为切槽的深度，Y_I和Y_III分别为无量纲的I型和III型应力强度因子，Y_I和Y_III利用有限元数值软件计算得到，由此计算得到的K_Ic和K_IIIc即为I-III复合型荷载复合度为M_e时的I-III复合型断裂韧度。

9.根据权利要求8所述的脆性材料I-III复合型断裂韧度的测试方法，其特征在于两个支撑柱条与试件本体板面的接触线之间的距离与试件本体板面的边长之比为0.80～0.95。

10.根据权利要求8所述的脆性材料I-III复合型断裂韧度的测试方法，其特征在于采用万能试验机以位移控制的方式通过抵压柱条和支撑柱条对试件进行加载时，控制加载速率使试件在30～60秒失效。